一種電動自行車控制系統的硬件設計

劉 強

(深圳市大族鋰電智能裝備有限公司,廣東 深圳 518103)

0 引言

眾所周知,化石能源是當今一次能源消費的主體,占一次能源消費的近90%,而化石能源是非可再生資源,儲量是有限的,隨著人類的開采使用,它們在地球上的儲量將會越來越少。無論是從可持續發展的角度、時代發展的趨勢還是從人類自身健康的角度來講,發展清潔能源和清潔的交通方式都是未來的發展趨勢。

1 控制系統的設計與原理分析

本文的控制系統主要由三相全橋逆變電路、無刷直流電動機、霍爾位置傳感器、控制器和驅動電路5大部分構成。其中,無刷直流電動機也是采用三相兩極結構,它的A相定子繞組與VT1、VT2相連,B相定子繞組與VT3、VT4相連,C相定子繞組與VT5、VT6相連;轉子是永久磁鋼制成的,是兩極的,一個N極、一個S極。

霍爾位置傳感器是固定在電機轉軸上的,它用來跟蹤檢測轉子磁極的位置,然后將轉子磁極的位置信號傳送給控制器。控制器將位置傳感器傳送過來的轉子位置信號轉變成電信號,作用在驅動電路上,使三相全橋逆變電路的晶閘管按一定順序導通或關斷,從而使無刷直流電動機的三相定子繞組按一定順序通電。每次只有2個晶閘管是導通的,其余4個關斷。通電的定子繞組不同,它產生的磁場也不同,轉子磁極為了保持平衡,所處的位置也不同。由于定子繞組是按照一定順序通電的,在通電繞組產生的磁場作用下,轉子由于受到一定順序變化的磁場力作用,也會為了保持平衡而處于不斷旋轉的狀態,這樣便實現了電機的旋轉[1],如圖1所示。

1.1 霍爾位置傳感器的介紹

當電機轉子處于某一位置時,霍爾位置傳感器將轉子的位置信號傳送給控制器,控制器作用于驅動電路,使下一狀態的電子功率開關管進行導通,從而使另一組兩相定子繞組通電,產生的磁場與定子磁鋼相互作用,驅動轉子旋轉[2]。

它包括轉子和定子,轉子由無刷直流電動機轉子充當,定子則按一定規律安裝在無刷直流電動機定子繞組附近。因為所用的電機是無刷直流電動機,因此它輸出的是方波信號,便于被檢測。它不僅能夠檢測無刷直流電動機轉子的位置,而且還能成為測速的檢測裝置,其工作原理如圖2所示。

圖2 霍爾位置傳感器工作原理

1.2 PWM脈沖寬度調制調速

調速是電動自行車最為關鍵的核心技術,電動自行車整體性能的優劣與否都體現在調速功能上,整個控制系統設計的難點就在于調速的實現。對于電動自行車而言,早期的電樞電壓調速是由繼電器實現的,之后由晶閘管控制,現在大多用的是PWM脈沖寬度調制,這期間的發展主要還要歸功于新型開關器件的出現。

PWM脈沖寬度調速是指通過控制電子功率開關管的導通時間,調整輸送到電機定子繞組上的電壓來實現調速,其實質就是在一個周期T(單片機的脈沖時鐘周期)內,通過調節電子功率開關管導通的時間在0～T內變化,從而使輸出到電機定子繞組電壓變化來實現調速[3]。

電源提供給電子功率開關管的電壓為Ui,電子功率開關管在一個周期T內導通時間為Ton(0≤Ton≤T),Uo為電子功率開關管輸送到電機的平均電壓(0≤Uo≤Ui),可以得到Uo=(Ton/T)Ui,如圖3所示。

圖3 PWM脈沖寬度調制原理

在電源提供的電壓Ui和PWM波的周期T不變的情況下,通過調節電子功率開關管的導通時間Ton,就使得經電子功率開關管“斬波”后輸出到電機的電壓Uo在0～Ui的范圍內變化,從而達到了調節電機轉速的目的。

2 控制系統的硬件設計

由控制系統要實現的功能,可以設計出控制系統,如圖4所示[4]。

圖4 控制系統

2.1 電源電路

電源除了直接提供給PWM逆變電路,還經過電壓變換,將+15 V的電壓提供給驅動電路,將+5 V的電壓提供給單片機和其他控制電路。

為了得到功率驅動電路需要的+15 V電壓,采用可調式集成穩壓器LM317T來進行電壓變換,它有3個端口,輸出電壓范圍為(1.2～37 V),輸出電流大于1.5 A,輸出電壓由R13、R12決定。

為了得到單片機和其他控制電路所需要的+5 V電壓,采用固定式集成穩壓器LM7805來將+15 V的電壓變換成+5 V的電壓,它也有3個端口,輸出電流能夠達到1 A[5]。圖5為電源電路。

R11、R14具有分壓作用,不致使LM317T與LM7805電壓過高,減小它們的功耗。C11、C12、C13、C14是濾波電容,作用是濾去電壓中的高頻成分,減少它們對芯片和負載的干擾作用。

2.2 ATmega48單片機

ATmega48單片機是一款具有MEGA系列高檔單片機全部性能,但價格又與低檔單片機相當的超級性價比的單片機。它采用了小引腳封裝,是一款低功耗的CMOS型8位單片機;具有4 K字節的Flash程序儲存器,能夠實現在線編程(ISP)和應用編程(IAP);具有512字節的SRAM和256字節的EEPROM,以及18個內中斷源和2個外中斷源;含有專用6路PWM,1個8位I2C總線接口,以及帶有比較模式的定時器/計數器3個;含有32個通用寄存器,1個看門狗定時器;8通道的10位ADC,一個可編程的UART接口。

它采用ATMEL不易丟失、高密度的內存技術,片內的Flash能夠通過自引導的Boot程序來進行自編程,能通過通用編程器以及SPI接口來進行編程。通過自引導Boot程序,并利用它的硬件接口,就可以將應用程序下載并且寫入片內的Flash應用程序區中;可以利用Boot區中的自引導程序來更新片內Flash應用程序區的數據,從而實現了同時讀寫的功能。它將在系統編程、應用編程的Flash儲存器和增強版的RISC型8位CPU集成在一個芯片中,為很多嵌入式的控制應用提供了一個非常低廉、靈活的解決方案。

(1)+5 V電源加在VCC,經GND接地。(2)PB2、PD5、PD6輸出PWM信號,控制著上橋驅動電路;PB1、PB3、PD3輸出普通高低電平信號,控制著下橋驅動電路。(3)PD7為過流檢測輸入,它是系統的開關輸入量;PC2為電流檢測輸入,為速度電流雙閉環調速提供電流量。(4)PD0、PD1、PD2為霍爾位置檢測輸入,為速度電流雙閉環調速提供速度量。(5)PC1為手把電壓輸入,用于調速。(6)PD4為剎車信號輸入,是系統的開關輸入量。此外,PC6為復位輸入;MOSI、MISO和SCK均為調試口,用于下載程序或在線調試。圖6為單片機ATmega48的引腳分布圖。

圖6 ATmega48單片機引腳分配

2.3 驅動電路

驅動電路采用專門用于無刷直流電動機的三相全橋MOSFET管柵極驅動的IR21367芯片,單片機的六路輸出口分別對應連接IR21367的6個輸入口,IR21367的6個輸出口HO1、HO2、HO3、LO1、LO2、LO3分別接電子功率開關管VT1、VT3、VT5、VT2、VT4、VT6[6],如圖7所示。

2.4 電流檢測過流保護電路

“兩相導通的三相星形六狀態”的無刷直流電動機無論何時,它的電流只能從某相定子繞組流入,從另兩相中的一相流出,因此,只要串聯一個采樣電阻便能夠測得導通相的相電流。通過一個康銅電阻R25(0.01 Ω/1 W)來實現電流的檢測,它接在電機的母線高壓側。通過1 A的運算放大器實現電流的反饋,通過2 A的比較器來實現過電流的檢測[7]。圖8為用電阻法設計的電流檢測過流保護電路。

圖8 電流檢測過流保護電路

2.5 霍爾位置檢測電路

圖9為霍爾位置檢測電路。它在系統中主要有2個作用:檢測定、轉子的相對位置,給控制器提供驅動換相信號;檢測脈沖信號的個數,經過控制器軟件計算后變換成速度信號,形成速度的閉環調節[8]。

它有3個位置傳感器,上拉電阻R31、R32、R33將+5 V的電壓整定成0 V、5 V的信號電平,以便與單片機的I/O接口電平一致。電容C31、C32、C33的作用是濾除輸出信號的雜波,IN4148型二極管D31、D32、D33的作用是避免單片機的控制電路對位置檢測器造成干擾。

2.6 手把電壓電路

圖10為手把霍爾傳感器輸入0～4 V的模擬信號,通過這個電路送到單片機的AD端口,由這個智能芯片轉換成數字信號,成為速度的給定信號。R42是一個下拉電阻,手把松開時保證單片機AD端口電壓為0 V。C41與R41的作用是濾除手把電壓中的調頻雜波[9]。

2.7 剎車電路

圖11為剎車輸入信號采用高電平信號。剎車時,通過取反電路R51、R52和Q51,將高電平變成低電平,單片機的軟件檢測到剎車檢測口的低電平信號時剎車[10]。

圖11 剎車輸入電路

2.8 電量顯示電路

圖12為電量顯示電路。蓄電池電壓充滿電后的使用過程中,電量會不斷地下降,對應電壓會不斷地下降,這個過程中,發光二極管對應是(4個全點亮)→(D63、D62、D61亮)→(D62、D61亮)→(D61亮)→(4個全熄滅);充電過程中,這4個發光二極管點亮過程正好相反。

圖12 電量顯示電路

3 結語

本文控制系統的硬件設計主要實現以下功能:改變電機轉速(調速)的功能、輔助剎車的功能、蓄電池(電源)電量顯示的功能、系統電路過電流保護的功能。

3.1 改變電機轉速(調速)的功能

通過旋轉車把右邊的旋鈕來調節電動自行車的騎行速度。車把右邊的旋鈕輸出電壓范圍是0～4 V,控制器通過旋鈕給定的電壓來調節PWM波的占空比,進而來調節電機的轉速。

3.2 輔助剎車的功能

當閘把作用時,產生一個開關信號給予控制器,促使PWM禁止輸出,并通過剎車片的機械摩擦作用使車輪停止轉動,從而使電動自行車停車。

3.3 蓄電池(電源)電量顯示的功能

本設計用的蓄電池規格是48V12AH的鉛酸蓄電池,采用4個發光二極管來大概地顯示電量。原理是:4個發光二極管連接不同阻值的電阻,在使用過程中,電池電量不斷地下降,導致電壓不斷降低,使接入電阻阻值最大的發光二極管分得的電壓不夠使它保持點亮而熄滅,電壓進一步下降,從而使得接入電阻阻值從大到小的發光二極管依次熄滅,4格電量顯示便一格一格地減少了。

3.4 系統電路過電流保護的功能

由于負載增大或上坡時需要更大的功率,所以線路電流會增大。如果電流過大,容易使線路中的元器件燒毀,所以需要對元器件進行保護,當檢測到的電流大于20 A時,控制器關閉PWM輸出,車把右邊的旋鈕失效。