基于中穎SH79F081的電動(dòng)自行車(chē)控制器設計

摘 要:方波驅動(dòng)的無(wú)刷直流電機由于力矩大,運行可靠,在電動(dòng)車(chē)控制器中廣泛應用,方波驅動(dòng)最大的缺點(diǎn)在于換相時(shí)的電流突變引起的轉矩脈動(dòng),導致噪聲較大,但好的控制策略可以大大改善換相噪聲.電動(dòng)車(chē)控制器設計的難點(diǎn)在于電流控制,本文就電動(dòng)車(chē)控制器設計的一些關(guān)鍵地方加以描述.
關(guān)鍵詞:電動(dòng)車(chē)控制器 直流無(wú)刷電機 換相 同步整流

1.概述
電動(dòng)自行車(chē)上使用的電機普遍采用永磁直流電機.所謂永磁電機,是指電機線(xiàn)圈采用永磁體激磁,不采用線(xiàn)圈激磁的方式.這樣就省去了激磁線(xiàn)圈工作時(shí)消耗的電能,提高了電機機電轉換效率,這對使用車(chē)載有限能源的電動(dòng)車(chē)來(lái)講,可以降低行駛電流,延長(cháng)續行里程.
永磁直流電機按照電機的通電形式來(lái)分,可分為有刷電機和無(wú)刷電機兩大類(lèi),有刷電機由于采用機械換相裝置導致可靠性和壽命降低,因此逐漸退出電動(dòng)車(chē)市場(chǎng).
無(wú)刷電機又可分為有傳感器和無(wú)傳感器兩類(lèi),對于無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機,必須要先將車(chē)用腳蹬起來(lái),等電機具有一定的旋轉速度以后,控制器才能識別到無(wú)刷電機的相位,然后控制器才能對電機供電.由于無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機不能實(shí)現零速度啟動(dòng),所以現在生產(chǎn)的電動(dòng)車(chē)上用得較少.目前電動(dòng)車(chē)行業(yè)內使用的無(wú)刷電機,普遍采用有位置傳感器無(wú)刷電機.
有位置傳感器永磁直流無(wú)刷電機按照內部傳感器的安裝位置不同,又可分為60度電機和120度電機.在120°的霍爾信號中,不可能出現二進(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致的誤操作.因為霍爾組件是開(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,霍爾信號輸出就是111.一旦霍爾零件短路,霍爾信號輸出就是000,而60°的霍爾信號在正常工作時(shí)這兩種信號均會(huì )出現,所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準確率.因此目前市面馬達已經(jīng)逐漸舍棄60°相位的霍爾排列.
2.永磁直流電機基本原理
2.1.主回路電路

圖中ABC表示電機的3相繞組,采用星形接法,V1~V6表示功率場(chǎng)效應管,如果將V1~V6用如下的時(shí)序波形驅動(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)旋轉的磁場(chǎng),牽引外轉子(永磁體)旋轉.
導通順序

3.電動(dòng)車(chē)控制器功能要求
功能性要求：
1.電子換相
2.無(wú)級調速
3.剎車(chē)斷電
4.附加功能
A.限速
B.1+1助力
C.EBS柔性電磁剎車(chē)
D.定速巡航
E.其它功能(消除換相噪音,倒車(chē)等)
安全性要求：
1.限流驅動(dòng)
2.過(guò)流保護
3.堵轉保護
4.電池欠壓保護
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用專(zhuān)用控制芯片用加上適當的外圍電路均不難解決,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(zhù)競爭加劇,很多廠(chǎng)商都增加了不少附加功能,一些附加功能用硬件來(lái)實(shí)現就比較困難,所以使用單片機來(lái)做控制的控制器迅速取代了純硬件的專(zhuān)用控制芯片.
但是硬件控制和軟件控制有很大的區別,硬件控制的反應速度僅僅受限于邏輯門(mén)的開(kāi)關(guān)速度,而軟件的運行則需要指令執行時(shí)間.要使軟件跟得上電機控制的需求,就必須要求軟件在最短的時(shí)間內能夠正確處理?yè)Q相,電流限制等各種復雜動(dòng)作,這就涉及到一個(gè)對外部信號的采樣頻率,采樣時(shí)機,信號的內部處理判斷及處理結果的輸出,還有一些抗干擾措施等,這些都是軟件設計中需要仔細考慮的東西.
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SH79F081,采用優(yōu)化的單機器周期8051內核,內置16k Flash存儲器,兼容傳統8051所有硬件資源,采用JTAG仿真方式,內置16.6MHz振蕩器,同時(shí)擴展了如下功能:
雙DPTR指針. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
3通道帶死區控制PWM,6路輸出,輸出極性可設,提供周期溢出功能
集成故障檢測功能,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,方便存儲參數.
這顆IC由于CPU運行速度和AD采樣速度都很快,PWM功能強大,硬件抗干擾功能多,非常適合作電動(dòng)車(chē)控制器.