电动自行车控制器设计与实现_陈君科.pdf

定稿日期:2007-10-12作者简介:陈君科(1982-),男,陕西宝鸡人,硕士,研究方向为计算机控制及电力电子。1引言电动自行车是具有电力驱动、脚踏驱动、电力和脚踏并用等功效的绿色环保交通工具1。无刷直流电动机是电动自行车的主要部件，它借助电机霍尔传感器信号，通过驱动控制电路来驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定次序馈电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转2。电机调速主要为斩波调压控制方式，具有过流保护功能。电动自行车在正常运行过程中，控制器可以通过信号采集与处理，将运行速度、电压状况等提供给显示部分，供使用者了解运行情况3。目前，多数电动自行车控制器采用运算放大器实现速度调节、减速刹车、欠压保护等。实践证明，其控制精度不高，调试难度大，无法进行功能扩展。而采用以单片机为核心的控制器，方便地解决上述问题4，并有助于控制器向智能化方向发展。2设计原理2.1SPMC65P2404A介绍SPMC65P2404A是8位工业级单片机，采用SPMC65内核，支持位操作指令，具有强大的定时/计数器、丰富的外部中断源及ADC和PWM、标准通讯接口SPI等多种功能，具有28个管脚，最高工作频率为8MHz，工作电压为35V，有192Byte的RAM和4kByte的ROM，具有23个可编程IO口、内置上/下拉电阻、8通道10位A/D转换器、4个CCP定时器和4个外部中断。SPMC65P2404A的资源丰富、结构优良、性能良好，相比其他通用单片机，价格更为低廉，并具有超强抗干扰、抗静电ESD保护功能。其温度范围达到了工业级标准（-4085）。适用于电动自行车控制器。2.2控制器硬件电路图图1示出以SPMC65P2404A为核心的电动自行车控制器硬件电路图。电动自行车控制器设计与实现陈君科,范蟠果（西北工业大学，陕西西安710072）摘要：对基于单片机的电动自行车用无刷直流电机控制器进行了研究。控制器以SPMC65P2404A为核心，通过对电动自行车各种状态信号的检测与处理，实现了控制器的平稳调速、过流保护、欠压保护等功能。无刷直流电机的转速调节通过PWM技术来实现。过流保护从软、硬件两方面来实现，即软件上减小PWM占空比，硬件上使电机停转。实时检测蓄电池电压值，当电压值小于额定值的87.5%时，电机停转，实现欠压保护。对电动自行车的转把信号、助力信号进行了算法说明；对电机的正确换向进行了实验验证。关键词：电动自行车；无刷直流电动机；控制器；脉宽调制中图分类号:TM33，TM571文献标识码:A文章编号:1000-100X（2008）03-0081-03DesignandRealizationofElectricBicycleControllerCHENJun-ke，FANPan-guo（NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xian710072，China）Abstract：ThecontrollerofthebrushlessDCmotorbasedonMCUandusedinelectricbicyclewasstudied，whichtakesSPMC65P2404Aasthecore.Itdetectedanddealedwithallthesignalsfromtheelectricbicycle，andaccomplishedtheve-locitymodulation.Ithadthefunctionstoprotectthemotorandthestoragebattery，andcontrolledtherotationalspeedthroughthePWM.Theovercurrentprotectionwasaccomplishedbothfromthesoftwareandthehardware.ThedutycycleofthePWMisreducedbythesoftwareandmadethemotorshutdownbythehardware.Thecodedetectedthevoltageofthestoragebatteryeverymoment，whenthevoltagereducedto87.5%oftheratedvoltage，themotorstopedrunning.Thealgorithmofthehandlesignalandthehelpsignalwereillustrated.Theaccuracyofthecommutationisprovedbytheexperiment.Keywords：electricbicycle；brushlessDCmotor；controller；pulsewidthmodulation电力电子技术PowerElectronicsVol.42,No.3March,2008第42卷第3期2008年3月81电力电子技术PowerElectronicsVol.42,No.3March,2008第42卷第3期2008年3月2.3电路信号分析(1)转把信号该信号由单片机的PA5口输入。电压幅值介于1.33.6V之间，单片机通过A/D采样，改变输出的PWM波占空比，从而调节电机绕组电压平均值，间接限制并调节绕组电流的大小，实现转速的调节。这里的PWM波频率是固定不变的。(2)助力信号该信号由单片机的PA4口输入。根据脚踏板上霍尔信号频率的变化，单片机输出占空比不同的PWM波，从而调节电机转速，使之与脚踏速度相等。(3)霍尔传感器信号该信号由单片机的PC2，PC1，PC0口输入。单片机根据3路霍尔信号，输出控制逆变电路三相上、下桥臂开关器件的6路原始信号，其中，由三相上桥臂开关信号进行脉宽调制处理。处理后的三相上桥臂PWM控制信号和三相下桥臂控制信号经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变电路的6个开关管上，使其产生供电机正常运行所需的三相方波电流5。图2以U相为例，对上述过程进行了完整的图形描述，表1列出了霍尔信号与功率管之间的导通关系。(4)刹车信号该信号由单片机的PB7口输入，操作刹车时，信号跳变为低电平。此时，关断PWM输出，使电机停转。(5)电流信号该信号通过串接在电源主电路中的过流保护取样电阻R0（见图2）获得，电流信号经过LM358放大器进行放大，由单片机的PA6口输入。电流采样信号通过LM358与一固定电压值进行比较，当电流过大时，LM358输出低电平，从而关断PWM波，在硬件上完成过流保护，同时，由于LM358输出信号的跳变，程序跳入中断服务子程序，在软件上完成过流保护。(6)电池欠压保护信号电池电压经过电阻分压后接入单片机的PA7口，当电池电压降低到额定值的87.5%时，关断PWM输出，使电机停转，防止蓄电池因过度放电而受损。(7)报警信号该信号由单片机的PB6口输出，当系统进入欠压、过流、刹车状态时，LED指示灯以不同的频率进行闪烁。此外，SPMC65P2404A还输出电动自行车的仪表显示信号，如电池电量、速度等。3软件设计3.1算法说明(1)转把信号将转把电压信号进行A/D转换。图3示出转把PWM调节分析图。根据A/D转换结果，向PWM占空比寄存器中写入相应的值，对应关系见图3b，即PWM占空比寄存器的值=FFH-（A/D转换值-42H）FFH/75H（A/D转换值-42H）2。根据上式，单片机输出占空比不同的PWM波，从而控制电机的转速。(2)助力信号假设电机的额定转速为210r/min，脚蹬的最大转速为120r/min，最小转速为15r/min。根据脚蹬速度，向PWM占空比寄存器中写入相应的值，图4a示出对应关系。为了便于程序处理，将时间信号与PWM占空比寄存器的值进行线性化处理，如图4b所示。其中，t轴为电动自行车转动一周所需要的时间。计数器的计数频率为8MHz/512Hz，计数初值为00H，计数器每溢出1次耗时16.32ms。结合图4b，表1霍尔信号、绕组导电顺序、功率管工作关系表（电角度）0/32/33/45/32导通顺序UVWVWUV霍尔信号010011001101100110VT1导通导通VT2导通导通VT3导通导通VT4导通导通VT5导通导通VT6导通导通82!中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会征文通知(2008年11月15日至19日杭州)中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会将于2008年11月15日至19日在杭州市召开。我学会的学术年会每两年举办一次，在学会广大会员和各有关单位的大力支持和团结协作下，我学会的学术年会越来越成为吸引我国乃至海外电力电子技术领域科技人员和相关从业人员的主要学术交流平台和信息沟通平台。本届会议将是国家将电力电子技术列为重点发展领域以来我学会的一次学术盛会。会议将充分展示近年来电力电子技术在新材料、新元件、新装置、新系统、交、直流电机传动与控制、各类新型电源以及各种最新应用场合的发展、进步和最新科技成果，同时展望国内外电力电子技术的最新发展策略、动向、和新概念。届时，会议将同时举办相关企业产品和技术展览，举办会前学术讲座和会间的专题讨论会等活动，会议还将邀请部分国外专家学者及海外企业的代表赴会。年会的征文工作还将得到电力电子技术和电气技术等期刊编辑部和杂志社的大力支持和帮助。具体征文事宜见本刊网站()。表2调速实验观测值PA5口电压/V占空比实验观测值/%占空比理论计算值/%1.715.617.42.5578.280.4表3助力实验观测值转速/rmin-1占空比实验观测值/%占空比理论计算值/%10556.2556.2605050.13035.535.7表4霍尔信号与上、下桥臂驱动信号关系表三路霍尔信号上桥臂驱动信号下桥臂驱动信号HUHVHWUPVPWPUNVNWN04H04H06H06H02H06H02H02H03H03H01H03H01H01H05H05H04H05H表5控制逆变电路三相上、下桥臂开关器件的原始信号表上桥臂驱动信号表01H02H01H04H04H02H下桥臂驱动信号表05H03H03H06H05H06H图4c示出了计数器溢出次数与PWM占空比寄存器值之间的关系。即：PWM占空比寄存器的值=6DH+（计数溢出次数-1FH）80H/D6H。根据上式，单片机可输出占空比不同的PWM波，以此来控制电机的转速。3.2程序流程图控制器上电后，依次对电池电压信号、刹车信号、转把信号、助力信号和电流信号进行检测，并进行相应的处理。三相位置输入信号经查表运算产生对应的输出逻辑。图5示出软件流程。4实验结果(1)转把信号调节单片机PA5口输入电压值，观察单片机输出PWM占空比值的变化情况。实验数据如表2所示。(2)助力信号通过改变单片机PA4口的输入脉冲频率值，即相当于改变电动自行车的转速，以观察单片机输出PWM占空比值的变化情况。实验数据如表3所示。(3)换向功能模拟三路霍尔信号，观察单片机输出的6路上、下桥臂驱动信号，实验结果见表4。表5列出了控制逆变电路三相上、下桥臂开关器件的6路原始信号。由表2、表3可知，实验观测值与理论值之间具有一定误差，但该误差较小，在可接受的范围之内。由表4、表5可知，逆变电路MOSFET管的通断严格按照表5执行，且与表1相吻合，电机换向正确。5结论经实验可知，SPMC65P2404A控制器的各项功能均达到了预期要求。其性能良好，硬件结构简单，实时性强，灵活可靠，适用于电动自行车的生产中。参考文献1凌阳科技.SPM65P2404A在电动自行车中的应用EB/OL.ht