電動(dòng)車控制器原理

1、電動(dòng)車無刷電機(jī)是目前最普及的電動(dòng)車用動(dòng)力源，無刷電機(jī)以其相對有刷電機(jī)長壽，免維護(hù)的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)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(jī)要復(fù)雜許多，同時(shí)由于電動(dòng)車負(fù)載極不穩(wěn)定，又使用電池作電源，因此控制器自身的保護(hù)及對電機(jī)，電源的保護(hù)均對控制器提出更多要求。自電動(dòng)車用無刷電動(dòng)機(jī)問世以來，其控制器發(fā)展分兩個(gè)階段：第一階段為使用專用無刷電動(dòng)機(jī)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(gè)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。這是這篇文章介紹的重點(diǎn)，在MCR版本的設(shè)計(jì)中，揉和了模擬、數(shù)字

2、、大功率MOSFET驅(qū)動(dòng)等等許多重要應(yīng)用，結(jié)合MCU智能化控制，是一個(gè)非常有啟迪性的設(shè)計(jì)。今以應(yīng)用最廣泛的以PIC16F72為智能控制中心，350W的整機(jī)電路為例,整機(jī)電路如圖1：圖1:350W整機(jī)電路圖整機(jī)電路看起來很復(fù)雜，我們將其簡化成框圖再看看：圖2:電路框圖電路大體上可以分成五部分：一、電源穩(wěn)壓，供應(yīng)部分；二、信號(hào)輸入與預(yù)處理部分；三、智能信號(hào)處理，控制部分；四、驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)預(yù)處理部分；五、功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)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(jī)智能處理、控制部分，因?yàn)槠渌娐范际菫槠浞?wù)或被其控制，弄清楚這部分，其它電路就比較容易明白。圖3:PIC16F72

3、在控制器中的各引腳應(yīng)用圖我們先來簡單介紹一下PIC16F72的外部資源：該單片機(jī)有28個(gè)引腳，去掉電源、復(fù)位、振蕩器等，共有22個(gè)可復(fù)用的IO口，其中第13腳是CCP1輸出口，可輸出最大分辨率達(dá)10BIT的可調(diào)PWM信號(hào)，另有AN0-AN4共5路AD模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入口，可提供檢測外部電路的電壓，一個(gè)外部中斷輸入腳，可處理突發(fā)事件。內(nèi)部軟件資源我們在軟件部分講解，這里并不需要很關(guān)心。各引腳應(yīng)用如下：1：MCLR復(fù)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(hào)輸入口，單片機(jī)將此信號(hào)進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過運(yùn)算來控制PWM的輸出，使電流不致過大而燒毀功率管。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓應(yīng)在0-1.5V左右3：模

4、擬量輸入口：電源電壓經(jīng)分壓后的輸入口，單片機(jī)將此信號(hào)進(jìn)行A-D轉(zhuǎn)換后判斷電池電壓是否過低，如果低則切斷輸出以保護(hù)電池，避免電池因過放電而損壞。正常時(shí)電壓應(yīng)在3V以上4：模擬量輸入口：線性霍爾組成的手柄調(diào)速電壓輸入口，單片機(jī)根據(jù)此電壓高低來控制輸出給電機(jī)的總功率，從而達(dá)到調(diào)整速度的目的。5：模擬/數(shù)字量輸入口：剎車信號(hào)電壓輸入口?？梢允褂肁D轉(zhuǎn)換器判斷，或根據(jù)電平高低判斷，平時(shí)該腳為高電平，當(dāng)有剎車信號(hào)輸入時(shí)，該腳變成低電平，單片機(jī)收到該信號(hào)后切斷給電機(jī)的供電，以減少不必要的損耗。6：數(shù)字量輸入口：1+1助力脈沖信號(hào)輸入口，當(dāng)騎行者踏動(dòng)踏板使車前行時(shí)，該口會(huì)收到齒輪傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)，該信號(hào)被

5、單片機(jī)接收到后會(huì)給電機(jī)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：由于電機(jī)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(jī)，目前市場上常見的有所謂120和60排列的電機(jī)。有的控制器還可以根據(jù)該口的電壓高低來控制起動(dòng)時(shí)電流的大小，以適合不同的力度需求。8：單片機(jī)電源地。9：單片機(jī)外接振蕩器輸入腳。10：單片機(jī)外接振蕩器反饋輸出腳。11：數(shù)字輸入口：功能開關(guān)112：數(shù)字輸入口：功能開關(guān)213：數(shù)字輸出口：PWM調(diào)制信號(hào)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(guān)315、16、17：數(shù)字輸入口：電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)輸入口，單片機(jī)根據(jù)其信號(hào)

6、變化決定讓電機(jī)的相應(yīng)繞組通電，從而使電機(jī)始終向需要的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)信號(hào)上面講過有120和60之分，這個(gè)角度實(shí)際上是這三個(gè)信號(hào)的電相位之差，120就是和三相電一樣，每個(gè)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(gè)LED指示燈，大部分廠商都將該指示燈用作故障情況顯示，當(dāng)控制器有重大故障時(shí)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(jī)電源地。20：單片機(jī)電源正。上限是5.5V。21：數(shù)字輸入口：外部中斷輸入，當(dāng)電流由于意外原因突然增大而不在控制范圍時(shí)，該口有低電平脈沖輸入。單片機(jī)收到此信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷，關(guān)閉電機(jī)的輸出，從而保護(hù)重要器件不致?lián)p壞或

7、故障不再擴(kuò)大。22：數(shù)字輸出口：同步續(xù)流控制端，當(dāng)電流比較大時(shí)，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(xì)講解。23-28：數(shù)字輸出口：是功率管的邏輯開關(guān)，單片機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)，由這里輸出三相交流信號(hào)控制功率MOSFET開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉，使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。有了智能化的控制中心，就需要有其它電路來為其服務(wù)，我們在這里從頭開始介紹。一、電源部分見圖4：控制器有三組電源，第一組當(dāng)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，用于消除由于電源線、電路板走線所帶來的電阻、寄生電感等

8、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(yīng)管的驅(qū)動(dòng)要求比較特殊，必須有10V以上20V以下的電壓才能很好導(dǎo)通，所以必須有合適的電壓供給，同時(shí)該組電壓也為后面5V穩(wěn)壓塊提供預(yù)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(dá)60V，因此在前面加了一個(gè)330，2W的電阻，既預(yù)先降壓，又替317分擔(dān)了一部分功耗。第三組電源是5V，由LM78L05提供，由于78L05提供的最

9、大電流只有100mA，所以另并聯(lián)了兩個(gè)1.5K的電阻以擴(kuò)流，同時(shí)也分擔(dān)一部分功耗。在整個(gè)系統(tǒng)中，對5V電源的要求比較高，不單單是因?yàn)檫壿嬰娐?，MCU等的電源電壓都不能過高，而且由于MCU的所有AD轉(zhuǎn)換都是以5V電壓為基準(zhǔn)，所以當(dāng)5V不準(zhǔn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流，欠壓值，手柄控制等均不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的情況，甚至不能動(dòng)作，因此該電壓的范圍應(yīng)被嚴(yán)格限制在4.90-5.10V之間。二、信號(hào)輸入與預(yù)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(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的霍爾信號(hào)輸入、剎車信號(hào)輸入及各種其它功能開關(guān)信號(hào)輸入等。1.電源電壓輸入：由于MCU只接受0-5V的信號(hào)，所以電源電壓必須經(jīng)過

10、分壓才能輸入MCU。2.工作電流放大、輸入：電路如圖5圖5:略U3A是一個(gè)放大電路，它將康銅絲R55采樣過來的電流信號(hào)經(jīng)過6.5倍放大送入單片機(jī)。最早的設(shè)計(jì)在R23上并聯(lián)了一個(gè)0.1F的電容組成低通放大器，后來為了更好地實(shí)時(shí)檢測電流，將該電容去掉，這樣放大后的電壓和電流的實(shí)際變化基本一致以便MCU采樣值更接近于實(shí)際值。U3B是一個(gè)比較器接法，實(shí)際也是一個(gè)比較器，正常時(shí)的電流絕對不會(huì)讓該比較器翻轉(zhuǎn)，當(dāng)電流由于某種原因突然增大到一定程度，該比較器翻轉(zhuǎn)從而觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，單片機(jī)就會(huì)完全關(guān)閉電機(jī)的輸出進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。這里有人會(huì)問，為什么放大器的放大倍數(shù)取得這么小，如果放大倍數(shù)再

11、大一點(diǎn)的話，單片機(jī)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)當(dāng)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(huì)變得很窄而使單片機(jī)采樣困難，甚至采樣錯(cuò)誤，比如采樣到梯形波的斜邊，因而不能正確反映電流的實(shí)際大小，這就會(huì)導(dǎo)致電流控制的紊亂。所以寧愿放大倍數(shù)取小點(diǎn)以保證采樣位置的準(zhǔn)確無誤。圖6：略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(nèi)，經(jīng)過阻容濾波后輸入到單片機(jī)處理。手柄需要一個(gè)5V的電

12、源才能工作。圖7：略4.電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸入部分：由于該傳感器安裝在電機(jī)內(nèi)部，采用開路輸出的辦法，所以除提供5V電源外，每個(gè)傳感器都必須接上拉電阻，并對其輸出的信號(hào)進(jìn)行阻容濾波以抗干擾，同時(shí)在電源處接二極管、接地采用細(xì)銅膜做保險(xiǎn)絲，防止電機(jī)相線與霍爾信號(hào)線短路后高電壓反串近來損壞板子上別的零件。圖8:略5.剎車信號(hào)輸入：由于剎車信號(hào)開關(guān)往往和剎車燈共用一個(gè)開關(guān)，每個(gè)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(shí)都能正常工作。6.其它功能開關(guān)信號(hào)比較簡單，功能實(shí)現(xiàn)均依靠內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)，在硬件中就不一一介紹。三、智能信號(hào)處理，控制部分，上面已經(jīng)介紹過

13、，不再重復(fù)。四、驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)預(yù)處理部分；驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)大致由兩種信號(hào)合成：PWM信號(hào)和相位邏輯開關(guān)信號(hào)，這里不得不先介紹一下功率開關(guān)部分：功率開關(guān)部分是由三組半橋開關(guān)組成的三相開關(guān)，用以改變電機(jī)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(guān)信號(hào)由A+、B+、C+提供，這三個(gè)控制信號(hào)必須與PWM信號(hào)合成后控制對應(yīng)的上橋，下橋的相位邏輯開關(guān)信號(hào)由A-、B-、C-提供，基本上直接被用來控制下橋的開關(guān)。單片機(jī)這六個(gè)腳上都接了一個(gè)2.2K-10K的電阻到地，是為了防止單片機(jī)處在復(fù)位時(shí)，由于這些腳均處于高阻狀態(tài)，有可能會(huì)引入干擾信

14、號(hào)而導(dǎo)致后面邏輯電路誤動(dòng)作，這個(gè)比較簡單，但是我們現(xiàn)在看到控制部分的電路圖并非上面所說的那么簡單，實(shí)際電路中間彎彎繞繞經(jīng)過了4個(gè)邏輯電路處理后才到達(dá)上下橋的驅(qū)動(dòng)電路，許多朋友會(huì)問：為什么要如此復(fù)雜呢？其實(shí)這些電路都是為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)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9圖9：同步續(xù)流示意圖假設(shè)此時(shí)A相上橋和C相下橋通電，當(dāng)A相上橋PWM占空比沒有達(dá)到100%時(shí)，通過電機(jī)線圈的電流是斷續(xù)的，但上橋關(guān)閉的時(shí)候，由于電機(jī)線圈是一個(gè)電感，線圈上必定會(huì)出現(xiàn)一個(gè)自感反電動(dòng)勢，這個(gè)反電動(dòng)勢必須維持線

15、圈電流的方向不變，由于A相上橋已經(jīng)關(guān)閉，這個(gè)電流就會(huì)通過原來已經(jīng)開通的C相下橋，地，A相下橋的續(xù)流二極管繼續(xù)流動(dòng)，見圖6。當(dāng)總電流小時(shí)這個(gè)自感電流并不大，但總電流大時(shí)，線圈中儲(chǔ)存的能量多起來，這個(gè)自感電流也會(huì)相當(dāng)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(shí)，功耗便會(huì)相當(dāng)大，假設(shè)自感電流為10A,二極管壓降為0.7V時(shí)，功耗為7W，顯然這個(gè)發(fā)熱量是相當(dāng)大的，這時(shí)下橋便會(huì)變得很燙，假如我們此時(shí)把下橋打開，讓自感電流直接從MOSFET的溝道里走掉（MOSFET導(dǎo)通時(shí)電流可以雙向流通），再假設(shè)MOSFET導(dǎo)通電阻RDSON=10m，10A的時(shí)候功耗就變?yōu)?W,

16、理論上就可以大大降低下橋的功耗，從而降低溫升。但在實(shí)際上，由于上下橋在交叉導(dǎo)通時(shí)需要一個(gè)死區(qū)以避免雙管直通造成電源短路，這個(gè)作用會(huì)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(huì)用好一點(diǎn)的管子的原因。同步續(xù)流的實(shí)現(xiàn)1.倒向，截波與死區(qū)控制，電路見圖10圖10：倒向，死區(qū)發(fā)生器.略單片機(jī)產(chǎn)生的PWM占空比信號(hào)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(hào)，此路輸出至上橋驅(qū)動(dòng)，與上橋邏輯開關(guān)信號(hào)相與后驅(qū)動(dòng)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(hào)，最后

17、合成至下橋驅(qū)動(dòng)。此時(shí)兩個(gè)信號(hào)輸出時(shí)相位相同，但PWM-信號(hào)占空比比PWM信號(hào)占空比大1.5S,但由于PWM-信號(hào)已經(jīng)偏移750nS,所以PWM信號(hào)剛好套在PWM-信號(hào)中間，兩邊空出750nS作為MOSFET開關(guān)的死區(qū)。處理后波形示意圖如圖11圖11：死區(qū)發(fā)生器輸出波形2.同步續(xù)流的邏輯關(guān)系圖12為A相驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)際電路圖12因?yàn)槿囹?qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)過程當(dāng)A向的邏輯開關(guān)信號(hào)“A+”為高電平時(shí)，A相上橋被“PWM”信號(hào)驅(qū)動(dòng)，在整機(jī)電流較小的情況下，PV信號(hào)為高電平，不管或非門U3C其它兩個(gè)輸入腳電平如何，其輸出總是低，所以此時(shí)或非門U2B僅受“A-”信號(hào)控制

18、，“A-”信號(hào)是下橋的邏輯開關(guān)，它僅在下橋需要導(dǎo)通時(shí)置高，平時(shí)為低。當(dāng)整機(jī)電流比較大，而PWM占空比小于100%時(shí)，由于A相上橋在PWM間隙關(guān)斷導(dǎo)致電機(jī)線圈中出現(xiàn)較大感應(yīng)電流，感應(yīng)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(shí)應(yīng)將A相下橋MOSFET打開以減小壓降，這時(shí)單片機(jī)將“PV”信號(hào)端拉低，在PV信號(hào)和反向后的“A+”信號(hào)共同作用下，“PWM-”信號(hào)通過U3C傳遞到U2B，而此時(shí)由于“A-”為低，所以U2B受“PWM-”信號(hào)控制，在PWM信號(hào)關(guān)斷的間隙使下橋MOSFET導(dǎo)通。當(dāng)“A+”信號(hào)為低電平時(shí)，“PWM-”信號(hào)并不影響下橋，保證了下橋的正確邏輯而不會(huì)誤導(dǎo)通。

19、五、功率驅(qū)動(dòng)開關(guān)部分。以單獨(dú)一組A相上下橋驅(qū)動(dòng)為例，見圖12見了這種電路，很多人首先會(huì)問：為何上橋的驅(qū)動(dòng)電路如此復(fù)雜？很顯然，這么復(fù)雜的電路一定有其用途，如果要簡單一點(diǎn)話，上橋的功率開關(guān)直接用P溝道的MOSFET來做就可以，這樣驅(qū)動(dòng)電路會(huì)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(dǎo)通時(shí)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(dǎo)通，這樣在上橋?qū)〞r(shí)，假設(shè)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(qū)動(dòng)電壓呢？一般情況可以通過變壓器耦合驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電荷泵升壓提供

20、高壓等方法，而在這里，則采用了一種叫做“高壓浮柵型驅(qū)動(dòng)電路”來驅(qū)動(dòng)上橋。顧名思義，浮柵驅(qū)動(dòng)的柵極是浮動(dòng)的，這是一個(gè)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(dòng)”起來的我們先看一下C5的接法，這是整個(gè)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵所在，C5正極通過二極管接到13.5V電源（實(shí)際在13.5V左右），負(fù)極很奇怪地接到電機(jī)的相位線，與它所驅(qū)動(dòng)的MOSFET V1的源極接在一起，在電機(jī)不動(dòng)的情況下，所有的MOSFET關(guān)閉，此時(shí)C5通過二極管D1，電阻R40充電至接近13.5V,當(dāng)A+和PWM的合成信號(hào)使U4A的3腳輸出高電平時(shí)，q1導(dǎo)通帶動(dòng)t1導(dǎo)通，這樣12V多的電壓就會(huì)加到V1的柵極使V1導(dǎo)通，而V1導(dǎo)通使電源

21、電壓加至負(fù)載，也就是V1的源極電壓會(huì)升高至48V，而此時(shí)由于C5充滿電，C5上的電壓仍然是12V，所以可以維持t1的導(dǎo)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(dòng)而浮動(dòng)，所以叫做“浮柵驅(qū)動(dòng)”。這時(shí)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(chǔ)存的電荷主要通過t1的BE結(jié)，電阻a1到三極管q1放電（由于此時(shí)二極管D7處于正偏狀態(tài)，所以t2的BE結(jié)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(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)保證V1的驅(qū)動(dòng)電壓在合理的范圍內(nèi)。這里b1放在q1的射極上組成一個(gè)近似恒流的驅(qū)動(dòng)電路，用以保證在C5正極電壓升得很高時(shí)，通過三極管q1的放電電流不致過大而導(dǎo)致電容很快放完。當(dāng)U4A