基于中穎SH79F081的電動自行車控制器設計

摘 要:方波驅動的無刷直流電機由于力矩大,運行可靠,在電動車控制器中廣泛應用,方波驅動最大的缺點在于換相時的電流突變引起的轉矩脈動,導致噪聲較大,但好的控制策略可以大大改善換相噪聲.電動車控制器設計的難點在于電流控制,本文就電動車控制器設計的一些關鍵地方加以描述.
關鍵詞:電動車控制器 直流無刷電機 換相 同步整流

1.概述
電動自行車上使用的電機普遍采用永磁直流電機.所謂永磁電機,是指電機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消耗的電能,提高了電機機電轉換效率,這對使用車載有限能源的電動車來講,可以降低行駛電流,延長續行里程.
永磁直流電機按照電機的通電形式來分,可分為有刷電機和無刷電機兩大類,有刷電機由于采用機械換相裝置導致可靠性和壽命降低,因此逐漸退出電動車市場.
無刷電機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,必須要先將車用腳蹬起來,等電機具有一定的旋轉速度以后,控制器才能識別到無刷電機的相位,然后控制器才能對電機供電.由于無位置傳感器無刷電機不能實現零速度啟動,所以現在生產的電動車上用得較少.目前電動車行業內使用的無刷電機,普遍采用有位置傳感器無刷電機.
有位置傳感器永磁直流無刷電機按照內部傳感器的安裝位置不同,又可分為60度電機和120度電機.在120°的霍爾信號中,不可能出現二進制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致的誤操作.因為霍爾組件是開漏輸出,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這兩種信號均會出現,所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準確率.因此目前市面馬達已經逐漸舍棄60°相位的霍爾排列.
2.永磁直流電機基本原理
2.1.主回路電路

圖中ABC表示電機的3相繞組,采用星形接法,V1~V6表示功率場效應管,如果將V1~V6用如下的時序波形驅動,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),產生一個旋轉的磁場,牽引外轉子(永磁體)旋轉.
導通順序

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.限流驅動
2.過流保護
3.堵轉保護
4.電池欠壓保護
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用專用控制芯片用加上適當的外圍電路均不難解決,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現就比較困難,所以使用單片機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別,硬件控制的反應速度僅僅受限于邏輯門的開關速度,而軟件的運行則需要指令執行時間.要使軟件跟得上電機控制的需求,就必須要求軟件在最短的時間內能夠正確處理換相,電流限制等各種復雜動作,這就涉及到一個對外部信號的采樣頻率,采樣時機,信號的內部處理判斷及處理結果的輸出,還有一些抗干擾措施等,這些都是軟件設計中需要仔細考慮的東西.
在本方案中,我們采用了一顆集成PWM發生器的8位單片機SH79F081,采用優化的單機器周期8051內核,內置16k Flash存儲器,兼容傳統8051所有硬件資源,采用JTAG仿真方式,內置16.6MHz振蕩器,同時擴展了如下功能:
雙DPTR指針. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
3通道帶死區控制PWM,6路輸出,輸出極性可設,提供周期溢出功能
集成故障檢測功能,可瞬時關閉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.
這顆IC由于CPU運行速度和AD采樣速度都很快,PWM功能強大,硬件抗干擾功能多,非常適合作電動車控制器.