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

摘要：本文介紹了以電機(jī)控制專用芯片μPD78F0712為核心的E-BIKE用無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，主要闡述了PWM控制電路結(jié)構(gòu)及功率開(kāi)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)。

關(guān)鍵詞：μPD78F0712；無(wú)刷直流電機(jī)；控制器；電動(dòng)自行車

　　張廣棟：工程師。

引言

　　電動(dòng)自行車是一種安全、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，無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC )的調(diào)速方式主要通過(guò)開(kāi)環(huán)PWM 調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)通邏輯信號(hào)上疊加PWM 信號(hào)，通過(guò)外部給定PWM 的占空比來(lái)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)上電動(dòng)自行車的調(diào)速大多采用這種方式。

　　為提高E-BIKE(電動(dòng)自行車)用無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

　　基于μPD78F0712的無(wú)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(wú)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)程中蓄電池因?yàn)檫^(guò)放電而受到損壞。通過(guò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行電阻分壓并通過(guò)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(guò)程中的流過(guò)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(guò)流保護(hù)。為降低系統(tǒng)的成本，根據(jù)無(wú)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(guò)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