基于赛普拉斯[CYC5]的电动自行车设计

1、赛普拉斯半导体公司赛普拉斯半导体公司基于基于CY8C24x33的的电动自行车设计电动自行车设计2Cypress Confidential议程议程 BLDC电机基础电机基础 基于基于PSoC的的BLDC电机控制电机控制 电动自行车硬件设计电动自行车硬件设计 电动自行车控制策略与软件设计电动自行车控制策略与软件设计 控制器介绍控制器介绍3Cypress Confidential电机分类电机分类电机电机 交流电机交流电机 (AC motors) 直流电机直流电机 (DC motors) 异步电机异步电机同步电机同步电机单相交流电机单相交流电机步进电机步进电机有刷直流电机有刷直流电机 通用电机通用电机

2、(AC or DC ) 有传感器有传感器BLDC无传感器无传感器 BLDC多相多相/三相三相 交流电机交流电机无刷直流电机无刷直流电机(BLDC) 开关磁开关磁 阻电机阻电机永磁电机永磁电机4Cypress ConfidentialBLDC优势优势 与有刷直流电机相比，与有刷直流电机相比，BLDC具有如下一些优势：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 换相时无电弧火花现象5Cypress Confidential电机控制框图电机控制框图6Cypress Confidential电机的控制电机的控制 位置/

3、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7Cypress Confidential无刷直流电机相线圈通电控制无刷直流电机相线圈通电控制RBrrggbbGcomcomRGB霍尔输出 100 110 010 011101001NS1001100100111010018Cypress Confidential霍尔传感器霍尔传感器 - 120/609Cypress Confidential驱动顺序控制驱动顺序控制VDC-10Cy

4、press Confidential1 Electrical Cycle速度控制：速度控制：PWM345012PWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPWM3LSector110010011001101100Halls output00011111Cypress Confidential BLDC电机的典型应用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12Cypress Confidential议程议程 BLDC电机基础电机基础 基于基于PSoC的的BLDC电机控制电机

5、控制 电动自行车硬件设计电动自行车硬件设计 电动自行车控制策略与软件设计电动自行车控制策略与软件设计 控制器介绍控制器介绍13Cypress ConfidentialPSoC = Programmable System on Chip :PSoC 器件特征器件特征: 可编程可编程模拟模块模拟模块 ADCs,DACs,过滤器，过滤器， 比较器，比较器，CapSense , 可编程可编程数字模块数字模块 时钟，计数器，时钟，计数器，PWMs, UART,SPI,IrDA, 通讯接口：通讯接口：I2C, SPI, UART, IrDA M8C MCU Flash：4KB - 32KB SRAM：25

6、6B 2KBPSoC (可编程片上系统可编程片上系统) 14Cypress ConfidentialPSoC 结构图结构图1-24 MHz8-bit MCUUSBIMOProgrammable Digital0.5-3.6VD+/D-2.7-5.25VProgrammable Routing & InterconnectDebugGPIOGPIOGPIOGPIOGPIOGPIOPLL & Clock TreeLP OscWDT,RTC&Wake32 kHzConfigurable AnalogSRAME2Debug(Optional) (Optional) 0.1F10nHPORLVDSlee

7、pPowerIRQGPIOGPIOGPIO&SMP32 kHzXtal OscBBBBCBCBCBCBCBBBBBBBBBCBCTCTCTCTSCSCSCSCSCSCSCSCFLASH15Cypress ConfidentialPSoC用户模块用户模块预先配置和定义的数字和模拟的功能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相当于片上外设 ADCs, DACs, PGAs, Filters Timers, Counters, PWMs UART, SPI, I2C 在在PSoC Designer中双击即可选择用户模块，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它定义了初始

8、化配置所需要的寄存器用户模块还包括用户模块还包括 应用编程接口应用编程接口 (APIs) 中断处理程序中断处理程序 (ISRs) 该用户模块的数据手册该用户模块的数据手册16Cypress Confidential模拟用户模块可实现功能模拟用户模块可实现功能A/D 转换转换 ADCINC DELSIG 8-bit Successive Approximation 8-bit Delta Sigma 11-bit Delta Sigma 12-bit Incremental 7-13 bit Variable IncrementalD/A 转换转换 6, 8, and 9-bit 6 and 8

9、 bit multiplying滤波器滤波器 2-pole Low-pass filter 2-pole Band-pass filter放大器放大器 Programmable Gain Amplifier Instrumentation Amplifier Inverting AmplifierCapSense Buttons Sliders Trackpads 其他其他 Programmable Threshold Comparator DTMF Dialer17Cypress Confidential数字用户模块可实现功能数字用户模块可实现功能基本功能基本功能 ( (所有数字模块可提供所

10、有数字模块可提供) ) 8, 16, 24, 32-bit Timer8, 16, 24, 32-bit Counter8, 16-bit PWM8, 16-bit Dead Band Generator (2 Phase Underlapped Clock) Pseudo Random Source (PRS) Cyclic Redundancy Check (CRC) Generator通讯功能通讯功能 ( (仅数字通讯模块可提供仅数字通讯模块可提供) ) I2C MasterI2C Slave SPI MasterSPI SlaveFull Duplex UARTIrDA receive

11、r and transmitter18Cypress ConfidentialPSoC 的价值的价值价值价值工程师工程师生产部门生产部门管理层管理层可靠，精确的应用可靠，精确的应用高效，可重复使用的平台高效，可重复使用的平台降低研发时间和成本，并使产品快速降低研发时间和成本，并使产品快速进入市场进入市场基于基于R&DR&D成本，回报更高成本，回报更高更低的更低的BOMBOM减少购买和库存器件减少购买和库存器件简化产品生产简化产品生产提高产品质量和可靠性提高产品质量和可靠性在设计中使用更少的器件在设计中使用更少的器件19Cypress ConfidentialPSoC的的BLDC电机控制框图电机

12、控制框图20Cypress Confidential硬件过流保护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21Cypress ConfidentialPSoC内的过流保护实现内的过流保护实现22Cypress Confidential开环速度控制开环速度控制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

13、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。23Cypress Confidential单闭环速度控制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24Cypress Confidential闭环速度控制闭环速度控制最大电流保护由比较器电路检测实现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。25Cypress Confidential议程议程

14、 BLDC电机基础电机基础 基于基于PSoC的的BLDC电机控制电机控制 电动自行车硬件设计电动自行车硬件设计 电动自行车控制策略与软件设计电动自行车控制策略与软件设计 控制器介绍控制器介绍26Cypress ConfidentialE-Bike 框图 27Cypress Confidential原理图(1/4) 主控制器C1R111K 1%R1810KVCCR102.2KR33,R36 Select one to decide phaseR2222K 1%VCCR1610KR82.2KVCCABS SelectI_Sm pABS_SelI_BackPhase_SelR92.2KR1710KC

15、ru_SelVin1GND3+5V2U_P2LM7805CKR151KD3LED-SMALLC850V 47uFR285.6KR29560C925V 220uFR311.5KR301.5KC1016V 470uFVadj1Vout3Vin2U_P1LM317T+15VC6104C51041H9Run_DispVCCPWMH0PWML0PWMH2PWML2PWML1PWMH1P071P052P033P014P275P256P237P218P309P1710P1511P1312P1113GND14P1015P1216P1417P1618XRES19P2020P2221P2422P2623P0024

16、P0225P0426P0627VCC28U1CY8C24423AP1.0P1.1XRESXRESI_SmpBatty _VVCCRun_DispHallAHallBHallCABS_SelPhase_SelBrake_InV_limCru_SelCru_InLow_V_DispCru_DispABS_DispAlarmP1.1P1.0C14104V1V1123456J1CON6VCCV1I_Sm pR2515KR261MC2R2712011H81H1Batty _VP_MCU缺省设置选择电流采样编程接口15V电源5V 电源电池电压检测电池输入运行指示28Cypress Confidential

17、原理图(2/4) 输入/输出R42.2KR235.1KV_limA1K2D1VCCC412JP2R241.2MR1910KR3612KD2Brake_InC7104黄线 刹车绿线 手柄R3547K限速Q1NPN(高电平刹车)棕线 刹车(低电平刹车)VCC12JP5CON2Cru_InAlarm1H111H131H1212JP1CON212JP4CON21H15R2010KD4IN4148VCCD5IN4148R3710KVCC12J4CON2R323.3KR333.3KR343.3KR121KR141KR131KVCC霍尔输入C11103C12103C13103蓝绿黄欠压指示巡航指示ABS指示

18、C3104123JP6VCCHallAHallBHallC123J3CON3Low_V_DispCru_DispABS_Disp12342.2K*3RP1RESPACK2.2*312342.2K*3RP2RESPACK5.1K*312J2CON2巡航输入报警输入29Cypress Confidential原理图(3/4) MOSFET驱动T1PNP Y2 Rd0510Rd2150Rd12.2KRd31.5KVCC+15VPWML0YLW1NPN Y1 W2NPN Y1 T4PNP Y2 Rd132.2KRd122.2KRd14510Dd1IN4007+15VCd047uF/50VRd15150

19、Dd0IN4148T5PNP Y2Rd162.2KYHYG05551PWMH0高端驱动低端驱动高有效低有效30Cypress Confidential原理图(4/4) 逆变器M0M2M4M1M3M5RS2RES1+48VCd9100uF/63VRd2810kRd2910kRd2710KCd4Cd6Cd8Cd3Cd5Cd7YBGYHYLBHBLGHGLCd111000uF 63VCd12102Cd14102R5030KI_Back1H21H31H41H51H6YBG+48V1H71 HEADERR2110G取样电阻电机连接转速表电流取样信号31Cypress Confidential议程议程 B

20、LDC电机基础电机基础 基于基于PSoC的的BLDC电机控制电机控制 电动自行车硬件设计电动自行车硬件设计 电动自行车控制策略与软件设计电动自行车控制策略与软件设计 控制器介绍控制器介绍32Cypress ConfidentialE-Bike 控制系统结构图控制系统结构图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33Cypress Confidential霍尔传感器和换相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

21、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，在仪表盘上显示失效信息34Cypress Confidential电子刹车电子刹车(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

22、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方式特点双侧斩波电流波动较小,转矩脉动小,但电机转速很低时蓄电池是有功率输出单管单侧斩波电流波形波动较大,转矩脉动大,存在相间续流,因而电机定子绕组的铜耗较大双管单侧斩波转矩较大, 噪声小点刹力矩大,适合高速时候快速刹车抱锁力矩大,适合低速时候快速刹车35Cypress Confidential电子刹车电子刹车(2/3) 方式1 双侧斩波 的换相表HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall C Hall B Hall A Sector No.Ph

23、s APhs B Phs C MOSFET - ONPhs APhs BPhs C MOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-NCDC+V2, V30111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+NCV1, V20102NCDC-DC+V3, V4NCDC+DC-V1, V61103DC-NCDC+V2, V3DC+NCDC-V5, V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-NCV4, V51015NCDC+DC-V1, V6NCDC-DC+V3, V4HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall C Hall B Hall A Sector

24、 No.Phs APhs BPhs CMOSFET - ONPhs APhs BPhs C MOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-NCDC+V20111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+NCV20102NCDC-DC+V3, V4NCDC+DC-V61103DC-NCDC+V2, V3DC+NCDC-V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-NCV41015NCDC+DC-V1, V6NCDC-DC+V4方式2 单管单侧斩波的换相表HALL VALUESECTORFORWARDBRAKEHall C Hall B Hall A Sector No.Ph

25、s APhs BPhs CMOSFET - ONPhs APhs BPhs C MOSFET - ON0010DC+NCDC-V5, V6DC-DC-DC+V2,V40111DC+DC-NCV4, V5DC-DC+DC-V2,V60102NCDC-DC+V3, V4DC-DC+DC-V2,V61103DC-NCDC+V2, V3DC+DC-DC-V4,V61004DC-DC+NCV1, V2DC+DC-DC-V4,V61015NCDC+DC-V1, V6DC-DC-DC+V2,V4方式3 双管单侧斩波的换相表36Cypress Confidential电子刹车电子刹车(3/3) 刹车的安全性考

26、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。37Cypress Confidential再生制动能量回收再生制动能量回收在 t0t1期间, V2导通, 相线圈R，G储存能量再生制动能量回收电路

27、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。38Cypress ConfidentialPWM斩波方式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39Cypress Confidential电流控制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

28、为30A)，输出超过该电流时，PWM将由硬件自动关闭(PSoC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40Cypress Confidential堵转处理

29、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41Cypress ConfidentialPSoC Designer工程文件工程文件42Cypress Confidential程序主流程程序主流程43Cypress ConfidentialPWM中断服务程序中断服务程序44Cypress Confidential主要函数介绍主要函数介绍MAIN.Cvoid system_init(void);/

30、 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输入状态更新输出控制序列void check_cruise_entry(); / 巡航检测和设定void adjust_motor_run_maxcurrent(); / 参考工作电流的调整void battery_voltage_detect(); /电池电压检测及相应参数调整void process_speed_command(); / 根据转把输入及当前工作状态更新速度命令unsigned ch