電動自行車控制器設(shè)計方案

　　方波驅(qū)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(yīng)用，方波驅(qū)動最大的缺點在于換相時的電流突變引起的轉(zhuǎn)矩脈動，導(dǎo)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(shè)計的難點在于電流控制，本文就電動車控制器設(shè)計的一些關(guān)鍵地方加以描述。

　　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(zhuǎn)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(xù)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(dǎo)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(zhuǎn)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(xiàn)零速度啟動，所以現(xiàn)在生產(chǎn)的電動車上用得較少。目前電動車行業(yè)內(nèi)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(nèi)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(xiàn)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(dǎo)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(xiàn)，所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準(zhǔn)確率。因此目前市面馬達已經(jīng)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(yīng)管，如果將V1~V6用如下的時序波形驅(qū)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(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場，牽引外轉(zhuǎn)子（永磁體）旋轉(zhuǎn)。

　　導(dǎo)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(diào)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(qū)動2.過流保護3.堵轉(zhuǎn)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(dāng)?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(qū)別，硬件控制的反應(yīng)速度僅僅受限于邏輯門的開關(guān)速度，而軟件的運行則需要指令執(zhí)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(nèi)能夠正確處理換相，電流限制等各種復(fù)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(nèi)部處理判斷及處理結(jié)果的輸出，還有一些抗干擾措施等，這些都是軟件設(shè)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(fā)生器的8位單片機SH79F081，采用優(yōu)化的單機器周期8051內(nèi)核，內(nèi)置16kFlash存儲器，兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源，采用JTAG仿真方式，內(nèi)置16.6MHz振蕩器，同時擴展了如下功能：*雙DPTR指針。16位x8乘法器和16位/8除法器。

　　*3通道帶死區(qū)控制PWM，6路輸出，輸出極性可設(shè)，提供周期溢出功能*集成故障檢測功能，可瞬時關(guān)閉PWM輸出。

　　*提供硬件抗干擾措施。

　　*集成高速10bitADC.*提供Flash自編程功能，可以模擬用做EEROM，方便存儲參數(shù)。

　　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。

　　4.軟件實現(xiàn)

　　下面我們挑選對控制器性能和安全比較重要的功能來討論編程中應(yīng)該注意的問題。

　　4.1.減小換相噪聲

　　上文已提過，無刷直流電動機方波驅(qū)動最大的缺點是換相時電流不能持續(xù)，導(dǎo)致有轉(zhuǎn)矩脈動，因此衡量控制器好壞很大程度上是取決于換相是否能做好。

　　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(dǎo)致牽引力的急劇變化，這種變化便會引起電機強烈振動，這種振動噪聲不能完全消除，但可以采取一些措施減小噪聲方法1：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(fù)換相前的PWM占空比。

　　方法2：延遲關(guān)閉換相MOS管，方波驅(qū)動直流無刷電機是6步驅(qū)動，定子勵磁每隔60度電角度跳躍一次，保證定子磁動勢方向和轉(zhuǎn)子磁動勢方向夾角在60°到120°之間運行，因為夾角在90°時轉(zhuǎn)動力矩最大，夾角為0°或180°時沒有轉(zhuǎn)矩，現(xiàn)假設(shè)電機正轉(zhuǎn)，AB導(dǎo)通要切換到AC導(dǎo)通，此時AB繞組通電產(chǎn)生的定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角為60°，如果正常切換到AC導(dǎo)通，則AC繞組通電后，定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角變?yōu)?20°，由于切換到AC通電后電流要從0開始爬升，因此此時定子磁勢幅值很小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低，但如果此時不關(guān)閉B，同時將下橋C打開，則定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢的夾角變?yōu)?0°，而且由于AB相電流基本沒有變化，而C相電流還很小，因此換相前后轉(zhuǎn)矩變化很小，但要注意，等C相電流爬升后要將B相關(guān)閉，否則3相導(dǎo)通的合成力矩比2相導(dǎo)通力矩大，也會發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動。

　　4.2.電子剎車：

　　電子剎車其實是將電動機當(dāng)做發(fā)電機機運行，因此會產(chǎn)生電磁制動轉(zhuǎn)矩，檢測到電子剎車信號后，cpu將上三路PWM關(guān)閉，將下三路同時打開，占空比設(shè)為某一固定值，這樣，電機相當(dāng)于工作在發(fā)電機狀態(tài)，給蓄電池充電，充電電流和下三路占空比有關(guān)，占空比越大，則充電電流越大，剎車制動能力越強，由于目前電動車上裝配的電子剎車都是開關(guān)信號，使用者無法調(diào)整剎車力矩，完全由控制器決定，不過由電動機的特性，即使占空比固定，電子剎車時轉(zhuǎn)速越高，發(fā)電機感生電壓越高，回饋充電能力越強，剎車力矩越大，當(dāng)然，最好是裝配線性剎車傳感器，使用者會更方便。

　　4.3.恒流驅(qū)動

　　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。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(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換所得數(shù)字用來控制電流不超過我們所允許的值。另一路信號送至比較器，當(dāng)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(dǎo)通時，比較器翻轉(zhuǎn)送出低電平，送給79F081的FLT引腳，無需單片機執(zhí)行程序，IC硬件會自動關(guān)閉PWM輸出，從而保護MOSFET避免更大傷害。