基于賽普拉斯CY8C24533的電動自行車設計

1、基于CY8C24x33的電動自行車設計議程BLDC電機基礎基于PSoC的BLDC電機控制電動自行車硬件設計電動自行車控制策略與軟件設計控制器介紹電機分類電機 交流電機 (AC motors) 直流電機 (DC motors)異步電機同步電機單相交流電機步進電機有刷直流電機 通用電機(AC or DC)有傳感器BLDC無傳感器 BLDC多相/三相 交流電機無刷直流電機(BLDC)開關磁 阻電機永磁電機BLDC優(yōu)勢 與有刷直流電機相比，BLDC具有如下一些優(yōu)勢：效率高可靠性高 (無電刷磨損) 功率/體積之比更高散熱性好更快的轉速加速速率更高，低遲滯低EMI換相時無電弧火花現(xiàn)象電機控制框圖電機的控制

2、位置/速度控制采用閉環(huán)控制法，確保電機轉速符合要求兩種電機速度/位置檢測方法：有傳感器和無傳感器電流控制過流保護最大電流保護啟動電流控制轉矩控制轉矩波動越小，電機運轉就越平穩(wěn)。轉矩控制方法：磁通，轉差率和電流等控制方法無刷直流電機相線圈通電控制RBrrggbbGcomcomRGB霍爾輸出 100110010011101001NS100110010011101001霍爾傳感器 - 120/60驅動順序控制VDC-1 Electrical Cycle速度控制：PWM345012PWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPWM3LSector110010011001101100Halls o

3、utput000111 BLDC電機的典型應用有位置傳感器的無刷直流電機應用：無位置傳感器的無刷直流電機應用：風扇 油泵 無霍爾傳感器的電動自行車跑步機輪椅高爾夫車電動工具工業(yè)應用電動自行車議程BLDC電機基礎基于PSoC的BLDC電機控制電動自行車硬件設計電動自行車控制策略與軟件設計控制器介紹PSoC = Programmable System on Chip :PSoC 器件特征: 可編程模擬模塊 ADCs,DACs,過濾器， 比較器，CapSense , 可編程數(shù)字模塊 時鐘，計數(shù)器，PWMs, UART,SPI,IrDA, 通訊接口：I2C, SPI, UART, IrDA M8C M

4、CU Flash：4KB - 32KB SRAM：256B 2KBPSoC (可編程片上系統(tǒng))PSoC 結構圖1-24 MHz8-bit MCUUSBIMOProgrammable Digital0.5-3.6VD+/D-2.7-5.25VProgrammable Routing & InterconnectDebugGPIOGPIOGPIOGPIOGPIOGPIOPLL & Clock TreeLP OscWDT,RTC&Wake32 kHzConfigurable AnalogSRAME2Debug(Optional)(Optional)0.1F10nHPORLVDSleepPowerIR

5、QGPIOGPIOGPIO&SMP32 kHzXtal OscBBBBCBCBCBCBCBBBBBBBBBCBCTCTCTCTSCSCSCSCSCSCSCSCFLASHPSoC用戶模塊預先配置和定義的數(shù)字和模擬的功能塊相當于片上外設 ADCs, DACs, PGAs, FiltersTimers, Counters, PWMsUART, SPI, I2C 在PSoC Designer中雙擊即可選擇用戶模塊，它定義了初始化配置所需要的寄存器用戶模塊還包括 應用編程接口 (APIs)中斷處理程序 (ISRs)該用戶模塊的數(shù)據(jù)手冊模擬用戶模塊可實現(xiàn)功能A/D 轉換ADCINCDELSIG8-bit

6、Successive Approximation8-bit Delta Sigma11-bit Delta Sigma12-bit Incremental7-13 bit Variable IncrementalD/A 轉換6, 8, and 9-bit6 and 8 bit multiplying濾波器2-pole Low-pass filter2-pole Band-pass filter放大器Programmable Gain AmplifierInstrumentation AmplifierInverting AmplifierCapSenseButtonsSlidersTrackp

7、ads 其他Programmable Threshold ComparatorDTMF Dialer數(shù)字用戶模塊可實現(xiàn)功能基本功能 (所有數(shù)字模塊可提供)8, 16, 24, 32-bit Timer8, 16, 24, 32-bit Counter8, 16-bit PWM8, 16-bit Dead Band Generator (2 Phase Underlapped Clock)Pseudo Random Source (PRS)Cyclic Redundancy Check (CRC) Generator通訊功能 (僅數(shù)字通訊模塊可提供)I2C MasterI2C Slave SPI

8、 MasterSPI SlaveFull Duplex UARTIrDA receiver and transmitterPSoC 的價值價值工程師生產(chǎn)部門管理層可靠，精確的應用高效，可重復使用的平臺降低研發(fā)時間和成本，并使產(chǎn)品快速進入市場基于R&D成本，回報更高更低的BOM減少購買和庫存器件簡化產(chǎn)品生產(chǎn)提高產(chǎn)品質量和可靠性在設計中使用更少的器件PSoC的BLDC電機控制框圖硬件過流保護取樣電阻對經(jīng)過電機的電流進行采樣過流比較器由PSoC的CT模塊實現(xiàn)，比較器的參考電壓由底層軟件設置 PSoC內部有大量的LUT，可以方便地實現(xiàn)一些數(shù)字邏輯功能通過全局輸出布線資源實現(xiàn)PWM輸出到具體的GPIO口

9、的可編程配置。當發(fā)生過流時，電機上端驅動的PWM控制信號會由于與門的作用而輸出禁止PSoC內的過流保護實現(xiàn)開環(huán)速度控制PWM脈沖輸出信號的高電平寬度受外部的可調電位器的調整控制，當外部的可調電位器無調整動作時，PWM脈沖輸出信號的高電平寬度不變。電機的轉速會隨著電機的負載變化而變化。單閉環(huán)速度控制大多數(shù)電機控制應用都僅采用了單閉環(huán)速度控制參考速度與轉子速度之差構成了速度PI（比例積分）環(huán)的輸入速度PI環(huán)根據(jù)參考速度與轉子速度之間的誤差值對PSoC內的PWM用戶模塊的高電平寬度寄存器作相應的修改閉環(huán)速度控制最大電流保護由比較器電路檢測實現(xiàn)電機速度受外部可調電位器控制PWM的高電平寬度會隨著負載變

10、化而相應變化，從而保證速度穩(wěn)定。議程BLDC電機基礎基于PSoC的BLDC電機控制電動自行車硬件設計電動自行車控制策略與軟件設計控制器介紹E-Bike 框圖 原理圖(1/4) 主控制器原理圖(2/4) 輸入/輸出原理圖(3/4) MOSFET驅動原理圖(4/4) 逆變器議程BLDC電機基礎基于PSoC的BLDC電機控制電動自行車硬件設計電動自行車控制策略與軟件設計控制器介紹E-Bike 控制系統(tǒng)結構圖E-Bike里的BLDC電機速度控制是開環(huán)控制PWM的高電平寬度由速度手柄決定霍爾傳感器和換相霍爾信號的變化通過IO口的中斷檢測霍爾信號有效狀態(tài)檢查： (有效狀態(tài)為6種)120 霍爾傳感器 000

11、和 001是無效狀態(tài)60霍爾傳感器 010和111是無效狀態(tài)霍爾傳感器信號與換相控制對應關系表 換相順序霍爾傳感器失效檢測 霍爾元件失效或連接器松脫的檢測線圈停止通電，電機由于慣性將斷續(xù)旋轉 統(tǒng)計失效次數(shù)，如果真的失效，在儀表盤上顯示失效信息電子剎車(1/3)通過改變線圈電流方向就可實現(xiàn)BLDC電機轉矩方向發(fā)生改變。因此，通過在電機線圈上施加反向電流就可實現(xiàn)電子剎車轉矩。 五種電子剎車方法雙側斬波 驅動電路中的上/下兩端有兩個MOS導通由PWM控制單管單側斬波 驅動電路中的上端MOS關閉，下端一個MOS管導通由PWM控制，其余兩個MOS關閉雙管單側斬波 驅動電路中的上端MOS關閉，下端一個MO

12、S管導通由PWM控制，其余兩個MOS關閉點剎方式 上端MOS關閉，下端三個MOS間斷開通抱鎖 上端MOS關閉，下端三個MOS全通幾種剎車方式比較方式特點雙側斬波電流波動較小,轉矩脈動小,但電機轉速很低時蓄電池是有功率輸出單管單側斬波電流波形波動較大,轉矩脈動大,存在相間續(xù)流,因而電機定子繞組的銅耗較大雙管單側斬波轉矩較大, 噪聲小點剎力矩大,適合高速時候快速剎車抱鎖力矩大,適合低速時候快速剎車電子剎車(2/3)方式1 雙側斬波 的換相表HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall CHall BHall ASector No.Phs APhs BPhs CMOSFET -

13、ONPhs APhs BPhs CMOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-NCDC+V2, V30111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+NCV1, V20102NCDC-DC+V3, V4NCDC+DC-V1, V61103DC-NCDC+V2, V3DC+NCDC-V5, V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-NCV4, V51015NCDC+DC-V1, V6NCDC-DC+V3, V4HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall CHall BHall ASector No.Phs APhs BPhs CMOSFET -

14、ONPhs APhs BPhs CMOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-NCDC+V20111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+NCV20102NCDC-DC+V3, V4NCDC+DC-V61103DC-NCDC+V2, V3DC+NCDC-V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-NCV41015NCDC+DC-V1, V6NCDC-DC+V4方式2 單管單側斬波的換相表HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall CHall BHall ASector No.Phs APhs BPhs CMOSFET - ONPhs APhs

15、 BPhs CMOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-DC-DC+V2,V40111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+DC-V2,V60102NCDC-DC+V3, V4DC-DC+DC-V2,V61103DC-NCDC+V2, V3DC+DC-DC-V4,V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-DC-V4,V61015NCDC+DC-V1, V6DC-DC-DC+V2,V4方式3 雙管單側斬波的換相表電子剎車(3/3)剎車的安全性考慮電機及控制系統(tǒng)作為整車的一個零部件,在響應命令的同時,應保證蓄電池的安全, 并且盡可能地提高系統(tǒng)效率為了保證蓄電池的安

16、全, 可以限制制動功率。在忽略制動效率和制動電壓抬高的影響, 可根據(jù)蓄電池最大充電電流和額定電壓來確定最大制動功率電流的監(jiān)測 在電機轉速較低時, 盡管制動功率不會超出限制, 但過大的制動轉矩可能會超出控制器的能力(相電流超出限制)。程序設計時采用滯環(huán)控制，當電流超出上限時候應降低PWM占空比，反之可加大PWM占空比以提高充電效率。再生制動能量回收在 t0t1期間, V2導通, 相線圈R，G儲存能量再生制動能量回收電路結構在t1t2期間, V2 關閉, 電機線圈電流不能發(fā)生突變，因此相線圈R，G的電流維持同樣的方向通過二極管D5對蓄電池充電。PWM斬波方式不同運行狀態(tài)下，電動自行車采用不同的PW

17、M控制方式電機正常運行，任何時刻下橋臂有一個MOSFET常通，上橋臂有一個MOSFET實行PWM斬波。上下橋臂各有一個MOSFET實行PWM斬波。此種方式多運行在較低的PWM占空比。ABS剎車時，任何時刻下橋臂兩MOSFET實行PWM斬波，其余MOSFET關閉電流控制最大峰值電流 允許輸出的最大瞬間電流(本設計中約為30A)，輸出超過該電流時，PWM將由硬件自動關閉(PSoC內部硬件配置)最大工作電流 電機堵轉或者重負載時電機能夠輸出的最大平均電流(本設計中設置為約16A)。最大工作電流由軟件控制。工作電流 正常工作時候的平均電流工作電流的通過PWM占空比來調整的，并通過采樣電阻取樣獲得實際工

18、作電流值轉把輸入設定值可計算出參考工作電流，注意需要將轉把輸入的電壓信號標準化，因為轉把的電壓最大和最小值不是對應于5V和0V影響參考工作電流的因素還包括電機轉速，電池的電壓，剎車的狀態(tài)在每次電流采樣結束后，比較參考工作電流和當前實際電流的偏差來調整PWM占空比堵轉處理正常工作時候電流較小發(fā)生堵轉或重負載時，電機在一段時間內換相次數(shù)很少，很快進入電流調整階段，使得電流急劇上升并達到最大工作電流(16A)在最大工作電流下保持約10秒(防止上坡電機停止并后溜)，然后電流減小到約10A，并保持2秒關閉驅動輸出PSoC Designer工程文件程序主流程PWM中斷服務程序主要函數(shù)介紹void syst

19、em_init(void);/ 系統(tǒng)初始化void get_work_parameters(SYSSTAT *st); / 系統(tǒng)工作參數(shù)設置unsigned char sample_adc(); / ADC 采樣程序void init_bus_current(); / 初始化電流的各種參考值unsigned char check_mosfet(); /MOSFET漏電流檢測void inactive_ctrl(); / 關閉PWM輸出void motor_ctrlout(); / PWM輸出到管腳的設置unsigned char get_ctrlout_setni(); / 根據(jù)當前有效的HALL輸入狀態(tài)更新輸出控制序列void check_cruise_entry(); / 巡航檢測和設定void adjust_motor_run_maxcurrent(); / 參考工作電流的調整void battery_voltage_detect(); /電池電壓檢測及相應參數(shù)調整void process_speed_command(); / 根據(jù)轉把輸入及當前工作狀態(tài)更新速度命令unsigned char system_status_indicator(); / 系統(tǒng)運行