一種基于PSoC的電動(dòng)自行車(chē)控制器的設計(下)

和正常運行時(shí)一樣，剎車(chē)過(guò)程中也需要根據當前HALL傳感器的位置進(jìn)行換相，從而使得剎車(chē)過(guò)程平穩有效。通過(guò)分析可知道，為了產(chǎn)生反向電流，剎車(chē)過(guò)程中的換相控制和正常運行過(guò)程中的換相的開(kāi)關(guān)管導通控制是互補的。以雙側斬波為例，圖5是逆變器上個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管，表2是正常運行時(shí)候和剎車(chē)時(shí)候的換相表的對比。

能量再生

電動(dòng)自行車(chē)的能量回收的基本工作原理是通過(guò)電機的自感電動(dòng)勢、反電動(dòng)勢，將存儲在電樞中的磁場(chǎng)能量以及車(chē)體的動(dòng)能轉換成電能并保存到蓄電池。

圖5  逆變器的開(kāi)關(guān)管



圖6  V2開(kāi)通時(shí)刻電流方向


圖7  V2關(guān)閉時(shí)刻電流方向

假設剎車(chē)時(shí)候采用單管單側的PWM斬波，圖6、7對應某個(gè)60°電角度區間的能量再生過(guò)程。此時(shí)只有G相對應的下橋臂功率管V2在PWM的驅動(dòng)下進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作， 其它所有功率管關(guān)閉。 當V2導通時(shí)， 電流方向對應著(zhù)圖6中虛線(xiàn)所示，此時(shí)電機的G相和R相的電感線(xiàn)圈蓄能。當G相下橋臂關(guān)斷，此時(shí)由于線(xiàn)圈電流必須維持相同方向逐漸衰減，因此電流經(jīng)右上角V5上所并聯(lián)的續流二極管流向蓄電池，如圖7所示，此時(shí)電感線(xiàn)圈釋放能量，并向蓄電池和電容充電。實(shí)際上，這個(gè)能量回收的基本工作電路就是一個(gè)典型的升壓電路。

輔助電子剎車(chē)和能量回收是一個(gè)緊密相關(guān)的控制，在設計時(shí)候應同時(shí)考慮剎車(chē)效果和能量回收。在忽略制動(dòng)效率和制動(dòng)電壓抬高的影響，可根據蓄電池最大充電電流和額定電壓來(lái)確定最大制動(dòng)功率?？梢赃m當限制制動(dòng)功率，因為設計時(shí)只能在保證蓄電池的安全的前提下才盡可能的提高剎車(chē)效果和能量回收效率。實(shí)際設計時(shí)采用滯環(huán)控制，程序實(shí)時(shí)采樣充電電流，并根據充電電流來(lái)調整PWM占空比，從而調整制動(dòng)功率并保證蓄電池的安全。

中斷服務(wù)程序及主循環(huán)

在PSoC架構中，每個(gè)數字模塊和每個(gè)模擬比較總線(xiàn)都有獨立的中斷源，GPIO的電平變化也有相應的中斷源。在本設計中，共使用三種中斷源，即過(guò)流比較器中斷，HALL傳感器信號中斷和PWM周期定時(shí)中斷。過(guò)流保護由于實(shí)時(shí)性要求很高，并且不是規律發(fā)生的事件，可安排用中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。如前所述，當負載發(fā)生過(guò)流時(shí)將通過(guò)硬件直接關(guān)閉PWM輸出，同時(shí)，將產(chǎn)生中斷通知程序進(jìn)行相應的處理。而HALL傳感器信號中斷的主要工作是在HALL信號發(fā)生變化時(shí)對HALL信號進(jìn)行采集判斷，并濾除電機工作中造成的強烈干擾，同時(shí)也要對諸如HALL失效，狀態(tài)錯誤等情況進(jìn)行處理。PWM模塊在每個(gè)周期開(kāi)始都會(huì )產(chǎn)生中斷信號，一般在電動(dòng)自行車(chē)控制器中，PWM載波頻率為15~20KHz左右。PWM中斷是程序設計中的最主要部分，大部分重要的控制諸如電機換相，電流檢測，電池電壓檢測，剎車(chē)信號檢測等都在此處實(shí)現。同時(shí)它也是系統計時(shí)的基礎，所有其它長(cháng)時(shí)間的定時(shí)都是基于PWM中斷，因此，PWM中斷服務(wù)程序也要負責維護所有的時(shí)鐘標志的更新工作。

主程序包括：上電初始化、剎車(chē)過(guò)程控制、巡航、調速、電池欠壓處理、堵轉處理等。實(shí)際設計中， 由于程序任務(wù)較多，如何保證電機的及時(shí)換相的前提下滿(mǎn)足控制的實(shí)時(shí)性要求是設計中最需要考慮的核心問(wèn)題?？紤]到換相程序非常短小，可安排在PWM中斷服務(wù)程序中完成。

結語(yǔ)

PSoC的模擬和數字的高度集成為電動(dòng)自行車(chē)控制器的發(fā)展提供一個(gè)良好的平臺。采用PSoC器件開(kāi)發(fā)的電動(dòng)自行車(chē)控制器具有集成度高，程序設計靈活方便，并且具有非常好的保密性。

參考文獻：
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