電機控制器中PSoC的探究與應(yīng)用

引言

控制工業(yè)的發(fā)展使得在很多場合下需要使用體積小、功能強的控制器。例如在電動自行車上，為了不在外觀上對車身產(chǎn)生重大的影響（這實際上是行業(yè)標準的要求之一），電機作為后輪的一部分，電池（雖然體積不小）也盡量安裝在不甚矚目的地方。這樣的總體要求使得電機控制器也必須在完成所需功能的前提下，盡可能地小巧。這樣的要求歸結(jié)到電路的層次就要求選取盡量少和盡量小的元件來實現(xiàn)控制功能。幸運的是，大規(guī)模集成電路的發(fā)展使得這樣的實現(xiàn)成為可能。Cypress Microsystems， Inc.的PSoC系列就是一種新型的功能強大的控制器優(yōu)選IC，利用它可以極大程度地減少外圍電路。

1 PSoC 及其特點

PSoC 即可編程片上系統(tǒng)（Programmable System on Chip）。Cypress Microsystems， Inc.的PSoC Cy8c24xxx 系列片內(nèi)有一個高速內(nèi)核、Flash 快速閃存和SRAM 數(shù)據(jù)內(nèi)存，以及設(shè)計者可配置的模擬和數(shù)字模塊。其主要特征如下：

■ 功能強大的 Harvard 結(jié)構(gòu)處理器：M8C 處理器速度可達24MHz；8×8 乘法，32 位加法。

■ 先進的外圍電路（PSoC Blocks）：6 個模擬PSoC Block 提供多至14 位ADC、多至8 位DAC、可編程放大器、可編程濾波器和比較器；4 個數(shù)字PSoC Block 提供8-32 位定時器、計數(shù)器和PWM、可連至所有GPIO 引腳、可組合成復(fù)雜的外圍電路。

■ 靈活的片上存儲器：4K 字節(jié)Flash 程序存儲，50，000 次擦寫；256 字節(jié)SRAM 數(shù)據(jù)存儲；在系統(tǒng)編程。

■ 可編程的引腳配置：所有GPIO 25mA 驅(qū)動；上拉、下拉、高阻、強力及開路驅(qū)動模式。

■ 其他系統(tǒng)資源：看門狗和睡眠定時器等。

■ 完善的開發(fā)工具：免費的開發(fā)軟件 PSoC Designer；全功能在線仿真器和編程器。

PSoC 將傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)集成在一顆芯片里，用戶模擬和數(shù)字陣列的可配置性是其最大特點，可供開發(fā)者隨需配置。

2 控制器需要實現(xiàn)的功能

設(shè)計的控制器用于電動自行車上直流電機的控制，具有如下一些功能：

（1） 根據(jù)電動手柄或腳踏傳感器的輸入，輸出相應(yīng)脈寬的PWM 值，改變驅(qū)動電流，從而達到改變電機轉(zhuǎn)速的功能；

（2） 定時巡航功能：若手柄或腳踏輸出在一段時間內(nèi)不變，則不再響應(yīng)新的輸入而保持固定的PWM 脈寬輸出，直到輸出超過10%；

（3） 安全方面的考慮。限速：限速開關(guān)閉合則控制電機最大速度不超過某定值；剎車：檢測到剎車信號，則停止所有輸出，剎車信號取消后系統(tǒng)重新啟動；

（4） 車速輸出指示：通過測量Hall 傳感器信號檢測車速，送車速指示表盤；

（5） 產(chǎn)生一個50kHz 的時鐘信號，送驅(qū)動電路。

另外，為保證系統(tǒng)的健壯性（Robustness），對于一些偶然的誤操作或外部條件的突然改變應(yīng)有一定的容錯功能。

（1） 過流保護：電流過大會損壞電路中的元器件，從而影響系統(tǒng)的正常工作。因此，過流保護是一項重要的措施；

（2） 電池欠壓保護：電池的電壓過低時繼續(xù)工作會嚴重影響電池的壽命。因此，需要欠壓保護來提示用戶；

（3） 溫度保護：電路中溫度過高會影響元器件的正常工作，所以對此也要采取適當?shù)拇胧?/p>

3 控制器設(shè)計和實現(xiàn)

3.1 PSoC 設(shè)置

根據(jù)設(shè)計要求，選用CY8C24423，首先考慮對PSoC 進行設(shè)置，如圖1。系統(tǒng)中選用了多種內(nèi)部模塊。如表1。內(nèi)部模塊設(shè)置完成后，對相應(yīng)的管腳進行配置，包括I/O 設(shè)定和中斷方式設(shè)定等。另外，對全局資源進行設(shè)置。本系統(tǒng)中主要的參數(shù)有： CPU 時鐘24MHz、工作電壓5V、睡眠定時512Hz（供看門狗定時用）。

圖1 控制器中PSoC設(shè)置

3.2 控制電路設(shè)計

如 3.1 所述，由于大部分功能都可以通過PSoC 實現(xiàn)，因此硬件電路的設(shè)計相對簡單。圖2 給出了系統(tǒng)中電路框圖。

圖2 控制器電路框圖

控制電路對輸入的電流、電池電壓、手柄電壓和溫度電壓送入A/D 采樣；腳踏電壓采用中斷方式，根據(jù)脈沖寬度判斷車速和施加在腳踏傳感器上的力的大小，送出相應(yīng)的PWM，實現(xiàn)助力；剎車中斷作為一個獨立的中斷源，具有最高的優(yōu)先級。PWM 輸出對于電機的上臂和下臂采用不同的處理。上臂信號直接輸出，而下臂信號在與Hall 傳感信號“與”后輸出。

3.3 控制軟件設(shè)計

系統(tǒng)的核心部分是軟件的設(shè)計。圖3 給出了系統(tǒng)運行的總體流程。

圖3 控制器軟件流程

其中，SA、SB 和SC 分別為Hall 傳感器輸入的電機位置信號，根據(jù)他們來確定送往電機控制上臂（AT/BT/CT）和下臂（AB/BB/CB）的驅(qū)動信號。主程序根據(jù)優(yōu)先級對可能出現(xiàn)異常的參數(shù)進行輪詢。若一切正常，則所需操作就是取得手柄或腳踏輸入轉(zhuǎn)換為PWM 輸出驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。對于手柄電壓和電流保護采樣，放在PWM 中斷中實現(xiàn)，將在下文說明。使用PSoC 進行程序設(shè)計，可有兩種選擇——匯編或C 語言實現(xiàn)。即使在匯編程序中，也可以定義所需要的常數(shù)和變量，這無疑大大減小了程序的復(fù)雜程度，在現(xiàn)有單片機中是很有特色的。

以下是匯編程序中關(guān)于電流保護的一段。

其中定義了若干變量，使得程序的可讀性大大增強。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)

前文已經(jīng)提到，本系統(tǒng)中使用最頻繁的是手柄/腳踏采樣然后送PWM 輸出；最高優(yōu)先級的是電流保護。因此，在PWM 中斷程序（pwmint.asm）中實現(xiàn)這兩個功能。

PWM 相關(guān)設(shè)置

PWM 輸出頻率選擇15kHz/25kHz 兩種，主要的考慮是避開可聽聲的頻率范圍（20Hz~20kHz，到15kHz 時人耳已經(jīng)不甚敏感），同時及時響應(yīng)可能的電流異常。

手柄/腳踏信號采樣及處理

為了操作的簡便，該設(shè)計中省去了一般電動車上的腳踏開關(guān)。因此，對于同時進入的采樣信號，既要保證都能夠檢測到，又要采用合理的處理方法送PWM 輸出。

圖4 給出了系統(tǒng)中手柄采樣/電流保護一體化處理的流程。其中中斷執(zhí)行5 次（時間間隔：5/15000=0.33ms）分別進行一次手柄電壓采樣，并和腳踏采樣比較，大者送PWM 輸出。圖4 手柄采樣/電流保護一體化處理過流保護的實現(xiàn)。

圖4 手柄采樣/電流保護一體化處理

我們知道，瞬間的電流沖擊對于電子元器件有很強的損耗，甚至毀壞。特別對于直流電機來說，在啟動瞬間或者突然的堵轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生電流沖擊。因此，在這種情況下，必須立即減小PWM 輸出脈寬，以防意外。系統(tǒng)中，對于過流保護是一個重點，而其難點在于迅速對過流作出響應(yīng)。若采用PSoC 中的A/D 模塊進行采樣，即使使用響應(yīng)較快的6 位A/D 模塊SAR6（已經(jīng)犧牲掉了一定的精度），其轉(zhuǎn)換時間20μ s，經(jīng)測試，后續(xù)的處理難以起到限流作用。另外一個問題就是對于沖擊毛刺的處理。由于電流（系統(tǒng)中通過一個5mΩ 的電阻變換為電壓信號）在上升沿處容易產(chǎn)生毛刺，因此需要一定的延時再進行處理。這樣，上述模塊更加難以勝任。經(jīng)過仔細分析遴選，最終確定選用CMPPRG 比較器模塊。

該模塊響應(yīng)時間（在HighPower模式下）響應(yīng)時間僅為1.2μ s，加上為剔除毛刺所需要的10μ s延時，仍能夠滿足限流需求。需要指出的是，系統(tǒng)設(shè)計中巧妙利用PWM 輸出過程進行限流處理，使得限流更加可靠。圖5給出了限流處理的時序。在第一個PWM 周期內(nèi)，沒有檢測到過流，因此PWM 輸出脈寬在第二周期內(nèi)保持不變。在第二個周期內(nèi)檢測到了過流，立即從下一周期開始減小PWM 輸出脈寬，從而電流得到了限制。

圖5 限流處理時序圖

結(jié)語

本文介紹了一款電動自行車控制器的設(shè)計。該設(shè)計基于功能強大的PSoC 單片機，外圍電路簡單可靠，程序設(shè)計中利用PWM 輸出高電平時間檢測電流過載，取得的很好的效果。目前，該控制器已經(jīng)量產(chǎn)，用戶反響良好。