基于CY8C24533的电动自行车设计

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1、议程,BLDC电机基础 基于PSoC的BLDC电机控制 电动自行车硬件设计 电动自行车控制策略与软件设计 控制器介绍,电机分类,电机,交流电机,(,AC motors,),直流电机,(,DC motors,),异步电机,同步电机,单相交流电机,步进电机,有刷直流电机,通用电机,(,AC or DC,),有传感器 BLDC,无传感器,BLDC,多相/三相 交流电机,无刷直流电机(BLDC),开关磁 阻电机,永磁电机,BLDC优势,与有刷直流电机相比，BLDC具有如下一些优势： 效率高 可靠性高 (无电刷磨损) 功率/体积之比更高 散热性好 更快的转速 加速速率更高，低迟滞 低EMI 换相时无电弧

2、火花现象,电机控制框图,电机的控制,位置/速度控制 采用闭环控制法，确保电机转速符合要求 两种电机速度/位置检测方法：有传感器和无传感器 电流控制 过流保护 最大电流保护 启动电流控制 转矩控制 转矩波动越小，电机运转就越平稳。 转矩控制方法：磁通，转差率和电流等控制方法,无刷直流电机相线圈通电控制,R,B,r,r,g,g,b,b,G,com,com,R,G,B,霍尔输出,100,110,010,011,101,001,100,110,010,011,101,001,霍尔传感器 - 120/60,驱动顺序控制,VDC-,1 Electrical Cycle,速度控制：PWM,3,4,5,0,1

3、,2,PWM1H,PWM1L,PWM2H,PWM2L,PWM3H,PWM3L,Sector,110,010,011,001,101,100,Halls output,000,111,BLDC电机的典型应用,有位置传感器的无刷直流电机应用： 无位置传感器的无刷直流电机应用： 风扇 油泵 无霍尔传感器的电动自行车,跑步机,轮椅,高尔夫车,电动工具,工业应用,电动自行车,议程,BLDC电机基础 基于PSoC的BLDC电机控制 电动自行车硬件设计 电动自行车控制策略与软件设计 控制器介绍,PSoC = Programmable System on Chip : PSoC 器件特征: 可编程模拟模块 A

4、DCs,DACs,过滤器， 比较器，CapSense , 可编程数字模块 时钟，计数器，PWMs, UART,SPI,IrDA, 通讯接口：I2C, SPI, UART, IrDA M8C MCU Flash：4KB - 32KB SRAM：256B 2KB,PSoC (可编程片上系统),PSoC 结构图,PSoC用户模块,预先配置和定义的数字和模拟的功能块 相当于片上外设 ADCs, DACs, PGAs, Filters Timers, Counters, PWMs UART, SPI, I2C 在PSoC Designer中双击即可选择用户模块， 它定义了初始化配置所需要的寄存器 用户模

5、块还包括 应用编程接口 (APIs) 中断处理程序 (ISRs) 该用户模块的数据手册,模拟用户模块可实现功能,A/D 转换 ADCINC DELSIG 8-bit Successive Approximation 8-bit Delta Sigma 11-bit Delta Sigma 12-bit Incremental 7-13 bit Variable Incremental D/A 转换 6, 8, and 9-bit 6 and 8 bit multiplying 滤波器 2-pole Low-pass filter 2-pole Band-pass filter 放大器 Prog

6、rammable Gain Amplifier Instrumentation Amplifier Inverting Amplifier CapSense Buttons Sliders Trackpads 其他 Programmable Threshold Comparator DTMF Dialer,数字用户模块可实现功能,基本功能 (所有数字模块可提供) 8, 16, 24, 32-bit Timer 8, 16, 24, 32-bit Counter 8, 16-bit PWM 8, 16-bit Dead Band Generator (2 Phase Underlapped Cl

7、ock) Pseudo Random Source (PRS) Cyclic Redundancy Check (CRC) Generator 通讯功能 (仅数字通讯模块可提供) I2C Master I2C Slave SPI Master SPI Slave Full Duplex UART IrDA receiver and transmitter,PSoC 的价值,PSoC的BLDC电机控制框图,硬件过流保护,取样电阻对经过电机的电流进行采样 过流比较器由PSoC的CT模块实现，比较器的参考电压由底层软件设置 PSoC内部有大量的LUT，可以方便地实现一些数字逻辑功能 通过全局输出布线

8、资源实现PWM输出到具体的GPIO口的可编程配置。 当发生过流时，电机上端驱动的PWM控制信号会由于与门的作用而输出禁止,PSoC内的过流保护实现,开环速度控制,PWM脉冲输出信号的高电平宽度受外部的可调电位器的调整控制，当外部的可调电位器无调整动作时，PWM脉冲输出信号的高电平宽度不变。 电机的转速会随着电机的负载变化而变化。,单闭环速度控制,大多数电机控制应用都仅采用了单闭环速度控制 参考速度与转子速度之差构成了速度PI（比例积分）环的输入 速度PI环根据参考速度与转子速度之间的误差值对PSoC内的PWM用户模块的高电平宽度寄存器作相应的修改,闭环速度控制,最大电流保护由比较器电路检测实现

9、 电机速度受外部可调电位器控制 PWM的高电平宽度会随着负载变化而相应变化，从而保证速度稳定。,议程,BLDC电机基础 基于PSoC的BLDC电机控制 电动自行车硬件设计 电动自行车控制策略与软件设计 控制器介绍,E-Bike 框图,原理图(1/4) 主控制器,模拟端口检测刹车,HALL类型选择等,防止开关失效,原理图(2/4) 输入/输出,通过分压电阻限制手柄输入的最高电压以达到限速目的,电容虑除高频杂波,原理图(3/4) MOSFET驱动,自举电路,原理图(4/4) 逆变器,取样电阻大约5m ohm,转速表只是反应其中一相输出平均电压,经过8倍信号放大后的ADC转换，1A电流对应大约2位A

10、D结果,议程,BLDC电机基础 基于PSoC的BLDC电机控制 电动自行车硬件设计 电动自行车控制策略与软件设计 控制器介绍,E-Bike 控制系统结构图,E-Bike里的BLDC电机速度控制是开环控制 PWM的高电平宽度由速度手柄决定,霍尔传感器和换相,霍尔信号的变化通过IO口的中断检测 霍尔信号有效状态检查： (有效状态为6种) 120 霍尔传感器 000和 001是无效状态 60霍尔传感器 010和111是无效状态 霍尔传感器信号与换相控制对应关系表 换相顺序 霍尔传感器失效检测 霍尔元件失效或连接器松脱的检测 线圈停止通电，电机由于惯性将断续旋转 统计失效次数，如果真的失效，在仪表盘上

11、显示失效信息,电子刹车(1/3),通过改变线圈电流方向就可实现BLDC电机转矩方向发生改变。因此，通过在电机线圈上施加反向电流就可实现电子刹车转矩。 五种电子刹车方法 双侧斩波 驱动电路中的上/下两端有两个MOS导通由PWM控制 单管单侧斩波 驱动电路中的上端MOS关闭，下端一个MOS管导通由PWM控制，其余两个MOS关闭 双管单侧斩波 驱动电路中的上端MOS关闭，下端一个MOS管导通由PWM控制，其余两个MOS关闭 点刹方式 上端MOS关闭，下端三个MOS间断开通 抱锁 上端MOS关闭，下端三个MOS全通 几种刹车方式比较,电子刹车(2/3),方式1 双侧斩波 的换相表,方式2 单管单侧斩波

12、的换相表,方式3 双管单侧斩波的换相表,电子刹车(3/3),刹车的安全性考虑 电机及控制系统作为整车的一个零部件,在响应命令的同时,应保证蓄电池的安全, 并且尽可能地提高系统效率 为了保证蓄电池的安全, 可以限制制动功率。在忽略制动效率和制动电压抬高的影响, 可根据蓄电池最大充电电流和额定电压来确定最大制动功率 电流的监测 在电机转速较低时, 尽管制动功率不会超出限制, 但过大的制动转矩可能会超出控制器的能力(相电流超出限制)。程序设计时采用滞环控制，当电流超出上限时候应降低PWM占空比，反之可加大PWM占空比以提高充电效率。,再生制动能量回收,在 t0t1期间, V2导通, 相线圈R，G储存

13、能量,再生制动能量回收电路结构,在t1t2期间, V2 关闭, 电机线圈电流不能发生突变，因此相线圈R，G的电流维持同样的方向通过二极管D5对蓄电池充电。,PWM斩波方式,不同运行状态下，电动自行车采用不同的PWM控制方式 电机正常运行，任何时刻 下桥臂有一个MOSFET常通，上桥臂有一个MOSFET实行PWM斩波。 上下桥臂各有一个MOSFET实行PWM斩波。此种方式多运行在较低的PWM占空比。 ABS刹车时，任何时刻 下桥臂两MOSFET实行PWM斩波，其余MOSFET关闭,电流控制,最大峰值电流 允许输出的最大瞬间电流(本设计中约为30A)，输出超过该电流时，PWM将由硬件自动关闭(PS

14、oC内部硬件配置) 最大工作电流 电机堵转或者重负载时电机能够输出的最大平均电流(本设计中设置为约16A)。最大工作电流由软件控制。 工作电流 正常工作时候的平均电流 工作电流的通过PWM占空比来调整的，并通过采样电阻取样获得实际工作电流值 转把输入设定值可计算出参考工作电流，注意需要将转把输入的电压信号标准化，因为转把的电压最大和最小值不是对应于5V和0V 影响参考工作电流的因素还包括电机转速，电池的电压，刹车的状态 在每次电流采样结束后，比较参考工作电流和当前实际电流的偏差来调整PWM占空比,堵转处理,正常工作时候电流较小 发生堵转或重负载时，电机在一段时间内换相次数很少，很快进入电流调整

15、阶段，使得电流急剧上升并达到最大工作电流(16A) 在最大工作电流下保持约10秒(防止上坡电机停止并后溜)，然后电流减小到约10A，并保持2秒 关闭驱动输出,PSoC Designer工程文件,过流 比较器,SAR8 ADC,8x PGA,Digital Buffer,8bit PWM,LUT,程序主流程,PWM中断服务程序,主要函数介绍,MAIN.C void system_init(void); / 系统初始化 void get_work_parameters(SYSSTAT *st); / 系统工作参数设置 unsigned char sample_adc(); / ADC 采样程序 void init_bus_current(); / 初始化电流的各种参考值 unsigned char check_mosfet(); /MOSFET漏电流检测 void inactive_ctrl(); / 关闭PWM输出 void motor_ctrlout(); / PWM输出到管脚的设置 unsigned char get_ctrlout_setni(); / 根据当前有效的HALL输入状态更新输