電動車無刷控制器硬件電路解釋4649335

1、電動車無刷控制器硬件電路解釋2009-07-08 08:25電動車無刷電機是目前最普及的電動車用動力源，無刷電機以其相對有刷電機長壽，免維護的特點得到廣泛應用，然而由于其使用直流電而無換向用的電刷，其換向控制相對有刷電機要復雜許多，同時由于電動車負載極不穩(wěn)定，又使用電池作電源，因此控制器自身的保護及對電機，電源的保護均對控制器提出更多要求。自電動車用無刷電動機問世以來，其控制器發(fā)展分兩個階段：第一階段為使用專用無刷電動機控制芯片為主組成的純硬件電路控制器，這種電路較為簡單，其中控制芯片的代表是摩托羅拉的MC33035,這個不是這里的主題，所以也不作深入介紹。第二階段是以MCU為主的控制芯片。這

2、是這篇文章介紹的重點，在MCR版本的設計中，揉和了模擬、數(shù)字、大功率MOSFET驅動等等許多重要應用，結合MCU智能化控制，是一個非常有啟迪性的設計。今以應用最廣泛的以PIC16F72為智能控制中心，350W的整機電路為例,整機電路如圖1： 電路大體上可以分成五部分：一、電源穩(wěn)壓，供應部分；二、信號輸入與預處理部分；三、智能信號處理，控制部分；四、驅動控制信號預處理部分；五、功率驅動開關部分。下面我們先來看看此電路最核心的部分：PIC16F72組成的單片機智能處理、控制部分，因為其他電路都是為其服務或被其控制，弄清楚這部分，其它電路就比較容易明白。我們先來簡單介紹一下PIC16F72的外部資源

3、：該單片機有28個引腳，去掉電源、復位、振蕩器等，共有22個可復用的IO口，其中第13腳是CCP1輸出口，可輸出最大分辨率達10BIT的可調PWM信號，另有AN0-AN4共5路AD模數(shù)轉換輸入口，可提供檢測外部電路的電壓，一個外部中斷輸入腳，可處理突發(fā)事件。內部軟件資源我們在軟件部分講解，這里并不需要很關心。 各引腳應用如下：1：MCLR復位/燒寫高壓輸入兩用口2：模擬量輸入口：放大后的電流信號輸入口，單片機將此信號進行A-D轉換后經(jīng)過運算來控制PWM的輸出，使電流不致過大而燒毀功率管。正常運轉時電壓應在0-1.5V左右3：模擬量輸入口：電源電壓經(jīng)分壓后的輸入口，單片機將此信號進行A-D轉換后

4、判斷電池電壓是否過低，如果低則切斷輸出以保護電池，避免電池因過放電而損壞。正常時電壓應在3V以上4   模擬/數(shù)字量輸入口：由于電機的位置傳感器排列方法不同，該口的電平高低決定適合于哪種電機，目前市場上常見的有所謂120°和60°排列的電機。有的控制器還可以根據(jù)該口的電壓高低來控制起動時電流的大小，以適合不同的力度需求。 5：模擬量輸入口：線性霍爾組成的手柄調速電壓輸入口，單片機根據(jù)此電壓高低來控制輸出給電機的總功率，從而達到調整速度的目的。6：數(shù)字量輸入口：1+1助力脈沖信號輸入口，當騎行者踏動踏板使車前行時，該口會收到齒輪傳感器發(fā)出的脈沖信號，該信號

5、被單片機接收到后會給電機輸出一定功率以幫助騎行者更輕松地往前走。7：模擬/數(shù)字量輸入口：剎車信號電壓輸入口?？梢允褂肁D轉換器判斷，或根據(jù)電平高低判斷，平時該腳為高電平，當有剎車信號輸入時，該腳變成低電平，單片機收到該信號后切斷給電機的供電，以減少不必要的損耗。8：單片機電源地。9：單片機外接振蕩器輸入腳。10：單片機外接振蕩器反饋輸出腳。11：數(shù)字輸入口：功能開關112：數(shù)字輸入口：功能開關213：數(shù)字輸出口：PWM調制信號輸出腳，速度或電流由其輸出的脈沖占空比寬度控制。14：數(shù)字輸入口：功能開關315、16、17：數(shù)字輸入口：電機轉子位置傳感器信號輸入口，單片機根據(jù)其信號變化決定讓電機的相

6、應繞組通電，從而使電機始終向需要的方向轉動。這個信號上面講過有120°和60°之分，這個角度實際上是這三個信號的電相位之差，120°就是和三相電一樣，每個相位和前面的相位角相差120°。60°就是相差60°。18：數(shù)字輸出口：該口控制一個LED指示燈，大部分廠商都將該指示燈用作故障情況顯示，當控制器有重大故障時該指示燈閃爍不同的次數(shù)表示不同的故障類型以方便生產(chǎn)、維修。19：單片機電源地。20：單片機電源正。上限是5.5V。21：數(shù)字輸入口：外部中斷輸入，當電流由于意外原因突然增大而不在控制范圍時，該口有低電平脈沖輸入。單片機收到此信號

7、時產(chǎn)生中斷，關閉電機的輸出，從而保護重要器件不致?lián)p壞或故障不再擴大。22：數(shù)字輸出口：同步續(xù)流控制端，當電流比較大時，該口輸出低電平，控制其后邏輯電路，使同步續(xù)流功能開啟。該功能在后面詳細講解。 23-28：數(shù)字輸出口：是功率管的邏輯開關，單片機根據(jù)電機轉子位置傳感器的信號，由這里輸出三相交流信號控制功率MOSFET開關的導通和關閉，使電機正常運轉。有了智能化的控制中心，就需要有其它電路來為其服務，我們在這里從頭開始介紹。一、電源部分控制器有三組電源，第一組當然是提供總能源的電池，板子上的電解電容C1:1000F,63V）C11:47F,63V及C13,C33:0.1F63V是退耦用的，用于消

8、除由于電源線、電路板走線所帶來的電阻、寄生電感等引起的雜波干擾，由于工作在大電流、高頻率、高溫狀態(tài)下，特別對電解電容有損耗角小、耐高溫的要求，普通的電解電容容易發(fā)熱爆裂。第二組電源提供12-15V的電壓，這組電壓主要提供給MOSFET的開通電壓，由于場效應管的驅動要求比較特殊，必須有10V以上20V以下的電壓才能很好導通，所以必須有合適的電壓供給，同時該組電壓也為后面5V穩(wěn)壓塊提供預穩(wěn)壓。這組電壓由LM317提供，輸出大約13.5V。由于LM317的輸入輸出壓差不能超過40V,而輸入電壓可能高達60V，因此在前面加了一個330，2W的電阻，既預先降壓，又替317分擔了一部分功耗。 第三組電源是

9、5V，由LM78L05提供，由于78L05提供的最大電流只有100mA，所以另并聯(lián)了兩個1.5K的電阻以擴流，同時也分擔一部分功耗。在整個系統(tǒng)中，對5V電源的要求比較高，不單單是因為邏輯電路，MCU等的電源電壓都不能過高，而且由于MCU的所有AD轉換都是以5V電壓為基準，所以當5V不準時會出現(xiàn)電流，欠壓值，手柄控制等均不能達到設計要求的情況，甚至不能動作，因此該電壓的范圍應被嚴格限制在4.90-5.10V之間。二、信號輸入與預處理部分這部分電路包括電源電壓輸入、工作電流比較，放大輸入、手柄電壓輸入、電機轉子位置傳感器的霍爾信號輸入、剎車信號輸入及各種其它功能開關信號輸入等。1.電源電壓輸入：由

10、于MCU只接受0-5V的信號，所以電源電壓必須經(jīng)過分壓才能輸入MCU。2.工作電流放大、輸入U3A是一個放大電路，它將康銅絲R55采樣過來的電流信號經(jīng)過6.5倍放大送入單片機。最早的設計在R23上并聯(lián)了一個0.1F的電容組成低通放大器，后來為了更好地實時檢測電流，將該電容去掉，這樣放大后的電壓和電流的實際變化基本一致以便MCU采樣值更接近于實際值。U3B是一個比較器接法，實際也是一個比較器，正常時的電流絕對不會讓該比較器翻轉，當電流由于某種原因突然增大到一定程度，該比較器翻轉從而觸發(fā)單片機的外部中斷，單片機就會完全關閉電機的輸出進入保護狀態(tài)，避免故障進一步擴大。 這里有人會問，為什么放大器的放

11、大倍數(shù)取得這么小，如果放大倍數(shù)再大一點的話，單片機經(jīng)過AD轉換后的數(shù)字相對比較大，分辨率可以做得比較高，何樂而不為呢？這種想法是有道理的，但是限于LM358的頻率響應不夠高，15KHZ（PWM的工作頻率大約為15.6K）的方波經(jīng)358放大之后變成梯形波了，我們目前對電流峰值的采樣應當采取梯形波的上邊，如果放大倍數(shù)過大，梯形波的上邊就會變得很窄而使單片機采樣困難，甚至采樣錯誤，比如采樣到梯形波的斜邊，因而不能正確反映電流的實際大小，這就會導致電流控制的紊亂。所以寧愿放大倍數(shù)取小點以保證采樣位置的準確無誤。3.手柄輸入部分：手柄輸出的電壓范圍在1.2-4.2V的范圍內，經(jīng)過阻容濾波后輸入到單片機處

12、理。手柄需要一個5V的電源才能工作。4.電機轉子位置傳感器輸入部分：由于該傳感器安裝在電機內部，采用開路輸出的辦法，所以除提供5V電源外，每個傳感器都必須接上拉電阻，并對其輸出的信號進行阻容濾波以抗干擾，同時在電源處接二極管、接地采用細銅膜做保險絲，防止電機相線與霍爾信號線短路后高電壓反串近來損壞板子上別的零件。5.剎車信號輸入：由于剎車信號開關往往和剎車燈共用一個開關，每個廠商的剎車電壓也不統(tǒng)一，所以必須接入二極管防止高壓串入。高電平輸入部分，要做到8-50V輸入時都能正常工作。 6.其它功能開關信號比較簡單，功能實現(xiàn)均依靠內部程序實現(xiàn)，四、驅動控制信號預處理部分；驅動控制信號大致由兩種信號

13、合成：PWM信號和相位邏輯開關信號，這里不得不先介紹一下功率開關部分：功率開關部分是由三組半橋開關組成的三相開關，用以改變電機線圈的通電順序和通電方向，我們一般把與電源正相接的功率管稱為上橋，與電源地相接的功率管稱為下橋，參考圖一，上橋的相位邏輯開關信號由A+、B+、C+提供，這三個控制信號必須與PWM信號合成后控制對應的上橋，下橋的相位邏輯開關信號由A-、B-、C-提供，基本上直接被用來控制下橋的開關。單片機這六個腳上都接了一個2.2K-10K的電阻到地，是為了防止單片機處在復位時，由于這些腳均處于高阻狀態(tài)，有可能會引入干擾信號而導致后面邏輯電路誤動作，這個比較簡單，但是我們現(xiàn)在看到控制部分

14、的電路圖并非上面所說的那么簡單，實際電路中間彎彎繞繞經(jīng)過了4個邏輯電路處理后才到達上下橋的驅動電路，許多朋友會問：為什么要如此復雜呢？其實這些電路都是為了實現(xiàn)一個功能：同步續(xù)流。為什么要同步續(xù)流需要說明一下,這里的“同步續(xù)流”，被一些人稱為“同步整流”，同步整流是用在電源上的名詞，用在這里明顯不太合適。 先參考圖假設此時A相上橋和C相下橋通電，當A相上橋PWM占空比沒有達到100%時，通過電機線圈的電流是斷續(xù)的，但上橋關閉的時候，由于電機線圈是一個電感，線圈上必定會出現(xiàn)一個自感反電動勢，這個反電動勢必須維持線圈電流的方向不變，由于A相上橋已經(jīng)關閉，這個電流就會通過原來已經(jīng)開通的C相下橋，地，A

15、相下橋的續(xù)流二極管繼續(xù)流動，見圖6。當總電流小時這個自感電流并不大，但總電流大時，線圈中儲存的能量多起來，這個自感電流也會相當大，我們知道MOSFET的續(xù)流二極管本身的壓降大約在0.7-1V,在通過的自感電流大時，功耗便會相當大，假設自感電流為10A,二極管壓降為0.7V時，功耗為7W，顯然這個發(fā)熱量是相當大的，這時下橋便會變得很燙，假如我們此時把下橋打開，讓自感電流直接從MOSFET的溝道里走掉（MOSFET導通時電流可以雙向流通），再假設MOSFET導通電阻RDSON=10m，10A的時候功耗就變?yōu)?W,理論上就可以大大降低下橋的功耗，從而降低溫升。但在實際上，由于上下橋在交*導通時需要一

16、個死區(qū)以避免雙管直通造成2.同步續(xù)流的邏輯關系圖為A相驅動電路的實際電路因為三相驅動相同，所以我們這里僅以A相為例說明同步續(xù)流功能的實現(xiàn)電源短路，這個作用會打一些折扣，不過效果還是很明顯。這也是為什么很多產(chǎn)品的下橋會用好一點的管子的原因。 同步續(xù)流的實現(xiàn)單片機產(chǎn)生的PWM占空比信號一路通過與門，經(jīng)R53,R52,C71截波（縮小占空比）后輸出，相位不變，截波量大約為1.5S,形成PWM信號，此路輸出至上橋驅動，與上橋邏輯開關信號相與后驅動上橋MOSFET。另一路經(jīng)R57和C24，反相器U5A移相，相移量大約750nS,再經(jīng)U5B反相，形成PWM-信號，最后合成至下橋驅動。此時兩個信號輸出時相位

17、相同，但PWM-信號占空比比PWM信號占空比大1.5S,但由于PWM-信號已經(jīng)偏移750nS,所以PWM信號剛好套在PWM-信號中間，兩邊空出750nS作為MOSFET開關的死區(qū)。處理后波形示意圖如圖此主題相關圖片如下：同步續(xù)流示意圖.gif此主題相關圖片如下：截波波形.gif2.同步續(xù)流的邏輯關系圖12為A相驅動電路的實際電路圖12因為三相驅動相同，所以我們這里僅以A相為例說明同步續(xù)流功能的實現(xiàn)過程當A向的邏輯開關信號“A+”為高電平時，A相上橋被“PWM”信號驅動，在整機電流較小的情況下，PV信號為高電平，不管或非門U3C其它兩個輸入腳電平如何，其輸出總是低，所以此時或非門U2B僅受“A-

18、”信號控制，“A-”信號是下橋的邏輯開關，它僅在下橋需要導通時置高，平時為低。當整機電流比較大，而PWM占空比小于100%時，由于A相上橋在PWM間隙關斷導致電機線圈中出現(xiàn)較大感應電流，感應電流通過另一相的下橋和A相下橋的二極管泄放，為降低該二極管的功耗，此時應將A相下橋MOSFET打開以減小壓降，這時單片機將“PV”信號端拉低，在PV信號和反向后的“A+”信號共同作用下，“PWM-”信號通過U3C傳遞到U2B，而此時由于“A-”為低，所以U2B受“PWM-”信號控制，在PWM信號關斷的間隙使下橋MOSFET導通。當“A+”信號為低電平時，“PWM-”信號并不影響下橋，保證了下橋的正確邏輯而不

19、會誤導通。五、功率驅動開關部分。以單獨一組A相上下橋驅動為例，見圖12見了這種電路，很多人首先會問：為何上橋的驅動電路如此復雜？很顯然，這么復雜的電路一定有其用途，如果要簡單一點話，上橋的功率開關直接用P溝道的MOSFET來做就可以，這樣驅動電路會簡單很多，但P溝道的功率MOSFET又貴又難買，為了節(jié)省成本，只能用N溝道的代替，但N溝道的MOSFET導通時其柵極G的電壓必須比源極S高出10V以上才能保證完全導通，這樣在上橋導通時，假設電源電壓為48V，那么上橋G極的電壓就必須比電源電壓高12V,也就是大于60V才行。但怎樣獲得比電源電壓還高的驅動電壓呢？一般情況可以通過變壓器耦合驅動信號，電荷

20、泵升壓提供高壓等方法，而在這里，則采用了一種叫做“高壓浮柵型驅動電路”來驅動上橋。顧名思義，浮柵驅動的柵極是浮動的，這是一個很形象的描述，我們根據(jù)線路圖來分析一下柵極是怎樣“浮動”起來的我們先看一下C5的接法，這是整個驅動的關鍵所在，C5正極通過二極管接到13.5V電源（實際在13.5V左右），負極很奇怪地接到電機的相位線，與它所驅動的MOSFET V1的源極接在一起，在電機不動的情況下，所有的MOSFET關閉，此時C5通過二極管D1，電阻R40充電至接近13.5V,當A+和PWM的合成信號使U4A的3腳輸出高電平時，q1導通帶動t1導通，這樣12V多的電壓就會加到V1的柵極使V1導

21、通，而V1導通使電源電壓加至負載，也就是V1的源極電壓會升高至48V，而此時由于C5充滿電，C5上的電壓仍然是12V，所以可以維持t1的導通并使V1柵極的電壓始終保持高于VCC，這樣V1的柵極就好像隨著源極電壓浮動而浮動，所以叫做“浮柵驅動”。這時如果U4A的3腳一直維持高電平的話，在電容k1和MOSFET本身GS間電容充飽電之后，C5上的儲存的電荷主要通過t1的BE結，電阻a1到三極管q1放電（由于此時二極管D7處于正偏狀態(tài)，所以t2的BE結反偏而截止，因此t2并不參與放電），如果C5足夠大，那么可以在相當長的一段時間內保證V1的驅動電壓在合理的范圍內。這里b1放在q1的射極上組成一個近似恒

22、流的驅動電路，用以保證在C5正極電壓升得很高時，通過三極管q1的放電電流不致過大而導致電容很快放完。當U4A的3腳輸出低電平時，q1,t1迅速關閉，t2開始導通，將k1和柵極本身積累的電荷迅速泄放，V1被關閉，而此時由于另兩組中的一組之下橋維持在導通狀態(tài)，電容C5就會通過電機繞組和該下橋迅速充電補充電能，為下一個周期做準備。從上面的過程可以看出，電容C5的充電量應該是越大越好，但電容大了，可能二極管來不及給電容充電，電容小了，又不能保證導通時間，所以這種驅動不能使V1長時間維持在導通狀態(tài)，這也是為什么PWM信號要耦合到上橋的一個原因。其次對于這個驅動電路有人還會產(chǎn)生一個疑問：按理說用作功率開關

23、的MOSFET，為了減少開關損耗，應盡量避免MOSFET工作在放大狀態(tài)，按照這個原則，驅動MOSFET的電平應該是快速上升、快速下降，而且這個速度是越快越好，但此電路中增加了電阻e1、e2，電容k1、k2，這四個元件在這里的作用顯然有悖于快升快降的原則，實際上這四個零件在電路中的作用也確實是有意減慢MOSFET的開啟速度，使驅動MOSFET的電壓波形上升沿沒那么陡峭，為什么要這樣做呢？這個要從MOSFET的結構來看，MOSFET本身各極之間存在極間電容，這個電容被稱為密勒電容。而我們現(xiàn)在這種上下橋類似推挽結構的電路，上橋導通時，由于下橋漏極的電壓急劇升高，這種電壓變化會通過下橋的密勒電容傳遞給

24、下橋的柵極，我們把上橋導通時下橋漏極電壓升高的速度以v/t表示，當v/t足夠大時，傳遞給下橋柵極的電荷便會積蓄到足以使下橋導通的地步，這樣就會導致上下橋直接將電源短路，而解決這個問題最簡單的辦法，就是讓上下橋開通的速度不要那么快，所以加上阻容延時，并且這里的k1,k2還有吸收部分沖擊電壓的功效,這里就不多做描述了。電動車無刷電機控制器軟件設計詳解作者:謝淵斌 原作發(fā)表在電子報2007年合訂本下冊版權保留，轉帖請注明出處本文以MICROCHIP 公司所生產(chǎn)的PIC16F72為基礎說明軟件編程方面所涉及的要點，此文所涉及的源程序均以PIC的匯編語言為例。由于軟件不可避免需與硬件相結合，所以此文可能

25、出現(xiàn)硬件電路圖或示意圖。本文適合在單片機編程方面有一定經(jīng)驗的讀者，有些基礎知識恕不一一介紹。我們先列一下電動車無刷馬達控制器的基本要求：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3.電池欠壓保護4.節(jié)能和降低溫升5.附加功能(防盜鎖死，溫升限制等)6.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的無刷馬達驅動芯片加上適當?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

26、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(xiàn)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硬件電路芯片。但是硬件控制和軟件控制有很大的區(qū)別，硬件控制的反應速度僅僅受限于邏輯門的開關速度，而軟件的運行則需要時間。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再三仔細考慮的東西。PIC16F72是一款哈佛結構，精簡指令集的MCU，由于其數(shù)據(jù)總線和指令總線分開，總共35條單字指令，0-20

27、M的時鐘速度，所以其運算速度和抗干擾性能都非常出色，2K字長的FLASH程序空間，22個可用的IO口，同時又附加了3個定時/計數(shù)器，5個8位AD口，1個比較/捕捉/脈寬調制器，8個中斷源，這些優(yōu)異的性能為電動車控制器控制提供了良好的硬件環(huán)境和軟件基礎，一經(jīng)推出就贏得眾多設計人員的熱捧。那么如何使用PIC16F72來設計一個電動車控制器呢？我們下面以目前市面流行的硬件設計為基礎，盡量通俗易懂地介紹一下程序設計思路和注意點。要使無刷電機轉起來，并且聽從駕駛者的調速、剎車等基本指揮，最基本的要求就是要實現(xiàn)硬件所能實現(xiàn)的電子換向和調速，剎車等功能。實際上軟件的整體設計也和硬件一樣，也是一個模塊化堆砌的

28、過程，問題在于模塊的合理化堆砌，使堆砌后形成的整體能夠堅固，協(xié)調、高效率運作。我們先說一說各種模塊功能的簡單實現(xiàn)，然后再來討論如何使這些模塊協(xié)調運轉。1.首先說說電子換相模塊我們知道，直流永磁電機在運轉時需要一對電刷和與線圈相對應的換向整流子來使線圈中的電流方向根據(jù)磁場方向來不斷改變，從而轉子持續(xù)向一個方向運轉，我們稱這種電機為有刷電機，在電動車剛剛面世時一般均使用這種電機，但有刷電機有一個致命的缺陷，就是用作電刷的碳刷非常容易磨損，換向整流子也非常容易被油污，碳刷碎屑填滿空隙而漏電，而且功率越大，這種毛病越嚴重，導致有刷電機維護量和故障率急劇上升，嚴重影響其推廣，因此在較大功率的場合，無刷電

29、機應運而生。無刷電機，顧名思義就是沒有了電刷，不能自動換向，因此要依靠傳感器檢測轉子的位置、用電子開關來改變線圈中電流的方向，所以其控制器要對轉子永磁體位置進行精確檢測，并用電子開關切換不同繞組通電以獲得持續(xù)向前的動力。轉子位置檢測傳感器有很多，比如光傳感器，磁感應傳感器等，電子開關可以用大功率三極管、功率型場效應管、IGBT等制作，在目前的絕大多數(shù)電動車三相無刷電機中均使用三個開關式的霍爾傳感器檢測永磁體相對于定子線圈的位置，控制器跟據(jù)三個霍爾傳感器輸出的六種不同信號輸出相應的控制信號驅動功率型場效應管（MOSFET）組成的電子開關向馬達供電。這就是所謂六步換相法。從電機原理可以看出，這種電

30、機是一種特殊的同步電機，因此換相必須及時，否則會導致電機失步，從而使電機噪音增大，效率降低，嚴重的還會導致控制器，電機燒毀。鑒于以上要求，我們先必須測一下市面上普通的無刷馬達在最高轉速時(考慮到順風和下坡的情況)的換向情況，這個比較簡單，用示波器測量之后得到在最高速時每相霍爾傳感器輸出的頻率大概在140HZ左右，折合到換向的最小時間，那么應該是1.2mS左右換相一次，根據(jù)際的使用效果，軟件的反應時間必須在0.12mS左右，也就是說在檢測到換相信號的改變并且輸出換相驅動信號時的過程必須在0.1-0.2mS之內完成。另一個需要考慮的是，電機驅動是一個大電流驅動，又是一個電感性負載，控制器在運行時不

31、可避免有干擾引入，因此除了在硬件布局，布線上注意外，軟件上也要做相應的抗干擾措施以避免錯誤的換向動作?？紤]到輸入到單片機的換相信號容易受干擾，加上線路上濾波電容的影響，單片機程序在讀取換相信號時應至少連續(xù)讀取3次，以3次信號完全一致時才采用該值作為換相信號的真值，如果其中一次不對，那么干脆就重新再讀3次，這就是一個有抗干擾措施的鑒相過程。取得換相信號后，我們將其與上次讀到的值做對比，如果相同，則表示沒有換相，如果不同，則要跟據(jù)這個值去取得一個相對應的驅動信號，從而驅動電子開關動作。這個過程可以使用逐項比較法，查表法等來實現(xiàn)。鑒于查表法比較快捷，一般使用查表法。其中需要考慮的是，一旦獲得的信號與

32、所有的六個信號都不相同，可能表示電機中霍爾元件或者其連接線路出現(xiàn)故障，此時我們應該讓電機斷電以避免誤操作。市面上有兩種電機，即所謂的120°和60°霍爾信號，這個角度代表三個霍爾器件輸出的三相電信號其相位角相差的角度，其實這里面的區(qū)別僅僅是電平的不一樣，在馬達內部的安裝上，位置沒什么不同，只是中間一相的相位相反，所以仍然是六種信號對應六種驅動，軟件上將表稍作調整即可。需要提一下的是，在120°的霍爾信號中，不可能出現(xiàn)二進制0B000和0B111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。因為霍爾元件是開路輸出，高電平依靠電路上的上拉電阻提供，一旦霍

33、爾零件斷電，霍爾信號輸出就是0B111。一旦霍爾零件短路，霍爾信號輸出就是0B000，而60°的霍爾信號在正常工作時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確率。目前市面馬達已經(jīng)逐漸舍棄60°相位的霍爾排列。編程提示：在程序上，我們綜合考慮單片機的處理速度，采用定時中斷去檢測相位變化，中斷周期采用128S，中斷源可使用TMR0，或者PWM本身的TMR2中斷。在同一個中斷中，我們還將安排其它更重要的工作，這個在后面的電流控制中再說明。編程技巧：從硬件電路圖中我們看到，位置霍爾信號在PORTC口的RC4、RC5、RC6三個口輸入，以120°相位為例，如

34、果直接讀出來，對應十六進制值是0X10-0X60，考慮到霍爾出錯的可能，那么對應的值是0X00-0X70，顯然這個值對今后的查表處理造成非常大的麻煩，我們不可能去弄一個0X70這么大的表格而其中只放僅僅8個元素，所以有必要考慮編程時的優(yōu)化，且看下面一個例程：讀取相位值的例程：READHALL:SWAPF PORTC,W ;將PORTC的高，低半字節(jié)交換后讀至WANDLW 0X07 ;屏蔽掉不必要的位，MOVWF HALLTEMP ;存人暫存器SWAPF PORTC,W ;再次讀ANDLW 0X07SUBWF HALLTEMP,W ;與舊值比較BTFSS STATUS,ZGOTO READHAL

35、L ;如果與第一次讀取的不一樣，則從頭再來SWAPF PORTC,W ;第三次讀ANDLW 0X07SUBWF HALLTEMP,W ;再次比較BTFSS STATUS,ZGOTO READHALL ;不一樣則從頭再來RETURN ;三次讀取值一致，返回。這個程序中，最關鍵是 SWAPF PORTC,W 這句，這句語句一方面讀取了霍爾值，另一方面與下句語句結合還將此值變?yōu)?-7的最小值，這樣使得我們后面的查表只需要8個空間的元素。以上程序，也有人認為有可能會導致程序陷入死循環(huán)，但不必擔心，因為要導致這個程序進入死循環(huán)的信號頻率必須非常高，有興趣的讀者可計算一下。有了上面的霍爾讀取程序，我們下面

36、的查表讀取相應驅動值就會變的比較方便，但查表也有很多種，在PIC16F72中，查表可以用RETLW在程序空間查，也可以用專用的讀取FLASH空間的指令去讀，考慮到我們這個表格一共只有8個元素，我們可以將器放在內存寄存器中，利用用FSR去讀取表內容。這樣做有好處，就是查表時不用去考慮查表偏移量造成程序計數(shù)器溢出，另一方面是120°和60°可以使用同一個表格而不用切換。這個表格，我們可以放在寄存器空間不太方便使用的BANK1，在程序初始化時預先寫入正確的換向對應值。這個程序在時間上并不比其它兩種查表法顯得快多少，而且程序空間也不節(jié)省，在這里只是作為一個方法示例，可以讓我們看到實

37、現(xiàn)同一個功能可以走不同的路。使用內存查表法的驅動值獲取例程：HALLSTART EQU 0XA1 ;定義霍爾-驅動表格的起始地址在BANK1的0XA1開始處HALL_DRIVER: ;由霍爾值取得對應驅動值的內存查表例程MOVF HALLTEMP,W ;取得HALL的真值ADDLW HALLSTART ;加上表格的起始地址MOVWF FSR ;放到間接讀內存的指針中。MOVF INDF,W ;讀出驅動值MOVWF PORTB ;不管返回值如何，先寫入驅動端口，SUBLW STOP_D ;與電機停止值相比較，BTFSC STATUS,ZGOTO HALL_ERR ;如果獲得停止電機值，那么表示霍

38、爾信號有問題RETURN無級調速模塊部分：由于使用直流電源，電機的速度得依靠調節(jié)加在電機兩端的電壓來調整，較簡單的辦法是使用PWM脈寬調制來調節(jié)加到電機兩端的電壓。PWM的工作周期根據(jù)電機的使用環(huán)境，采用64S，折算成頻率大約15.625KHz，頻率太低了會產(chǎn)生人耳能明顯感覺到的高頻噪聲，電流也不容易控制;太高了又增加電子開關的開關損耗；PWM脈沖的寬度是調節(jié)加到電機兩端有效電壓高低的手段，直接影響到電機的輸出功率，我們可以根據(jù)手柄輸出的電壓決定最終應該分配給電機多高的電壓。手柄電壓檢測比較簡單，人對速度的感覺很遲鈍，所以手柄的檢測不需要很頻繁，這個AD檢測與電源電壓AD等檢測均不需要很快的速

39、度，所以每隔10mS-50mS輪番檢測一次便足夠，AD的檢測在定時中斷中做，而結果則放在中斷外做，這樣不會占用中斷太多的時間。編程提示：由于現(xiàn)在大多采用線性霍爾作為手柄調節(jié)速度方案，優(yōu)點是無觸電，故障率極低。缺點是在5V供電的情況下，電壓只能在1.1V-4.3V的范圍內變化，因此軟件的處理相對復雜一點。這只需要我們做一點簡單的運算，或者采用查表的方法，將這期間的AD數(shù)值轉換成PWM占空比的值即可。雖然講是無級調速，實際上分32級時人已經(jīng)感覺不出速度的細微變化了。但是有一點，根據(jù)手柄得出的PWM脈沖寬度不能直接用來控制PWM占空比，需要在電流允許的情況下才能讓占空比達到設定值。程序中所用關鍵控制

40、寄存器及其作用：PR2：決定PWM的工作周期，也就是PWM的調制頻率，工作中其值不斷地與TMR2中的值相比較，當TMR2的值等于PR2時TMR2歸零重新開始另一個周期，由于用到TMR2，所以TMR2的預分頻器也同樣影響到PWM的工作周期。具體計算公式在數(shù)據(jù)手冊上可以找到，下同。CCPR1L及CCP1CON的第4，5位：決定PWM的占空比，單片機在運行時TMR2的值不斷與CCPR1L中的值比較，當TMR2=CCPR1L時，PWM輸出腳輸出低電平。當CCPR1L中的值大于PR2時，PWM輸出腳持續(xù)輸出高電平。注意：CCP1CON中的第4，5位在這里并非無用，在后面的電流調節(jié)中可以用來微調PWM的占

41、空比。T2CON：決定TMR2的預分頻器和后分頻器的分頻比，預分頻器和前面講過的PR2共同決定PWM頻率，后分頻器決定TMR2的中斷周期剎車斷電模塊：電動車在剎車手柄附近裝了一個微動開關，一方面在剎車時點亮剎車燈，一方面給控制器提供一個剎車高或低電平信號，各廠家不一定，在電路上作一些電平轉換很容易就可以提供給單片機一個準確的信號，我們可以采用數(shù)字測量的方法測量這個電平是高還是低，也可以使用AD去測量有幾伏，總之監(jiān)測到這個信號后必須關閉所有的驅動輸出和PWM輸出，這樣就可以實現(xiàn)剎車斷電。編程方面我就不多說了。至于如何實現(xiàn)EBS電子剎車，我們后面在附加功能再講。4。限流驅動這是整個控制器的靈魂，如

42、果限流驅動沒做好，其他功能再好還是一個字：燒!。電動車控制器的電子開關均使用功率MOSFET控制，MOSFET的最大允許電流，最大允許功耗都有其限制，如果沒有電流控制，或者電流控制不好，均會導致功率MOSFET的燒毀，從而導致整個控制器報廢，因此電流控制是本程序的重中之重，這個做不好，其它功能一概免談。說起來嚴重，其實做起來，摸到竅門也是很簡單的，其秘訣也只有四個字：準確，及時電流信號經(jīng)康銅絲采樣之后分兩路，一路送至放大器，一路送至比較器。具體電路見硬件部分。放大器用來實時放大電流信號，放大倍數(shù)大約6.5倍，放大后的信號提供給單片機進行AD采樣轉換，轉換所得數(shù)字用來控制電流不超過我們所允許的值

43、。另一路信號送至比較器，當電流突然由于某種原因大大超過允許值，比如一只MOSFET擊穿或誤導通時，比較器翻轉送出低電平，觸發(fā)單片機的INT0外部中斷，使單片機能夠快速關斷驅動，從而保護MOSFET避免更大傷害。我們這里所要講述的準確，及時兩個要素，主要是針對放大器放大之后的信號處理過程來表述的。準確圖1首先一個條件是準確，這里所指的是電流的AD采樣和轉換的時機。我們現(xiàn)在使用的是PWM脈沖驅動，這種脈沖驅動導致的直接結果是放大后的電流信號與PWM脈沖頻率相同，相位上滯后一定時間的脈動電流波形，見圖1。這種波形會類似于一個梯形，如果我們要獲得準確的電流AD轉換值，最好的辦法就是在梯形波的上邊中間采

44、樣電流信號，這樣所獲得的電流AD值才能較為準確地反應電流的實際大小。在本文所選的單片機上，AD轉換的采樣開始時間由ADCON0中的ADON位控制開始，AD轉換則由ADGO位啟動，采樣時間，在單片機的數(shù)據(jù)手冊里有明確的規(guī)定，在一般控制器放大電路中，采樣的時間一般采用10-20S，在這期間可以做一些固定的事，比如系統(tǒng)計時之類的，以免浪費資源。而轉換時間，只要保證不小于數(shù)據(jù)手冊所規(guī)定的1.6S/bit的最低要求，當然是越快越好，這里設定為2S/bit。那么怎樣保證采樣的準確性呢？這里有一個前面提過的辦法，就是使用定時中斷，我們可以設定好使定時中斷和PWM周期同步，這里采用TMR2經(jīng)以PWM頻率1:2

45、的后分頻之后產(chǎn)生的中斷。此中斷發(fā)生在每兩個PWM信號起始時刻，預先設定好AD的通道，將AD轉換器切換到檢測電流的那個通道，當進入TMR2中斷處理完現(xiàn)場保護，中斷源判斷等一系列動作之后，再延時一段時間，開啟ADON的時刻，也就是對電流波形采樣的時刻剛好落在電流梯形波的前部，采樣完畢之后馬上進行轉換。在等待轉換結果出來的過程中，我們也不能閑著，畢竟那是>20S的時間，在資源比較緊張的時候浪費了可惜，我們可以做一些比如"鑒相"的工作，就是在電子換相中所作必須作的工作。中斷中AD采樣時機的掌握例程：BCF PIR1,TMR2IF ;6S，TMR2中斷CALL HENGLIU

46、;恒流查表程序，利用這個程序延時一段時間以便在合適的時間準確采樣電流值。BTFSC INTCON,INTFGOTO INTB0 ;是否過流MOVF AD_CHANNEL,W ;AD檢測部分,設置合適的AD通道，并且開啟AD模塊開始采樣MOVWF ADCON0 ;CALL TIME05 ;大于4.5S采樣時間FOR 16F886BTFSC INTCON,INTFGOTO INTB0 ;是否過流BSF ADCON0,GO ;開始AD轉換CALL READ_HALL ;利用AD轉換的間歇做別的事LOOP_TMR2BTFSC INTCON,INTFGOTO INTB0 ;是否過流BTFSC ADCON

47、0,GOGOTO LOOP_TMR2及時其次是要及時。如果我們想及時準確地控制電流，采樣次數(shù)也是要求越多越好，因為電流的變化相當快，在一個PWM周期中變化量可能會很大，所以我們最好是在一個PWM周期里采樣數(shù)次，但是我們的單片機沒有這么快的速度，再說PWM的占空比在一個周期中只接受最后的改變，新的占空比參數(shù)要到下個周期才能發(fā)揮作用，所以一個PWM周期采樣一次就夠了，但每個采樣周期采樣單片機還是來不及處理，為了更好地處理其它事情，我們兩個PWM周期才對電流采樣一次。采樣轉換之后的工作，就是處理了。怎樣根據(jù)AD結果去調節(jié)電流？我們不需要想到PID控制那么復雜的概念，只需要在電流沒達到限制值時逐漸增加

48、CCPR1L的值，直到等于手柄設定值為止，如果在此過程中電流接近限制值，那么應該不再增加CCPR1L的值，直到電流減小。如果電流超過了限制值，則根據(jù)超過的量，找一個比較合適的減小量，比如CCPR1L減1或減3，一切以電流比較穩(wěn)定為準，不要有太大的波動，但波動越小，我們要求PWM占空比調整精度越高。這里要提一下的是PWM分辨率，以PIC16F72的條件，在16M時鐘的工作頻率和15.625K的PWM頻率前提下，PWM的占空比調整可以有10BIT的精度，可調整的為數(shù)越多，電流細調就越精確，但10BIT的數(shù)據(jù)涉及2個字節(jié)的運算，所以我們還是只采用8BIT的調整精度，實踐證明，8BIT的精度對調整電流

49、來說足夠。所以我們只對CCPR1L進行操作就可以，前提是TMR2預分頻值為1：1恒流算法-電流即時值和有效值的矛盾：也許我們注意到大多數(shù)控制器的最大電流并沒有出現(xiàn)在堵轉的時候，這是因為上面我們所檢測到的是電流的即時值，我們在電流表上看到的是電源電流的有效值，當PWM占空比不是100%的情況下，電流有效值電流即時值*PWM占空比，也就是說，占空比越小，要保證電流有效值達到我們的期望值，電流的即時值要提高，這樣就涉及一個算法問題：提高多少？我們可以根據(jù)上面那個公式做一個表格，或者根據(jù)CCPR1L中的值做一個簡單的換算。總之是算法不能太復雜，不能占用太多的系統(tǒng)時間。電流的測量和控制還涉及到其他兩個附

50、加功能：換相消噪和降低溫升。這里就只講講換相消噪。怎樣減小換相噪聲？在電動車剛剛起步的時候我們會發(fā)現(xiàn)換相時電機會發(fā)出很大的突突聲，這是由于電機起步時電流比較大，而電機是個感性負載，換相后由于電機線圈電流不會一下增大到換相前的水平，這樣就造成換相前后電流反差非常大，從而導致牽引力的急劇變化，這種變化便會引起電機強烈振動，這種振動噪聲我們不能完全消除，但有簡單的方法減小，就是在換相后的一段時間使PWM脈沖占空比達到100%來使電流增長快一點，從而減輕振動噪聲。需要提醒的是在這個過程中我們需要隨時監(jiān)測電流變化，電流一達到換相前的水平就可以恢復換相前的PWM占空比。如果電流始終達不到以前的水平，那么最

51、多延時十多個PWM周期即可，時間長了也沒用，以不影響到鑒相等其它重要工作為度。降低溫升這個我在硬件電路詳解要點中已經(jīng)初步介紹過，主要的手段就是加入同步續(xù)流的概念，那么，在軟件中什么時候開始開啟同步續(xù)流開關呢？在電流小的時候，電機線圈中的感應電流并不大，所以沒必要開啟；在PWM占空比達到100%時，由于沒有上橋的開關損耗，也沒必要開，或在PWM占空比接近100%時，下橋沒來得及開就被關閉，也沒有必要開，所以開啟同步續(xù)流功能的條件可歸納為：電流超過3-5A時，PWM占空比95%時開啟同步整流，由于硬件電路設計得比較完善，在軟件中，開啟同步續(xù)流只需將RB1置為低電平即可。關于電流的另一點：過流保護，

52、當有MOSFET擊穿或MOSFET誤導通時，比如死區(qū)發(fā)生器有故障時，會造成上下橋直通將電源直接短路，這樣會有很大的電流，為避免更大的傷害，在電流信號引起比較器翻轉時觸發(fā)INT0中斷，由于PIC16F72沒有中斷嵌套，因此在整個定時中斷中均要隨時檢測INT0中斷標志，防止短路發(fā)生。一般說來，上下橋直通不超過30S時對管子損害不大，超過30S后功率管就會有報銷的危險，所以在中斷中執(zhí)行其他程序時，一定要保證每隔30S必須去檢測一次INT0的中斷標志，如果發(fā)現(xiàn)INT0中斷標志置1，應立即關斷所有的驅動輸出。堵轉保護模塊為了防止電機發(fā)生堵轉時電流始終通過同一組MOSFET而造成永久損害，因此有必要在堵轉

53、發(fā)生之后數(shù)秒鐘之內切斷電機的供電。一般堵轉保護時間是2秒。要注意的是有時電機雖然發(fā)生堵轉，但剛好在換相的臨界點，此時會產(chǎn)生頻繁的換相動作，這對MOSFET也是有害的，所以也應當作堵轉來對待。堵轉保護實際與系統(tǒng)計時捆綁在一起，在電動機運行時，如果檢測到換向則將堵轉計時寄存器清空，如果堵轉計時寄存器溢出則進入保護狀態(tài)，關閉所有驅動輸出欠壓保護模塊這是針對電池的保護動作，如果電池過放電，將導致電池的永久損壞。注意欠壓保護和電池電壓上升后恢復供電這兩個電壓應有一定回差，比如48V電池欠壓點在42V，而恢復供電點在45V，當電池電壓回到45V時還應延時數(shù)秒再恢復供電，避免控制器頻繁進入保護狀態(tài)使騎行者感

54、到不適。另一點要注意的是，電池是具有內阻的電源，因此在大電流放電的情況下因適當調低欠壓值。在一些產(chǎn)品中，當電池電壓接近欠壓時，控制器會減小供給電機的電流，這在一方面可以提醒使用者電池處于虧欠狀態(tài)，小電流放電避免了電池的損壞；另一方面還可以使電動車繼續(xù)跑動相當長的距離而不會經(jīng)常進入保護狀態(tài)，避免使用者感到不舒適或者要受到推車之苦，這也不失為一種比較好的方法。電壓值的檢測也是不需要非常頻繁的，所以和手柄，剎車一道，在中斷中每隔10-50ms輪流檢測一次AD值即可，檢測后的結果保存起來放在全局變量中，等到退出中斷后，利用單片機的"空余時間"來處理這些值。AD通道的切換及基本程序結

55、構安排由于單片機的AD模塊是復用的，在必須的幾個功能中，單片機必須完成電流，手柄，電源電壓等AD檢測，由于電流的AD檢測非常重要，并且在中斷中，所以AD通道的切換就必須非常注意，通常，手柄，電源電壓變化比較緩慢，為了僅可能把資源讓給電流，手柄和電源電壓的檢測只需要20-30mS輪換檢測一次就夠了。還有一個要考慮的是在換向時由于消音程序需要用到電流通道的AD轉換，所以所有的AD結果必須安排在換向之前取出，并且根據(jù)當時通道將結果放到相應的結果寄存器中保存起來，以避免AD結果造成控制紊亂。程序結構的安排涉及兩個方面：定時中斷中的結構安排和非中斷中的結構安排。定時中斷中程序結構的一種安排：中斷保護系統(tǒng)

56、計時AD通道選擇開始AD采樣AD轉換開始檢測相位變化AD結果保存電流判斷及處理根據(jù)相位變化是否換向，消噪中斷恢復并返回非中斷中的程序結構安排：見圖2:主循環(huán)流程圖 圖2以上電子換相，電流檢測、處理等大部分要緊的工作均在同一個128S的定時中斷中完成。另外中斷中還要完成計時工作，其它對時間，時機要求不嚴格的則放在中斷外空余時間處理。故障的檢測，保護及告警顯示：使用了單片機這樣的可以智能化操作的零件，我們就可以做一些工作來幫助生產(chǎn)和維修：由于生產(chǎn)過程中不可避免會造成一些諸如虛焊，連錫之類的缺陷，所以在產(chǎn)品組裝成半成品測試時就會出現(xiàn)一些故障，輕則某些功能失效，重的會導致元器件燒毀，這是老板絕對不愿意

57、看到的，所以我們可以多做一些工作最大限度上避免此類問題的發(fā)生：我們最擔心的是生產(chǎn)過程中由于連錫或虛焊導致MOSFET燒毀，一個MOSFET好幾塊RMB，燒一個誰都心疼。幸好現(xiàn)在有單片機，在開機時可以用極短的時間(大概10-20S)全部開啟一下上橋，關閉，同時檢測電流，然后再開啟一下下橋，如果其中有MOSFET短路就會產(chǎn)生比較大的電流，這個電流我們可以用單片機在開啟MOSFET的同時檢測到，而在這么短的時間內即使某個MOSFET短路，也不至于把另外一個燒掉，所以可以利用這個檢驗方法來初步檢查產(chǎn)品的好壞，也便于修理工修理。其他的故障比較好檢測，這里就不一一贅述。故障檢測出來了，需要顯示出來以告知人

58、們出了什么故障，目前一般采用LED閃爍次數(shù)來表示，次數(shù)可以自己定，也可以采用比較流行的辦法：慢閃：1秒鐘閃一次，表示沒有檢測出故障?？扉W：連續(xù)閃兩次，停一下，表示剎車，或者剎車部分有故障。連續(xù)閃三次，停一下，表示INT0口始終為低電平，很有可能是比較器部分有問題。連續(xù)閃四次，停一下，表示上橋有短路現(xiàn)象連續(xù)閃五次，停一下，表示下橋有短路現(xiàn)象連續(xù)閃六次，停一下，表示電機霍爾信號有故障，或者相位選擇有誤。連續(xù)閃七次，停一下，表示剛剛發(fā)生了過流保護，INT0口有低電平脈沖出現(xiàn)連續(xù)閃八次，停一下，表示電源電壓過低或給單片機供電的5V電源電壓過高。附加功能：一、1+1助力：大多數(shù)電動自行車都有踏腳板，可以使用人力驅動，如果在人力驅動的同時電動機也開始輸出一部分功率以提供“助力”。這需要在腳踏齒輪邊上安裝一個自鎖相位的開關型霍爾傳感器，在腳踏齒輪上安裝一個帶若干磁鐵的感應盤，當腳踏動踏板時霍爾感應器感應到磁鐵經(jīng)