基于中穎SH79F081的電動自行車控制器設(shè)計(jì)

摘 要:方波驅(qū)動的無刷直流電機(jī)由于力矩大,運(yùn)行可靠,在電動車控制器中廣泛應(yīng)用,方波驅(qū)動最大的缺點(diǎn)在于換相時(shí)的電流突變引起的轉(zhuǎn)矩脈動,導(dǎo)致噪聲較大,但好的控制策略可以大大改善換相噪聲.電動車控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于電流控制,本文就電動車控制器設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵地方加以描述.
關(guān)鍵詞:電動車控制器 直流無刷電機(jī) 換相 同步整流

1.概述
電動自行車上使用的電機(jī)普遍采用永磁直流電機(jī).所謂永磁電機(jī),是指電機(jī)線圈采用永磁體激磁,不采用線圈激磁的方式.這樣就省去了激磁線圈工作時(shí)消耗的電能,提高了電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率,這對使用車載有限能源的電動車來講,可以降低行駛電流,延長續(xù)行里程.
永磁直流電機(jī)按照電機(jī)的通電形式來分,可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩大類,有刷電機(jī)由于采用機(jī)械換相裝置導(dǎo)致可靠性和壽命降低,因此逐漸退出電動車市場.
無刷電機(jī)又可分為有傳感器和無傳感器兩類,對于無位置傳感器的無刷電機(jī),必須要先將車用腳蹬起來,等電機(jī)具有一定的旋轉(zhuǎn)速度以后,控制器才能識別到無刷電機(jī)的相位,然后控制器才能對電機(jī)供電.由于無位置傳感器無刷電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)零速度啟動,所以現(xiàn)在生產(chǎn)的電動車上用得較少.目前電動車行業(yè)內(nèi)使用的無刷電機(jī),普遍采用有位置傳感器無刷電機(jī).
有位置傳感器永磁直流無刷電機(jī)按照內(nèi)部傳感器的安裝位置不同,又可分為60度電機(jī)和120度電機(jī).在120°的霍爾信號中,不可能出現(xiàn)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(dǎo)致的誤操作.因?yàn)榛魻柦M件是開漏輸出,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)這兩種信號均會出現(xiàn),所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準(zhǔn)確率.因此目前市面馬達(dá)已經(jīng)逐漸舍棄60°相位的霍爾排列.
2.永磁直流電機(jī)基本原理
2.1.主回路電路

圖中ABC表示電機(jī)的3相繞組,采用星形接法,V1~V6表示功率場效應(yīng)管,如果將V1~V6用如下的時(shí)序波形驅(qū)動,則3相繞組會按照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(zhuǎn)的磁場,牽引外轉(zhuǎn)子(永磁體)旋轉(zhuǎn).
導(dǎo)通順序

3.電動車控制器功能要求
功能性要求：
1.電子換相
2.無級調(diào)速
3.剎車斷電
4.附加功能
A.限速
B.1+1助力
C.EBS柔性電磁剎車
D.定速巡航
E.其它功能(消除換相噪音,倒車等)
安全性要求：
1.限流驅(qū)動
2.過流保護(hù)
3.堵轉(zhuǎn)保護(hù)
4.電池欠壓保護(hù)
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
從上面的要求來看,功能性要求和安全性要求的前三項(xiàng)用專用控制芯片用加上適當(dāng)?shù)耐鈬娐肪浑y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.但后來隨著競爭加劇,很多廠商都增加了不少附加功能,一些附加功能用硬件來實(shí)現(xiàn)就比較困難,所以使用單片機(jī)來做控制的控制器迅速取代了純硬件的專用控制芯片.
但是硬件控制和軟件控制有很大的區(qū)別,硬件控制的反應(yīng)速度僅僅受限于邏輯門的開關(guān)速度,而軟件的運(yùn)行則需要指令執(zhí)行時(shí)間.要使軟件跟得上電機(jī)控制的需求,就必須要求軟件在最短的時(shí)間內(nèi)能夠正確處理換相,電流限制等各種復(fù)雜動作,這就涉及到一個(gè)對外部信號的采樣頻率,采樣時(shí)機(jī),信號的內(nèi)部處理判斷及處理結(jié)果的輸出,還有一些抗干擾措施等,這些都是軟件設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)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(jī)SH79F081,采用優(yōu)化的單機(jī)器周期8051內(nèi)核,內(nèi)置16k Flash存儲器,兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源,采用JTAG仿真方式,內(nèi)置16.6MHz振蕩器,同時(shí)擴(kuò)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(qū)控制PWM,6路輸出,輸出極性可設(shè),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(shù).
這顆IC由于CPU運(yùn)行速度和AD采樣速度都很快,PWM功能強(qiáng)大,硬件抗干擾功能多,非常適合作電動車控制器.