基于賽普拉斯CY8C24533的電動(dòng)自行車(chē)設(shè)計(jì)

1、基于CY8C24x33的電動(dòng)自行車(chē)設(shè)計(jì)議程BLDC電機(jī)基礎(chǔ)基于PSoC的BLDC電機(jī)控制電動(dòng)自行車(chē)硬件設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車(chē)控制策略與軟件設(shè)計(jì)控制器介紹電機(jī)分類電機(jī) 交流電機(jī) (AC motors) 直流電機(jī) (DC motors)異步電機(jī)同步電機(jī)單相交流電機(jī)步進(jìn)電機(jī)有刷直流電機(jī) 通用電機(jī)(AC or DC)有傳感器BLDC無(wú)傳感器 BLDC多相/三相 交流電機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)開(kāi)關(guān)磁 阻電機(jī)永磁電機(jī)BLDC優(yōu)勢(shì) 與有刷直流電機(jī)相比，BLDC具有如下一些優(yōu)勢(shì)：效率高可靠性高 (無(wú)電刷磨損) 功率/體積之比更高散熱性好更快的轉(zhuǎn)速加速速率更高，低遲滯低EMI換相時(shí)無(wú)電弧火花現(xiàn)象電機(jī)控制框圖電機(jī)的控制

2、位置/速度控制采用閉環(huán)控制法，確保電機(jī)轉(zhuǎn)速符合要求兩種電機(jī)速度/位置檢測(cè)方法：有傳感器和無(wú)傳感器電流控制過(guò)流保護(hù)最大電流保護(hù)啟動(dòng)電流控制轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩波動(dòng)越小，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)就越平穩(wěn)。轉(zhuǎn)矩控制方法：磁通，轉(zhuǎn)差率和電流等控制方法無(wú)刷直流電機(jī)相線圈通電控制RBrrggbbGcomcomRGB霍爾輸出 100110010011101001NS100110010011101001霍爾傳感器 - 120/60驅(qū)動(dòng)順序控制VDC-1 Electrical Cycle速度控制：PWM345012PWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPWM3LSector110010011001101100Halls o

3、utput000111 BLDC電機(jī)的典型應(yīng)用有位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用：無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用：風(fēng)扇 油泵 無(wú)霍爾傳感器的電動(dòng)自行車(chē)跑步機(jī)輪椅高爾夫車(chē)電動(dòng)工具工業(yè)應(yīng)用電動(dòng)自行車(chē)議程BLDC電機(jī)基礎(chǔ)基于PSoC的BLDC電機(jī)控制電動(dòng)自行車(chē)硬件設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車(chē)控制策略與軟件設(shè)計(jì)控制器介紹PSoC = Programmable System on Chip :PSoC 器件特征: 可編程模擬模塊 ADCs,DACs,過(guò)濾器， 比較器，CapSense , 可編程數(shù)字模塊 時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器，PWMs, UART,SPI,IrDA, 通訊接口：I2C, SPI, UART, IrDA M8C M

4、CU Flash：4KB - 32KB SRAM：256B 2KBPSoC (可編程片上系統(tǒng))PSoC 結(jié)構(gòu)圖1-24 MHz8-bit MCUUSBIMOProgrammable Digital0.5-3.6VD+/D-2.7-5.25VProgrammable Routing & InterconnectDebugGPIOGPIOGPIOGPIOGPIOGPIOPLL & Clock TreeLP OscWDT,RTC&Wake32 kHzConfigurable AnalogSRAME2Debug(Optional)(Optional)0.1F10nHPORLVDSleepPowerIR

5、QGPIOGPIOGPIO&SMP32 kHzXtal OscBBBBCBCBCBCBCBBBBBBBBBCBCTCTCTCTSCSCSCSCSCSCSCSCFLASHPSoC用戶模塊預(yù)先配置和定義的數(shù)字和模擬的功能塊相當(dāng)于片上外設(shè) ADCs, DACs, PGAs, FiltersTimers, Counters, PWMsUART, SPI, I2C 在PSoC Designer中雙擊即可選擇用戶模塊，它定義了初始化配置所需要的寄存器用戶模塊還包括 應(yīng)用編程接口 (APIs)中斷處理程序 (ISRs)該用戶模塊的數(shù)據(jù)手冊(cè)模擬用戶模塊可實(shí)現(xiàn)功能A/D 轉(zhuǎn)換ADCINCDELSIG8-bit

6、Successive Approximation8-bit Delta Sigma11-bit Delta Sigma12-bit Incremental7-13 bit Variable IncrementalD/A 轉(zhuǎn)換6, 8, and 9-bit6 and 8 bit multiplying濾波器2-pole Low-pass filter2-pole Band-pass filter放大器Programmable Gain AmplifierInstrumentation AmplifierInverting AmplifierCapSenseButtonsSlidersTrackp

7、ads 其他Programmable Threshold ComparatorDTMF Dialer數(shù)字用戶模塊可實(shí)現(xiàn)功能基本功能 (所有數(shù)字模塊可提供)8, 16, 24, 32-bit Timer8, 16, 24, 32-bit Counter8, 16-bit PWM8, 16-bit Dead Band Generator (2 Phase Underlapped Clock)Pseudo Random Source (PRS)Cyclic Redundancy Check (CRC) Generator通訊功能 (僅數(shù)字通訊模塊可提供)I2C MasterI2C Slave SPI

8、 MasterSPI SlaveFull Duplex UARTIrDA receiver and transmitterPSoC 的價(jià)值價(jià)值工程師生產(chǎn)部門(mén)管理層可靠，精確的應(yīng)用高效，可重復(fù)使用的平臺(tái)降低研發(fā)時(shí)間和成本，并使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)基于R&D成本，回報(bào)更高更低的BOM減少購(gòu)買(mǎi)和庫(kù)存器件簡(jiǎn)化產(chǎn)品生產(chǎn)提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性在設(shè)計(jì)中使用更少的器件PSoC的BLDC電機(jī)控制框圖硬件過(guò)流保護(hù)取樣電阻對(duì)經(jīng)過(guò)電機(jī)的電流進(jìn)行采樣過(guò)流比較器由PSoC的CT模塊實(shí)現(xiàn)，比較器的參考電壓由底層軟件設(shè)置 PSoC內(nèi)部有大量的LUT，可以方便地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字邏輯功能通過(guò)全局輸出布線資源實(shí)現(xiàn)PWM輸出到具體的GPIO口

9、的可編程配置。當(dāng)發(fā)生過(guò)流時(shí)，電機(jī)上端驅(qū)動(dòng)的PWM控制信號(hào)會(huì)由于與門(mén)的作用而輸出禁止PSoC內(nèi)的過(guò)流保護(hù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)速度控制PWM脈沖輸出信號(hào)的高電平寬度受外部的可調(diào)電位器的調(diào)整控制，當(dāng)外部的可調(diào)電位器無(wú)調(diào)整動(dòng)作時(shí)，PWM脈沖輸出信號(hào)的高電平寬度不變。電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著電機(jī)的負(fù)載變化而變化。單閉環(huán)速度控制大多數(shù)電機(jī)控制應(yīng)用都僅采用了單閉環(huán)速度控制參考速度與轉(zhuǎn)子速度之差構(gòu)成了速度PI（比例積分）環(huán)的輸入速度PI環(huán)根據(jù)參考速度與轉(zhuǎn)子速度之間的誤差值對(duì)PSoC內(nèi)的PWM用戶模塊的高電平寬度寄存器作相應(yīng)的修改閉環(huán)速度控制最大電流保護(hù)由比較器電路檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度受外部可調(diào)電位器控制PWM的高電平寬度會(huì)隨著負(fù)載變

10、化而相應(yīng)變化，從而保證速度穩(wěn)定。議程BLDC電機(jī)基礎(chǔ)基于PSoC的BLDC電機(jī)控制電動(dòng)自行車(chē)硬件設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車(chē)控制策略與軟件設(shè)計(jì)控制器介紹E-Bike 框圖 原理圖(1/4) 主控制器原理圖(2/4) 輸入/輸出原理圖(3/4) MOSFET驅(qū)動(dòng)原理圖(4/4) 逆變器議程BLDC電機(jī)基礎(chǔ)基于PSoC的BLDC電機(jī)控制電動(dòng)自行車(chē)硬件設(shè)計(jì)電動(dòng)自行車(chē)控制策略與軟件設(shè)計(jì)控制器介紹E-Bike 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖E-Bike里的BLDC電機(jī)速度控制是開(kāi)環(huán)控制PWM的高電平寬度由速度手柄決定霍爾傳感器和換相霍爾信號(hào)的變化通過(guò)IO口的中斷檢測(cè)霍爾信號(hào)有效狀態(tài)檢查： (有效狀態(tài)為6種)120 霍爾傳感器 000

11、和 001是無(wú)效狀態(tài)60霍爾傳感器 010和111是無(wú)效狀態(tài)霍爾傳感器信號(hào)與換相控制對(duì)應(yīng)關(guān)系表 換相順序霍爾傳感器失效檢測(cè) 霍爾元件失效或連接器松脫的檢測(cè)線圈停止通電，電機(jī)由于慣性將斷續(xù)旋轉(zhuǎn) 統(tǒng)計(jì)失效次數(shù)，如果真的失效，在儀表盤(pán)上顯示失效信息電子剎車(chē)(1/3)通過(guò)改變線圈電流方向就可實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向發(fā)生改變。因此，通過(guò)在電機(jī)線圈上施加反向電流就可實(shí)現(xiàn)電子剎車(chē)轉(zhuǎn)矩。 五種電子剎車(chē)方法雙側(cè)斬波 驅(qū)動(dòng)電路中的上/下兩端有兩個(gè)MOS導(dǎo)通由PWM控制單管單側(cè)斬波 驅(qū)動(dòng)電路中的上端MOS關(guān)閉，下端一個(gè)MOS管導(dǎo)通由PWM控制，其余兩個(gè)MOS關(guān)閉雙管單側(cè)斬波 驅(qū)動(dòng)電路中的上端MOS關(guān)閉，下端一個(gè)MO

12、S管導(dǎo)通由PWM控制，其余兩個(gè)MOS關(guān)閉點(diǎn)剎方式 上端MOS關(guān)閉，下端三個(gè)MOS間斷開(kāi)通抱鎖 上端MOS關(guān)閉，下端三個(gè)MOS全通幾種剎車(chē)方式比較方式特點(diǎn)雙側(cè)斬波電流波動(dòng)較小,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小,但電機(jī)轉(zhuǎn)速很低時(shí)蓄電池是有功率輸出單管單側(cè)斬波電流波形波動(dòng)較大,轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大,存在相間續(xù)流,因而電機(jī)定子繞組的銅耗較大雙管單側(cè)斬波轉(zhuǎn)矩較大, 噪聲小點(diǎn)剎力矩大,適合高速時(shí)候快速剎車(chē)抱鎖力矩大,適合低速時(shí)候快速剎車(chē)電子剎車(chē)(2/3)方式1 雙側(cè)斬波 的換相表HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall CHall BHall ASector No.Phs APhs BPhs CMOSFET -

13、ONPhs APhs BPhs CMOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-NCDC+V2, V30111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+NCV1, V20102NCDC-DC+V3, V4NCDC+DC-V1, V61103DC-NCDC+V2, V3DC+NCDC-V5, V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-NCV4, V51015NCDC+DC-V1, V6NCDC-DC+V3, V4HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall CHall BHall ASector No.Phs APhs BPhs CMOSFET -

14、ONPhs APhs BPhs CMOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-NCDC+V20111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+NCV20102NCDC-DC+V3, V4NCDC+DC-V61103DC-NCDC+V2, V3DC+NCDC-V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-NCV41015NCDC+DC-V1, V6NCDC-DC+V4方式2 單管單側(cè)斬波的換相表HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall CHall BHall ASector No.Phs APhs BPhs CMOSFET - ONPhs APhs

15、 BPhs CMOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-DC-DC+V2,V40111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+DC-V2,V60102NCDC-DC+V3, V4DC-DC+DC-V2,V61103DC-NCDC+V2, V3DC+DC-DC-V4,V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-DC-V4,V61015NCDC+DC-V1, V6DC-DC-DC+V2,V4方式3 雙管單側(cè)斬波的換相表電子剎車(chē)(3/3)剎車(chē)的安全性考慮電機(jī)及控制系統(tǒng)作為整車(chē)的一個(gè)零部件,在響應(yīng)命令的同時(shí),應(yīng)保證蓄電池的安全, 并且盡可能地提高系統(tǒng)效率為了保證蓄電池的安

16、全, 可以限制制動(dòng)功率。在忽略制動(dòng)效率和制動(dòng)電壓抬高的影響, 可根據(jù)蓄電池最大充電電流和額定電壓來(lái)確定最大制動(dòng)功率電流的監(jiān)測(cè) 在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí), 盡管制動(dòng)功率不會(huì)超出限制, 但過(guò)大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可能會(huì)超出控制器的能力(相電流超出限制)。程序設(shè)計(jì)時(shí)采用滯環(huán)控制，當(dāng)電流超出上限時(shí)候應(yīng)降低PWM占空比，反之可加大PWM占空比以提高充電效率。再生制動(dòng)能量回收在 t0t1期間, V2導(dǎo)通, 相線圈R，G儲(chǔ)存能量再生制動(dòng)能量回收電路結(jié)構(gòu)在t1t2期間, V2 關(guān)閉, 電機(jī)線圈電流不能發(fā)生突變，因此相線圈R，G的電流維持同樣的方向通過(guò)二極管D5對(duì)蓄電池充電。PWM斬波方式不同運(yùn)行狀態(tài)下，電動(dòng)自行車(chē)采用不同的PW

17、M控制方式電機(jī)正常運(yùn)行，任何時(shí)刻下橋臂有一個(gè)MOSFET常通，上橋臂有一個(gè)MOSFET實(shí)行PWM斬波。上下橋臂各有一個(gè)MOSFET實(shí)行PWM斬波。此種方式多運(yùn)行在較低的PWM占空比。ABS剎車(chē)時(shí)，任何時(shí)刻下橋臂兩MOSFET實(shí)行PWM斬波，其余MOSFET關(guān)閉電流控制最大峰值電流 允許輸出的最大瞬間電流(本設(shè)計(jì)中約為30A)，輸出超過(guò)該電流時(shí)，PWM將由硬件自動(dòng)關(guān)閉(PSoC內(nèi)部硬件配置)最大工作電流 電機(jī)堵轉(zhuǎn)或者重負(fù)載時(shí)電機(jī)能夠輸出的最大平均電流(本設(shè)計(jì)中設(shè)置為約16A)。最大工作電流由軟件控制。工作電流 正常工作時(shí)候的平均電流工作電流的通過(guò)PWM占空比來(lái)調(diào)整的，并通過(guò)采樣電阻取樣獲得實(shí)際工

18、作電流值轉(zhuǎn)把輸入設(shè)定值可計(jì)算出參考工作電流，注意需要將轉(zhuǎn)把輸入的電壓信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，因?yàn)檗D(zhuǎn)把的電壓最大和最小值不是對(duì)應(yīng)于5V和0V影響參考工作電流的因素還包括電機(jī)轉(zhuǎn)速，電池的電壓，剎車(chē)的狀態(tài)在每次電流采樣結(jié)束后，比較參考工作電流和當(dāng)前實(shí)際電流的偏差來(lái)調(diào)整PWM占空比堵轉(zhuǎn)處理正常工作時(shí)候電流較小發(fā)生堵轉(zhuǎn)或重負(fù)載時(shí)，電機(jī)在一段時(shí)間內(nèi)換相次數(shù)很少，很快進(jìn)入電流調(diào)整階段，使得電流急劇上升并達(dá)到最大工作電流(16A)在最大工作電流下保持約10秒(防止上坡電機(jī)停止并后溜)，然后電流減小到約10A，并保持2秒關(guān)閉驅(qū)動(dòng)輸出PSoC Designer工程文件程序主流程PWM中斷服務(wù)程序主要函數(shù)介紹void syst

19、em_init(void);/ 系統(tǒng)初始化void get_work_parameters(SYSSTAT *st); / 系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)置unsigned char sample_adc(); / ADC 采樣程序void init_bus_current(); / 初始化電流的各種參考值unsigned char check_mosfet(); /MOSFET漏電流檢測(cè)void inactive_ctrl(); / 關(guān)閉PWM輸出void motor_ctrlout(); / PWM輸出到管腳的設(shè)置unsigned char get_ctrlout_setni(); / 根據(jù)當(dāng)前有效的HALL輸入狀態(tài)更新輸出控制序列void check_cruise_entry(); / 巡航檢測(cè)和設(shè)定void adjust_motor_run_maxcurrent(); / 參考工作電流的調(diào)整void battery_voltage_detect(); /電池電壓檢測(cè)及相應(yīng)參數(shù)調(diào)整void process_speed_command(); / 根據(jù)轉(zhuǎn)把輸入及當(dāng)前工作狀態(tài)更新速度命令unsigned char system_status_indicator(); / 系統(tǒng)運(yùn)行