基于中穎SH79F081的電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)

基于中穎SH79F081的電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)

方波驅(qū)動(dòng)的無(wú)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(wú)刷電機(jī) 換相 同步整流

1. 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(lái)講，可以降低行駛電流，延長(zhǎng)續(xù)行里程。

永磁直流電機(jī)按照電機(jī)的通電形式來(lái)分，可分為有刷電機(jī)和無(wú)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(chǎng)。

無(wú)刷電機(jī)又可分為有傳感器和無(wú)傳感器兩類，對(duì)于無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)，必須要先將車用腳蹬起來(lái)，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(wú)刷電機(jī)的相位，然后控制器才能對(duì)電機(jī)供電。由于無(wú)位置傳感器無(wú)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(wú)刷電機(jī)，普遍采用有位置傳感器無(wú)刷電機(jī)。

有位置傳感器永磁直流無(wú)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°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(kāi)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

圖1

圖中ABC表示電機(jī)的3相繞組，采用星形接法，V1~V6表示功率場(chǎng)效應(yīng)管，如果將V1~V6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(chǎng)，牽引外轉(zhuǎn)子(永磁體)旋轉(zhuǎn)。

導(dǎo)通順序

圖2

3. 電動(dòng)車控制器功能要求

* 功能性要求：

1. 電子換相

2. 無(wú)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(guò)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)

7. 附加故障檢測(cè)功能

從上面的要求來(lái)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(lái)隨著競(jìng)爭(zhēng)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(lái)實(shí)現(xiàn)就比較困難，所以使用單片機(jī)來(lái)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(kāi)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?yè)Q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：

* 雙DPTR指針。 16位 x 8乘法器和16位/8除法器。

* 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

* 集成故障檢測(cè)功能，可瞬時(shí)關(guān)閉PWM輸出。

* 提供硬件抗干擾措施。

* 集成高速10bit ADC。

* 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(lái)討論編程中應(yīng)該注意的問(wèn)題。

4.1. 減小換相噪聲

上文已提過(guò)，無(wú)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?tīng)恳Φ募眲∽兓@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：在換相后的一段時(shí)間使PWM脈沖占空比達(dá)到100%來(lái)使電流增長(zhǎng)快一點(diǎn)，從而減輕振動(dòng)噪聲。需要提醒的是在這個(gè)過(guò)程中我們需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)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(wú)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(shì)方向和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)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(méi)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(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角為60°，如果正常切換到AC導(dǎo)通，則AC繞組通電后，定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角變?yōu)?20°，由于切換到AC通電后電流要從0開(kāi)始爬升，因此此時(shí)定子磁勢(shì)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(kāi)，則定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的夾角變?yōu)?0°，而且由于AB相電流基本沒(méi)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)。

4.2. 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(cè)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(kāi)，占空比設(shè)為某一固定值，這樣，電機(jī)相當(dāng)于工作在發(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(kāi)關(guān)信號(hào)，使用者無(wú)法調(diào)整剎車力矩，完全由控制器決定，不過(guò)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。

4.3. 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(lái)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(lái)控制電流不超過(guò)我們所允許的值。另一路信號(hào)送至比較器，當(dāng)電流突然由于某種原因大大超過(guò)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(wú)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?a href="http://www.ttokpm.com/soft/anfang/2009/2009081341075.html" target="_blank">PWM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(méi)有經(jīng)過(guò)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2μS，而轉(zhuǎn)換時(shí)間為12μS。

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(kāi)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(kāi)啟時(shí)間小于一次ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間也沒(méi)有影響，只要保證大于采樣時(shí)間即2μS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(lái)的結(jié)果實(shí)際上是PWM有效期間(為高)時(shí)的電流，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?，PWM周期內(nèi)無(wú)效(低電平)期間主回路上是沒(méi)有電流的。

根據(jù)電流采樣的結(jié)果來(lái)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)。

4.4. 同步整流

電機(jī)是電感性負(fù)載，采用PWM開(kāi)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一般內(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。

我們知道功率MOSFET，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(kāi)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(kāi)啟來(lái)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(wú)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(cè)試效果不錯(cuò)，目前已經(jīng)量產(chǎn)。

附：方案原理圖

圖3：方案原理圖。