基于中颖SH79F081的电动自行车控制器设计

摘 要:方波驱动的无刷直流电机由于力矩大,运行可靠,在电动车控制器中广泛应用,方波驱动最大的缺点在于换相时的电流突变引起的转矩脉动,导致噪声较大,但好的控制策略可以大大改善换相噪声.电动车控制器设计的难点在于电流控制,本文就电动车控制器设计的一些关键地方加以描述.
关键词:电动车控制器 直流无刷电机 换相 同步整流

1. 概述
电动自行车上使用的电机普遍采用永磁直流电机.所谓永磁电机,是指电机线圈采用永磁体激磁,不采用线圈激磁的方式.这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能,提高了电机机电转换效率,这对使用车载有限能源的电动车来讲,可以降低行驶电流,延长续行里程.
永磁直流电机按照电机的通电形式来分,可分为有刷电机和无刷电机两大类,有刷电机由于采用机械换相装置导致可靠性和寿命降低,因此逐渐退出电动车市场.
无刷电机又可分为有传感器和无传感器两类,对于无位置传感器的无刷电机,必须要先将车用脚蹬起来,等电机具有一定的旋转速度以后,控制器才能识别到无刷电机的相位,然后控制器才能对电机供电.由于无位置传感器无刷电机不能实现零速度启动,所以现在生产的电动车上用得较少.目前电动车行业内使用的无刷电机,普遍采用有位置传感器无刷电机.
有位置传感器永磁直流无刷电机按照内部传感器的安装位置不同,又可分为60度电机和120度电机.在120°的霍尔信号中,不可能出现二进制000和111的编码,所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作.因为霍尔组件是开漏输出,高电平依靠电路上的上拉电阻提供,一旦霍尔零件断电,霍尔信号输出就是111.一旦霍尔零件短路,霍尔信号输出就是000,而60°的霍尔信号在正常工作时这两种信号均会出现,所以一定程度上影响了软件判断故障的准确率.因此目前市面马达已经逐渐舍弃60°相位的霍尔排列.
2. 永磁直流电机基本原理
2.1. 主回路电路

 
图中ABC表示电机的3相绕组,采用星形接法,V1~V6表示功率场效应管,如果将V1~V6用如下的时序波形驱动,则3相绕组会按照AB-AC-BC-BA-CA-CB顺序通电(AB表示电流由A相流向B相),产生一个旋转的磁场,牵引外转子(永磁体)旋转.
导通顺序
 

3. 电动车控制器功能要求
 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(消除换相噪音,倒车等)
 安全性要求：
     1. 限流驱动
     2. 过流保护
     3. 堵转保护
     4. 电池欠压保护
     5. 降低温升
     6. 附加功能(防盗锁死,温升限制等)
     7. 附加故障检测功能
从上面的要求来看,功能性要求和安全性要求的前三项用专用控制芯片用加上适当的外围电路均不难解决,代表芯片是摩托罗拉的MC33035,早期的控制器方案均用该集成块解决.但后来随着竞争加剧,很多厂商都增加了不少附加功能,一些附加功能用硬件来实现就比较困难,所以使用单片机来做控制的控制器迅速取代了纯硬件的专用控制芯片.
但是硬件控制和软件控制有很大的区别,硬件控制的反应速度仅仅受限于逻辑门的开关速度,而软件的运行则需要指令执行时间.要使软件跟得上电机控制的需求,就必须要求软件在最短的时间内能够正确处理换相,电流限制等各种复杂动作,这就涉及到一个对外部信号的采样频率,采样时机,信号的内部处理判断及处理结果的输出,还有一些抗干扰措施等,这些都是软件设计中需要仔细考虑的东西.
在本方案中,我们采用了一颗集成PWM发生器的8位单片机SH79F081,采用优化的单机器周期8051内核,内置16k Flash存储器,兼容传统8051所有硬件资源,采用JTAG仿真方式,内置16.6MHz振荡器,同时扩展了如下功能:
 双DPTR指针. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
 3通道带死区控制PWM,6路输出,输出极性可设,提供周期溢出功能
 集成故障检测功能,可瞬时关闭PWM输出.
 提供硬件抗干扰措施.
 集成高速10bit ADC.
 提供Flash自编程功能,可以模拟用做EEROM,方便存储参数.
这颗IC由于CPU运行速度和AD采样速度都很快,PWM功能强大,硬件抗干扰功能多,非常适合作电动车控制器.
4. 软件实现
下面我们挑选对控制器性能和安全比较重要的功能来讨论编程中应该注意的问题.
4.1. 减小换相噪声
上文已提过,无刷直流电动机方波驱动最大的缺点是换相时电流不能持续,导致有转矩脉动,因此衡量控制器好坏很大程度上是取决于换相是否能做好.
在电动车刚刚起步的时候我们会发现换相时电机会发出很大的突突声,这是由于电机起步时电流比较大,而电机是个感性负载,换相后由于电机线圈电流不会一下增大到换相前的水平,这样就造成换相前后电流反差非常大,从而导致牵引力的急剧变化,这种变化便会引起电机强烈振动,这种振动噪声不能完全消除,但可以采取一些措施减小噪声
方法1:在换相后的一段时间使PWM脉冲占空比达到100%来使电流增长快一点,从而减轻振动噪声.需要提醒的是在这个过程中我们需要随时监测电流变化,电流一达到换相前的水平就可以恢复换相前的PWM占空比.
方法2:延迟关闭换相MOS管,方波驱动直流无刷电机是6步驱动,定子励磁每隔60度电角度跳跃一次,保证定子磁动势方向和转子磁动势方向夹角在60°到120°之间运行,因为夹角在90°时转动力矩最大,夹角为0°或180°时没有转矩,现假设电机正转,AB导通要切换到AC导通,此时AB绕组通电产生的定子磁势和转子磁势夹角为60°,如果正常切换到AC导通,则AC绕组通电后,定子磁势和转子磁势夹角变为120°,由于切换到AC通电后电流要从0开始爬升,因此此时定子磁势幅值很小,导致转矩降低,但如果此时不关闭B,同时将下桥C打开,则定子磁势和转子磁势的夹角变为90°,而且由于AB相电流基本没有变化,而C相电流还很小,因此换相前后转矩变化很小,但要注意,等C相电流爬升后要将B相关闭,否则3相导通的合成力矩比2相导通力矩大,也会发生转矩波动.
4.2. 电子刹车：
电子刹车其实是将电动机当做发电机机运行,因此会产生电磁制动转矩,检测到电子刹车信号后,cpu将上三路PWM关闭,将下三路同时打开,占空比设为某一固定值,这样,电机相当于工作在发电机状态,给蓄电池充电,充电电流和下三路占空比有关,占空比越大,则充电电流越大,剎车制动能力越强,由于目前电动车上装配的电子剎车都是开关信号,使用者无法调整剎车力矩,完全由控制器决定,不过由电动机的特性, 即使占空比固定,电子剎车时转速越高,发电机感生电压越高,回馈充电能力越强,剎车力矩越大, 当然,最好是装配线性剎车传感器,使用者会更方便.
4.3. 恒流驱动
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.放大器用来实时放大电流信号,放大倍数大约6.5倍,放大后的信号提供给单片机进行AD 采样转换,转换所得数字用来控制电流不超过我们所允许的值.另一路信号送至比较器,当电流突然由于某种原因大大超过允许值,比如一只MOSFET击穿或误导通时,比较器翻转送出低电平,送给79F081的FLT引脚,无需单片机执行程序,IC硬件会自动关闭PWM输出,从而保护MOSFET避免更大伤害.
电流采样时间点很重要.因为使用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脉冲频率相同,相位上滞后一定时间的脉动电流波形,这种波形如果没有经过滤波处理,将会类似于一个梯形,如果我们要获得准确的电流AD转换值,最好的办法就是在梯形波的上边中间采样电流信号,这样所获得的电流AD值才能较为准确地反应电流的实际大小.在SH79F081中AD转换的采样由ADCON中的GO/DONE启动, 完成一次ADC转换分为采样和保持两段时间,采样时间内,外部仿真输入信号将ADC内部采样电容充满, 保持时间内,IC内部逐次比较得出A/D结果.在应用中ADC采样的时间一般为2μS,而转换时间为12μS.
AD采样启动与PWM中断同步,进入PWM中断处理城市后,先执行一些PWM事件的处理,然后开启AD采样,这样采样点刚好落在电流梯形波的上边, 即使由于PWM占空比很小时,开启时间小于一次ADC转换时间也没有影响,只要保证大于采样时间即2μS即可,转换时间内即使外部输入仿真量变化了也不会影响ADC转换结果.
这样采样出来的结果实际上是PWM有效期间(为高)时的电流,电流控制实际是控制平均电流.(FLT 短路保护是控制瞬态电流).因此需要乘上PWM占空比得到平均电流,因为理论上,PWM周期内无效(低电平)期间主回路上是没有电流的.
根据电流采样的结果来实时调整PWM的占空比,实现电流闭环,理论上电流闭环的时间常数可以做到一个PWM周期时间(60us左右).
4.4. 同步整流
电机是电感性负载,采用PWM开关驱动,在功率管关断期间由于电流不能突变,必须要有续流回路,功率MOSFET一般内置有续流二极管,但是续流二极管压降在1V左右,而电动车工作电流可能达到20A,此时续流二极管消耗的功率会很大,很容易导致发热烧毁.因此必须另外提供续流回路.
我们知道功率MOSFET,源级和漏级是可以互换的,因此可以将互补的桥臂驱动开启建立续流回路,从而大大降低功耗.但需注意,上桥在关断后,下桥不能立即开启来实现续流,而是需要插入一个死区时间以避免上下桥臂直通造成电源短路.79F081有6路pwm输出,内部集成上下桥死区控制,因此实现同步续流非常方便.
5. 总结
采用上述方案做成的电动车控制器,无需外加门电路,CPU执行速度和ADC转换速度都足够满足电流闭环速度要求,PWM六路输出直接控制3相全控桥的6个晶体管.集成死区控制功能,因此很适合用在电动自行车控制器上, 此方案实际测试效果不错,目前已经量产.

附:方案原理图