電動自行車控制器設計.

1、SINO WEALTH基于中穎SH79F081的電動自行車控制器設計摘要:方波驅(qū)動的無刷直流電機由于力矩大，運行可靠,在電動車控制器中廣泛 應用,方波驅(qū)動最大的缺點在于換相時的電流突變引起的轉(zhuǎn)矩脈動，導致噪聲較大，但好的控制策略可以大大改善換相噪聲.電動車控制器設計的難點在于電流控制，本 文就電動車控制器設計的一些關鍵地方加以描述.關鍵詞：電動車控制器 直流無刷電機 換相同步整流概述電動自行車上使用的電機普遍采用永磁直流電機.所謂永磁電機，是指電機線圈 采用永磁體激磁，不采用線圈激磁的方式.這樣就省去了激磁線圈工作時消耗的電能 提高了電機機電轉(zhuǎn)換效率，這對使用車載有限能源的電動車來講，可以降低

2、行駛電流 延長續(xù)行里程.永磁直流電機按照電機的通電形式來分，可分為有刷電機和無刷電機兩大類，有 刷電機由于采用機械換相裝置導致可靠性和壽命降低，因此逐漸退出電動車市場.無刷電機又可分為有傳感器和無傳感器兩類，對于無位置傳感器的無刷電機，必 須要先將車用腳蹬起來，等電機具有一定的旋轉(zhuǎn)速度以后，控制器才能識別到無刷電 機的相位,然后控制器才能對電機供電.由于無位置傳感器無刷電機不能實現(xiàn)零速度 啟動,所以現(xiàn)在生產(chǎn)的電動車上用得較少.目前電動車行業(yè)內(nèi)使用的無刷電機，普遍 采用有位置傳感器無刷電機.有位置傳感器永磁直流無刷電機按照內(nèi)部傳感器的安裝位置不同，又可分為60度電機和120度電機.在120

3、76;的霍爾信號中,不可能出現(xiàn)二進制000和111的編碼,所以在一定程度上避免了因霍爾零件故障而導致的誤操作因為霍爾組件是開漏輸出，高電平依靠電路上的上拉電阻提供，一旦霍爾零件斷電，霍爾信號輸出就是111. 一旦霍爾零件短路，霍爾信號輸出就是000,而60°的霍爾信號在正常工作時這兩種 信號均會出現(xiàn)，所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準確率因此目前市面馬達已 經(jīng)逐漸舍棄60°相位的霍爾排列.2. 永磁直流電機基本原理2.1.主回路電路1.SINO WEALT11SINO WEALTHSINO WEALTH圖中ABC表示電機的3相繞組，采用星形接法，V1V6表示功率場效應管，

4、如果將V1V6用如下的時序波形驅(qū)動,則3相繞組會按照AB-AC-BC-BA-CA-CB順序通電（AB表示電流由A相流向B相,產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，牽引外轉(zhuǎn)子（永磁體旋轉(zhuǎn).導通順序3.電動車控制器功能要求功能性要求：1. 電子換相2. 無級調(diào)速3. 剎車斷電4. 附加功能A. 限速B. 1+1助力C. EBS柔性電磁剎車D. 定速巡航E. 其它功能（消除換相噪音，倒車等安全性要求:1. 限流驅(qū)動2. 過流保護3. 堵轉(zhuǎn)保護4. 電池欠壓保護5. 降低溫升6. 附加功能（防盜鎖死，溫升限制等SINO WEALTH7. 附加故障檢測功能從上面的要求來看，功能性要求和安全性要求的前三項用專用控制芯片用加

5、上 適當?shù)耐鈬娐肪浑y解決,代表芯片是摩托羅拉的MC33035,早期的控制器方案 均用該集成塊解決但后來隨著競爭加劇，很多廠商都增加了不少附加功能，一些附 加功能用硬件來實現(xiàn)就比較困難，所以使用單片機來做控制的控制器迅速取代了純 硬件的專用控制芯片但是硬件控制和軟件控制有很大的區(qū)別，硬件控制的反應速度僅僅受限于邏輯 門的開關速度，而軟件的運行則需要指令執(zhí)行時間要使軟件跟得上電機控制的需求 就必須要求軟件在最短的時間內(nèi)能夠正確處理換相，電流限制等各種復雜動作，這就 涉及到一個對外部信號的采樣頻率，采樣時機，信號的內(nèi)部處理判斷及處理結果的輸 出，還有一些抗干擾措施等，這些都是軟件設計中需要仔細考

6、慮的東西.在本方案中,我們采用了一顆集成PWM發(fā)生器的8位單片機SH79F081,采用 優(yōu)化的單機器周期8051內(nèi)核,內(nèi)置16k Flash存儲器,兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源, 采用JTAG仿真方式,內(nèi)置16.6MHz振蕩器,同時擴展了如下功能：9雙DPTR指針.16位x 8乘法器和16位/8除法器.9 3通道帶死區(qū)控制PWM,6路輸出,輸出極性可設，提供周期溢出功能9集成故障檢測功能,可瞬時關閉PWM輸出.9提供硬件抗干擾措施.9集成高速10bit ADC.9提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEROM,方便存儲參數(shù).這顆IC由于CPU運行速度和AD采樣速度都很快,PWM功能強大,硬件

7、抗干 擾功能多，非常適合作電動車控制器.4.軟件實現(xiàn)下面我們挑選對控制器性能和安全比較重要的功能來討論編程中應該注意的問題.減小換相噪聲上文已提過，無刷直流電動機方波驅(qū)動最大的缺點是換相時電流不能持續(xù)，導致有轉(zhuǎn)矩脈動，因此衡量控制器好壞很大程度上是取決于換相是否能做好.在電動車剛剛起步的時候我們會發(fā)現(xiàn)換相時電機會發(fā)出很大的突突聲，這是由于電機起步時電流比較大，而電機是個感性負載，換相后由于電機線圈電流不會一下增大到換相前的水平，這樣就造成換相前后電流反差非常大，從而導致牽引力的急劇 變化,這種變化便會引起電機強烈振動，這種振動噪聲不能完全消除，但可以采取一 些措施減小噪聲方法1：在換相后的一段

8、時間使PWM脈沖占空比達到100%來使電流增長快一點,從4.1.SINO WEALTH而減輕振動噪聲.需要提醒的是在這個過程中我們需要隨時監(jiān)測電流變化，電流一達到換相前的水平就可以恢復換相前的 PWM占空比.方法2:延遲關閉換相MOS管,方波驅(qū)動直流無刷電機是6步驅(qū)動,定子勵磁每 隔60度電角度跳躍一次，保證定子磁動勢方向和轉(zhuǎn)子磁動勢方向夾角在60°到120°之間運行,因為夾角在90°時轉(zhuǎn)動力矩最大,夾角為0°或180。時沒有轉(zhuǎn)矩,現(xiàn)假設電 機正轉(zhuǎn),AB導通要切換到AC導通，此時AB繞組通電產(chǎn)生的定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢 夾角為60°,如果正常切換到

9、AC導通,則AC繞組通電后,定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角 變?yōu)?20。，由于切換到AC通電后電流要從0開始爬升，因此此時定子磁勢幅值很小 導致轉(zhuǎn)矩降低，但如果此時不關閉B,同時將下橋C打開,則定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢的 夾角變?yōu)?0°,而且由于AB相電流基本沒有變化，而C相電流還很小，因此換相前 后轉(zhuǎn)矩變化很小，但要注意，等C相電流爬升后要將B相關閉,否則3相導通的合成 力矩比2相導通力矩大，也會發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動.電子剎車：電子剎車其實是將電動機當做發(fā)電機機運行，因此會產(chǎn)生電磁制動轉(zhuǎn)矩，檢測到 電子剎車信號后,cpu將上三路PWM關閉,將下三路同時打開，占空比設為某一固定 值,這樣,電機相當于工作在

10、發(fā)電機狀態(tài)，給蓄電池充電，充電電流和下三路占空比有 關，占空比越大，則充電電流越大，剎車制動能力越強，由于目前電動車上裝配的電子 剎車都是開關信號，使用者無法調(diào)整剎車力矩，完全由控制器決定，不過由電動機的 特性，即使占空比固定，電子剎車時轉(zhuǎn)速越高，發(fā)電機感生電壓越高，回饋充電能力越 強,剎車力矩越大，當然,最好是裝配線性剎車傳感器，使用者會更方便 42恒流驅(qū)動電流信號經(jīng)康銅絲采樣之后分兩路，一路送至放大器，一路送至比較器放大器 用來實時放大電流信號,放大倍數(shù)大約6.5倍,放大后的信號提供給單片機進行 AD 采樣轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換所得數(shù)字用來控制電流不超過我們所允許的值 .另一路信號送至比較 器,當電流

11、突然由于某種原因大大超過允許值,比如一只MOSFET擊穿或誤導通時, 比較器翻轉(zhuǎn)送出低電平,送給79F081的FLT引腳,無需單片機執(zhí)行程序，IC硬件會 自動關閉PWM輸出,從而保護MOSFET避免更大傷害.電流采樣時間點很重要.因為使用PWM脈沖驅(qū)動,這種脈沖驅(qū)動導致的直接結 果是放大后的電流信號與PWM脈沖頻率相同，相位上滯后一定時間的脈動電流波 形,這種波形如果沒有經(jīng)過濾波處理，將會類似于一個梯形，如果我們要獲得準確的 電流AD轉(zhuǎn)換值,最好的辦法就是在梯形波的上邊中間采樣電流信號 ，這樣所獲得的 電流AD值才能較為準確地反應電流的實際大小.在SH79F081中AD轉(zhuǎn)換的采樣 由ADCON

12、中的GO/DONE啟動，完成一次ADC轉(zhuǎn)換分為采樣和保持兩段時間,采 樣時間內(nèi)，外部仿真輸入信號將ADC內(nèi)部采樣電容充滿,保持時間內(nèi),IC內(nèi)部逐次 比較得出A/D結果.在應用中ADC采樣的時間一般為2卩S而轉(zhuǎn)換時間為12卩S.AD采樣啟動與PWM中斷同步,進入PWM中斷處理城市后,先執(zhí)行一些 PWM事件的處理,然后開啟AD采樣,這樣采樣點剛好落在電流梯形波的上邊,即 使由于PWM占空比很小時，開啟時間小于一次ADC轉(zhuǎn)換時間也沒有影響，只要保 證大于采樣時間即2卩S4.3.即可，轉(zhuǎn)換時間內(nèi)即使外部輸入仿真量變化了也不會影響 ADC轉(zhuǎn)換結果.這樣 采樣出來的結果實際上是PWM有效期間(為高時的電流

13、，電流控制實際是控制 平均 電流.(FLT短路保護是控制瞬態(tài)電流.因此需要乘上PWM占空比得到平均電流，因為理論上，PWM周期內(nèi)無效（低電平期間主回路上是沒有電流的根據(jù)電流采樣的結 果來實時調(diào)整PWM的占空比,實現(xiàn)電流閉環(huán),理論上電流閉環(huán)的 時間常數(shù)可以做到 一個PWM周期時間（60us左右.同步整流 電機是電感性負載，采用PWM開關驅(qū)動， 在功率管關斷期間由于電流不能突變，必須要有續(xù)流回路，功率MOSFET 般內(nèi)置 有續(xù)流二極管，但是續(xù)流二極管壓降在1V左右,而電動車工作電流可能達到20A,此 時續(xù)流二極管消耗的功率會很大，很容易導致發(fā)熱燒毀因此必須另外提供續(xù)流回路 44我們知道功率MOSF

14、ET,源級和漏級是可以互換的，因此可以將互補的橋臂驅(qū)動 開啟建立續(xù)流回路，從而大大降低功耗.但需注意，上橋在關斷后，下橋不能立即開啟 來實現(xiàn)續(xù)流,而是需要插入一個死區(qū)時間以避免上下橋臂直通造成電源短路.79F081有6路pwm輸出，內(nèi)部集成上下橋死區(qū)控制，因此實現(xiàn)同步續(xù)流非常方便.5.總結采 用上述方案做成的電動車控制器，無需外加門電路，CPU執(zhí)行速度和ADC轉(zhuǎn)換速 度 都足夠滿足電流閉環(huán)速度要求,PWM六路輸出直接控制3相全控橋的6個晶體管. 集成死區(qū)控制功能，因此很適合用在電動自行車控制器上，此方案實際測試效果不錯 目前已經(jīng)量產(chǎn).附:方案原理圖+15V +5V J14 1 J16 1 MO

15、S_POWER J17 1 DIG_POWER J18 1 GND ? ? ? ? ? +48V_A +48V MCU_POWER J13 1 MCU_POWER J12 1 MCU_POWER J11 1 MCU_POWER +5V +5V +5V J8 1 GND J15 1 GND J10 1 GND J4 1 J7 1 BK_H BREAK_HIGH ? ? ? ? ? ? BK_L BREAK_LOW +5V J22 1 DRIVER_POWER HAND R66 4.7K J6 1 ALARM J9 1 CRUISE 47uF/63V J5 1 EN_ABS ABS_ENABLE

16、J21 1 CON1 HC PWM0.5 AH R20 2k2 Q2 R21 2K2 S5551 D2 Q7 +15V D12 +48V_A R1 510/3W C1 1000uF/63V C2 0.1uF U1 LM317 3 Vin ADJ 1 R3 5.1K +5V R58 R59 R60 R61 C29 C30 C31 472 472 472 HA HB HC R47 R48 R49 R65 R50 1K 1K 1K 1K FAULT_IN C5 +5V C10 0.1uF C6 C7 C14 47uF/25V 0.1uF 0.1uF 0.1uF 1K 1K 1K ALARM 3.3K

17、 3.3K 3.3K C18 R37 R55 1.8k PGND +5V 330K R56 C4 0.1uF 10K R38 LM358 U3B 6 7 5 PGND I_SAMPLE R42 1.2K R46 1K 3 + 2 C34 101 U3A 1 LM358 4 FAULT_IN 8 TMS TDI TCK DIR 60/120 +5V EN_ABS R51 CRUISE_SEL R52 TDO/INT43 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 IO0.6 100K IO0.6 U2 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17

18、16 15 R53 C8 0.1uF R4 5.1K 1K R62 CL BH AL BL AH CH P2.2 P2.1 IO0.6 R54 1K LED +5V 102 10K R43 20K R45 1K +5V J1 1 3 5 7 9 JTAG 2 4 6 8 10 IO0.6 Q15 +15V TCK TDI TMS TDO/INT43 IO0.6 R16 510 R35 2k2 R30 2k2 Q5 Q18 C21 102 R41 CL S8550 0.01 PGND 75NF75 D10 R17 510 IO0.6 47uF/63V CH R32 2k2 Q6 R33 2K2

19、S5551 S8550 D6 1N4148 R11 51 R40 10k 2.2K R44 20K BK_L BK_H C32 0.01uF R63 C33 0.01uF 2.2K INPUT0.8 INPUT0.8 M5 PWM0.5 S8550 PWM0.5 Q16 C25 2k2 Q17 R34 75NF75 C22 102 D5 1N4148 R10 51 HAND I_SAMPLE C9 0.1uF R57 330K R25 2k2 D9 S5551 FS1M +48V C28 104 PGND +48V_A BL R24 2k2 Q3 +15V +5V Vout 2 R2 470

20、C12 47uF/25V C3 0.1uF C13 47uF/25V +15V R5 51 3 U4 78L05 Vin GND 2 Vout 1 IO0.6 1N4001 +5V IO0.6 J24 4 3 2 1 C15 100uF/25V TEST TEST? ? S1 3 2 1 R64 +5V 2K LED R27 2K2 BH D11 DIR_SEL DIR 47uF/63V R26 2k2 Q4 S5551 D4 Q11 +15V R14 510 R29 Q14 2k2 S8550 C19 102 S8550 75NF75 1N4148 R9 51 R39 10k +5V TDO/INT43 P2.2 P2.1 J23 PWM0.5 7 6 5 4 3 2 1 PWM_TEST S8550 Q12 R15 510 C24 2k2 Q13 R28 75NF75 C20 102 AH BH CH AL BL CL AL R18 2k2 Q1 +15V R12 PWM0.5 2k2 S8550 510 R23 Q10 C16 102 S8550 75