MCU為電動(dòng)自行車(chē)提供有效的驅動(dòng)

　　從CD/DVD播放器和電腦制冷風(fēng)扇到工業(yè)機械以及包含混合動(dòng)力汽車(chē)、著(zhù)名的Segway電動(dòng)滑板車(chē)和許多其他電動(dòng)滑板車(chē)、電力驅動(dòng)的自行車(chē)（或稱(chēng)為“電動(dòng)自行車(chē)”）在內的電動(dòng)交通工具，無(wú)刷直流電動(dòng)機正在各種領(lǐng)域中取代整流式電動(dòng)機。由于它們越來(lái)越普及，特別是在亞洲，這樣的“個(gè)人運輸設備”向制造商描繪了巨大的潛在市場(chǎng)，并且可能有助于降低全球的能源消耗。

　　即使北美市場(chǎng)也顯示了采用電動(dòng)自行車(chē)的可能性。自2000年8月以來(lái)，由加利福尼亞州圣克魯斯的縣區域性運輸委員會(huì )資助的一項活動(dòng)對居民購買(mǎi)電動(dòng)自行車(chē)予以部分退款。由Ecology Action進(jìn)行的一項調查顯示，62%的活動(dòng)參與者從只駕駛單乘客的汽車(chē)轉變?yōu)槠骄恐茯T電動(dòng)自行車(chē)行駛24～28英里。

　　盡管這種情況可能是獨一無(wú)二的，但它說(shuō)明了電動(dòng)自行車(chē)的實(shí)用性和效用是怎樣減少個(gè)人汽車(chē)旅程，并進(jìn)而減少交通擁擠，停車(chē)場(chǎng)需求以及空氣污染的。如果將這種經(jīng)驗在整個(gè)美國推廣，影響可能會(huì )非常大。根據環(huán)境保護局的說(shuō)法，在美國，人們每天大約進(jìn)行9億次汽車(chē)旅行，其中一半路程少于5英里而且只乘載了一位乘客。

　　電動(dòng)自行車(chē)部件

　　基本型電動(dòng)自行車(chē)通過(guò)由電池供電的無(wú)刷直流電動(dòng)機來(lái)驅動(dòng)，并由電子控制設備（ECU）進(jìn)行控制。無(wú)刷直流電動(dòng)機之所以受歡迎，是因為它們運轉快、無(wú)噪聲、效率高，而且展示了比整流式電動(dòng)機更長(cháng)的工作壽命。無(wú)刷直流電動(dòng)機中傳送的力矩和電動(dòng)機尺寸的比值比其他電動(dòng)機要高，這使得它們非常適用于對體積/重量要求比較高的應用。

　　無(wú)刷直流電動(dòng)機所需要的基于MCU的控制器通常受限于應用的要求，但是常見(jiàn)的例子是用于電動(dòng)自行車(chē)的控制單元。這項應用不僅需要波形因數小，而且對成本的要求也特別高。

　　基本型電動(dòng)自行車(chē)在設計上是簡(jiǎn)單的。它的后輪由三相無(wú)刷直流電動(dòng)機驅動(dòng)，額定功率通常在幾百瓦。電池的電壓通常是36V或者48V，而ECU包含了幾乎所有電子裝置（參見(jiàn)圖1），包括MCU、電動(dòng)機逆變器、溫度傳感器、故障檢測、SMPS以及I/O。這些電子裝置通常安放在明信片大小的單元內，而且對熱性能和耐用性有很高的要求，這些都為設計者提出了許多難題。

　　設計難題

　　成本敏感性、零件數量以及整體功能的難題可以通過(guò)使用功能強大但價(jià)格低廉的8位微控制器來(lái)解決，例如，英飛凌公司的XC866。ECU設計人員應當尋找每個(gè)機器周期兩個(gè)時(shí)鐘的增強型8051芯片（而不是標準的12），它提供了更強的計算效率，更快的執行速度以及增強的最大時(shí)鐘速率，并且，它可以在較低的晶振速度下完成相同的工作，在不犧牲性能的情況下降低能源消耗。

　　為了適應電動(dòng)機控制的算法，嵌入式閃存大小的要求可能在4～16KB之間。MCU的電動(dòng)機控制外設可能包含一塊脈寬調制電路，通過(guò)可以預編程以自動(dòng)執行任務(wù)的捕獲/比較單元（CCU）來(lái)實(shí)現，它有助于減小代碼大小以及CPU的負荷。此外，CCU可以連接到8通道10位ADC來(lái)提供硬件事件驅動(dòng)的觸發(fā)，來(lái)提供無(wú)須傳感器的控制功能。

圖1 電動(dòng)自行車(chē)控制單元驅動(dòng)三相無(wú)刷直流電動(dòng)機

　　無(wú)傳感器型控制

　　無(wú)傳感器型的控制在要求低成本和高可靠性的應用中是很重要的，比如在電動(dòng)自行車(chē)以及暴露在戶(hù)外自然環(huán)境和嚴峻溫度之中的其他應用。無(wú)刷直流電動(dòng)機應用中常用的霍爾傳感器非常容易受這些因素的影響，而且長(cháng)期暴露在這種環(huán)境中會(huì )使可靠性明顯降低。

　　但是，在考慮轉換到無(wú)傳感器型BLDC電動(dòng)機控制時(shí)，設計人員面臨著(zhù)如何使無(wú)傳感器型系統滿(mǎn)足需要的性能水平的難題。與這一點(diǎn)有最密切關(guān)系的是啟動(dòng)電動(dòng)機，因為無(wú)傳感器型控制是基于反電動(dòng)勢的，而反電動(dòng)勢只有在電動(dòng)機旋轉的時(shí)候才存在。

　　對于帶有腳蹬的電動(dòng)自行車(chē)而言，這個(gè)問(wèn)題并不嚴重，因為騎車(chē)人可以在電動(dòng)機達到需要的速度之后再激活電子控制。但是在沒(méi)有腳蹬的電動(dòng)自行車(chē)中，必須要配備從熄火狀態(tài)啟動(dòng)電動(dòng)機的算法。

　　由于難以預知的情況，傳統的強迫換流啟動(dòng)辦法通常不適用于無(wú)傳感器系統，因此制造商通常會(huì )使用結合幾項技術(shù)的方法來(lái)啟動(dòng)電動(dòng)機。例如，因為在啟動(dòng)電動(dòng)機之前不知道轉子的位置，所以可以使用預設相位來(lái)確定轉子的位置或者將轉子放在確定的位置。

　　一旦轉子位于啟動(dòng)位置，可以向電動(dòng)機應用加速表，以探測反電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)信息。如果微控制器探測到預定數量的過(guò)零點(diǎn)事件，它就可以切換到自動(dòng)換流模式。這需要執行大量的算法。

　　考慮因素

　　有些應用的性能要求會(huì )需要用到運動(dòng)傳感器；在這種情況下，將需要最小軟件開(kāi)銷(xiāo)的換流模式內置在CCU中是非常有幫助的。

　　另一項主要的考慮是從反電動(dòng)勢探測或者從同步失敗中恢復的能力，這些可能會(huì )發(fā)生在碰到障礙物之后等情況下。同樣，為了解決這個(gè)難題，需要使用結合算法，這使得微控制器的可配置型成為一項重要的因素。通過(guò)在自管理型外設中執行盡可能多的任務(wù)，MCU可以減輕CPU的負擔并減少需要的代碼空間。這兩者都會(huì )產(chǎn)生更耐久、更節省成本的設計。

　　無(wú)論是帶有還是沒(méi)有傳感器的設計，都可以通過(guò)PWM實(shí)現各種“梯形”換流方法來(lái)驅動(dòng)BLDC。在梯形換流方法中，電流都是通過(guò)每次使用一對電動(dòng)機端子來(lái)控制的，而電動(dòng)機的第三個(gè)端子在電氣上總是與電源斷開(kāi)的；也就是說(shuō)，在任意給定的時(shí)間，只使用了三相中的兩相，而第三相是懸空的。

　　在“慢衰變”調制方法中，在PWM關(guān)閉的時(shí)段內，負載電流可以在底部開(kāi)關(guān)和體二極管之間流通。

　　相反，在“快衰變”方法中，PWM關(guān)閉時(shí)段內所有的開(kāi)關(guān)都將斷開(kāi)，但是這種方法存在高負載電流尖峰的缺陷。為了彌補這種缺陷，可以使用同步整流，讓負載電流在開(kāi)關(guān)本身中流通，而不是在體電阻中。這需要同時(shí)調制同一個(gè)電橋的頂部和底部開(kāi)關(guān)，而不僅僅是頂部開(kāi)關(guān)。

　　但是，必須謹慎，以避免轉換期間電流的直通短路。通過(guò)在電路切換過(guò)程中插入無(wú)效時(shí)間，電流將通過(guò)體二極管。但是在無(wú)效時(shí)間之后電流將流過(guò)底部開(kāi)關(guān)，因此同步整流可以用于快衰變。對于使用分立功率器件而不是帶有內置保護電路的集成驅動(dòng)器的低成本設計而言，在MCU的PWM中可以使用上述模式是至關(guān)重要的。將這些模式和故障檢測等其他功能結合使用，可以為分立逆變器驅動(dòng)提供高層次的保護功能。

　　在設計和算法的開(kāi)發(fā)完成之后，制造商需要確保自己的知識產(chǎn)權受到保護。這可以通過(guò)防止無(wú)授權獲取代碼的特殊功能來(lái)實(shí)現。這一點(diǎn)是非常重要的，因為電動(dòng)自行車(chē)驅動(dòng)是由相對普通的驅動(dòng)結構組成的，產(chǎn)品之間主要的差別在于軟件。