电动自行车控制器设计.
电动自行车控制器设计
电动自行车控制器设计开题报告一.课题研究的意义20世纪迅速发展的电力电子技术结合传感器技术、微电子技术与计算机技术，使控制器发展成为智能化的机电一体化综合系统，控制器也已成为电动自行车机电系统的中枢。
它以电力为动力解除了人们对石油资源日渐枯，满足人们日益增长的物质需求。
现代电动自行车技术的发展已使控制器远远超越了传统的单一驱动控制功能，成为了电动自行车的能量管理与控制中心，这是保障电动自行车安全行驶、舒适骑行、获得高动力性能与经济、节能的核心与关键。
它对各种工作状态信息进行采样、比较与分析并转换为一系列控制或保护指令，自动监控电机和控制电路使电动自行车得以安全可靠运行。
二、现状及分析1、国内外技术现状、专利等知识产权情况分析和国内现有的工作基础现有电动车大致可以分为以下几个主要部分:蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统、整车管理系统及车体等。
驱动系统为电动车提供所需的动力,负责将电能转换成机械能。
无论何种类型电动车的驱动系统,均具有基本相同的结构,都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分,其中电气驱动子系统是电动车的心脏,主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分,而控制部分即电动车的控制器又是最关键的部分[1，2]。
我国的电动自行车经过80年代到90年代初期的二次起落后，进入现在的第三个发展时期，从研制开发到1997年的小批量投放市场至现在其生产和销售呈逐年大幅增长的势头，据助力车专业委员会不完全统计，1998年为5.4万辆，1999年为14万辆，2000年为29万辆，2001年电动自行车的实际产量已超过58万辆。
每年都以近倍的速率增长，应该说，电动自行车已进入了成长初期。
2、国内外技术发展趋势目前我国的电动自行车大都选用永磁直流电机，它可以分为(1) 直流有刷电机：a 印制绕组盘式电机b无铁芯式线绕电机c电枢式永磁电机(2) 直流无刷电机：a内转子式无刷电机b外转子式无刷电机[3]。
电动车控制器设计
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下臂 V
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表1：MOSFET打开方式
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1：引言
电动自行车因其具有的体积小、重量轻、无尾气排放、低噪音，以及方便、快捷、耐用、低价等特点 业已成为具有广阔市场前景的代步交通工具。在目前面市的电动自行车中，驱动电机主要采用有刷高速电 机、无刷电机和有刷低速电机三种类型，并以前两种类型电机较为常见。与有刷电机相比，无刷电机的控 制相对较复杂，一般采用 MC33035、LB11690、LM621 等专用集成电路控制方案，对于生产厂商来说，此类 方案相对成本较高，专用控制器的资源有限，用产品更新以增加新的卖点几乎不可能，那么在保证产品稳 定和性能的前提下，力争用最低的成本实现其功能将是吸引购买力的另一个亮点。本文采用 NEC 的低引脚 专用微控制器作为主控芯片，内部资源得到了充分利用。设计方案不仅电路简单，价格低廉，而且无需外 接硬件即可轻松实现诸如巡航定速、600/1200 电角度智能选择、霍尔故障检测等一系列功能，这些功能是 大多数专用控制芯片无法实现的。
始随着电磁极转动并维持转动操作。 BLDC 有两个重要的特性：第一个是电机的 EMF（电动势），它与速度成比例，第二个是定子磁通和转
子永久磁铁磁通之间的同步。BLDC 电机用这些基本的动作产生电机的最高转距， 同步这两个单元需要知道转子位置的方法。在这个应用里面我们产用的是带霍尔传感器的无刷直流电
电动自行车无刷直流电机控制器设计最终版
2016届毕业生毕业设计说明书题目: 电动自行车无刷直流电机控制器设计院系名称：电气工程学院专业班级：自动F1205 学生姓名：余现飞学号： 2指导教师：王秀霞教师职称：讲师2016 年5月21 日摘要近年来社会经济快速发展的同时我们生活的环境也在遭受严重破坏。
随着民众的环境保护意识和资源节约意识不断提高，开发应用一种清洁、节能的新型交通工具已成为社会迫切的需要。
电动自行车的出现有效的解决了这一难题，极大满足了人们的需要，已经成为人们日常短距离出行常用的交通工具。
本文围绕无刷直流电机控制技术方面的问题，主要了解对转子位置检测、PWM 脉宽调制和电机控制策略等重要方面的问题，设计一个以PIC16F72单片机为控制核心的的无刷直流控制器，能够实现对电机基本的控制功能。
设计采用PIC16F72单片机作为控制系统的控制单元，采用IR2130驱动芯片为晶体管桥式电路提供驱动信号，实现对电机运行状态的有效控制。
该系统通过利用反电动势过零点法获取的转子位置信号输入到控制芯片，然后对输入的信号进行数据处理而后输入到驱动芯片来改变驱动电路中MOSFET管的导通顺序，进而实现对无刷直流电机的转速和正反转的控制。
通过欠压和过电流保护电路的设计实现对控制芯片和驱动芯片的保护，使系统能够可靠稳定的运行。
关键词：无刷直流电机；控制系统；IR2130；PIC16F72Title Design of Brushless DC Motor Controller for Electric BicycleAbstractIn recent years, the rapid development of social economy at the same time our living environment has also suffered serious damage. With the people's awareness of environmental protection and resource conservation, the development and application of a new type of clean and energy saving vehicle has become an urgent need of the society. The emergence of electric bicycles effectively solve this problem, greatly meet the needs of people, has become a common means of transportation for people's daily short distance travel.This paper focuses on the technical aspects of the brushless DC motor control, mainly to understand the important aspects of the rotor position detection, pulse width modulation (PWM) and motor control strategy, design a PIC16F72 MCU as the control core of the brushless DC controller to realization of electric machine the basic control function. PIC16F72 microcontroller is used as the control unit of the control system, and the IR2130 driver chip is used to provide the driving signal for the transistor bridge circuit to realize the effective control of the motor running state. The system by using the back EMF zero method to obtain the rotor position signal input to the control chip, and the input signal of data processing which is then input to the driver chip to change the driving circuit of MOSFET conduction sequence and then realize to turn Hayawa Masa inversion of control of Brushless DC motor. Through the design of under voltage and over current protection circuit, the protection of the control chip and the drive chip can be realized, so that the system can run reliably and stably.Keywords:Bushless DC motor；Control system；IR2130；PIC16F72目次1绪论 01.1无刷直流电机的发展概况和趋势 01.2课题研究的目的和意义 01.3设计的要求与内容 02硬件器件的选择 (2)2.1整体硬件结构图 (2)2.2 电机本机的选择 (3)2.3主控芯片的选择 (3)2.4驱动芯片的选择 (4)2.5转子位置检测方法的选择 (5)3硬件电路设计 (6)3.1电源电路模块 (6)3.2驱动电路模块 (6)3.3电流检测模块 (7)3.4转子位置检测电路模块 (8)3.5欠压检测电路模块 (9)3.6速度控制电路模块 (9)3.7刹车电路模块 (10)3.8单片机最小系统 (11)4 软件设计 (12)4.1主程序 (12)4.2定子绕组换相子程序 (13)结论 (14)致谢 (15)参考文献 (16)附录 (17)1绪论1.1无刷直流电机的发展概况和趋势19世纪40年代有刷直流电动机诞生，在相当长的一个阶段内凭借它优秀的线性机械特性、调速范围宽、较大的启动转矩等特点在诞生以来在电动车驱动装置中占据着主导地位，但普通的直流电动机存在换向时电刷和换向器的强迫性接触造成电机运行不稳定，可靠性差，经常需要定期维护和保养，而且电刷和换向器接触时会产生火花和噪音等缺点大大限制了其应用范围。
电动自行车控制器的制动系统设计与性能分析
电动自行车控制器与电池管理系统的集成设计近年来，随着环保意识的增强和对交通工具便捷性的需求，电动自行车作为一种环保、经济又便捷的出行工具越来越受到人们的青睐。
为了提高电动自行车的性能，并且延长电池的使用寿命，电动自行车控制器与电池管理系统的集成设计变得尤为重要。
电动自行车控制器是电动自行车的“大脑”，它主要负责控制电动自行车的电动机的启动、制动、速度调节以及电磁刹车等功能。
电动自行车控制器的设计应该具备以下特点：首先，电动自行车控制器应具备高效能、高响应性和高可靠性。
高效能可以使电动自行车在不同路况下稳定运行加速，提供良好的使用体验；高响应性可以让骑行者在需要紧急停车或转向时得到及时的反馈；高可靠性可以保障电动自行车长时间稳定运行，减少故障率。
其次，电动自行车控制器应具备多种控制策略和参数调节功能。
不同的路况和使用需求可能需要不同的控制策略，如速度控制、节能控制、力控控制等，因此，电动自行车控制器应具备多种控制策略的适配能力。
同时，应该提供参数调节功能，使得用户可以根据个人需求进行调整。
另外，电动自行车控制器还应具备友好的人机交互界面。
一个好的人机交互界面可以提升用户的使用体验，使其方便快捷地调整各种参数和获取运行状态。
除了电动自行车控制器，电池管理系统也是电动自行车中非常重要的一部分。
电池管理系统主要负责对电池的充放电控制和保护工作，以确保电池的使用寿命和安全性。
在电池管理系统的集成设计中，首先要考虑的是充电与放电的控制。
合适的充放电控制策略可以提高电池的充电效率和放电效率，延长电池的寿命。
此外，还需要考虑充电过程中的温度控制，合理的温度管理可以防止过热引起火灾等安全问题。
另外，电池管理系统应具备电池保护功能。
电池的过充、过放、过流等问题都可能导致电池提前衰老或损坏，因此，电池管理系统应该能够及时检测这些异常情况，并采取相应的保护措施，避免电池受损。
同时，一个好的电池管理系统还应具备智能管理功能，能根据不同的使用条件和用户需求，优化充放电策略，提高电池的使用效率。
电动车控制器方案
电动车控制器方案电动车控制器方案1. 引言电动车控制器是电动车的重要组成部分，主要负责对电动车的电力系统进行控制和管理。
电动车控制器的设计方案不仅关乎电动车的性能和驾驶体验，还涉及到电动车的安全性和可靠性。
本文将介绍一种电动车控制器的设计方案，旨在提供一个高效、稳定、可靠的电动车控制器解决方案。
2. 控制器功能需求在设计电动车控制器之前，我们首先需要明确控制器的功能需求。
一般而言，电动车控制器的功能需求包括以下几个方面：- 电动机控制：控制电动机的启动、加速、减速、制动等操作。
- 速度控制：根据驾驶者的控制指令调整电动车的速度。
- 转向控制：通过控制电动车的转向机构实现转向功能。
- 电池管理：监测电动车的电池状态，避免过充、过放等不良情况。
- 故障保护：监测电动车系统的故障状态，及时进行保护措施。
3. 硬件设计方案3.1 控制器芯片选择在设计电动车控制器时，首先需要选择合适的控制器芯片。
常见的控制器芯片有TI的MSP430系列、ST的STM32系列以及NXP的LPC系列。
选择芯片时需要考虑其计算能力、外设接口、功耗等因素。
3.2 电机驱动电路电机驱动电路是电动车控制器中的关键部分，主要负责对电动机进行驱动。
常见的电机驱动电路包括直流电机驱动电路、无刷直流电机驱动电路等。
根据控制器芯片的外设接口选择合适的电机驱动电路。
3.3 传感器接口电路为了实时监测电动车系统的状态，电动车控制器通常需要与多个传感器进行连接。
常见的传感器包括速度传感器、转向传感器、电池状态传感器等。
需要设计合理的传感器接口电路，确保传感器数据的准确性和可靠性。
3.4 通信接口设计电动车控制器往往需要与其他系统进行通信，比如与仪表盘进行通信、与电池管理系统进行通信等。
通信接口设计涉及到通信协议的选择、接口电路的设计等方面。
4. 软件设计方案4.1 控制算法设计电动车控制器的控制算法设计是实现电动车各种功能的核心。
控制算法需要根据控制信号和传感器数据进行精确计算，并实现电动车的准确控制。
电动自行车控制器设计
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:9双DPTR指针. 16位x 8乘法器和16位/8除法器.93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9集成故障检测功能,可瞬时关闭PWM输出.9提供硬件抗干扰措施.9集成高速10bit ADC.9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。
Protel 99 SE实用教程 课程设计三 电动自行车控制器设计
F3.2 系统方框图
电动自行车采用批PIC16F72作为主控MCU。MCU主要任务是进行调速电压 检测，电池电压检测，电流检测，过流中断检测，3路霍尔位置信号检测，1 路霍尔位置信号中断检测，刹车信号检测，1︰1助力检测，温度检测，故障 显示输出，PWM控制电机转速输出，6路电机驱动输出，系统方框图如图F33所示。
控制器无刷电机控制的方法是根据电机的位置反馈信号，控制电机三相驱动上下臂MOS管的导通和截止， 从而实现电子换向。如图F3-2所示，电机为三角形连接，三相驱动上下臂各MOS管导通顺序组合为： V1-V2，V2-V3，V3-V4，V5-V4，V5-V6，V1-V6。
图F3-1 电动自行车控制方框图
图F3-2 驱动电路
F3.4 控制器功能介绍
1︰1助力 1︰1助力，是指在没有旋转调速车把，电动车电池打开时，电动车会根据骑行者的 骑行速度提供1︰1助力。 电子刹车 电子刹车，就是指在刹车时能做到让电机的驱动MOS管上臂（或者下臂）全部导通 而下臂（或者上臂）截止，电机三相接线全部短接，能使电机产生阻力，达到刹车 的效果。 自动巡航 自动巡航，是指把调速车把转到所需的角度，电动自行车达到相应车速后，在5S （时间可变）内调速车把不转动，则电动自行车就保持在这个速度行驶，这时骑行 者可以松开调速车把，免去手一直拧着调速车把之累。自动巡航后只有松开调速车 把，并重新旋转调速车把，才可以再次调节电动自行车的行驶速度。
F3.5 控制器的结构图
控制器的结构如图F3-4所示
利用PIC16F72单片机完成电动自行车控 制器原理图设计及显示仪表的设计。由原 理图实现电路板的设计。控制器原理图和 显示仪表原理图如图F3-5、F3-6所示，电路 板如图F3-7所示。
图F3-4 控制器的结构
电动自行车控制器方案
电动自行车控制器方案概述电动自行车是一种环保、便捷的代步工具，越来越受到人们的关注和喜爱。
控制器是电动自行车的核心部件之一，它负责控制电机的转动以及整个系统的运行。
本文将介绍一种电动自行车控制器的方案，包括其工作原理、功能设计和实现。
工作原理电动自行车控制器通过接收来自传感器和用户的信号，控制电机的速度和转向，从而实现驱动力的调节。
通常情况下，电动自行车的控制器由微处理器、功率芯片、电源管理模块和输入/输出模块等组成。
1.传感器：常用的传感器有速度传感器和扭矩传感器。
速度传感器用于检测车轮转动的速度，以便控制器根据速度信号调节电机的输出功率。
而扭矩传感器则可以测量用户对脚踏板的施加力度，以便控制器根据用户的需求提供相应的驱动力。
2.微处理器：微处理器是控制器的核心，它负责接收传感器信号并进行处理，将处理结果的控制信号发送给功率芯片。
微处理器可以根据用户需求进行编程，实现各种功能的控制策略。
3.功率芯片：功率芯片是控制器中的关键部件，它将微处理器发送的控制信号转换为电机的驱动力。
功率芯片通常由多个MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）组成，通过控制MOSFET的导通和截断来控制电机的输出电流。
4.电源管理模块：电源管理模块负责控制器的电源供电和电池管理，保证电子元器件工作的稳定性和可靠性。
5.输入/输出模块：输入/输出模块用于与用户进行数据交互，常见的输入设备有按钮、触摸屏和蓝牙模块，输出设备可以是显示屏、灯光和蜂鸣器等。
功能设计根据电动自行车控制器的特点和用户需求，下面是一个基本的控制器功能设计：1.速度控制：根据用户的要求，可以实现定速巡航或可调节的速度控制功能。
定速巡航可以使自行车在一定速度范围内保持匀速行驶，提升用户的使用体验。
而可调节的速度控制则可以根据用户的需求随时调节车速。
2.扭矩控制：根据用户对脚踏板的施加力度，控制器可以提供相应的驱动力，满足用户在不同路况下的需求，提高骑行的灵活性和舒适感。
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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1.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:9 双DPTR 指针. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.9 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9 集成故障检测功能, 可瞬时关闭PWM 输出.9 提供硬件抗干扰措施.9 集成高速10bit ADC.9 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.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4.1.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.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. 4.2.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2μS4.3.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. 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.4.4. 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+15V +5V J14 1 J16 1 MOS_POWER J17 1 DIG_POWER J18 1 GND ? ? ? ? ?+48V_A +48V MCU_POWER J13 1 MCU_POWER J12 1 MCU_POWER J11 1MCU_POWER +5V +5V +5V J8 1 GND J15 1 GND J10 1 GND J4 1 J7 1 BK_H BREAK_HIGH ? ? ? ? ? ? BK_L BREAK_LOW +5V J22 1 DRIVER_POWER HAND R66 4.7K J6 1 ALARM J9 1 CRUISE 47uF/63V J5 1 EN_ABS ABS_ENABLE J21 1 CON1 HC PWM[0..5] AH R20 2k2 Q2 R21 2K2 S5551 D2 Q7 +15V D12 +48V_A R1 510/3W C1 1000uF/63V C2 0.1uF U1 LM317 3 Vin ADJ 1 R3 5.1K +5V R58 R59 R60 R61 C29 C30 C31 472 472 472 HA HB HC R47 R48 R49 R65 R50 1K 1K 1K 1K FAULT_IN C5 +5V C10 0.1uF C6 C7 C14 47uF/25V 0.1uF 0.1uF 0.1uF 1K 1K 1K ALARM 3.3K 3.3K 3.3K C18 R37 R55 1.8k PGND +5V 330K R56 C4 0.1uF 10K R38 LM358 U3B 6 7 5 PGND I_SAMPLE R42 1.2K R46 1K 3 + 2 C34 101 U3A 1 LM358 4 FAULT_IN 8 TMS TDI TCK DIR 60/120 +5V EN_ABS R51 CRUISE_SEL R52TDO/INT43 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 IO[0..6] 100K IO[0..6] U2 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 R53 C8 0.1uF R4 5.1K 1K R62 CL BH AL BL AH CH P2.2P2.1 IO[0..6] R54 1K LED +5V 102 10K R43 20K R45 1K +5V J1 1 3 5 7 9 JTAG 2 4 6 8 10 IO[0..6] Q15 +15V TCK TDI TMS TDO/INT43 IO[0..6] R16 510 R35 2k2 R30 2k2 Q5 Q18 C21 102 R41 CL S8550 0.01 PGND 75NF75 D10 R17 510 IO[0..6] 47uF/63V CH R32 2k2 Q6 R33 2K2 S5551 S8550 D6 1N4148 R11 51 R40 10k 2.2K R44 20KBK_L BK_H C32 0.01uF R63 C33 0.01uF 2.2K INPUT[0..8] INPUT[0..8] M5PWM[0..5] S8550 PWM[0..5] Q16 C25 2k2 Q17 R34 75NF75 C22 102 D5 1N4148 R10 51 HAND I_SAMPLE C9 0.1uF R57 330K R25 2k2 D9 S5551 FS1M +48V C28 104 PGND +48V_A BL R24 2k2 Q3 +15V +5V Vout 2 R2 470 C12 47uF/25V C3 0.1uFC13 47uF/25V +15V R5 51 3 U4 78L05 Vin GND 2 Vout 1 IO[0..6] 1N4001 +5VIO[0..6] J24 4 3 2 1 C15 100uF/25V TEST TEST? ? S1 3 2 1 R64 +5V 2K LED R272K2 BH D11 DIR_SEL DIR 47uF/63V R26 2k2 Q4 S5551 D4 Q11 +15V R14 510 R29 Q14 2k2 S8550 C19 102 S8550 75NF75 1N4148 R9 51 R39 10k +5V TDO/INT43 P2.2 P2.1 J23 PWM[0..5] 7 6 5 4 3 2 1 PWM_TEST S8550 Q12 R15 510 C24 2k2 Q13 R28 75NF75 C20 102 AH BH CH AL BL CL AL R18 2k2 Q1 +15V R12 PWM[0..5] 2k2S8550 510 R23 Q10 C16 102 S8550 75NF75 1N4148 R7 51 R36 10k CRUISE_SEL ALARM J19 1 CON1 J20 1 CON1 HB PWM[0..5] R13 510 C23 2k2 Q9 HA Q8 S8550 R22 75NF75 C17 102 D1 1N4148 +15V INPUT[0..8] INPUT[0..8] D7 FS1M +48V M1 R6 51 C26 104 PGND A_Phase1 1 YELLOW S8550 M2 PGND R19 2k2 S5551 D8FS1M +48V M3 D3 1N4148 R8 51 C27 104 PGND B_Phase1 1 GREEN S8550 M4 INT43/AN4/P1.2 P0.2/AN0 INT42/AN5/P1.3 P0.3/AN1 INT41/AN6/P1.4 P0.4/AN2 INT40/AN7/P 1.5 P0.5/AN3 T0/P1.6 P0.6/T1 RST/P1.7 P0.7/INT1/P WM21XTAL1/P3.3 P2.5/P WM1 XTAL0/P3.4 P2.6/INT45/P WM01 VDDP2.7/INT46/PWM11 VSS P2.4/P WM0 T2EX/P3.2 P2.3/P WM2 T2/INT0/P3.1P2.2/MOSI/RXD FLT/SS/P3.0 P2.1/MISO/TXD C P2.0/SCK/BZ PGND SH79F081SOP C_Phase1 1 BLUE S8550 M6 C11 R31 0.1uF 2k2 S5551。