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          基于78F0712的E-BIKE用無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

          —— E-BIKE Controller Design Based on mPD78P0712
          作者:張廣棟 閆在春 NEC電子大中華區(qū)解決方案開發(fā)事業(yè)部 時(shí)間:2008-08-14 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

          摘要:本文介紹了以電機(jī)控制專用芯片μPD78F0712為核心的E-BIKE用的設(shè)計(jì),主要闡述了控制電路結(jié)構(gòu)及功率開關(guān)器件的選擇,驅(qū)動(dòng)電路,保護(hù)電路以及軟件設(shè)計(jì)。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/86947.htm

          關(guān)鍵詞:μPD78F0712;;

            張廣棟:工程師。

          引言

            是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具,不僅在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競(jìng)爭(zhēng)力,而且能夠更方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其機(jī)電一體化的目標(biāo),因而具有廣闊的發(fā)展前景。

            在許多對(duì)調(diào)速精度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合,(BLDC )的調(diào)速方式主要通過開環(huán) 調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)通邏輯信號(hào)上疊加 信號(hào),通過外部給定PWM 的占空比來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化,硬件實(shí)現(xiàn)容易,成本較低。目前市場(chǎng)上的調(diào)速大多采用這種方式。

            為提高E-BIKE(電動(dòng)自行車)用無刷直流電機(jī)的控制性能,本文提出了一種采用NEC公司的電機(jī)專用控制芯片μPD78F0712為核心的控制方案,并對(duì)電機(jī)的速度和電流進(jìn)行了閉環(huán)控制,目的在于提高其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性,優(yōu)化其控制性能。

          μPD78F0712

            μPD78F0712為NEC公司的8位電機(jī)控制專用驅(qū)動(dòng)芯片,其特點(diǎn)如下:最小指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.1ms;外部時(shí)鐘頻率20MHz;片上高速晶振(8MHz);32個(gè)8位通用寄存器;片上乘法/除法器;16K ROM,768 Bytes RAM;自編程功能;片上看門狗定時(shí)器;10位逆變器控制電路;4通道10位A/D轉(zhuǎn)換;15路IO端口;實(shí)時(shí)輸出端口。

          無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

            基于μPD78F0712的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



          圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

            框圖中各個(gè)功能塊的作用如下:速度給定電路得到自行車手柄的模擬給定速度;驅(qū)動(dòng)電路把MCU的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào),控制功率管的導(dǎo)通狀態(tài);功率電路實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換,控制電機(jī)的電流;電流反饋用于檢測(cè)電機(jī)電流;位置反饋用于檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置;無傳感器電路根據(jù)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)確定轉(zhuǎn)子的位置。下面將具體介紹各個(gè)部分的電路和功能。

            位置檢測(cè)電路
            無刷直流電機(jī)采用三個(gè)空間相差120o的霍爾器件進(jìn)行位置檢測(cè)。其輸出波形如圖2所示。



          圖2 霍爾器件的輸出信號(hào)

            這三個(gè)信號(hào)經(jīng)過濾波處理后由單片機(jī)的三個(gè)外部中斷輸入引腳進(jìn)行處理,得到正確的轉(zhuǎn)子位置信息。由MCU根據(jù)確定的換相控制邏輯對(duì)電機(jī)進(jìn)行換相,得到連續(xù)的輸出轉(zhuǎn)矩,從而使得電機(jī)可以正確的連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)根據(jù)這三路信號(hào)的位置信息經(jīng)過微分計(jì)算可以得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速,為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,應(yīng)對(duì)速度進(jìn)行濾波處理。位置采樣電路如圖3所示。



          圖3 位置采樣電路

            電壓檢測(cè)電路
            電壓檢測(cè)電路的作用在于實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的輸出電壓,以防止在運(yùn)行過程中蓄電池因?yàn)檫^放電而受到損壞。通過對(duì)輸出電壓進(jìn)行電阻分壓并通過控制芯片的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換,在控制程序中實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)功能。

            電流檢測(cè)電路
            電流檢測(cè)電路用于檢測(cè)在運(yùn)行過程中的流過電機(jī)繞組和功率電路的電流的瞬時(shí)值,并進(jìn)行電流采樣用于系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制和過流保護(hù)。為降低系統(tǒng)的成本,根據(jù)無刷直流電機(jī)的兩兩通電的控制方式的工作原理,在三相功率驅(qū)動(dòng)電路的下橋臂與系統(tǒng)的地之間串入一個(gè)5毫歐的功率電阻,其兩端的電壓經(jīng)過放大后進(jìn)行電流采樣。

            功率電路
            功率電路如圖4所示,供電電壓為直流48V,采用三相橋式逆變電路,工作方式為兩兩通電,即在每個(gè)工作周期內(nèi)每隔60度換相一個(gè)功率管,每個(gè)功率管導(dǎo)通120度,同一橋臂的兩個(gè)MOSFET不需要添加死區(qū)時(shí)間。



          圖4  功率電路

            驅(qū)動(dòng)電路
            驅(qū)動(dòng)電路一般包括兩種形式:采用專用驅(qū)動(dòng)芯片或用分立器件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)中采用后一種方案,可以在保證可靠性的前提下降低系統(tǒng)的成本。由分立器件組成的一相橋臂的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。



          圖5 驅(qū)動(dòng)電路

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