一種基于ＰＳＯＣ的電動自行車控制器的設(shè)計（上）

摘要：結(jié)合電動自行車的發(fā)展趨勢以及其控制策略，本文介紹了Cypress可編程片上系統(tǒng)在電動自行車控制器中的硬件和軟件實現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：PSoC；CY8C24x33；電動自行車；直流無刷電機(jī)

硬件結(jié)構(gòu)

Cypress的可編程片上系統(tǒng)(PSoC)由于其獨特的SoC架構(gòu)而給客戶提供十分靈活的設(shè)計方便性。PSoC的特點是將8位微處理器核和通用的數(shù)字邏輯模塊以及模擬模塊資源集成在同一器件上，同時為了連接這些不同模塊，內(nèi)部有豐富的連線資源。這些內(nèi)部連線資源可以用于內(nèi)部模塊的互聯(lián)，也同樣被應(yīng)用到內(nèi)部模塊到外部I/O的連接。輸出總線上的邏輯查找表(LUT)可實現(xiàn)和外部的控制信號之間的無縫連接。通用模擬模塊和數(shù)字模塊可以根據(jù)客戶的實際需要獨立或者組合配置成相應(yīng)的應(yīng)用模塊，例如定時器，Delta-Sigma ADC，濾波器等。

為了降低控制器的成本，很多設(shè)計中采用一些低端的微處理器，這些微處理器一般只有一路的PWM輸出，為了控制BLDC電機(jī)運行，需要微處理器外圍上擴(kuò)展一些數(shù)字邏輯器件以擴(kuò)充PWM輸出通道。同時為了檢測電壓、電流等其他模擬信號，還需要增加一些外圍的信號調(diào)理電路。這些都增加控制器上的元器件數(shù)目，并使PCB布線更加復(fù)雜。如果需要實現(xiàn)一些高級的電機(jī)控制，例如，ABS輔助剎車時PWM載波方式的靈活控制、同步續(xù)流等，還需要增加額外的數(shù)字電路。這樣的設(shè)計總體成本實際上比采用高性能的微處理器的設(shè)計更高，并且增加了系統(tǒng)故障可能性。

因為在電動自行車設(shè)計中具有許多鮮明的特點，CY8C24423目前已被市場廣泛接受。為了更好的滿足客戶的需求，Cypress在CY8C24423的基礎(chǔ)上推出了CY8C24x33系列產(chǎn)品以更好的服務(wù)于電動自行車設(shè)計。同時，Cypress也推出基于CY8C24x33的電動自行車評估方案以縮短客戶的開發(fā)時間。

圖1是基于CY8C24x33的電動自行車應(yīng)用框圖。圖中紅色框內(nèi)代表Cypess新型混合信號控制器(PSoC)，以外的區(qū)域是控制板上其他電路模塊。從圖中可以看出，PSoC內(nèi)部集成了實現(xiàn)電動自行車控制器所需要的數(shù)字及模擬資源如：脈寬調(diào)制器(PWM)、增益可編程運放(PGA)、比較器(CMP)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)以及框圖內(nèi)沒有具體標(biāo)示的數(shù)字邏輯電路和布線資源。其中A/D部分，相較于之前的CY8C24423，CY8C24x33內(nèi)部除了可以用數(shù)字和模擬模塊組合出delta-sigma ADC外，用戶還可以選用其內(nèi)部集成的8位SARADC，其最高速度可以達(dá)到300Ksps，完全可滿足電動自行車中對電流高速采樣的要求。另外，CY8C24x33內(nèi)部集成的FLASH空間也擴(kuò)展到了8K字節(jié)，以滿足電動自行車設(shè)計越來越復(fù)雜的設(shè)計。

在120°的六拍無刷直流電機(jī)的控制中，任何時刻只有一個上管和一個下管處于工作狀態(tài)。為了對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，需要在開關(guān)管上施加PWM斬波信號以控制電機(jī)線圈電流。根據(jù)不同的工作需要，PWM信號可施加在開關(guān)管的上橋臂或者下橋臂。具體到電動自行車的應(yīng)用，在低速運行時為控制電流上升過快，通常在上、下橋臂都施加PWM信號，在正常運行時，為減小開關(guān)損耗，通常只在上橋臂施加PWM信號；而在實現(xiàn)ABS剎車時，PWM信號任何時刻只施加在下橋臂的三個開關(guān)管中的兩個上。所有的這些PWM信號可以共享一個PWM發(fā)生器。圖2顯示了電動車控制器的PWM驅(qū)動信號的產(chǎn)生和分配，控制器的上橋臂高電平輸出有效，而下橋臂則低電平輸出有效。所有的六個輸出的PWM信號都由同一個數(shù)字模塊產(chǎn)生，如果對應(yīng)的引腳需要施加PWM信號，可將引腳的輸出由PWM模塊的輸出驅(qū)動，而如果該引腳只需要開關(guān)控制，則直接通過GPIO由程序直接控制。

圖2中還顯示了該方案的過流檢測和保護(hù)的實現(xiàn)。在電機(jī)設(shè)計中，過流保護(hù)非常重要。過大的電流將在很短的時間內(nèi)損壞開關(guān)管，只有采用硬件保護(hù)方式才能有快速的反應(yīng)時間，并及時關(guān)閉開關(guān)器件。該保護(hù)電路包括過流檢測和PWM輸出封鎖電路，全部由PSoC的片上資源配置而實現(xiàn)的。從圖中可看出，電流取樣電阻上的電壓輸入到比較器的同相端，而比較器的反相端接到電流的參考值。比較器的輸出經(jīng)過反相器和緩沖器輸入到輸出總線的LUT上的與門，以控制上橋臂的PWM輸出。正常工作時候(小電流時)，電流取樣電阻上的電壓比比較器反相端的參考電壓低，因此比較器輸出為低電平，經(jīng)過反相器后為高電平，使得LUT中的與門開啟，PWM可輸出到引腳上。而當(dāng)過流時，LUT的與門一端輸入為低電平，從而關(guān)閉了PWM的輸出。同時，比較器將產(chǎn)生硬件中斷以通知程序進(jìn)行相應(yīng)處理。PSoC的比較器反相端電壓參考值可根據(jù)具體需要進(jìn)行設(shè)置，從而可以在程序中非常方便的調(diào)整峰值保護(hù)電流的閥值。

圖3是該設(shè)計在PSoC Designer開發(fā)環(huán)境下的內(nèi)部資源配置圖。除了前面所描述的PWM輸出，過流檢測和保護(hù)電路外，還包括一個PGA用于放大輸入的電流采樣信號以及SAR8 ADC。

以上所述可以看出，基于PSoC的電動自行車控制器的硬件設(shè)計非常簡潔。其內(nèi)部所有的數(shù)字和模擬資源都可以動態(tài)配置，I/O內(nèi)部連線也可以隨時改動，既提高了系統(tǒng)的集成度，也增加了系統(tǒng)保密性，并且具有高度的靈活性。原先很多PCB布局布線工作，現(xiàn)在可以放在軟件集成環(huán)境中，有芯片內(nèi)部連線完成，可以大大縮短設(shè)計周期。

軟件設(shè)計

目前電動車市場的系統(tǒng)方案日趨成熟，各個方案相似程度較高。如果就功能來說，大多是一些基本功能的組合。這些基本功能主要包括：無級調(diào)速；低壓檢測；系統(tǒng)顯示／人機(jī)界面；電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)／過流保護(hù)；電機(jī)缺相位檢測；自動巡航；電子剎車／滑行充電；防盜報警；1:1助力。

以上這些基本功能，可以被分成兩大類，一類是行駛功能，第二類是保護(hù)功能。行駛功能中的重點就是BLDC電機(jī)的控制。保護(hù)功能中的重點包括對人的保護(hù)如剎車，以及針對車的保護(hù)如過流保護(hù)，堵轉(zhuǎn)保護(hù)等。因為剎車技術(shù)內(nèi)部涵蓋了諸如電流的調(diào)理，信號的檢測以及功率系統(tǒng)的PWM驅(qū)動等內(nèi)容，這里著重對電動自行車的剎車進(jìn)行深入的介紹。

BLDC電機(jī)控制

帶傳感器的BLDC的電機(jī)控制原理較簡單，配合霍爾傳感器的信號，產(chǎn)生合適的控制輸出序列，可以驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。在電機(jī)旋轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，如果我們在六拍控制信號中引入PWM，即可以實現(xiàn)調(diào)速功能。電動自行車的BLDC電機(jī)控制與通常的帶傳感器的BLDC電機(jī)控制沒有太大的區(qū)別，只是在電動自行車常工作在顛簸振動的狀態(tài)，接插件容易松動造成HALL信號輸入的失效，程序設(shè)計時需要充分考慮異常情況的處理。圖4是電動自行車基本的控制框圖。可以看出，電動自行車的BLDC是一個速度開環(huán)控制系統(tǒng)：PWM控制器的占空比是由多個輸入因素決定的，這些因素主要包括轉(zhuǎn)把輸入電壓，直流總線電流大小，電池電壓，剎車信號以及一些保護(hù)信號。電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載是直接相關(guān)的，當(dāng)負(fù)載加大時，用戶必須通過加大轉(zhuǎn)把輸入電壓來提高PWM輸出的占空比，從而增加電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以維持相應(yīng)的速度。

電子輔助剎車

目前市場上常見的電動車，剎車是以機(jī)械為主，輔以電子制動。電子輔助剎車可有效縮短剎車的距離，并且在機(jī)械剎車失效的時候仍然可保證有效的剎車，從而提高車輛的安全性。另外，電子輔助剎車可延長機(jī)械剎車器的使用壽命。

根據(jù)BLDC電機(jī)的工作原理可以知道，通過改變線圈電流方向就可實現(xiàn)BLDC電機(jī)轉(zhuǎn)矩方向發(fā)生改變。因此，如果在電機(jī)線圈上施加與正常旋轉(zhuǎn)時候的電流方向相反的電流就可產(chǎn)生電子剎車所需要的轉(zhuǎn)矩。目前電子剎車方法主要有五種，在實際軟件設(shè)計中，需要根據(jù)實際情況結(jié)合使用。表1是五種常見的電子輔助剎車控制方法及其特點。