基于STC12C5410AD的电动车无刷电机控制器检测

至盟董；基王§　５４１０ＡＤ的电动车无刷电机控制器检测　基于ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ的电动车无刷电机控制器检测　李博，邓晓燕　（石家庄铁道学院电气与电子工程分院，河ｊＢ石家庄０５００４３）　

摘　要：伴随着城市化进程，人们生活的交通距离不断扩大，代替燃油汽车和自行车的电动车已经走进了千家万户，本　设计以ＳＴＣ１２Ｃ５４１ＯＡＤ单片机为核心，对电动车无刷电机控制器进行检测。阐述了系统硬件设计原理并对软件框图进行设　计，实验表明，该系统基本可以实现电动车无刷电机控制器的各种检测功能，包括剁把转把的检测、相角相序的检测。　关键词：ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ；电动车；无刷控制器；检测　中图分类号：ＴＰ２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—３７３Ｘ（２０１０）０７—０２０８—０３　

Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｂｉｃｙｃｌｅｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＣｌ２Ｃ５４ｌ０ＡＤ　Ｉ　Ｉ　Ｂｏ．ＤＥＮＧ　Ｘｉａｏ—ｙａｎ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ　０５００４３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｕｒｂａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｅｏｐｌｅ　ｓ　ｌｉｆｅ　ｉｓ　ｅｘｐａｎｄｉｎｇ．Ｉｎｓｔｅａｄ　ｏｆ　ｆｕｅｌ　ｖｅｈｉ—　ｃｌｅｓ　ａｎｄ　ｂｉｃｙｃｌｅｓ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｉｃｙｃｌｅｓ　ｈａｖｅ　ｅｎｔｅｒｅｄ　ｉｎｔｏ　ｈｏｕｓｅｈｏｌｄｓ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｔｅｓｔ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｉｃｙｃｌｅｓ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂａｓｉｃａｌｌｙ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｍｏｔｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｏｆ　ｅｌｅｃ－　ｔｒｉｃ　ｂｉｃｙｃｌｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｂｒａｋｅ　ｓｙｓｔｅｍｓ，ｐｈａｓｅ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｐｈａｓｅ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ；　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｉｃｙｃｌｅ；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　

０　引　言　伴随着城市化进程，人们生活的交通距离不断扩　大，代替燃油汽车和自行车的电动车的普及大幅度的提　高了电力资源的利用效率，促进了国民经济的健康发　展。电动自行车以电力作动力，骑行中不产生污染，无　损于空气质量。从改善人们的出行方式、保护环境和经　济条件许可情况等因素综合来看，电动自行车目前乃至　今后都有着广阔的发展空间。电动自行车所用直流电　机分为有刷电机和无刷电机两种。其中有刷电机控制　较简单，但其易磨损的电刷带来维修保养工作量相对较　大、使用寿命相对较短等缺点。而直流无刷电机本身没　有易磨损部件，电机寿命长，维修保养工作量小。但直　流无刷电机采用电子换向原理工作，其控制过程比有刷　电机复杂得多，因此对控制器质量的要求也高得多。　目前电动自行车采用的直流无刷电机都是三相电　机，电角度有６Ｏ。和１２０。两种。电机极数大部分为　１８极，也有１６极、２Ｏ极等。控制器根据霍尔反馈的电　机电极位置，控制相应的功率驱动管的开通或关断，在　定子中产生旋转磁场，驱动电机的转子转动Ｌ１．３ｌ。　

收稿日期：２００９—１０一ｌ５　２０８　

为了判断无刷控制器是否能够正常运行，也就是检　测转把和刹车功能是否正常，判断控制器的角度是６Ｏ。　还是１２０。，并且确定绕组Ａ，Ｂ，Ｃ相与位置信号ａ，ｂ，Ｃ　之间的对应关系，正确地将控制器与电机进行连接，现　在很多的检测仪器都采用模拟电路，使得结果不是很精　确，而且需要的电路也很复杂，成本很大。设计采用　ＳＴＣ１２Ｃ５４１ＯＡＤ单片机作为控制芯片，大大简化了硬　件电路，以软件编程来实现。　

１　电动车无刷电机控制器简介　控制器由周边器件和主芯片（或单片机）组成。周　边器件是一些功能器件，如执行、采样等，它们是电阻、　传感器、桥式开关电路，以及辅助单片机或专用集成电　路完成控制过程的器件；单片机也称微控制器，是在　块集成片上把存贮器、有变换信号语言的译码器、锯齿　波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管　导通或截止、通过方波控制功率管的的导通时间以控制　电机转速的驱动电路、输入输出端口等集成在一起，而构　成的计算机片。这就是电动自行车的智能控制器。　控制器的设计品质、特性、所采用的微处理器的功　能、功率开关器件电路及周边器件布局等，直接关系到　整车的性能和运行状态，也影响控制器本身性能和效　２０１０年第７期总第３１８　率。不同品质的控制器，用在同一辆车上，配用同一组　相同充放电状态的电池，有时也会在续驶能力上显示出　较大差别。　目前，电动自行车所采用的控制器电路原理基本相　同或接近。有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的　ＰＷＭ控制方法调速，只是选用驱动电路、集成电路、开　关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别。元器件　和电路上的差异，构成了控制器性能上的不同Ｌ４］。　

２系统硬件电路设计　为了判断无刷控制器是否正常，测量控制器各个部　分的输出信号是否符合标准，并且能够接收电机、转把、　刹车的信号，判断这个控制器是否能实现其需要实现的　功能，系统要检测控制器的转把和刹把是否有稳定的５　Ｖ　电压输出，判断控制器的角度，以及判断霍尔控制线相序　及与其对应的电机电源相序是否一致。只有位置传感器　信号和绕组Ａ，Ｂ，Ｃ正确连接才能使电机正常运行。图ｌ　为电路整体设计原理图，系统采用ＳＴＣ１２Ｃ５４１ＯＡＤ单片　机作为主要控制芯片。ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ系列单片机是宏　晶科技生产的单时钟／机器周期（ＩＴ）的单片机，是高速、　低功耗、超强抗干扰的新一代８０５１单片机，指令代码完　全兼容传统８０５１，但速度快８～１２倍，内部集成ＭＡＸ８１０　专用复位电路，４路ＰＷＭ，８路高速ｌ０位Ａ／Ｄ转换，专　门针对强干扰场合电机控制Ｌ５］。　

Ｐ２２　ＶｆＣ　Ｐ２３　Ｐ　Ｉ　ＲＳＴ　Ｐ２Ｏ　（Ａ２，ＰＷＭ２　

Ｒ　／Ｐ３０　ＴＸＤ／Ｐ３ｌ　

ＸＴＡＬ：　Ｐｌ７／ＳＣＬＫ／ＡＤＣ７　Ｐ１６／ＭＯＳＯ／ＡＤＣ６　

ＸＴＡＬｌ　ｌ５，ＭＯ（’５囊ＰＡＯｒＴ＿一１１Ｐ２ｌＮｌ，ｐ３Ｐ１４ｉＳ４￡　Ｊ１　Ｉ　、人．Ｉ　Ｊｌ：ＥＣＩｆｒｏｆ　５３３．Ｉ厂Ｉ／ＴＩ／Ｐ３５　Ｐ１２２『＿　Ａｆ丫Ｌ　ＷＭ３ＰＣＡ３伊２４　Ｉ，ＩＰ２５　ｐｌ／ＡＤＣＯ！ＱＰ３７　ＣＡ０　ＷＭ０　ｌ　Ｉ　

ＧＮＤ　Ｐ２７　Ｐ２６　

图１　电路整体设计　２．１桥式整流电路　因为控制器工作需要的是直流电，所以需要加个整　流电路。系统选用的是单相桥式整流电路。这种电路　只要将四只二极管口连接成“桥”式结构，便具有全波整　流电路的优点。　２．２刹车与转把信号的检测　刹车信号高低电位的变化，是控制器识别电动车是　否处于刹车状态，从而判断控制器是否给电机供电的依　据。只要将刹车和转把信号的输出端接到　ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ单片机的Ａ／Ｄ转换端Ｐ１６和Ｐ１７，便能　

检测输出是否正常［６　］。　２．３控制器角度与相序的判断　如图２所示，首先判断绕组电压Ａ的输出，将两个　光藕合器连到控制器的末级，与Ａ的上下管并联起来，　当Ａ的上管导通时，Ａ输出高电压，使下面的光耦导　通，从而输出一个电压值，通过ＳＴＣ１２Ｃ５４１ＯＡＤ单片机　的Ａ／Ｄ转换端Ｐ１１口送到单片机中；当Ａ的下管导通　时，Ａ输出低电压，使上面的光耦导通，从而输出一个　电压值，通过ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ单片机的Ａ／Ｄ转换端　ＰＩＯ口送到单片机中。Ｂ和Ｃ用上面同样的接法＿ｇ　。　２０９　

．叫，　奎度笠　垦于ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ的电动车无刷电机控制器检　＿－　在输出时没有直接输出，ｉＩ叵是通过光耦隔离后才输出，　３　系统软件设计　

原因如下：光耦合器的信号单向传输，输入端与输出端　完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干　３·１　总体设计流程图　

扰能力强、工作稳定、无触点、使用寿命长、传输效率高。　总体设计流程图如图３所示。　

图２相序检测　测量控制器输入端阻抗，当其大手１Ｏ　Ｑ时为正常，　否则电源输入端短路。转把、刹把、霍尔电源端的检测　要保证输出电压大于４．５　Ｖ。控制器角度和相序的判　断根据无刷真值表进行判断和检测，以下仅以控制器角　度判断为例进行说明。　３．２控制器角度判断程序设计　由表１可以看出当ａ，ｂ，ｃ都取“０”，控制器角度为　１２０。的时候，Ａ，Ｂ，ｃ上下管都不导通；而控制器为６０。　时Ａ的上管和Ｂ的下管导通，这样便能根据ａ，ｂ，ｃ都　取“０”时，Ａ，Ｂ，Ｃ的输出信号来判断控制器的角度。流　程图如图４所示。　

表１输入、输出真值表　

（　始　）　———］　控制器伯髓州定程序　控制嚣ｌｕ源输入端检测　控制器丰Ｈ序削定　宁　

转把电源端检测　控制器嘲速功能捡测　刹把Ｉ　源端捡洲　控制器刹车断ＩＵ功能检测　蓓尔ｆ乜源端检测　Ｉ１．．．．．．．．．．．一　（　结束　）　

图３总体设计流程图　

４结　语　图４　角度判断流程图　系统设计采用ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ单片机作为控制芯　片，电路简单，测量精确，很好地满足了电动车无刷电机　控制器检测的各项需求，能够检测控制器接转把和刹把　端是否正常，能够判断控制器的角度，霍尔控制相序以　

及与其对应的电机电源相序是否一致。希望该设计在　将来的应用中得到更好的改进和完善。　

参考文献　［１］周志敏，纪爱华．电动自行车使用与维修技术问答［Ｍ］．北　京：人民邮电出版社，２００６．　［２］谢炎民，刘孝伟，葛淇陪．电动自行车维修速成Ｉ－Ｍ］．福州：　福建科学技术出版社，２００６．　［３］许晓桢．电动自行车使用与维修——从入门到精通Ｉ－Ｍ］．郑　州：河南科学技术出版社，２００７．　［４］张琛．直流无刷电动机原理及应用［Ｍ］．北京：机械工业出　版社，１９９６．　［５］宏晶科技．ＳＴＣ１２Ｃ５４１０ＡＤ系列单片机器件手册１，ＥＢ／ＯＬ］．　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｃｕ－ｍｅｍｏｒｙ．ｃｏｍ，２００７．　［６］潘新民，王燕芳．微型计算机控制技术［Ｍ］．北京：高等教育　出版社，２００１．　［７］张友德．单片微型机原理、应用与实验［－Ｍ－Ｉ．上海：复旦大学　出版杜，１９９５．　［８］纪宗南．单片机外围器件实用手册输人通道器件分册［Ｍ］．　北京：北京航空航天大学出版社，２００２．　［９］童诗白，华成英．模拟电子技术基础Ｉ－ＭＪ．３版．北京：高等教