电动车控制器设计

电动自行车控制器设计方案--1目录1：引言.............................................................................................................................................................22：系统设计.....................................................................................................................................................33：电机驱动原理.............................................................................................................................................3什么是BLDC电机：...................................................................................................................................3电机转动控制原理...................................................................................................................................4电机速度控制原理...................................................................................................................................74：其他功能.....................................................................................................................................................95：系统构成...................................................................................................................................................10状态迁移表.............................................................................................................................................10引脚配置（TOPVIEW）.........................................................................................................................10端口功能使用列表..................................................................................................................................11系统原理图.............................................................................................................................................126：测试结果及结论.......................................................................................................................................137：主要程序流程图.......................................................................................................................................14主程序.....................................................................................................................................................14换相处理.................................................................................................................................................15模式控制.................................................................................................................................................16--21：引言电动自行车因其具有的体积小、重量轻、无尾气排放、低噪音，以及方便、快捷、耐用、低价等特点业已成为具有广阔市场前景的代步交通工具。在目前面市的电动自行车中，驱动电机主要采用有刷高速电机、无刷电机和有刷低速电机三种类型，并以前两种类型电机较为常见。与有刷电机相比，无刷电机的控制相对较复杂，一般采用MC33035、LB11690、LM621等专用集成电路控制方案，对于生产厂商来说，此类方案相对成本较高，专用控制器的资源有限，用产品更新以增加新的卖点几乎不可能，那么在保证产品稳定和性能的前提下，力争用最低的成本实现其功能将是吸引购买力的另一个亮点。本文采用NEC的低引脚专用微控制器作为主控芯片，内部资源得到了充分利用。设计方案不仅电路简单，价格低廉，而且无需外接硬件即可轻松实现诸如巡航定速、600/1200电角度智能选择、霍尔故障检测等一系列功能，这些功能是大多数专用控制芯片无法实现的。1.电动自行车电机分类及优点：电机主要有3种。（1）有刷高速电机。有电刷效率高，过载爬坡能力强、起动力矩大，但稍有噪声。（2）无刷电机。无电刷，无减速器，具有免维护、无噪声优点。但控制器复杂，起动电流大，过载上坡能力较差。（3）有刷低速电机。有电刷，无减速器、结构简练，成本较低。但效率较低，上坡、过载能力较差。目前应用较多的是有刷高速电机。2.电动自行车的主要性能和参数：根据《电动自行车通用技术条件》（GB17761）标准规定：（1）电动自行车的最高时速应不大于20km/h；（2）整车质量应不大于40kg；（3）具有脚踏行驶能力，30min的脚踏行驶距离应不小于7km；（4）一次充电后的续行里程应不小于25km；（5）以最高车速作电动匀速骑行时（电助动时以15-18km/h速度行驶）的噪声应不大于62dB（A）；（6）电动骑行100km的电能消耗应不大于1.2kW.h；（7）电动机额定连续输出功率应不大于240W；（8）以最高车速电动骑行时（电助动以20km/h的车速骑行），其干态制动距离应不大于4m，湿态制动距离应不大于15m。（9）爬坡能力：2：系统设计1)系统参数：（1）供电电压ＶDD和ＶDC：36V；（2）逻辑信号输入电平：ＶDD；（3）欠压保护值：31.5±0.5v（4）过流保护值：15A±1A2)系统功能主要包括：（1）PWM调制信号的产生（2）无刷电机的换相控制及速度调节控制（3）刹车控制（4）过流保护（5）欠压保护（6）600/1200电角度智能选择（7）定速巡航（8）霍尔故障检测等。本系统充分利用了专用微处理器的内部资源，结构紧凑、可靠性好。控制系统的组成图见图1。图1：控制系统组成图3：电机驱动原理什么是BLDC电机：BLDC(Brush-lessDCmotor)就是无刷直流电机。分成两个部分：运动的部分叫转子他包括一个永磁磁铁，固定不动的部分叫转子，它由产生电磁场的绕组组成。转子被定子绕组所产生的电磁场所所吸引并产生转动。在定子上产生合适的旋转电磁场就能使转子开始随着电磁极转动并维持转动操作。BLDC有两个重要的特性：第一个是电机的EMF（电动势），它与速度成比例，第二个是定子磁通和转子永久磁铁磁通之间的同步。BLDC电机用这些基本的动作产生电机的最高转距，同步这两个单元需要知道转子位置的方法。在这个应用里面我们产用的是带霍尔传感器的无刷直流电机。通过霍尔传感器的返回电压我们就能知道转子的位置。--3--4在缠绕着定子的线圈激发下产生的磁场有着特殊的顺序。使用一个微处理器来控制这个磁场的强度和周期，就可以控制扭矩响应和转数了。电机转动控制原理图1展示了一个三相无刷直流电机的控制框图。用微处理器的内部PWM输出功能来控制流过电机的电流，通过由六个三极管组成的三极管阵列来实现。图2展示了各个阶段转子的位置以及切换的时间点。表1列出了激发磁场的六个三极管的顺序图2：转子转动检测原理--5我们把转子转一周分成6个阶段。通过判断霍尔传感器输出电压的变换时机来确定诱导电流。下图描述了3个霍尔传感器电压和各控制端输出的比较图。图3：120度电角度换向时序图下表列出了各个阶段定子UVW端的各个MOSFET的状态上臂下臂打开方式UVWUVW打开方向1打开关闭关闭关闭打开关闭U→V2打开关闭关闭关闭关闭打开U→W3关闭打开关闭关闭关闭打开V→W4关闭打开关闭打开关闭关闭V→U5关闭关闭打开打开关闭关闭W→U6关闭关闭打开关闭打开关闭W→V表1：MOSFET打开方式--660度的工作模式下霍尔传感器的返回波形不同。所以在判断激励方向的时候和120度时有所不同。请参考下面的时序图。图4：60度电角度换向时序图电机速度控制原理电机的转动速度是通过调节PWM波的占空比来实现的。什么是PWM输出：PWM输出就是一系列周期一定但是有效电平（高电平或低点平）可变的脉冲。有效电平的持续时间和周期的比叫做占空比(0-100%)。譬如如果设定有效电平为高的情况下，占空比越大在周期一定的条件下，高电平脉冲的持续时间越长，流过的电流越大，因此电机的转速也越快。PWM调制信号的产生：利用upd78F9222内部的8位定时器H1产生PWM信号。8位定时器H1工作在PWM输出模式；PWM输出周期，占空比可调。（1）PWM频率：12KHz；占空比：0～100％；（2）PWM操作：PWM的周期设置：8位定时器比较寄存器01（CMP01）控制定时器输出的周期，在定时器操作期间不可以重写CMP01；PWM的占空比设置：8位定时器比较寄存器11（CMP11）控制定时器输出的占空比，在定时器操作期间可以重写CMP11。--7操作机理：向CMP01中写入周期的控制值N；向CMP11中写入占空比的控制值M。计数时钟的频率为fCNT。则PWM的周期及占空比如下：且：00H≤CMP11(M)CMP01(N)≤FFH定时器启动后，当定时器的计数器H1中的数值与CMP0