基于PSoC的電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)

1、基于psoc的電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)p是生產(chǎn)的具有8位核和數(shù)字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統(tǒng)。集三種可編程能力于一體，不僅具有mcu的可編程序能力，還包含了部分可編程規(guī)律運(yùn)算功能，同時(shí)也提供了可編程模擬陣列；通過對寄存器的配置或控制，三者之間可以互相作用、協(xié)調(diào)工作。psoc的數(shù)字資源(如定時(shí)器、uart等)和模擬資源(如、等)以數(shù)字模塊和模擬模塊的方式給出。不同型號的psoc芯片的差異主要在于其擁有的數(shù)字模塊和模擬模塊的數(shù)量不同。用戶可按照特定需求來定義這些模塊。集成開發(fā)環(huán)境psoc designer也預(yù)先為用戶定義了70多個(gè)常用的數(shù)字和模擬資源供用戶挑選。這些預(yù)定義的模塊被稱之為用戶模塊

2、，如數(shù)字資源有：定時(shí)器、pwm、uart、spi、crc、prs等等；模擬資源有放大器、比較器、濾波器等等；則由若干數(shù)字模塊和模擬模塊組合而成。psoc開發(fā)人員無需通過設(shè)置寄存器來構(gòu)建這些周邊設(shè)備，只需在psoc designer中挑選和放置所需要的用戶模塊并舉行參數(shù)設(shè)定。psoc designer不僅能配置用戶模塊，而且也為用戶提供這些用戶模塊的api函數(shù)供用戶編程時(shí)調(diào)用。cy8c24533是特地針對電機(jī)控制而開發(fā)的一款psoc芯片。它繼承了cy8c24xxxa系列芯片的幾乎全部的資源，同時(shí)針對電機(jī)控制擴(kuò)展了部分的資源和功能，使得它十分適合應(yīng)用在電動(dòng)自行車的控制以及其他的電機(jī)控制。cy8c2

3、4533的系統(tǒng)資源和周邊性能cy8c24533的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1所示。其資源包括：圖1：cy8c24533內(nèi)部系統(tǒng)資源框圖。系統(tǒng)資源cy8c24533用法8位哈佛結(jié)構(gòu)處理器內(nèi)核(m8c cpu)，它具有自立的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，處理器速度可達(dá)24mhz。擁有豐盛的m8c架構(gòu)命令，系統(tǒng)提供便捷的尋址方式。cy8c24533的系統(tǒng)資源中包括一個(gè)乘加器(mac)。mac系統(tǒng)中作為一個(gè)自立的組件，并映射到特定的寄存器地址空間，由輸入寄存器和輸出寄存器，能執(zhí)行帶符號的8×8乘法運(yùn)算和32位的加法運(yùn)算。只要把數(shù)據(jù)傳送到輸入寄存器，在下一個(gè)命令周期，輸出寄存器就能得到運(yùn)算結(jié)果。寄存器加速內(nèi)存數(shù)據(jù)交換

4、，大大提高了處理數(shù)據(jù)的速度。cy8c24533有兩個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器：主時(shí)鐘發(fā)生器和低頻時(shí)鐘發(fā)生器。其中主時(shí)鐘發(fā)生器為24mhz作為系統(tǒng)時(shí)鐘，可分頻或不分頻作為cpu時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘n1,n2和n3次(均可由用戶設(shè)定)分頻產(chǎn)生的時(shí)鐘vc1,vc2和v3可以提供應(yīng)用戶作為模擬psoc模塊和數(shù)字psoc模塊的輸入時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘也可以倍頻產(chǎn)生48mhz的時(shí)鐘作為pwm的輸入，以提高pwm的辨別率。低頻時(shí)鐘發(fā)生器是一個(gè)32khz內(nèi)部低速，主要用于/睡眠定時(shí)器的時(shí)鐘。其他的系統(tǒng)資源還包括可設(shè)定閥值的電源低電壓檢測(lvd/por)、中斷控制器、i2c、用于-模數(shù)轉(zhuǎn)換的采樣抽取器(decimator)、片內(nèi)溫度和

5、片內(nèi)電壓參考等。片內(nèi)存儲(chǔ)器cy8c24533有8kb的閃存用于程序存儲(chǔ)以及256b的片內(nèi)sram數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。可以用閃存的部分空間模擬e2prom。此外，它還具有串行在系統(tǒng)編程功能(issp)。cy8c24533對片內(nèi)存儲(chǔ)器提供多種庇護(hù)加密方式。與傳統(tǒng)的熔絲庇護(hù)加密方式不同，cy8c24533是以塊加密方式實(shí)施對片內(nèi)存儲(chǔ)器的加密庇護(hù)，所以具有更高的平安性。模塊資源cy8c24533有4個(gè)數(shù)字模塊和4個(gè)模擬模塊。片內(nèi)的數(shù)字模塊可以配置成各式各樣的用戶模塊，比如時(shí)光定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、脈寬調(diào)制和死區(qū)脈寬調(diào)制(db pwm)、循環(huán)冗余校對模塊、全雙工uart、spi等功能模塊。片內(nèi)的模擬模塊可以配置多種

6、模擬周邊功能，如比較器、可編程增益放大器、差分放大器、可編程濾波器。結(jié)合數(shù)字模塊和模擬模塊可以實(shí)施各種模數(shù)轉(zhuǎn)換,如7-14位的增量式模數(shù)轉(zhuǎn)換，8和11位的-模數(shù)轉(zhuǎn)換等等。psoc designer集成開發(fā)環(huán)境也為用戶提供了靈便和完美的數(shù)字模塊和模擬模塊的輸入輸出路由、模塊和模塊之間的路由及數(shù)字模塊和模擬模塊之間的路由。在這些路由中還包括了一些硬件的規(guī)律運(yùn)算塊(lut)，這些規(guī)律運(yùn)算塊可以舉行16種規(guī)律運(yùn)算。用戶可以通過路由挑選和路由之間的規(guī)律運(yùn)算使模塊和模塊之間形成互相關(guān)聯(lián)的有機(jī)的功能塊，使這些功能塊具有更復(fù)雜更獨(dú)特更強(qiáng)大的功能。從而削減片外資源的用法，使系統(tǒng)更簡潔。圖2：同步觸發(fā)方式原理框圖

7、。sar adc模塊在電機(jī)控制中通常需要一個(gè)高速的adc用于檢測過流信號進(jìn)而實(shí)施對功率mos管的庇護(hù)。cy8c24533集成了一個(gè)專用的8位逐次靠近adc。它的一次轉(zhuǎn)換時(shí)光惟獨(dú)3.33s，這對于迅速的檢測過流信號十分實(shí)用。另外為了能在合適的時(shí)光舉行模數(shù)轉(zhuǎn)換，cy8c24533還提供了多種觸發(fā)方式來啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換。它包括自由運(yùn)行、手動(dòng)單次觸發(fā)和同步觸發(fā)方式。同步觸發(fā)方式原理框圖2。在同步觸發(fā)方式有兩條通路(low path和high path)可以實(shí)施觸發(fā)。這兩條通路分離有一個(gè)8位的寄存器與來自數(shù)字模塊的的計(jì)數(shù)值舉行比較，假如low path的比較結(jié)果相等時(shí)cmp_lo輸出高電平，假如high p

8、ath的比較結(jié)果相等時(shí)cmp_hi輸出高電平，cmp_lo和cmp_hi的輸出在通路規(guī)律(path logic)舉行規(guī)律運(yùn)算，規(guī)律運(yùn)算的結(jié)果為1時(shí)便觸發(fā)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換。通路規(guī)律有“與”和“或”兩種規(guī)律運(yùn)算功能，cmp_lo和cmp_hi的值由用戶設(shè)定。這共性能對電機(jī)控制十分實(shí)用。比如，當(dāng)dbb0被配置成一個(gè)8位的pwm時(shí)，在一個(gè)pwm的周期里，adc可以被觸發(fā)一次或兩次。當(dāng)cmp_lo或cmp_hi寄存器有一個(gè)被設(shè)置，并且通路規(guī)律設(shè)置“或”運(yùn)算時(shí)被觸發(fā)一次；當(dāng)cmp_lo和cmp_hi的寄存器被設(shè)置一樣并且通路規(guī)律設(shè)置“與”運(yùn)算時(shí)也被觸發(fā)一次；當(dāng)cmp_lo和cmp_hi的寄存器被設(shè)置不一樣并且

9、通路規(guī)律設(shè)置“或”運(yùn)算時(shí)被觸發(fā)兩次。當(dāng)dbb0和dbb1被配置成一個(gè)16位的pwm時(shí)，在一個(gè)pwm的周期里，模數(shù)轉(zhuǎn)換可以被觸發(fā)一次,這時(shí)通路規(guī)律設(shè)置“與”運(yùn)算。在直流無刷電機(jī)的控制中，通常pwm值用于控制電機(jī)的電壓或速度，每一個(gè)pwm周期中的相的大小是變幻的，用同步觸發(fā)方式可以在每一個(gè)pwm周期的固定時(shí)刻觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣電機(jī)的電流信號，推斷電流是否異樣，實(shí)施對電機(jī)和mos管的有效庇護(hù)。電動(dòng)車自行車控制器系統(tǒng)圖3所示是一個(gè)電動(dòng)自行車控制器系統(tǒng)原理框圖。圖中，cy8c24533作為主控芯片，左邊為各種輸入信號：調(diào)速轉(zhuǎn)把信號、剎車信號、電池電壓、電機(jī)的霍爾信號和其他外設(shè)信號。右邊是的驅(qū)動(dòng)、功率mo

10、sfet三相橋電路以及電池電量顯示電路。現(xiàn)在的電動(dòng)自行車都用法“無刷直流電機(jī)”作為傳動(dòng)部件，所以cy8c24533必需通過來自電機(jī)的霍爾信號產(chǎn)生合適的相序信號提供應(yīng)mosfet的驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)功率mosfet三相橋，使無刷直流電機(jī)的三相繞組得到按一定邏輯變幻的勵(lì)磁電流。圖3：電動(dòng)自行車控制器系統(tǒng)原理框圖。pwm輸出為了通過調(diào)速轉(zhuǎn)把來控制轉(zhuǎn)速，必需將pwm信號疊加在相序信號上，通過調(diào)整pwm的占空比，來控制電機(jī)繞組的相電壓和電流實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。通常mcu的pwm輸出是從固定的管腳輸出，所以傳統(tǒng)的mcu做法是在芯片的外部加規(guī)律電路將6路或3路相序信號和pwm信號相“與”后輸出。而cy8c2453

11、3 psoc芯片有靈便多樣的模塊輸入和輸出的路由資源可以挑選，可以將一路pwm信號在不同的時(shí)刻路由到一個(gè)或同時(shí)路由到多個(gè)i/o上。4所示將一個(gè)數(shù)字模塊配置成雙緩沖器，pwm信號的輸出協(xié)作雙緩沖器中的一個(gè)緩沖器便將pwm信號路由到lut的四個(gè)輸出上，進(jìn)而通過數(shù)字輸出總線路由到一個(gè)或多個(gè)i/o上。這樣在換相且當(dāng)某一相或幾相需要pwm輸出時(shí)，可在獲得換信任號時(shí)通過中斷程序?qū)wm輸出切換到相應(yīng)的i/o口上。i/o口的輸出可以挺直輸入到mos管的驅(qū)動(dòng)電路，這樣就不需要外部加規(guī)律電路。圖5是在psoc designer開發(fā)環(huán)境下的pwm輸出路由配置圖。圖4：pwm輸出路由挑選和比較器輸出路由挑選圖。圖5

12、：pwm輸出路由配置圖。峰值電流庇護(hù)電動(dòng)自行車在用法過程中會(huì)有多種可能的狀況導(dǎo)致眨眼峰值電流很大，這個(gè)電流假如超過mos管的最大可耐受電流，mos管將被擊穿。所以峰值電流庇護(hù)是十分須要的。峰值電流庇護(hù)的關(guān)鍵是響應(yīng)速度。通常采納硬件的方式來實(shí)施，如將采樣的電流送到一個(gè)比較器舉行比較，比較器的輸出再通過規(guī)律電路與pwm的輸入信號相“與”。在cy8c24533芯片中包含模擬模塊，ct(延續(xù)時(shí)鐘)的模擬模塊可以作可編程的比較器和可編程的放大器。我們將ct模塊作放大器用于放大電流信號，另一個(gè)ct模塊作比較器，用于比較電流信號，比較器的閾值可以程序設(shè)置。放大器的輸出作為比較器的輸出，比較器輸出到比較總線，

13、比較總線經(jīng)lut輸入到數(shù)字模塊的雙緩沖器中的另一個(gè)緩沖器，這個(gè)緩沖器的輸出經(jīng)由行輸出總線的lut與pwm信號實(shí)現(xiàn)“與”操作(見圖4或圖5)。假如峰值電流超過設(shè)定的閾值，比較器的輸出將封住pwm的輸出，對mos管實(shí)施有效的庇護(hù)。平均值電流庇護(hù)平均值電流庇護(hù)對庇護(hù)電機(jī)和mosfet是十分重要的，尤其在堵轉(zhuǎn)時(shí)。由于長時(shí)光的堵轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生高溫而致使電機(jī)或mosfet被燒毀。cy8c24533有高速逐次靠近adc，因此可以利用上述的同步觸發(fā)方式在每個(gè)pwm周期的固定時(shí)刻采樣電流值，以獲得平均值電流。假如這個(gè)值超過設(shè)定的閾值并持續(xù)一段時(shí)光(如3s以上)，控制器自動(dòng)庇護(hù)軟件即會(huì)實(shí)行相應(yīng)的措施，如削減pwm的輸出

14、或關(guān)斷pwm，來對電機(jī)和mosfet實(shí)施有效的庇護(hù)。1:1助力cy8c24533有數(shù)字模塊可以用作捕獲定時(shí)器，捕獲踏板轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速信號，獲得模擬的1:1助力信號，然后通過對pwm的輸出的控制，實(shí)現(xiàn)模擬的1:1助力或1:n控制。因?yàn)閏y8c24533的閃存空間高達(dá)8kb，可允許用戶程序設(shè)計(jì)多種功能和庇護(hù)?；趐soc cy8c24533的電動(dòng)自行車控制器還包括超靜音功能、防飛車功能、短路庇護(hù)功能、欠壓庇護(hù)功能、定速巡航、abs剎車再生制動(dòng)等功能。超靜音功能削減了起步噪聲；防飛車功能解決了無刷控制器因?yàn)檗D(zhuǎn)把或線路故障引起的飛車現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的平安性；短路庇護(hù)功能防止電機(jī)三根相線輸出端隨意兩端短路或三端全短路，以及控制器不會(huì)燒毀；欠壓庇護(hù)功能使得電池電量不足時(shí)準(zhǔn)時(shí)通知用戶更換電池。定速巡航、abs剎車使控