电动车无刷电机控制器软件设计详解

....电动车无刷电机掌握器软件设计详解作者:谢渊斌原作发表《电子报2023年合订本》下册版权保存，转帖请注明出处本文以MICROCHIP 公司所生产的PIC16F72为PIC车无刷马达掌握器的根本要求：功能性要求：1.电子换相2.无级调速3.刹车断电4.附加功能a.限速b.1+1助力c.EBS柔性电磁刹车d.定速巡航e.其它功能(消退换相噪保护3.堵转保护3.电池欠压保护4.节能和降5)6.性要求和安全性要求的前三项用专用的无刷马达驱动芯片加上适当的外围电路均不MC33035，行则需要时间。要使软件跟得上电机掌握的正确处理换相，电流限制等各种简单动作，输出，还有一些抗干扰措施等，这些都是软件设计中需要一再认真考虑的东西。PIC16F72是一款哈佛构造，精简指令集的共35条单字指令，0-20M的时钟速度，所字长的FLASH程序空间，22个可用的IO3/计数器，5个8位AD口，1个比较/捕获/脉宽调制器，8个使用PIC16F72来设计一个电动车掌握器呢？我们下面以目前市面流行的硬件设计思路和留意点。要使无刷电机转起来，并且听从驾驶者的调速、刹车等根本指挥，最根本的要求就是要实现硬件所能实现的电子换向和调速，刹车等功能。实际上软件的整的过程，问题在于模块的合理化堆砌，使堆砌后形成的整体能够结实，协调、高效率运作。我们先说一说各种模块功能的简洁实现，然后再来争论如何使这些模块协调运转。首先说说电子换相模块我们知道，直流永磁电机在运转时需要一对电刷和与线圈相对应的换向整流子来使线圈中的电流电机，但有刷电机有一个致命的缺陷，就是电，而且功率越大，这种毛病越严峻，导致响其推广，因此在较大功率的场合，无刷电机应运而生。无刷电机，顾名思义就是没有了电刷，不能自动换向，因此要依靠传感器检测传感器有很多，比方光传感器，磁感应传感器等，电子开关可以用大功率三极管、功率型场效应管、IGBT等制作，在目前的绝大多数电动车三相无刷电机中均使用三个开关式的霍尔传感器检测永磁体相对于器输出的六种不同信号输出相应的掌握信法。从电机原理可以看出，这种电机是一种特别的同步电机，因此换相必需准时，否则会导致电机失步，从而使电机噪音增大，效鉴于以上要求，我们先必需测一下市面上一般的无刷马达在最高转速时(考虑到顺风和示波器测量之后得到在最高速时每相霍尔传感器输出的频率或许在140HZ左右，折合到换向的最小时间，那么应当是 1.2mS左右换相一次，依据际的使用效果，软件的反响时间必需在0.12mS左右，也就是说在检测到换信任号的转变并且输出换相驱动信号时的过程必需在0.1-0.2mS之内完成。流驱动，又是一个电感性负载，掌握器在运布局，布线上留意外，软件上也要做相应的33号完全全都时才承受该值作为换信任号的真值，假设其中一次不对，那么干脆就重3过程。取得换信任号后，我们将其与上次读应的驱动信号，从而驱动电子开关动作。这电机，即所谓的12060°霍尔信号，这个角度代表三个霍尔器件输出的三相电信号仅是电平的不一样，在马达内部的安装上，位置没什么不同，只是中间一相的相位相反，所以仍旧是六种信号对应六种驱动，软件上将表稍作调整即可。需要提一下的是，在120°的霍尔信号中，不行能消灭二进制0B000和0B111的编码，所以在肯定程度上避开了因霍尔零件故障而导致的误操作。由于霍尔元件是开路输出高电平依靠电路上的上拉电阻供给，一旦霍尔零件断电，霍尔信号输出就是 0B111。一旦霍尔零件短路，霍尔信号输出就是0B000，而60°的霍尔信号在正常工作时这两种信号均会消灭，所以肯定程度上影响了软件推断故障的准确率。目前市面马达已经渐渐舍弃60°相位的霍尔排列。编程提示：在程序上，我们综合考虑单片机的处理速度承受定时中断去源可使用TMR0，或者PWM本身的TMR2中断。在同一个中断中，我们还将安排其它更重要的工作，这个在后面的电流掌握中再说明编程技巧从硬件电路图中我们看到，位置霍尔信号在PORTC口的RC4、RC5、RC6三个口输入，以120°相位为例，假设直接读出来，对应十六进制值是0X10-0X60，考虑到霍尔出错的可能，那么对应的值是明显这个值对今后的查表处理造成格外大的麻烦我们不行能去弄一个0X70这么大的表格而其中只放仅仅8个元素所以有必要考虑编程时的优化，且看下面一个例程：读取相位值的例程：READHALL:SWAPF PORTC,W ; 将PORTC 的高，低半字节交换后读至WANDLW0X07;屏蔽掉不必要的位，MOVWFHALLTEMP;存人暂存器SWAPFPORTC,W;再次读ANDLW0X07SUBWFHALLTEMP,W;与旧值比较BTFSSSTATUS,ZGOTOREADHALL次读取的不一样，则从头再来SWAPFPORTC,W;第三次读ANDLW0X07SUBWFHALLTEMP,W;再次比较BTFSSSTATUS,ZGOTOREADHALL;不一样则从头再来RETURN;三次读取值全都，返回。这个程序中，最关键SWAPFPORTC,W这句，这句语句0-78死循环，但不必担忧，由于要导致这个程序的比较便利，但查表也有很多种，在PIC16F72中，查表可以用RETLW在程序空间查，也可以用专用的读取FLASH空间8FSR就是查表时不用去考虑查表偏移量造成程12060°可以使用同一个表格而不用切换。这个表格，我们可以放在存放器空间不太便利使用的1，在这里只是作为一个方法例如，可以让我们看到实现同一个功能可以走不同的路。使用内存查表法的驱动值获取例程：;HALLSTARTEQU0XA1;定义霍尔-驱动表格的起始地址在BANK10XA1开头处;HALL_DRIVER动值的内存查表例程MOVFHALLTEMP,WHALLADDLWHALLSTART;加上表格的起始地址MOVWFFSR;放到间接读内存的指针中。MOVF INDF,W ;读出驱动值 PORTB;不管返回值如何，先写入驱动端口，SUBLWSTOP_D;与电机停顿值相比较RETURN无级调速模块局部：由于使用直流电源，电机的速度得依靠调整加在电机两端的电压来调整，较简洁的方法是使用PWM脉宽调制来调整加到电机两端的电压。PWM的工作周期依据电机的使用环境，承受64μS，不简洁掌握;太高了又增加电子开关的开关损耗；PWM脉冲的宽度是调整加到电机两压检测比较简洁，人对速度的感觉很迟钝，ADAD10mS-50mS足够，AD的检测在定时中断中做，而结果时间。手柄调整速度方案，优点是无触电，故障率极低。缺点是在5V供电的状况下，电压只1.1V-4.3V的运算，或者承受查表的方法，将这期间ADPWM虽然讲是无级调速，实际上分32级时人已经感觉不出速度的微小变化了。但是有一点，依据手柄得出的PWM脉冲宽度不能直PWM所用关键掌握存放器及其作用：PR2：打算PWM的工作周期，也就是PWM的调制频TMR2TMR2PR2TMR2重开头另一个周期，由于用到TMR2，所以TMR2的预分频器也同样影响到PWM的CCPR1LCCP1CON4，5位：打算PWM的占空比，单片机在运行时TMR2的值不断与CCPR1L中的值比较，当TMR2=CCPR1L时，PWM输出脚输出CCPR1LPR2PWM输出脚持续输出高电平。留意：CCP1CON中的第PWM占空比。T2CON：打算TMR2的预分频器的PR2共同打算PWM频率，后分频器打算TMR2刹车断电模块：电动车在刹车手柄四周装了一个微动开关，一方面在刹车时点亮刹车平信号，各厂家不肯定，在电路上作一些电平转换很简洁就可以供给应单片机一个准确ADPWM以实现刹车断电。编程方面我就不多说了。至于如何实现EBS电子刹车，我们后面在附加功能再讲。4。限流驱动这是整个掌握器的灵魂，假设限流驱动没做好，其他功能再好还是一个流，最大允许功耗都有其限制，假设没有电流掌握，或者电流掌握不好，均会导致功率MOSFET的烧毁，从而导致整个掌握器报废，因此电流掌握是本程序的重中之重，这其实做起来，摸到窍门也是很简洁的，其秘诀也只有四个字：准确，准时电流信号经康铜丝采样之后分两路，一路送至放大器，一路送至比较器。具体电路见硬件局部。放大器用来实时放大电流信号，放大倍数大约6.5AD过我们所允许的值。另一路信号送至比较值，比方一只MOSFET击穿或误导通时，INT0外部中断，使单片机能够快速关断驱动，从而保护MOSFET避开更大损害。我们这里所要表达的准确，准时两个要素，主要是针对放大器放大之后的信号处理过程来表述的。准确 图1AD采样和转换的时机。我们现在使用的是PWM脉冲驱动，这种脉冲驱动导致的直接结果是放大后的电流信号与PWM脉冲频率一样，相位上滞后肯定时间的脉动电流波形，见图1。这种波形会类似于一个梯形，AD好的方法就是在梯形波的上边中间采样电AD单片机上，AD转换的采样开头时间由ADCON0中的ADON位掌握开头，AD转换则由ADGO位启动，采样时间，在单片器放大电路中，采样的时间一般承受10-20μS统计时之类的以免铺张资源而转换时间，只要保证不小于数据手册所规定的 1.6μS/bit的最低要求固然是越快越好这里设定为2μS/bit。那么怎样保证采样的准确性定时中断，我们可以设定好使定时中断和PWMTMR2经以PWM1:2PWMADADTMR2现场保护，中断源推断等一系列动作之后，再延时一段时间，开启ADON的时刻，也就是对电流波形采样的时刻刚好落在电流梯形波的前部，采样完毕之后马上进展转换。在等待转换结果出来的过程中，我们也>20μS些比方“鉴相“的工作，就是在电子换相中所AD例程：BCFPIR1,TMR2IF;6μS，TMR2中断CALLHENGLIU;恒流查表程序，利用这个程序延时一段时间以便在适宜的时间准 确 采 样 电 流 值 。 BTFSCINTCON,INTFGOTO INTB0 ;是否过流MOVFAD_CHANNEL,W;AD检测局部,设ADADMOVWFADCON0;CALLTIME05;大于4.5μS采样时间FOR16F886BTFSCINTCON,INTFGOTOINTB0;是否过流BSFADCON0,GO;开头AD转换CALLREAD_HALL;利用AD转换的间歇做别的事 INTCON,INTFGOTOINTB0;是否过流BTFSCADCON0,GOGOTOLOOP_TMR2掌握电流，采样次数也是要求越多越好，由于电流的变化相当快，在一个PWM周期中PWM周期里采样数次，但是我们的单片机没有这么快的速度，再说PWM的占空比在PWM周期采样一次就够了，但每个采样周处理其它事情，我们两个PWM周期才对电流采样一次。采样转换之后的工作，就是处AD不需要想到PID掌握那么简单的概念只需要在电流没达到限制值时逐渐增加的值，直到等于手柄设定值为止，假设在此过程中电流接近限制值那么应当不再增加CCPR1L的值，直到电流减小。假设电流超过了限制值，则依据超过的量，找一个比较适宜的减小量，比方 CCPR1L减1或减3，一切以电流比较稳定为准，不要有太大的波动，但波动越小，我们要求PWM占空比调整精度越高。这里要提一下的是PWM区分率，以PIC16F72的条件，在16M时钟的工作频率和15.625K的PWM频率前提下，PWM的占空比调整可以有10BIT的精度，可调整的为数越多，电流细调就越准确但10BIT的数据涉及2个字节的运算，所以我们还是只承受8BIT的调整8BIT的精度对调整电流来说足够。所以我们只对CCPR1L进展操作TMR21：1恒流算法--电流即时值和有效值的冲突：或许我们留意到大多数掌握器的最大电流并上看到的是电源电流的有效值，当PWM占空比不是100%的状况下，电流有效值≈电*PWM越小，要保证电流有效值到达我们的期望值，电流的即时值要提高，这样就涉及一个个公式做一个表格，或者依据CCPR1L中简单，不能占用太多的系统时间。电流的测消噪和降低温升。这里就只讲讲换相消噪。怎样减小换相噪声？在电动车刚刚起步的时候我们会觉察换相时电时机发出很大的突突声，这是由于电机起步时电流比较大，振动，这种振动噪声我们不能完全消退，时间使PWM脉冲占空比到达100%来使电流增长快一点，从而减轻振动噪声。需要提示的是在这个过程中我们需要随时监测电PWM不到以前的水平，那么最多延时十多个PWM周期即可，时间长了也没用，以不影响到鉴相等其它重要工作为度。降低温升这个我在《硬件电路详解要点》中续流的概念，那么，在软件中什么时候开头启；在PWM占空比到达100%时，由于没PWM占空比接近100%时，下桥没来得及开就被关闭，也没有必要开，所以开启同步续流功A占空比≤95%时开启同步整流，由于硬件电路设计得比较完善，在软件中，开启同步续流只需将RB1置为低电平即可。关于电流的另一点：过流保护，当有MOSFET击穿或MOSFET误导通时，比方死区发生器有故障时，会造成上下桥直通将电源直接短路，这样会有很大的电流，为避开更大的损害INT0中断，由于PIC16F72没有中断嵌套，因此在整个定时中断中均要随时检测INT0中断标志，防止短路发生。一般说来，上下桥直30μS30μS后功率管就会有报销的危急，所以在中30μS必需去检测一次INT0的中断标志，假设觉察INT0中断标志置1，应马上关断全部的驱动输出。堵转保护模块为了防止电机发生堵转时电流始终通过同一组MOSFET而造成永久损2秒。作，这对MOSFET也是有害的，所以也应捆绑在一起，在电动机运行时，假设检测到动输出。电池过放电，将导致电池的永久损坏。留意欠压保护和电池电压上升后恢复供电这48V42V，而恢复供电点在45V，当电池电45V掌握器频繁进入保护状态使骑行者感到不适。另一点要留意的是，电池是具有内阻调低欠压值。在一些产品中，当电池电压接近欠压时，掌握器会减小供给电机的电流，这在一方面可以提示使用者电池处于亏欠状态，小电流放电避开了电池的损坏；另一方面还可以使电动车连续跑动相当长的距要格外频繁的，所以和手柄，刹车一道，在中断中每隔10-50ms轮番检测一次AD值即可，检测后的结果保存起来放在全局变量间“来处理这些值。AD通道的切换及根本程序构造安排由于单AD能中，单片机必需完成电流，手柄，电源电ADADAD必需格外留意，通常，手柄，电源电压变化比较缓慢，为了仅可能把资源让给电流，手柄和电源电压的检测只需要20-30mS轮换向时由于消音程序需要用到电流通道的ADADAD构造安排。定时中断中程序构造的一种安排：中断保护系统计时————AD通道选择————开头AD采样————AD转换开头————检测相位变化————AD结果保存————电流推断及处理————依据相位变化是否换向，消噪————中断恢复并返回非中断中的程序构造安排：见图2:主循环流程图2:故障的检测，保护及告警显示：使用了单片机这样的可以智能化操作的零件我们就可以做一些工作来帮助生产和修理由于生产过程中不行避开会造成一些诸如虚焊连锡之类的缺陷所以在产品组装成半成品测试时就会消灭一些故障，轻则某些功能失效，重的会导致元器件烧毁这是老板确定不情愿看到的所以我们可以多做一些工作最大限度上避开此类问题的发生我们最担忧的是生产过程中由于连锡或虚焊导致MOSFET烧毁，一个 MOSFET好几块烧一个谁都心疼幸好现在有单片机在开机时可以用极短的时间(或许10-20μS)全部开启一下上桥，关闭，同时检测电流，MOSFET可以用单片机在开启MOSFET的同时检测MOSFET短路，也不至于把另外一个烧掉，所以可以利用这个检验方法来初步检查产品的好坏，也便于修理工修理。其他的故障比较好检测，这里就不一一赘述。出了什么故障，目前一般承受LED闪耀次数来表示，次数可以自己定，也可以承受比较流行的方法：慢闪：1秒钟闪一次，表示没有检测出故障。快闪：连续闪两次，停一下，表示刹车，或者刹车局部有故障。连续闪三次，停一下，表示INT0口始终为低电平，很有可能是比较器局部有问题。连续闪四次，停一下，表示上桥有短路现象连续闪五次，停一下，表示下桥有短路现象连续闪六次，停一下，表示电机霍尔信号有故障，或者相位选择有误。连续闪七次，停一下，表示刚刚发生了过流保护，INT0口有低电平脉冲消灭连续闪八次，停一下，表示电源电压过低或给单片机供电的5V电源电压过高。1+1车都有踏脚板，可以使用人力驱动，假设在人力驱动的同时电动机也开头输出一局部脚踏动踏板时霍尔感应器感应到磁铁经过便输出频率与踏板齿轮转速成正比的方波，依据方波的频率再估算一个值输出一个对50%，所以可以推断踏板正转还是反转，可在推动车辆倒车时还输出助力。称谓五花八门，一般文字的表达方法是柔性电子刹车，这个称谓比较通俗易懂。电动机用中，一般均承受将三相线圈短路，类似再当简洁，仅需将上桥或下桥全部开通即可。由于靠惯性运转的直流永磁电动机相当于能量，所以有两个害处：第一是车速越快时制动力越大，简洁在高速时发生事故；其次是对MOSFET及线路损害相当严峻，使零部件过热烧毁。为了抑制这种毛病，人们在PWM作在间歇状态，这就叫柔性刹车。最简洁的PWM但由于电动车掌握器上桥的浮栅驱动的特别构造，使上桥不行能工作在上桥持续开通，而下桥持续关闭的状态，所以一般还是PWM10K在持续开通的状况下驱动电压缺乏而产生发热，烧毁的状况。现在有一个题外话不得一个道理：电动机在向电源反充电！从外表地，为何还有电流反流到电源呢？实际上，在制动过程中由于使用了所谓“柔性刹车”，不断导通————就有感应电流通过线圈————下桥地下桥线圈流通，当下桥在关闭时，线圈中的电流不能马上消逝，产生的感应电流就会通过线圈————上桥反向二极管————电源+地下桥反向二极管————象。而且下桥导通占空比越大，这个反充电流也越大。但到了100%占空比时，由于全部电流都被短路，充电电流反而没有了。最终说明一下，这种制动方法是有风险的，当惊人，这对功率MOSFET是一个很大的负担，实践中在一个75KG的人骑行在20KM5坏。一般的做法是选用比较好的功率管，并在启动该功能时限时使用，就是在刹车后5-8秒内即不再有电制动，避开在长距离下学浅，肯定有很多不对的地方，期望宽阔读者能够斧正。/////////////////////////////////////无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角用无刷电机常见的相位代数角有120°与60°两种。观看霍耳元件安装空间位置推断无刷电机的相角，12060°两种相角电机的霍耳元件安装空间位置不一样。测量说明一下的是什么叫无刷电机的磁拉力角。121618片,其对应的定子槽数是36槽、48槽或54槽电机在静止状态时转子磁钢的磁力线有沿磁阻最小方向行走的特性因此转子磁钢所停顿的位置恰好为定子槽凸极的位置。磁钢不会停在定子槽心的位置，这样转子与定子的相对位置只有36种48种或54种这有限的几个位置因此无刷电机的最小磁拉力角就是