史上最經(jīng)典電動(dòng)自行車(chē)控制器設計方案

　　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。

　　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1

　　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

　　圖2

　　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。

　　4.軟件實(shí)現

　　下面我們挑選對控制器性能和安全比較重要的功能來(lái)討論編程中應該注意的問(wèn)題。

　　4.1.減小換相噪聲

　　上文已提過(guò)，無(wú)刷直流電動(dòng)機方波驅動(dòng)最大的缺點(diǎn)是換相時(shí)電流不能持續，導致有轉矩脈動(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(chē)剛剛起步的時(shí)候我們會(huì )發(fā)現換相時(shí)電機會(huì )發(fā)出很大的突突聲，這是由于電機起步時(shí)電流比較大，而電機是個(gè)感性負載，換相后由于電機線(xiàn)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，從而導致?tīng)恳Φ募眲∽兓?，這種變化便會(huì )引起電機強烈振動(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脈沖占空比達到100%來(lái)使電流增長(cháng)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)監測電流變化，電流一達到換相前的水平就可以恢復換相前的PWM占空比。

　　方法2：延遲關(guān)閉換相MOS管，方波驅動(dòng)直流無(wú)刷電機是6步驅動(dòng)，定子勵磁每隔60度電角度跳躍一次，保證定子磁動(dòng)勢方向和轉子磁動(dòng)勢方向夾角在60°到120°之間運行，因為夾角在90°時(shí)轉動(dòng)力矩最大，夾角為0°或180°時(shí)沒(méi)有轉矩，現假設電機正轉，AB導通要切換到AC導通，此時(shí)AB繞組通電產(chǎn)生的定子磁勢和轉子磁勢夾角為60°，如果正常切換到AC導通，則AC繞組通電后，定子磁勢和轉子磁勢夾角變?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)定子磁勢幅值很小，導致轉矩降低，但如果此時(shí)不關(guān)閉B，同時(shí)將下橋C打開(kāi)，則定子磁勢和轉子磁勢的夾角變?yōu)?0°，而且由于A(yíng)B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相導通的合成力矩比2相導通力矩大，也會(huì )發(fā)生轉矩波動(dòng)。

　　4.2.電子剎車(chē)：

　　電子剎車(chē)其實(shí)是將電動(dòng)機當做發(fā)電機機運行，因此會(huì )產(chǎn)生電磁制動(dòng)轉矩，檢測到電子剎車(chē)信號后，cpu將上三路PWM關(guān)閉，將下三路同時(shí)打開(kāi)，占空比設為某一固定值，這樣，電機相當于工作在發(fā)電機狀態(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(chē)制動(dòng)能力越強，由于目前電動(dòng)車(chē)上裝配的電子剎車(chē)都是開(kāi)關(guān)信號，使用者無(wú)法調整剎車(chē)力矩，完全由控制器決定，不過(guò)由電動(dòng)機的特性，即使占空比固定，電子剎車(chē)時(shí)轉速越高，發(fā)電機感生電壓越高，回饋充電能力越強，剎車(chē)力矩越大，當然，最好是裝配線(xiàn)性剎車(chē)傳感器，使用者會(huì )更方便。

　　4.3.恒流驅動(dòng)

　　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。放大器用來(lái)實(shí)時(shí)放大電流信號，放大倍數大約6.5倍，放大后的信號提供給單片機進(jìn)行AD采樣轉換，轉換所得數字用來(lái)控制電流不超過(guò)我們所允許的值。另一路信號送至比較器，當電流突然由于某種原因大大超過(guò)允許值，比如一只MOSFET擊穿或誤導通時(shí)，比較器翻轉送出低電平，送給79F081的FLT引腳，無(wú)需單片機執行程序，IC硬件會(huì )自動(dòng)關(guān)閉PWM輸出，從而保護MOSFET避免更大傷害。