電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì).

1、SINO WEALTH基于中穎SH79F081的電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)摘要:方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)由于力矩大，運(yùn)行可靠,在電動(dòng)車控制器中廣泛 應(yīng)用,方波驅(qū)動(dòng)最大的缺點(diǎn)在于換相時(shí)的電流突變引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，導(dǎo)致噪聲較大，但好的控制策略可以大大改善換相噪聲.電動(dòng)車控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于電流控制，本 文就電動(dòng)車控制器設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵地方加以描述.關(guān)鍵詞：電動(dòng)車控制器 直流無刷電機(jī) 換相同步整流概述電動(dòng)自行車上使用的電機(jī)普遍采用永磁直流電機(jī).所謂永磁電機(jī)，是指電機(jī)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(shí)消耗的電能 提高了電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，這對(duì)使用車載有限能源的電動(dòng)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(jī)按照電機(jī)的通電形式來分，可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩大類，有 刷電機(jī)由于采用機(jī)械換相裝置導(dǎo)致可靠性和壽命降低，因此逐漸退出電動(dòng)車市場.無刷電機(jī)又可分為有傳感器和無傳感器兩類，對(duì)于無位置傳感器的無刷電機(jī)，必 須要先將車用腳蹬起來，等電機(jī)具有一定的旋轉(zhuǎn)速度以后，控制器才能識(shí)別到無刷電 機(jī)的相位,然后控制器才能對(duì)電機(jī)供電.由于無位置傳感器無刷電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)零速度 啟動(dòng),所以現(xiàn)在生產(chǎn)的電動(dòng)車上用得較少.目前電動(dòng)車行業(yè)內(nèi)使用的無刷電機(jī)，普遍 采用有位置傳感器無刷電機(jī).有位置傳感器永磁直流無刷電機(jī)按照內(nèi)部傳感器的安裝位置不同，又可分為60度電機(jī)和120度電機(jī).在120

3、76;的霍爾信號(hào)中,不可能出現(xiàn)二進(jìn)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(dǎo)致的誤操作因?yàn)榛魻柦M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(hào)輸出就是111. 一旦霍爾零件短路，霍爾信號(hào)輸出就是000,而60°的霍爾信號(hào)在正常工作時(shí)這兩種 信號(hào)均會(huì)出現(xiàn)，所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準(zhǔn)確率因此目前市面馬達(dá)已 經(jīng)逐漸舍棄60°相位的霍爾排列.2. 永磁直流電機(jī)基本原理2.1.主回路電路1.SINO WEALT11SINO WEALTHSINO WEALTH圖中ABC表示電機(jī)的3相繞組，采用星形接法，V1V6表示功率場效應(yīng)管，

4、如果將V1V6用如下的時(shí)序波形驅(qū)動(dòng),則3相繞組會(huì)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(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場，牽引外轉(zhuǎn)子（永磁體旋轉(zhuǎn).導(dǎo)通順序3.電動(dòng)車控制器功能要求功能性要求：1. 電子換相2. 無級(jí)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(dòng)2. 過流保護(hù)3. 堵轉(zhuǎn)保護(hù)4. 電池欠壓保護(hù)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(xiàng)用專用控制芯片用加

5、上 適當(dāng)?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(shí)現(xiàn)就比較困難，所以使用單片機(jī)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(yīng)速度僅僅受限于邏輯 門的開關(guān)速度，而軟件的運(yùn)行則需要指令執(zhí)行時(shí)間要使軟件跟得上電機(jī)控制的需求 就必須要求軟件在最短的時(shí)間內(nèi)能夠正確處理換相，電流限制等各種復(fù)雜動(dòng)作，這就 涉及到一個(gè)對(duì)外部信號(hào)的采樣頻率，采樣時(shí)機(jī)，信號(hào)的內(nèi)部處理判斷及處理結(jié)果的輸 出，還有一些抗干擾措施等，這些都是軟件設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)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(jī)SH79F081,采用 優(yōu)化的單機(jī)器周期8051內(nèi)核,內(nèi)置16k Flash存儲(chǔ)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(shí)擴(kuò)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(shè)，提供周期溢出功能9集成故障檢測功能,可瞬時(shí)關(guān)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(chǔ)參數(shù).這顆IC由于CPU運(yùn)行速度和AD采樣速度都很快,PWM功能強(qiáng)大,硬件

7、抗干 擾功能多，非常適合作電動(dòng)車控制器.4.軟件實(shí)現(xiàn)下面我們挑選對(duì)控制器性能和安全比較重要的功能來討論編程中應(yīng)該注意的問題.減小換相噪聲上文已提過，無刷直流電動(dòng)機(jī)方波驅(qū)動(dòng)最大的缺點(diǎn)是換相時(shí)電流不能持續(xù)，導(dǎo)致有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，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(dòng)車剛剛起步的時(shí)候我們會(huì)發(fā)現(xiàn)換相時(shí)電機(jī)會(huì)發(fā)出很大的突突聲，這是由于電機(jī)起步時(shí)電流比較大，而電機(jī)是個(gè)感性負(fù)載，換相后由于電機(jī)線圈電流不會(huì)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(dǎo)致牽引力的急劇 變化,這種變化便會(huì)引起電機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng)，這種振動(dòng)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(shí)間使PWM脈沖占空比達(dá)到100%來使電流增長快一點(diǎn),從4.1.SINO WEALTH而減輕振動(dòng)噪聲.需要提醒的是在這個(gè)過程中我們需要隨時(shí)監(jiān)測電流變化，電流一達(dá)到換相前的水平就可以恢復(fù)換相前的 PWM占空比.方法2:延遲關(guān)閉換相MOS管,方波驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)是6步驅(qū)動(dòng),定子勵(lì)磁每 隔60度電角度跳躍一次，保證定子磁動(dòng)勢方向和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢方向夾角在60°到120°之間運(yùn)行,因?yàn)閵A角在90°時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩最大,夾角為0°或180。時(shí)沒有轉(zhuǎn)矩,現(xiàn)假設(shè)電 機(jī)正轉(zhuǎn),AB導(dǎo)通要切換到AC導(dǎo)通，此時(shí)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(dǎo)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(shí)定子磁勢幅值很小 導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低，但如果此時(shí)不關(guān)閉B,同時(shí)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(guān)閉,否則3相導(dǎo)通的合成 力矩比2相導(dǎo)通力矩大，也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng).電子剎車：電子剎車其實(shí)是將電動(dòng)機(jī)當(dāng)做發(fā)電機(jī)機(jī)運(yùn)行，因此會(huì)產(chǎn)生電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，檢測到 電子剎車信號(hào)后,cpu將上三路PWM關(guān)閉,將下三路同時(shí)打開，占空比設(shè)為某一固定 值,這樣,電機(jī)相當(dāng)于工作在

10、發(fā)電機(jī)狀態(tài)，給蓄電池充電，充電電流和下三路占空比有 關(guān)，占空比越大，則充電電流越大，剎車制動(dòng)能力越強(qiáng)，由于目前電動(dòng)車上裝配的電子 剎車都是開關(guān)信號(hào)，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(dòng)機(jī)的 特性，即使占空比固定，電子剎車時(shí)轉(zhuǎn)速越高，發(fā)電機(jī)感生電壓越高，回饋充電能力越 強(qiáng),剎車力矩越大，當(dāng)然,最好是裝配線性剎車傳感器，使用者會(huì)更方便 42恒流驅(qū)動(dòng)電流信號(hào)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(shí)時(shí)放大電流信號(hào),放大倍數(shù)大約6.5倍,放大后的信號(hào)提供給單片機(jī)進(jìn)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(hào)送至比較 器,當(dāng)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(dǎo)通時(shí), 比較器翻轉(zhuǎn)送出低電平,送給79F081的FLT引腳,無需單片機(jī)執(zhí)行程序，IC硬件會(huì) 自動(dòng)關(guān)閉PWM輸出,從而保護(hù)MOSFET避免更大傷害.電流采樣時(shí)間點(diǎn)很重要.因?yàn)槭褂肞WM脈沖驅(qū)動(dòng),這種脈沖驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的直接結(jié) 果是放大后的電流信號(hào)與PWM脈沖頻率相同，相位上滯后一定時(shí)間的脈動(dòng)電流波 形,這種波形如果沒有經(jīng)過濾波處理，將會(huì)類似于一個(gè)梯形，如果我們要獲得準(zhǔn)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(hào) ，這樣所獲得的 電流AD值才能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)電流的實(shí)際大小.在SH79F081中AD轉(zhuǎn)換的采樣 由ADCON

12、中的GO/DONE啟動(dòng)，完成一次ADC轉(zhuǎn)換分為采樣和保持兩段時(shí)間,采 樣時(shí)間內(nèi)，外部仿真輸入信號(hào)將ADC內(nèi)部采樣電容充滿,保持時(shí)間內(nèi),IC內(nèi)部逐次 比較得出A/D結(jié)果.在應(yīng)用中ADC采樣的時(shí)間一般為2卩S而轉(zhuǎn)換時(shí)間為12卩S.AD采樣啟動(dòng)與PWM中斷同步,進(jìn)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(diǎn)剛好落在電流梯形波的上邊,即 使由于PWM占空比很小時(shí)，開啟時(shí)間小于一次ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間也沒有影響，只要保 證大于采樣時(shí)間即2卩S4.3.即可，轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)即使外部輸入仿真量變化了也不會(huì)影響 ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果.這樣 采樣出來的結(jié)果實(shí)際上是PWM有效期間(為高時(shí)的電流

13、，電流控制實(shí)際是控制 平均 電流.(FLT短路保護(hù)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?yàn)槔碚撋希琍WM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(jié) 果來實(shí)時(shí)調(diào)整PWM的占空比,實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán),理論上電流閉環(huán)的 時(shí)間常數(shù)可以做到 一個(gè)PWM周期時(shí)間（60us左右.同步整流 電機(jī)是電感性負(fù)載，采用PWM開關(guān)驅(qū)動(dòng)， 在功率管關(guān)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(dòng)車工作電流可能達(dá)到20A,此 時(shí)續(xù)流二極管消耗的功率會(huì)很大，很容易導(dǎo)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(jí)和漏級(jí)是可以互換的，因此可以將互補(bǔ)的橋臂驅(qū)動(dòng) 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(guān)斷后，下橋不能立即開啟 來實(shí)現(xiàn)續(xù)流,而是需要插入一個(gè)死區(qū)時(shí)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(shí)現(xiàn)同步續(xù)流非常方便.5.總結(jié)采 用上述方案做成的電動(dòng)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(gè)晶體管. 集成死區(qū)控制功能，因此很適合用在電動(dòng)自行車控制器上，此方案實(shí)際測試效果不錯(cuò) 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