基于STCl2C5410AD的電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機控制器檢測設計

0 引言

　　伴隨著(zhù)城市化進(jìn)程，人們生活的交通距離不斷擴大，代替燃油汽車(chē)和自行車(chē)的電動(dòng)車(chē)的普及大幅度的提高了電力資源的利用效率，促進(jìn)了國民經(jīng)濟的健康發(fā)展。電動(dòng)自行車(chē)以電力作動(dòng)力，騎行中不產(chǎn)生污染，無(wú)損于空氣質(zhì)量。從改善人們的出行方式、保護環(huán)境和經(jīng)濟條件許可情況等因素綜合來(lái)看，電動(dòng)自行車(chē)目前乃至今后都有著(zhù)廣闊的發(fā)展空間。電動(dòng)自行車(chē)所用直流電機分為有刷電機和無(wú)刷電機兩種。其中有刷電機控制較簡(jiǎn)單。但其易磨損的電刷帶來(lái)維修保養工作量相對較大、使用壽命相對較短等缺點(diǎn)。而直流無(wú)刷電機本身沒(méi)有易磨損部件，電機壽命長(cháng)，維修保養工作量小。但直流無(wú)刷電機采用電子換向原理工作，其控制過(guò)程比有刷電機復雜得多，因此對控制器質(zhì)量的要求也高得多。

　　目前電動(dòng)自行車(chē)采用的直流無(wú)刷電機都是三相電機，電角度有60°和120°兩種。電機極數大部分為18極，也有16極、20極等?？刂破鞲鶕魻柗答伒碾姍C電極位置，控制相應的功率驅動(dòng)管的開(kāi)通或關(guān)斷，在定子中產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，驅動(dòng)電機的轉子轉動(dòng)。

　　為了判斷無(wú)刷控制器是否能夠正常運行，也就是檢測轉把和剎車(chē)功能是否正常，判斷控制器的角度是60°還是120°，并且確定繞組A，B，C相與位置信號a，b，c之間的對應關(guān)系，正確地將控制器與電機進(jìn)行連接，現在很多的檢測儀器都采用模擬電路，使得結果不是很精確，而且需要的電路也很復雜，成本很大。設計采用STCl2C5410AD單片機作為控制芯片，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，以軟件編程來(lái)實(shí)現。

l 電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機控制器簡(jiǎn)介

　　控制器由周邊器件和主芯片(或單片機)組成。周邊器件是一些功能器件，如執行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開(kāi)關(guān)電路，以及輔助單片機或專(zhuān)用集成電路完成控制過(guò)程的器件；單片機也稱(chēng)微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號語(yǔ)言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調制功能電路以及能使開(kāi)關(guān)電路功率管導通或截止、通過(guò)方波控制功率管的的導通時(shí)間以控制電機轉速的驅動(dòng)電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構成的計算機片。這就是電動(dòng)自行車(chē)的智能控制器。

　　控制器的設計品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率開(kāi)關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整車(chē)的性能和運行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。不同品質(zhì)的控制器，用在同一輛車(chē)上，配用同一組相同充放電狀態(tài)的電池，有時(shí)也會(huì )在續駛能力上顯示出較大差別。

　　目前，電動(dòng)自行車(chē)所采用的控制器電路原理基本相同或接近。有刷和無(wú)刷直流電機大都采用脈寬調制的PWM控制方法調速，只是選用驅動(dòng)電路、集成電路、開(kāi)關(guān)電路功率晶體管和某些相關(guān)功能上的差別。元器件和電路上的差異，構成了控制器性能上的不同。

2 系統硬件電路設計

　　為了判斷無(wú)刷控制器是否正常，測量控制器各個(gè)部分的輸出信號是否符合標準，并且能夠接收電機、轉把、剎車(chē)的信號，判斷這個(gè)控制器是否能實(shí)現其需要實(shí)現的功能，系統要檢測控制器的轉把和剎把是否有穩定的5 V電壓輸出，判斷控制器的角度，以及判斷霍爾控制線(xiàn)相序及與其對應的電機電源相序是否一致。只有位置傳感器信號和繞組A，B，C正確連接才能使電機正常運行。圖1為電路整體設計原理圖，系統采用STCl2C5410AD單片機作為主要控制芯片。STCl2C5410AD系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍，內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路，4路PWM，8路高速10位A／D轉換，專(zhuān)門(mén)針對強干擾場(chǎng)合電機控制。

　　2．1 橋式整流電路

　　因為控制器工作需要的是直流電，所以需要加個(gè)整流電路。系統選用的是單相橋式整流電路。這種電路只要將四只二極管口連接成“橋”式結構，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)。

　　2．2 剎車(chē)與轉把信號的檢測

　　剎車(chē)信號高低電位的變化，是控制器識別電動(dòng)車(chē)是否處于剎車(chē)狀態(tài)，從而判斷控制器是否給電機供電的依據。只要將剎車(chē)和轉把信號的輸出端接到STCl2C5410AD單片機的A／D轉換端P16和P17，便能檢測輸出是否正常。

　　2．3 控制器角度與相序的判斷

　　如圖2所示，首先判斷繞組電壓A的輸出，將兩個(gè)光藕合器連到控制器的末級，與A的上下管并聯(lián)起來(lái)，當A的上管導通時(shí)，A輸出高電壓，使下面的光耦導通。從而輸出一個(gè)電壓值，通過(guò)STCl2C5410AD單片機的A／D轉換端P11口送到單片機中；當A的下管導通時(shí)，A輸出低電壓，使上面的光耦導通，從而輸出一個(gè)電壓值，通過(guò)STCl2C5410AD單片機的A／D轉換端P10口送到單片機中。B和C用上面同樣的接法。在輸出時(shí)沒(méi)有直接輸出，而是通過(guò)光耦隔離后才輸出，原因如下：光耦合器的信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無(wú)影響，抗干擾能力強、工作穩定、無(wú)觸點(diǎn)、使用壽命長(cháng)、傳輸效率高。

3 系統軟件設計

　　3．1 總體設計流程圖

　　總體設計流程圖如圖3所示。

　　測量控制器輸入端阻抗，當其大于10 Ω時(shí)為正常，否則電源輸入端短路。轉把、剎把、霍爾電源端的檢測要保證輸出電壓大于4．5 V?？刂破鹘嵌群拖嘈虻呐袛喔鶕o(wú)刷真值表進(jìn)行判斷和檢測，以下僅以控制器角度判斷為例進(jìn)行說(shuō)明。

　　3．2控制器角度判斷程序設計

　　由表1可以看出當a，b，c都取“0”，控制器角度為120°的時(shí)候，A，B，C上下管都不導通；而控制器為60°時(shí)A的上管和B的下管導通，這樣便能根據a，b，c都取“0”時(shí)，A，B，C的輸出信號來(lái)判斷控制器的角度。流程圖如圖4所示。

4 結語(yǔ)

　　系統設計采用STCl2C5410AD單片機作為控制芯片，電路簡(jiǎn)單，測量精確，很好地滿(mǎn)足了電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機控制器檢測的各項需求，能夠檢測控制器接轉把和剎把端是否正常，能夠判斷控制器的角度，霍爾控制相序以及與其對應的電機電源相序是否一致。希望該設計在將來(lái)的應用中得到更好的改進(jìn)和完善。