面向電動(dòng)自行車的高效的8位微控制器解決方案

1、面向電動(dòng)自行車的高效的8位微控制器解決方案摘要：“尺寸小巧但功能強(qiáng)大”，英飛凌XC864將成為新興電動(dòng)自行車市場(chǎng)最流行的微控制器。這款8位微控制器采用TSSOP-20小型封裝，并帶有適用于三相無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用的CAPCOM電機(jī)控制模塊。腳踏板運(yùn)動(dòng)通過(guò)計(jì)時(shí)器2（Timer2）來(lái)測(cè)量，以計(jì)算協(xié)助騎車人順利騎行所需的助力。此外，它還有過(guò)流與過(guò)壓保護(hù)功能。 應(yīng)用背景 將電機(jī)集成于自行車，協(xié)助騎車人減少踩腳踏板所費(fèi)體力，已成為一種不斷發(fā)展的趨勢(shì)。本文討論電動(dòng)自行車采用電子控制單元（ECU），根據(jù)騎車人踩腳踏板所付出的體力來(lái)提供相應(yīng)的電動(dòng)助力。微控制器相當(dāng)于ECU的大腦，負(fù)責(zé)三相無(wú)刷直流電機(jī)的換相及處理騎

2、行所需電動(dòng)助力。 三相無(wú)刷直流電機(jī)以其耐用性、線性控制特性、高效以及優(yōu)秀的轉(zhuǎn)矩體積比在電動(dòng)自行車市場(chǎng)備受歡迎。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)控制而言，確定轉(zhuǎn)子位置和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制機(jī)制較為棘手和困難。英飛凌針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了多種微控制器從功能全面的8位和16位微控制器到能控制任何電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)并集成外設(shè)的32位TriCore微控制器。 電動(dòng)自行車不斷增長(zhǎng)的全球市場(chǎng) 行業(yè)報(bào)告預(yù)測(cè)未來(lái)5年全球電動(dòng)自行車銷量增幅將達(dá)到8至10。2009年，中國(guó)成為全球最大的電動(dòng)自行車生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)。許多國(guó)家正在推行可以拯救世界的新一代潔凈與綠色能源解決方案。電動(dòng)自行車可為更清潔與更綠色的交通提供完美解決方案。這種趨勢(shì)有助于推動(dòng)電動(dòng)

3、自行車在歐美市場(chǎng)的銷售。 英飛凌XC800微控制器系列概述 XC800系列是安全可靠、靈活擴(kuò)展的智能化8位微控制器，可滿足對(duì)成本有要求并對(duì)性能敏感的工業(yè)與多市場(chǎng)應(yīng)用需求。 英飛凌的高性能8位微控制器XC800系列將雙周期8051內(nèi)核與嵌入式閃存和片上外設(shè)融合在一起。XC800的創(chuàng)新改進(jìn)包括溫度范圍提升至150C、電容觸摸控制和內(nèi)嵌矢量計(jì)算機(jī)的16位性能等。閃存大小從2KB到64KB不等，并有最高達(dá)3KB的RAM，引腳數(shù)也從16引腳到64引腳不等，使您能輕松根據(jù)自己的用途選出合適的產(chǎn)品。這些高質(zhì)量微控制器非常適用于5V及3V應(yīng)用。 工業(yè)設(shè)備和家用電器的能效問(wèn)題關(guān)乎智能控制與網(wǎng)絡(luò)連接。利用英飛凌8

4、位微控制器，設(shè)計(jì)者們可以通過(guò)采用磁場(chǎng)定向控制或功率因素校正等高級(jí)控制算法和CAN、DALI或IO-鏈接等通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)優(yōu)化所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的能效。 高效驅(qū)動(dòng)與自動(dòng)化 工業(yè)設(shè)備與家用電器的高效驅(qū)動(dòng) 泵、壓縮機(jī)和風(fēng)扇 工業(yè)生產(chǎn)或樓宇服務(wù)的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò) 直觀人機(jī)界面 工業(yè)自動(dòng)化 醫(yī)療設(shè)備 POS終端 智能照明 高亮度LED 亮度與顏色控制 照明通信網(wǎng)絡(luò) 智能功率管理 高效功率轉(zhuǎn)換 電池管理 感應(yīng)烹飪 英飛凌CC6單元由1個(gè)具有3條捕獲/比較通道的計(jì)時(shí)器模塊T12與1個(gè)具有1條比較通道的計(jì)時(shí)器模塊T13組成。T12的通道可產(chǎn)生最多6個(gè)PWM信號(hào)或接受6個(gè)捕獲觸發(fā)信號(hào)。T12的通道可用于控制最多3個(gè)帶自動(dòng)死區(qū)生成

5、的半橋。他們可共同產(chǎn)生控制信號(hào)模式，驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)或逆變器?？梢院苋菀椎貙?shí)施正弦或空間矢量調(diào)制。特殊操作模式采用霍爾傳感器或反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，支持無(wú)刷直流電機(jī)控制。不僅如此，它還支持多相電機(jī)的阻塞換相和控制機(jī)制。ADC與CC6之間的直接硬件連接可實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的PWM控制。 圖注： ADC：模數(shù)轉(zhuǎn)換器 Out-of-Range Comparator：超量程比較器 Limit Check Control：限值校驗(yàn)控制 Limit Event：限值事件 Boundary 1：邊界1 Boundary 0：邊界0 Boundary Flag Control：邊界標(biāo)志控制 Start ：開始 Compare：

6、比較 Trap Handling：自陷處理 Hall Pattern Evaluation：霍爾模式評(píng)估 Dead-Time Control：死區(qū)控制 Output State Selection：輸出狀態(tài)選擇 Multi-channel Mode：多通道模式 Hall Compare Logic：霍爾比較邏輯 Output Modulation：輸出調(diào)制 Output Level Selection：輸出電平選擇 CCU6 特性 時(shí)間測(cè)量捕獲 PWM生成比較 額外調(diào)制突發(fā) 靈活信號(hào)生成單發(fā) 單極電機(jī)多通道 無(wú)刷直流驅(qū)動(dòng)阻塞換相 可編程死區(qū)控制 ADC特性 10位分辨率、+/- 2LSB 轉(zhuǎn)換

7、時(shí)間1.5us PWM硬件同步支持無(wú)噪聲采樣 自動(dòng)掃描、注入和比較模式減輕CPU負(fù)載 英飛凌電動(dòng)自行車解決方案 XC864是高性能8位微控制器XC800系列的成員之一。該產(chǎn)品基于兼容行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051處理器的XC800內(nèi)核。XC864配有功能強(qiáng)大的捕獲比較單元（CAPCOM）和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。這些功能使得XC864適用于三相無(wú)刷直流（BLDC）電機(jī)應(yīng)用，如電動(dòng)自行車等。 該控制器的主要功能包括三相對(duì)稱PWM（帶自動(dòng)死區(qū)生成）、可與PWM同步觸發(fā)的快速ADC，硬件故障處理與自動(dòng)霍爾效應(yīng)傳感器解碼及硬件噪聲過(guò)濾等。XC864采用小型封裝（TSSOP-20）。 主要特性 27MHz高性能

8、三相對(duì)稱PWM（帶自動(dòng)死區(qū)生成） 可與PWM同步觸發(fā)的快速ADC 硬件故障處理 自動(dòng)霍爾效應(yīng)傳感器解碼及硬件噪聲過(guò)濾 圖1所示為XC864 8位微處理器框圖。 圖1：XC864框圖圖注： Program & Data Memory Bus：程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)總線 8 KB Boot ROM：8KB引導(dǎo)ROM 4/8/16 KB Flash：4/8/16KB閃存 256 Byte RAM+ 64 Byte Monitor RAM：256字節(jié)RAM+64字節(jié)監(jiān)控RAM 512 Byte XRAM：512字節(jié)XRAM XC800 Core：XC800內(nèi)核 Interrupt Controller：中斷控

9、制器 System Control Unit：系統(tǒng)控制單元 EVR, POR Brownout：EVR、上電復(fù)位/掉電復(fù)位 Peripheral Bus：外設(shè)總線 Timer 2：計(jì)時(shí)器2 Watchdog Timer：看門狗計(jì)時(shí)器 Ports：端口 Debug & JTAG：調(diào)試與JTAG 1) 包括1KB監(jiān)控ROM 2) 包括4kB數(shù)據(jù)閃存 CAPCOM有一組檢測(cè)無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)嵌霍爾傳感器信號(hào)的輸入引腳（CCPOS0,1,2）。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，CAPCOM通過(guò)傳送適當(dāng)?shù)碾姍C(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對(duì)任何霍爾傳感器信號(hào)改變做出自主響應(yīng)。CAPCOM可同步三組高邊低邊信號(hào)，以開關(guān)MOSFET為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)提供電能。

10、如發(fā)生過(guò)流，電流感應(yīng)機(jī)制通過(guò)連接CTRAP引腳，立即禁用電機(jī)。 圖2：電動(dòng)自行車框圖圖注： Timer 2：計(jì)時(shí)器2 Motor drive signals(6)：電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)（6） Hall sensor(3)：霍爾感應(yīng)器（3） Current Sensing(1)：電流感應(yīng)（1） Battery Monitoring(1)：電池監(jiān)控（1） Pedal Detection(1) ：腳踏板檢測(cè)（1） MOTOR DRIVER：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 PEDAL：腳踏板 對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，下一多通道狀態(tài)值取決于霍爾輸入模式?；魻柲Ｊ剑–URH）與調(diào)制模式（MCMP）之間是有緊密關(guān)聯(lián)的。因?yàn)殡姍C(jī)的種類不同，所

11、以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的調(diào)制模式也可以有所不同。因此，界定霍爾模式及其相關(guān)調(diào)制模式之間關(guān)聯(lián)時(shí)保留較大靈活性是有利的。CCU6通過(guò)一個(gè)寄存器存儲(chǔ)實(shí)際霍爾模式（CURHS）、下一預(yù)期霍爾模式（EXPHS）和它的輸出模式（MCMPS）來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。在每一個(gè)正確的霍爾事件中，新的霍爾模式及其相關(guān)輸出模式可以通過(guò)軟件載入（從預(yù)定義表中）至MCMOUTS寄存器。這有助于微控制單元為下一即將到來(lái)的正確霍爾事件做好準(zhǔn)備，從而可以使其即刻做出響應(yīng)。 圖注： CC60 act. Speed：CC60實(shí)際速度 CC61 phase delay：CC61相位延遲 CC62 timeout：CC62超時(shí) Ch0 gets cap

12、tured value for act. speed：Ch0獲取實(shí)際速度捕獲值 Ch2 compare for timeout：Ch2超時(shí)比較 Ch1 compare for phase delay：Ch1相位延遲比較 無(wú)刷直流模式下，計(jì)時(shí)器12的通道0執(zhí)行捕獲功能，通道1與通道2執(zhí)行比較功能。檢測(cè)到有效霍爾邊緣后，計(jì)時(shí)器12的計(jì)數(shù)值將被捕獲至通道0（代表實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)速），然后計(jì)時(shí)器12將被重置。當(dāng)計(jì)時(shí)器達(dá)到通道1中的比較值時(shí)，輸出將通過(guò)觸發(fā)MCMP位字段的轉(zhuǎn)移來(lái)切換。此觸發(fā)事件可結(jié)合實(shí)施噪聲過(guò)濾（正確霍爾事件）的幾個(gè)必需條件并可將下一多通道狀態(tài)同步至調(diào)制源（避免輸出線峰值）。通道1比較功能可用

13、作輸入至輸出切換的相位延遲，該功能對(duì)采用無(wú)傳感器反電動(dòng)勢(shì)技術(shù)而非霍爾傳感器是必需的。 通道2的比較值可用作指示電機(jī)目的速度遠(yuǎn)小于所需值（可能由異常負(fù)載變化而導(dǎo)致）的超時(shí)觸發(fā)（中斷）。 大多數(shù)情況下，與電源開關(guān)行為相關(guān)的打開或關(guān)閉時(shí)間是不對(duì)稱的。如果打開電源設(shè)備所花時(shí)間比關(guān)閉該電源設(shè)備所花時(shí)間短，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較普遍的問(wèn)題。這將導(dǎo)致逆變器橋臂發(fā)生短路，從而可能會(huì)損壞到整個(gè)系統(tǒng)。為了從硬件上解決該問(wèn)題，CCU6帶了一個(gè)可編程死區(qū)計(jì)數(shù)器，這將延遲切換信號(hào)（主用至被用邊緣未被延遲）的備用至主用邊緣。 寄存器T12DTC 控制計(jì)時(shí)器12比較通道的死區(qū)生成。每個(gè)通道均可通過(guò)位 DTEx獨(dú)立啟用/禁用死區(qū)生

14、成。這三個(gè)通道中的每一個(gè)通道均可通其自有觸發(fā)器及啟用信號(hào)獨(dú)立工作。 自陷功能允許脈寬調(diào)制輸出對(duì)輸入引腳/CTRAP狀態(tài)作出反應(yīng)。該功能可在自陷輸入被激活時(shí)（例如因過(guò)流導(dǎo)致的緊急停止）關(guān)閉電源設(shè)備。處于自陷狀態(tài)時(shí)，所選擇的輸出將強(qiáng)制轉(zhuǎn)入備用狀態(tài)，并將停止任何主用調(diào)制。 圖3：計(jì)時(shí)器2的腳踏板速度檢測(cè)功能圖注： Determine the speed of the pedal：檢測(cè)腳踏板速度 Timer 2 start automatically at the falling edge：計(jì)時(shí)器2在下降邊緣自動(dòng)啟動(dòng) The period of two consecutive falling edge

15、s is transfer into Timer 2 captured register at the next falling edge：兩次連續(xù)下降邊緣間隔時(shí)間在下一下降邊緣被發(fā)送至計(jì)時(shí)器2捕獲寄存器 電動(dòng)自行車的助力取決于腳踏板的速度。如果緩慢騎行，那么所產(chǎn)生的電動(dòng)助力就小。如果快速騎行，產(chǎn)生的電動(dòng)助力就會(huì)增加。腳踏板速度與MOSFET驅(qū)動(dòng)占空比之間呈正向?qū)?yīng)關(guān)系。騎車人踩得越快，所需占空比越高，產(chǎn)生的電能越多，自行車行駛得越快。 16位通用計(jì)時(shí)器（計(jì)時(shí)器2）可用作計(jì)時(shí)器與計(jì)數(shù)器。不僅如此，它還具有自動(dòng)重載模式與單通道捕獲模式。計(jì)時(shí)器2在腳踏板信號(hào)下降邊緣自動(dòng)啟動(dòng)，然后將從自動(dòng)啟動(dòng)模式切

16、換至捕獲模式。在下一下降邊緣，計(jì)時(shí)器2中的檢測(cè)值（腳踏板信號(hào)下降邊緣間隔時(shí)間）將被發(fā)送至捕獲寄存器中。根據(jù)腳踏板信號(hào)下降邊緣間隔時(shí)間可以計(jì)算出驅(qū)動(dòng)MOSFET所需占空比。 圖注： no delay due to interrupt latency：延遲中斷帶來(lái)的無(wú)延遲 analog channel f：模擬通道f timer hardware triggered conversion：計(jì)時(shí)器硬件觸發(fā)轉(zhuǎn)換 conversion channel f：轉(zhuǎn)換通道f Timer Triggered Conversion：計(jì)時(shí)器觸發(fā)轉(zhuǎn)換 傳統(tǒng)ADC觸發(fā)請(qǐng)求是由計(jì)時(shí)器中斷服務(wù)例行程序中的軟件指令生成的。此傳

17、統(tǒng)方法將根據(jù)是否有任何更高優(yōu)先級(jí)嵌套中斷以在不同時(shí)機(jī)對(duì)ADC進(jìn)行觸發(fā)。不過(guò)，XC800 ADC的創(chuàng)新設(shè)計(jì)解決了觸發(fā)時(shí)機(jī)不精確的問(wèn)題。ADC的轉(zhuǎn)換啟動(dòng)可以由硬件直接觸發(fā)，無(wú)需任何CPU干預(yù)或軟件指令。該功能可實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間等距測(cè)量。 XC864包含一個(gè)帶有4條多路復(fù)用模擬輸入通道的高性能10位ADC。此ADC采用逐次逼近技術(shù)對(duì)最多4路不同來(lái)源的模擬電壓水平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。10位ADC的典型總不可調(diào)誤差為+/-1 LSB，這將為模擬讀數(shù)（對(duì)于電流測(cè)量特別適用）提供高分辨率與精確度。 用于電機(jī)控制的同一CAPCOM計(jì)時(shí)器，可作為ADC的觸發(fā)器用于電池監(jiān)控。ADC的限值檢測(cè)特性允許只在過(guò)壓或欠壓時(shí)產(chǎn)生中斷。大

18、多數(shù)時(shí)間，電池在容限范圍內(nèi)運(yùn)行良好，所以ADC無(wú)需中斷CPU。只有在過(guò)壓或欠壓條件下，ADC才會(huì)對(duì)中斷CPU。 圖注： Over-voltage：過(guò)壓 Nominal Voltage 24V：額定電壓為24V Tolerance: 20 to 28 V：容限范圍：20至28V Under-voltage：欠壓 Behaviour of Battery：電池行為 ADC Interrupt generated：生成的ADC中斷 No ADC Interrupt：無(wú)ADC中斷 ADC boundary interrupt：ADC邊界中斷 電動(dòng)自行車參考解決方案 英飛凌開發(fā)了一組應(yīng)用套件，展示了采用

19、英飛凌低成本、高價(jià)值8位XC866微控制器的電動(dòng)自行車應(yīng)用的硬件與固件實(shí)施情況。此套件支持霍爾傳感器與無(wú)傳感器這兩種三相無(wú)刷直流電機(jī)。它還支持24V、36V和48V全系列電池并可驅(qū)動(dòng)高達(dá)750W的電機(jī)。 額定電壓 24V至48V 額定功率 高達(dá)750W 微控制器 XC866 MOSFET IPP120N06N IC驅(qū)動(dòng) 6ED003L06-F 該微控制器可通過(guò)IC驅(qū)動(dòng)器或分立元件對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。IC驅(qū)動(dòng)器可在早期開發(fā)階段提供保護(hù)。最終產(chǎn)品將由于成本因素而采用基于分立元件的設(shè)計(jì)。用戶可使用引導(dǎo)加載選項(xiàng)通過(guò)JTAG連接或UART連接下載程序。 與電動(dòng)自行車應(yīng)用套件配套的還有電動(dòng)自行車軟件庫(kù)?？蓪?duì)此

20、軟件庫(kù)的功能進(jìn)行逐個(gè)啟用。此軟件庫(kù)占用1713字節(jié)代碼空間和29字節(jié)RAM空間。英飛凌電動(dòng)自行車硬件板載源代碼為電動(dòng)自行車制造商提供了一個(gè)快速開發(fā)的環(huán)境。 車把控制 控制基于車把位置的占空比 電池電壓監(jiān)控 如果電池電壓低于閾值限值，則減少PWM 過(guò)流監(jiān)控 如果電池電流高于閾值限值，則減少PWM 電機(jī)控制代碼生成DAvE Drive DavE Drive是應(yīng)用代碼生成器，適用于利用英飛凌8位與16位微控制器對(duì)永磁同步電機(jī)與無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制。它是一款基于圖形用戶界面（GUI）的軟件工具，可允許應(yīng)用開發(fā)人員以十分高效的方式對(duì)用于三相無(wú)刷同步電機(jī)控制的XC866/XC88x/XC878/XE164軟件進(jìn)行配置。有了DAvE Drive，開發(fā)人員只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成對(duì)電機(jī)選擇、電機(jī)轉(zhuǎn)速、控制類型和其他各種選項(xiàng)的代碼優(yōu)化。DAvE Drive充分利用英飛凌微控制器的功能，譬如它用矢量計(jì)算機(jī)生成適用于XC800的優(yōu)化FOC代碼，而這一般是具有電機(jī)控制與匯編編程知識(shí)的專家才能完成。 DAvE Drive是以應(yīng)用為中心的DAvE（英飛凌數(shù)字應(yīng)用虛擬工程師）插件。DAvE提供初始化、配置與驅(qū)動(dòng)代碼，以減輕初學(xué)者和專家的編程負(fù)擔(dān)。該工具生成完整的算法源代碼，可用熱門編譯工具如Keil或Tasking編譯器進(jìn)行編譯與調(diào)試。 圖注： CONTRO