電動車無刷電機控制器軟件設(shè)計詳解

....電動車無刷電機掌握器軟件設(shè)計詳解作者:謝淵斌原作發(fā)表《電子報2023年合訂本》下冊版權(quán)保存，轉(zhuǎn)帖請注明出處本文以MICROCHIP 公司所生產(chǎn)的PIC16F72為PIC車無刷馬達掌握器的根本要求：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(消退換相噪保護3.堵轉(zhuǎn)保護3.電池欠壓保護4.節(jié)能和降5)6.性要求和安全性要求的前三項用專用的無刷馬達驅(qū)動芯片加上適當(dāng)?shù)耐鈬娐肪籑C33035，行則需要時間。要使軟件跟得上電機掌握的正確處理換相，電流限制等各種簡單動作，輸出，還有一些抗干擾措施等，這些都是軟件設(shè)計中需要一再認(rèn)真考慮的東西。PIC16F72是一款哈佛構(gòu)造，精簡指令集的共35條單字指令，0-20M的時鐘速度，所字長的FLASH程序空間，22個可用的IO3/計數(shù)器，5個8位AD口，1個比較/捕獲/脈寬調(diào)制器，8個使用PIC16F72來設(shè)計一個電動車掌握器呢？我們下面以目前市面流行的硬件設(shè)計思路和留意點。要使無刷電機轉(zhuǎn)起來，并且聽從駕駛者的調(diào)速、剎車等根本指揮，最根本的要求就是要實現(xiàn)硬件所能實現(xiàn)的電子換向和調(diào)速，剎車等功能。實際上軟件的整的過程，問題在于模塊的合理化堆砌，使堆砌后形成的整體能夠結(jié)實，協(xié)調(diào)、高效率運作。我們先說一說各種模塊功能的簡潔實現(xiàn)，然后再來爭論如何使這些模塊協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)。首先說說電子換相模塊我們知道，直流永磁電機在運轉(zhuǎn)時需要一對電刷和與線圈相對應(yīng)的換向整流子來使線圈中的電流電機，但有刷電機有一個致命的缺陷，就是電，而且功率越大，這種毛病越嚴(yán)峻，導(dǎo)致響其推廣，因此在較大功率的場合，無刷電機應(yīng)運而生。無刷電機，顧名思義就是沒有了電刷，不能自動換向，因此要依靠傳感器檢測傳感器有很多，比方光傳感器，磁感應(yīng)傳感器等，電子開關(guān)可以用大功率三極管、功率型場效應(yīng)管、IGBT等制作，在目前的絕大多數(shù)電動車三相無刷電機中均使用三個開關(guān)式的霍爾傳感器檢測永磁體相對于器輸出的六種不同信號輸出相應(yīng)的掌握信法。從電機原理可以看出，這種電機是一種特別的同步電機，因此換相必需準(zhǔn)時，否則會導(dǎo)致電機失步，從而使電機噪音增大，效鑒于以上要求，我們先必需測一下市面上一般的無刷馬達在最高轉(zhuǎn)速時(考慮到順風(fēng)和示波器測量之后得到在最高速時每相霍爾傳感器輸出的頻率或許在140HZ左右，折合到換向的最小時間，那么應(yīng)當(dāng)是 1.2mS左右換相一次，依據(jù)際的使用效果，軟件的反響時間必需在0.12mS左右，也就是說在檢測到換信任號的轉(zhuǎn)變并且輸出換相驅(qū)動信號時的過程必需在0.1-0.2mS之內(nèi)完成。流驅(qū)動，又是一個電感性負(fù)載，掌握器在運布局，布線上留意外，軟件上也要做相應(yīng)的33號完全全都時才承受該值作為換信任號的真值，假設(shè)其中一次不對，那么干脆就重3過程。取得換信任號后，我們將其與上次讀應(yīng)的驅(qū)動信號，從而驅(qū)動電子開關(guān)動作。這電機，即所謂的12060°霍爾信號，這個角度代表三個霍爾器件輸出的三相電信號僅是電平的不一樣，在馬達內(nèi)部的安裝上，位置沒什么不同，只是中間一相的相位相反，所以仍舊是六種信號對應(yīng)六種驅(qū)動，軟件上將表稍作調(diào)整即可。需要提一下的是，在120°的霍爾信號中，不行能消滅二進制0B000和0B111的編碼，所以在肯定程度上避開了因霍爾零件故障而導(dǎo)致的誤操作。由于霍爾元件是開路輸出高電平依靠電路上的上拉電阻供給，一旦霍爾零件斷電，霍爾信號輸出就是 0B111。一旦霍爾零件短路，霍爾信號輸出就是0B000，而60°的霍爾信號在正常工作時這兩種信號均會消滅，所以肯定程度上影響了軟件推斷故障的準(zhǔn)確率。目前市面馬達已經(jīng)漸漸舍棄60°相位的霍爾排列。編程提示：在程序上，我們綜合考慮單片機的處理速度承受定時中斷去源可使用TMR0，或者PWM本身的TMR2中斷。在同一個中斷中，我們還將安排其它更重要的工作，這個在后面的電流掌握中再說明編程技巧從硬件電路圖中我們看到，位置霍爾信號在PORTC口的RC4、RC5、RC6三個口輸入，以120°相位為例，假設(shè)直接讀出來，對應(yīng)十六進制值是0X10-0X60，考慮到霍爾出錯的可能，那么對應(yīng)的值是明顯這個值對今后的查表處理造成格外大的麻煩我們不行能去弄一個0X70這么大的表格而其中只放僅僅8個元素所以有必要考慮編程時的優(yōu)化，且看下面一個例程：讀取相位值的例程：READHALL:SWAPF PORTC,W ; 將PORTC 的高，低半字節(jié)交換后讀至WANDLW0X07;屏蔽掉不必要的位，MOVWFHALLTEMP;存人暫存器SWAPFPORTC,W;再次讀ANDLW0X07SUBWFHALLTEMP,W;與舊值比較BTFSSSTATUS,ZGOTOREADHALL次讀取的不一樣，則從頭再來SWAPFPORTC,W;第三次讀ANDLW0X07SUBWFHALLTEMP,W;再次比較BTFSSSTATUS,ZGOTOREADHALL;不一樣則從頭再來RETURN;三次讀取值全都，返回。這個程序中，最關(guān)鍵SWAPFPORTC,W這句，這句語句0-78死循環(huán)，但不必?fù)?dān)憂，由于要導(dǎo)致這個程序的比較便利，但查表也有很多種，在PIC16F72中，查表可以用RETLW在程序空間查，也可以用專用的讀取FLASH空間8FSR就是查表時不用去考慮查表偏移量造成程12060°可以使用同一個表格而不用切換。這個表格，我們可以放在存放器空間不太便利使用的1，在這里只是作為一個方法例如，可以讓我們看到實現(xiàn)同一個功能可以走不同的路。使用內(nèi)存查表法的驅(qū)動值獲取例程：;HALLSTARTEQU0XA1;定義霍爾-驅(qū)動表格的起始地址在BANK10XA1開頭處;HALL_DRIVER動值的內(nèi)存查表例程MOVFHALLTEMP,WHALLADDLWHALLSTART;加上表格的起始地址MOVWFFSR;放到間接讀內(nèi)存的指針中。MOVF INDF,W ;讀出驅(qū)動值 PORTB;不管返回值如何，先寫入驅(qū)動端口，SUBLWSTOP_D;與電機停頓值相比較RETURN無級調(diào)速模塊局部：由于使用直流電源，電機的速度得依靠調(diào)整加在電機兩端的電壓來調(diào)整，較簡潔的方法是使用PWM脈寬調(diào)制來調(diào)整加到電機兩端的電壓。PWM的工作周期依據(jù)電機的使用環(huán)境，承受64μS，不簡潔掌握;太高了又增加電子開關(guān)的開關(guān)損耗；PWM脈沖的寬度是調(diào)整加到電機兩壓檢測比較簡潔，人對速度的感覺很遲鈍，ADAD10mS-50mS足夠，AD的檢測在定時中斷中做，而結(jié)果時間。手柄調(diào)整速度方案，優(yōu)點是無觸電，故障率極低。缺點是在5V供電的狀況下，電壓只1.1V-4.3V的運算，或者承受查表的方法，將這期間ADPWM雖然講是無級調(diào)速，實際上分32級時人已經(jīng)感覺不出速度的微小變化了。但是有一點，依據(jù)手柄得出的PWM脈沖寬度不能直PWM所用關(guān)鍵掌握存放器及其作用：PR2：打算PWM的工作周期，也就是PWM的調(diào)制頻TMR2TMR2PR2TMR2重開頭另一個周期，由于用到TMR2，所以TMR2的預(yù)分頻器也同樣影響到PWM的CCPR1LCCP1CON4，5位：打算PWM的占空比，單片機在運行時TMR2的值不斷與CCPR1L中的值比較，當(dāng)TMR2=CCPR1L時，PWM輸出腳輸出CCPR1LPR2PWM輸出腳持續(xù)輸出高電平。留意：CCP1CON中的第PWM占空比。T2CON：打算TMR2的預(yù)分頻器的PR2共同打算PWM頻率，后分頻器打算TMR2剎車斷電模塊：電動車在剎車手柄四周裝了一個微動開關(guān)，一方面在剎車時點亮剎車平信號，各廠家不肯定，在電路上作一些電平轉(zhuǎn)換很簡潔就可以供給應(yīng)單片機一個準(zhǔn)確ADPWM以實現(xiàn)剎車斷電。編程方面我就不多說了。至于如何實現(xiàn)EBS電子剎車，我們后面在附加功能再講。4。限流驅(qū)動這是整個掌握器的靈魂，假設(shè)限流驅(qū)動沒做好，其他功能再好還是一個流，最大允許功耗都有其限制，假設(shè)沒有電流掌握，或者電流掌握不好，均會導(dǎo)致功率MOSFET的燒毀，從而導(dǎo)致整個掌握器報廢，因此電流掌握是本程序的重中之重，這其實做起來，摸到竅門也是很簡潔的，其秘訣也只有四個字：準(zhǔn)確，準(zhǔn)時電流信號經(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。具體電路見硬件局部。放大器用來實時放大電流信號，放大倍數(shù)大約6.5AD過我們所允許的值。另一路信號送至比較值，比方一只MOSFET擊穿或誤導(dǎo)通時，INT0外部中斷，使單片機能夠快速關(guān)斷驅(qū)動，從而保護MOSFET避開更大損害。我們這里所要表達的準(zhǔn)確，準(zhǔn)時兩個要素，主要是針對放大器放大之后的信號處理過程來表述的。準(zhǔn)確 圖1AD采樣和轉(zhuǎn)換的時機。我們現(xiàn)在使用的是PWM脈沖驅(qū)動，這種脈沖驅(qū)動導(dǎo)致的直接結(jié)果是放大后的電流信號與PWM脈沖頻率一樣，相位上滯后肯定時間的脈動電流波形，見圖1。這種波形會類似于一個梯形，AD好的方法就是在梯形波的上邊中間采樣電AD單片機上，AD轉(zhuǎn)換的采樣開頭時間由ADCON0中的ADON位掌握開頭，AD轉(zhuǎn)換則由ADGO位啟動，采樣時間，在單片器放大電路中，采樣的時間一般承受10-20μS統(tǒng)計時之類的以免鋪張資源而轉(zhuǎn)換時間，只要保證不小于數(shù)據(jù)手冊所規(guī)定的 1.6μS/bit的最低要求固然是越快越好這里設(shè)定為2μS/bit。那么怎樣保證采樣的準(zhǔn)確性定時中斷，我們可以設(shè)定好使定時中斷和PWMTMR2經(jīng)以PWM1:2PWMADADTMR2現(xiàn)場保護，中斷源推斷等一系列動作之后，再延時一段時間，開啟ADON的時刻，也就是對電流波形采樣的時刻剛好落在電流梯形波的前部，采樣完畢之后馬上進展轉(zhuǎn)換。在等待轉(zhuǎn)換結(jié)果出來的過程中，我們也>20μS些比方“鑒相“的工作，就是在電子換相中所AD例程：BCFPIR1,TMR2IF;6μS，TMR2中斷CALLHENGLIU;恒流查表程序，利用這個程序延時一段時間以便在適宜的時間準(zhǔn) 確 采 樣 電 流 值 。 BTFSCINTCON,INTFGOTO INTB0 ;是否過流MOVFAD_CHANNEL,W;AD檢測局部,設(shè)ADADMOVWFADCON0;CALLTIME05;大于4.5μS采樣時間FOR16F886BTFSCINTCON,INTFGOTOINTB0;是否過流BSFADCON0,GO;開頭AD轉(zhuǎn)換CALLREAD_HALL;利用AD轉(zhuǎn)換的間歇做別的事 INTCON,INTFGOTOINTB0;是否過流BTFSCADCON0,GOGOTOLOOP_TMR2掌握電流，采樣次數(shù)也是要求越多越好，由于電流的變化相當(dāng)快，在一個PWM周期中PWM周期里采樣數(shù)次，但是我們的單片機沒有這么快的速度，再說PWM的占空比在PWM周期采樣一次就夠了，但每個采樣周處理其它事情，我們兩個PWM周期才對電流采樣一次。采樣轉(zhuǎn)換之后的工作，就是處AD不需要想到PID掌握那么簡單的概念只需要在電流沒達到限制值時逐漸增加的值，直到等于手柄設(shè)定值為止，假設(shè)在此過程中電流接近限制值那么應(yīng)當(dāng)不再增加CCPR1L的值，直到電流減小。假設(shè)電流超過了限制值，則依據(jù)超過的量，找一個比較適宜的減小量，比方 CCPR1L減1或減3，一切以電流比較穩(wěn)定為準(zhǔn)，不要有太大的波動，但波動越小，我們要求PWM占空比調(diào)整精度越高。這里要提一下的是PWM區(qū)分率，以PIC16F72的條件，在16M時鐘的工作頻率和15.625K的PWM頻率前提下，PWM的占空比調(diào)整可以有10BIT的精度，可調(diào)整的為數(shù)越多，電流細調(diào)就越準(zhǔn)確但10BIT的數(shù)據(jù)涉及2個字節(jié)的運算，所以我們還是只承受8BIT的調(diào)整8BIT的精度對調(diào)整電流來說足夠。所以我們只對CCPR1L進展操作TMR21：1恒流算法--電流即時值和有效值的沖突：或許我們留意到大多數(shù)掌握器的最大電流并上看到的是電源電流的有效值，當(dāng)PWM占空比不是100%的狀況下，電流有效值≈電*PWM越小，要保證電流有效值到達我們的期望值，電流的即時值要提高，這樣就涉及一個個公式做一個表格，或者依據(jù)CCPR1L中簡單，不能占用太多的系統(tǒng)時間。電流的測消噪和降低溫升。這里就只講講換相消噪。怎樣減小換相噪聲？在電動車剛剛起步的時候我們會覺察換相時電時機發(fā)出很大的突突聲，這是由于電機起步時電流比較大，振動，這種振動噪聲我們不能完全消退，時間使PWM脈沖占空比到達100%來使電流增長快一點，從而減輕振動噪聲。需要提示的是在這個過程中我們需要隨時監(jiān)測電PWM不到以前的水平，那么最多延時十多個PWM周期即可，時間長了也沒用，以不影響到鑒相等其它重要工作為度。降低溫升這個我在《硬件電路詳解要點》中續(xù)流的概念，那么，在軟件中什么時候開頭啟；在PWM占空比到達100%時，由于沒PWM占空比接近100%時，下橋沒來得及開就被關(guān)閉，也沒有必要開，所以開啟同步續(xù)流功A占空比≤95%時開啟同步整流，由于硬件電路設(shè)計得比較完善，在軟件中，開啟同步續(xù)流只需將RB1置為低電平即可。關(guān)于電流的另一點：過流保護，當(dāng)有MOSFET擊穿或MOSFET誤導(dǎo)通時，比方死區(qū)發(fā)生器有故障時，會造成上下橋直通將電源直接短路，這樣會有很大的電流，為避開更大的損害INT0中斷，由于PIC16F72沒有中斷嵌套，因此在整個定時中斷中均要隨時檢測INT0中斷標(biāo)志，防止短路發(fā)生。一般說來，上下橋直30μS30μS后功率管就會有報銷的危急，所以在中30μS必需去檢測一次INT0的中斷標(biāo)志，假設(shè)覺察INT0中斷標(biāo)志置1，應(yīng)馬上關(guān)斷全部的驅(qū)動輸出。堵轉(zhuǎn)保護模塊為了防止電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時電流始終通過同一組MOSFET而造成永久損2秒。作，這對MOSFET也是有害的，所以也應(yīng)捆綁在一起，在電動機運行時，假設(shè)檢測到動輸出。電池過放電，將導(dǎo)致電池的永久損壞。留意欠壓保護和電池電壓上升后恢復(fù)供電這48V42V，而恢復(fù)供電點在45V，當(dāng)電池電45V掌握器頻繁進入保護狀態(tài)使騎行者感到不適。另一點要留意的是，電池是具有內(nèi)阻調(diào)低欠壓值。在一些產(chǎn)品中，當(dāng)電池電壓接近欠壓時，掌握器會減小供給電機的電流，這在一方面可以提示使用者電池處于虧欠狀態(tài)，小電流放電避開了電池的損壞；另一方面還可以使電動車連續(xù)跑動相當(dāng)長的距要格外頻繁的，所以和手柄，剎車一道，在中斷中每隔10-50ms輪番檢測一次AD值即可，檢測后的結(jié)果保存起來放在全局變量間“來處理這些值。AD通道的切換及根本程序構(gòu)造安排由于單AD能中，單片機必需完成電流，手柄，電源電ADADAD必需格外留意，通常，手柄，電源電壓變化比較緩慢，為了僅可能把資源讓給電流，手柄和電源電壓的檢測只需要20-30mS輪換向時由于消音程序需要用到電流通道的ADADAD構(gòu)造安排。定時中斷中程序構(gòu)造的一種安排：中斷保護系統(tǒng)計時————AD通道選擇————開頭AD采樣————AD轉(zhuǎn)換開頭————檢測相位變化————AD結(jié)果保存————電流推斷及處理————依據(jù)相位變化是否換向，消噪————中斷恢復(fù)并返回非中斷中的程序構(gòu)造安排：見圖2:主循環(huán)流程圖2:故障的檢測，保護及告警顯示：使用了單片機這樣的可以智能化操作的零件我們就可以做一些工作來幫助生產(chǎn)和修理由于生產(chǎn)過程中不行避開會造成一些諸如虛焊連錫之類的缺陷所以在產(chǎn)品組裝成半成品測試時就會消滅一些故障，輕則某些功能失效，重的會導(dǎo)致元器件燒毀這是老板確定不情愿看到的所以我們可以多做一些工作最大限度上避開此類問題的發(fā)生我們最擔(dān)憂的是生產(chǎn)過程中由于連錫或虛焊導(dǎo)致MOSFET燒毀，一個 MOSFET好幾塊燒一個誰都心疼幸好現(xiàn)在有單片機在開機時可以用極短的時間(或許10-20μS)全部開啟一下上橋，關(guān)閉，同時檢測電流，MOSFET可以用單片機在開啟MOSFET的同時檢測MOSFET短路，也不至于把另外一個燒掉，所以可以利用這個檢驗方法來初步檢查產(chǎn)品的好壞，也便于修理工修理。其他的故障比較好檢測，這里就不一一贅述。出了什么故障，目前一般承受LED閃耀次數(shù)來表示，次數(shù)可以自己定，也可以承受比較流行的方法：慢閃：1秒鐘閃一次，表示沒有檢測出故障?？扉W：連續(xù)閃兩次，停一下，表示剎車，或者剎車局部有故障。連續(xù)閃三次，停一下，表示INT0口始終為低電平，很有可能是比較器局部有問題。連續(xù)閃四次，停一下，表示上橋有短路現(xiàn)象連續(xù)閃五次，停一下，表示下橋有短路現(xiàn)象連續(xù)閃六次，停一下，表示電機霍爾信號有故障，或者相位選擇有誤。連續(xù)閃七次，停一下，表示剛剛發(fā)生了過流保護，INT0口有低電平脈沖消滅連續(xù)閃八次，停一下，表示電源電壓過低或給單片機供電的5V電源電壓過高。1+1車都有踏腳板，可以使用人力驅(qū)動，假設(shè)在人力驅(qū)動的同時電動機也開頭輸出一局部腳踏動踏板時霍爾感應(yīng)器感應(yīng)到磁鐵經(jīng)過便輸出頻率與踏板齒輪轉(zhuǎn)速成正比的方波，依據(jù)方波的頻率再估算一個值輸出一個對50%，所以可以推斷踏板正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，可在推動車輛倒車時還輸出助力。稱謂五花八門，一般文字的表達方法是柔性電子剎車，這個稱謂比較通俗易懂。電動機用中，一般均承受將三相線圈短路，類似再當(dāng)簡潔，僅需將上橋或下橋全部開通即可。由于靠慣性運轉(zhuǎn)的直流永磁電動機相當(dāng)于能量，所以有兩個害處：第一是車速越快時制動力越大，簡潔在高速時發(fā)生事故；其次是對MOSFET及線路損害相當(dāng)嚴(yán)峻，使零部件過熱燒毀。為了抑制這種毛病，人們在PWM作在間歇狀態(tài)，這就叫柔性剎車。最簡潔的PWM但由于電動車掌握器上橋的浮柵驅(qū)動的特別構(gòu)造，使上橋不行能工作在上橋持續(xù)開通，而下橋持續(xù)關(guān)閉的狀態(tài)，所以一般還是PWM10K在持續(xù)開通的狀況下驅(qū)動電壓缺乏而產(chǎn)生發(fā)熱，燒毀的狀況。現(xiàn)在有一個題外話不得一個道理：電動機在向電源反充電！從外表地，為何還有電流反流到電源呢？實際上，在制動過程中由于使用了所謂“柔性剎車”，不斷導(dǎo)通————就有感應(yīng)電流通過線圈————下橋地下橋線圈流通，當(dāng)下橋在關(guān)閉時，線圈中的電流不能馬上消逝，產(chǎn)生的感應(yīng)電流就會通過線圈————上橋反向二極管————電源+地下橋反向二極管————象。而且下橋?qū)ㄕ伎毡仍酱螅@個反充電流也越大。但到了100%占空比時，由于全部電流都被短路，充電電流反而沒有了。最終說明一下，這種制動方法是有風(fēng)險的，當(dāng)驚人，這對功率MOSFET是一個很大的負(fù)擔(dān)，實踐中在一個75KG的人騎行在20KM5壞。一般的做法是選用比較好的功率管，并在啟動該功能時限時使用，就是在剎車后5-8秒內(nèi)即不再有電制動，避開在長距離下學(xué)淺，肯定有很多不對的地方，期望寬闊讀者能夠斧正。/////////////////////////////////////無刷電機的相角是無刷電機的相位代數(shù)角用無刷電機常見的相位代數(shù)角有120°與60°兩種。觀看霍耳元件安裝空間位置推斷無刷電機的相角，12060°兩種相角電機的霍耳元件安裝空間位置不一樣。測量說明一下的是什么叫無刷電機的磁拉力角。121618片,其對應(yīng)的定子槽數(shù)是36槽、48槽或54槽電機在靜止?fàn)顟B(tài)時轉(zhuǎn)子磁鋼的磁力線有沿磁阻最小方向行走的特性因此轉(zhuǎn)子磁鋼所停頓的位置恰好為定子槽凸極的位置。磁鋼不會停在定子槽心的位置，這樣轉(zhuǎn)子與定子的相對位置只有36種48種或54種這有限的幾個位置因此無刷電機的最小磁拉力角就是