基于賽普拉斯[CYC5]的電動自行車設計

1、賽普拉斯半導體公司賽普拉斯半導體公司基于基于CY8C24x33的的電動自行車設計電動自行車設計2Cypress Confidential議程議程 BLDC電機基礎電機基礎 基于基于PSoC的的BLDC電機控制電機控制 電動自行車硬件設計電動自行車硬件設計 電動自行車控制策略與軟件設計電動自行車控制策略與軟件設計 控制器介紹控制器介紹3Cypress Confidential電機分類電機分類電機電機 交流電機交流電機 (AC motors) 直流電機直流電機 (DC motors) 異步電機異步電機同步電機同步電機單相交流電機單相交流電機步進電機步進電機有刷直流電機有刷直流電機 通用電機通用電機

2、(AC or DC ) 有傳感器有傳感器BLDC無傳感器無傳感器 BLDC多相多相/三相三相 交流電機交流電機無刷直流電機無刷直流電機(BLDC) 開關(guān)磁開關(guān)磁 阻電機阻電機永磁電機永磁電機4Cypress ConfidentialBLDC優(yōu)勢優(yōu)勢 與有刷直流電機相比，與有刷直流電機相比，BLDC具有如下一些優(yōu)勢：具有如下一些優(yōu)勢： 效率高 可靠性高 (無電刷磨損) 功率/體積之比更高 散熱性好 更快的轉(zhuǎn)速 加速速率更高，低遲滯 低EMI 換相時無電弧火花現(xiàn)象5Cypress Confidential電機控制框圖電機控制框圖6Cypress Confidential電機的控制電機的控制 位置/

3、速度控制采用閉環(huán)控制法，確保電機轉(zhuǎn)速符合要求兩種電機速度/位置檢測方法：有傳感器和無傳感器 電流控制過流保護最大電流保護啟動電流控制 轉(zhuǎn)矩控制轉(zhuǎn)矩波動越小，電機運轉(zhuǎn)就越平穩(wěn)。轉(zhuǎn)矩控制方法：磁通，轉(zhuǎn)差率和電流等控制方法7Cypress Confidential無刷直流電機相線圈通電控制無刷直流電機相線圈通電控制RBrrggbbGcomcomRGB霍爾輸出 100 110 010 011101001NS1001100100111010018Cypress Confidential霍爾傳感器霍爾傳感器 - 120/609Cypress Confidential驅(qū)動順序控制驅(qū)動順序控制VDC-10Cy

4、press Confidential1 Electrical Cycle速度控制：速度控制：PWM345012PWM1HPWM1LPWM2HPWM2LPWM3HPWM3LSector110010011001101100Halls output00011111Cypress Confidential BLDC電機的典型應用電機的典型應用有位置傳感器的無刷直流電機應用：無位置傳感器的無刷直流電機應用：風扇 油泵 無霍爾傳感器的電動自行車跑步機輪椅高爾夫車電動工具工業(yè)應用電動自行車12Cypress Confidential議程議程 BLDC電機基礎電機基礎 基于基于PSoC的的BLDC電機控制電機

5、控制 電動自行車硬件設計電動自行車硬件設計 電動自行車控制策略與軟件設計電動自行車控制策略與軟件設計 控制器介紹控制器介紹13Cypress ConfidentialPSoC = Programmable System on Chip :PSoC 器件特征器件特征: 可編程可編程模擬模塊模擬模塊 ADCs,DACs,過濾器，過濾器， 比較器，比較器，CapSense , 可編程可編程數(shù)字模塊數(shù)字模塊 時鐘，計數(shù)器，時鐘，計數(shù)器，PWMs, UART,SPI,IrDA, 通訊接口：通訊接口：I2C, SPI, UART, IrDA M8C MCU Flash：4KB - 32KB SRAM：25

6、6B 2KBPSoC (可編程片上系統(tǒng)可編程片上系統(tǒng)) 14Cypress ConfidentialPSoC 結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖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用戶模塊用戶模塊預先配置和定義的數(shù)字和模擬的功能塊預先配置和定義的數(shù)字和模擬的功能塊相當于片上外設相當于片上外設 ADCs, DACs, PGAs, Filters Timers, Counters, PWMs UART, SPI, I2C 在在PSoC Designer中雙擊即可選擇用戶模塊，中雙擊即可選擇用戶模塊，它定義了初始化配置所需要的寄存器它定義了初始

8、化配置所需要的寄存器用戶模塊還包括用戶模塊還包括 應用編程接口應用編程接口 (APIs) 中斷處理程序中斷處理程序 (ISRs) 該用戶模塊的數(shù)據(jù)手冊該用戶模塊的數(shù)據(jù)手冊16Cypress Confidential模擬用戶模塊可實現(xiàn)功能模擬用戶模塊可實現(xiàn)功能A/D 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 ADCINC DELSIG 8-bit Successive Approximation 8-bit Delta Sigma 11-bit Delta Sigma 12-bit Incremental 7-13 bit Variable IncrementalD/A 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 6, 8, and 9-bit 6 and 8

9、 bit multiplying濾波器濾波器 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數(shù)字用戶模塊可實現(xiàn)功能數(shù)字用戶模塊可實現(xiàn)功能基本功能基本功能 ( (所有數(shù)字模塊可提供所

10、有數(shù)字模塊可提供) ) 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通訊功能通訊功能 ( (僅數(shù)字通訊模塊可提供僅數(shù)字通訊模塊可提供) ) I2C MasterI2C Slave SPI MasterSPI SlaveFull Duplex UARTIrDA receive

11、r and transmitter18Cypress ConfidentialPSoC 的價值的價值價值價值工程師工程師生產(chǎn)部門生產(chǎn)部門管理層管理層可靠，精確的應用可靠，精確的應用高效，可重復使用的平臺高效，可重復使用的平臺降低研發(fā)時間和成本，并使產(chǎn)品快速降低研發(fā)時間和成本，并使產(chǎn)品快速進入市場進入市場基于基于R&DR&D成本，回報更高成本，回報更高更低的更低的BOMBOM減少購買和庫存器件減少購買和庫存器件簡化產(chǎn)品生產(chǎn)簡化產(chǎn)品生產(chǎn)提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性在設計中使用更少的器件在設計中使用更少的器件19Cypress ConfidentialPSoC的的BLDC電機控制框圖電機

12、控制框圖20Cypress Confidential硬件過流保護硬件過流保護取樣電阻對經(jīng)過電機的電流進行采樣過流比較器由PSoC的CT模塊實現(xiàn)，比較器的參考電壓由底層軟件設置 PSoC內(nèi)部有大量的LUT，可以方便地實現(xiàn)一些數(shù)字邏輯功能通過全局輸出布線資源實現(xiàn)PWM輸出到具體的GPIO口的可編程配置。當發(fā)生過流時，電機上端驅(qū)動的PWM控制信號會由于與門的作用而輸出禁止21Cypress ConfidentialPSoC內(nèi)的過流保護實現(xiàn)內(nèi)的過流保護實現(xiàn)22Cypress Confidential開環(huán)速度控制開環(huán)速度控制PWM脈沖輸出信號的高電平寬度受外部的可調(diào)電位器的調(diào)整控制，當外部的可調(diào)電位器無

13、調(diào)整動作時，PWM脈沖輸出信號的高電平寬度不變。電機的轉(zhuǎn)速會隨著電機的負載變化而變化。23Cypress Confidential單閉環(huán)速度控制單閉環(huán)速度控制大多數(shù)電機控制應用都僅采用了單閉環(huán)速度控制參考速度與轉(zhuǎn)子速度之差構(gòu)成了速度PI（比例積分）環(huán)的輸入速度PI環(huán)根據(jù)參考速度與轉(zhuǎn)子速度之間的誤差值對PSoC內(nèi)的PWM用戶模塊的高電平寬度寄存器作相應的修改24Cypress Confidential閉環(huán)速度控制閉環(huán)速度控制最大電流保護由比較器電路檢測實現(xiàn)電機速度受外部可調(diào)電位器控制PWM的高電平寬度會隨著負載變化而相應變化，從而保證速度穩(wěn)定。25Cypress Confidential議程議程

14、 BLDC電機基礎電機基礎 基于基于PSoC的的BLDC電機控制電機控制 電動自行車硬件設計電動自行車硬件設計 電動自行車控制策略與軟件設計電動自行車控制策略與軟件設計 控制器介紹控制器介紹26Cypress ConfidentialE-Bike 框圖 27Cypress Confidential原理圖(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缺省設置選擇電流采樣編程接口15V電源5V 電源電池電壓檢測電池輸入運行指示28Cypress Confidential

17、原理圖(2/4) 輸入/輸出R42.2KR235.1KV_limA1K2D1VCCC412JP2R241.2MR1910KR3612KD2Brake_InC7104黃線 剎車綠線 手柄R3547K限速Q(mào)1NPN(高電平剎車)棕線 剎車(低電平剎車)VCC12JP5CON2Cru_InAlarm1H111H131H1212JP1CON212JP4CON21H15R2010KD4IN4148VCCD5IN4148R3710KVCC12J4CON2R323.3KR333.3KR343.3KR121KR141KR131KVCC霍爾輸入C11103C12103C13103藍綠黃欠壓指示巡航指示ABS指示

18、C3104123JP6VCCHallAHallBHallC123J3CON3Low_V_DispCru_DispABS_Disp12342.2K*3RP1RESPACK2.2*312342.2K*3RP2RESPACK5.1K*312J2CON2巡航輸入報警輸入29Cypress Confidential原理圖(3/4) MOSFET驅(qū)動T1PNP Y2 Rd0510Rd2150Rd12.2KRd31.5KVCC+15VPWML0YLW1NPN Y1 W2NPN Y1 T4PNP Y2 Rd132.2KRd122.2KRd14510Dd1IN4007+15VCd047uF/50VRd15150

19、Dd0IN4148T5PNP Y2Rd162.2KYHYG05551PWMH0高端驅(qū)動低端驅(qū)動高有效低有效30Cypress Confidential原理圖(4/4) 逆變器M0M2M4M1M3M5RS2RES1+48VCd9100uF/63VRd2810kRd2910kRd2710KCd4Cd6Cd8Cd3Cd5Cd7YBGYHYLBHBLGHGLCd111000uF 63VCd12102Cd14102R5030KI_Back1H21H31H41H51H6YBG+48V1H71 HEADERR2110G取樣電阻電機連接轉(zhuǎn)速表電流取樣信號31Cypress Confidential議程議程 B

20、LDC電機基礎電機基礎 基于基于PSoC的的BLDC電機控制電機控制 電動自行車硬件設計電動自行車硬件設計 電動自行車控制策略與軟件設計電動自行車控制策略與軟件設計 控制器介紹控制器介紹32Cypress ConfidentialE-Bike 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖E-Bike里的BLDC電機速度控制是開環(huán)控制PWM的高電平寬度由速度手柄決定33Cypress Confidential霍爾傳感器和換相霍爾傳感器和換相霍爾信號的變化通過IO口的中斷檢測霍爾信號有效狀態(tài)檢查： (有效狀態(tài)為6種) 120 霍爾傳感器 000和 001是無效狀態(tài)60霍爾傳感器 010和111是無效狀態(tài)霍爾傳感器

21、信號與換相控制對應關(guān)系表 換相順序霍爾傳感器失效檢測 霍爾元件失效或連接器松脫的檢測線圈停止通電，電機由于慣性將斷續(xù)旋轉(zhuǎn) 統(tǒng)計失效次數(shù)，如果真的失效，在儀表盤上顯示失效信息34Cypress Confidential電子剎車電子剎車(1/3) 通過改變線圈電流方向就可實現(xiàn)BLDC電機轉(zhuǎn)矩方向發(fā)生改變。因此，通過在電機線圈上施加反向電流就可實現(xiàn)電子剎車轉(zhuǎn)矩。 五種電子剎車方法雙側(cè)斬波 驅(qū)動電路中的上/下兩端有兩個MOS導通由PWM控制單管單側(cè)斬波 驅(qū)動電路中的上端MOS關(guān)閉，下端一個MOS管導通由PWM控制，其余兩個MOS關(guān)閉雙管單側(cè)斬波 驅(qū)動電路中的上端MOS關(guān)閉，下端一個MOS管導通由PWM

22、控制，其余兩個MOS關(guān)閉點剎方式 上端MOS關(guān)閉，下端三個MOS間斷開通抱鎖 上端MOS關(guān)閉，下端三個MOS全通幾種剎車方式比較方式特點雙側(cè)斬波電流波動較小,轉(zhuǎn)矩脈動小,但電機轉(zhuǎn)速很低時蓄電池是有功率輸出單管單側(cè)斬波電流波形波動較大,轉(zhuǎn)矩脈動大,存在相間續(xù)流,因而電機定子繞組的銅耗較大雙管單側(cè)斬波轉(zhuǎn)矩較大, 噪聲小點剎力矩大,適合高速時候快速剎車抱鎖力矩大,適合低速時候快速剎車35Cypress Confidential電子剎車電子剎車(2/3) 方式1 雙側(cè)斬波 的換相表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 單管單側(cè)斬波的換相表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 雙管單側(cè)斬波的換相表36Cypress Confidential電子剎車電子剎車(3/3) 剎車的安全性考

26、慮電機及控制系統(tǒng)作為整車的一個零部件,在響應命令的同時,應保證蓄電池的安全, 并且盡可能地提高系統(tǒng)效率為了保證蓄電池的安全, 可以限制制動功率。在忽略制動效率和制動電壓抬高的影響, 可根據(jù)蓄電池最大充電電流和額定電壓來確定最大制動功率電流的監(jiān)測 在電機轉(zhuǎn)速較低時, 盡管制動功率不會超出限制, 但過大的制動轉(zhuǎn)矩可能會超出控制器的能力(相電流超出限制)。程序設計時采用滯環(huán)控制，當電流超出上限時候應降低PWM占空比，反之可加大PWM占空比以提高充電效率。37Cypress Confidential再生制動能量回收再生制動能量回收在 t0t1期間, V2導通, 相線圈R，G儲存能量再生制動能量回收電路

27、結(jié)構(gòu)在t1t2期間, V2 關(guān)閉, 電機線圈電流不能發(fā)生突變，因此相線圈R，G的電流維持同樣的方向通過二極管D5對蓄電池充電。38Cypress ConfidentialPWM斬波方式斬波方式不同運行狀態(tài)下，電動自行車采用不同的PWM控制方式電機正常運行，任何時刻下橋臂有一個MOSFET常通，上橋臂有一個MOSFET實行PWM斬波。上下橋臂各有一個MOSFET實行PWM斬波。此種方式多運行在較低的PWM占空比。ABS剎車時，任何時刻下橋臂兩MOSFET實行PWM斬波，其余MOSFET關(guān)閉39Cypress Confidential電流控制電流控制最大峰值電流 允許輸出的最大瞬間電流(本設計中約

28、為30A)，輸出超過該電流時，PWM將由硬件自動關(guān)閉(PSoC內(nèi)部硬件配置) 最大工作電流 電機堵轉(zhuǎn)或者重負載時電機能夠輸出的最大平均電流(本設計中設置為約16A)。最大工作電流由軟件控制。工作電流 正常工作時候的平均電流工作電流的通過PWM占空比來調(diào)整的，并通過采樣電阻取樣獲得實際工作電流值轉(zhuǎn)把輸入設定值可計算出參考工作電流，注意需要將轉(zhuǎn)把輸入的電壓信號標準化，因為轉(zhuǎn)把的電壓最大和最小值不是對應于5V和0V影響參考工作電流的因素還包括電機轉(zhuǎn)速，電池的電壓，剎車的狀態(tài)在每次電流采樣結(jié)束后，比較參考工作電流和當前實際電流的偏差來調(diào)整PWM占空比40Cypress Confidential堵轉(zhuǎn)處理

29、堵轉(zhuǎn)處理正常工作時候電流較小發(fā)生堵轉(zhuǎn)或重負載時，電機在一段時間內(nèi)換相次數(shù)很少，很快進入電流調(diào)整階段，使得電流急劇上升并達到最大工作電流(16A) 在最大工作電流下保持約10秒(防止上坡電機停止并后溜)，然后電流減小到約10A，并保持2秒關(guān)閉驅(qū)動輸出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中斷服務程序中斷服務程序44Cypress Confidential主要函數(shù)介紹主要函數(shù)介紹MAIN.Cvoid system_init(void);/

30、 系統(tǒng)初始化void get_work_parameters(SYSSTAT *st); / 系統(tǒng)工作參數(shù)設置unsigned char sample_adc(); / ADC 采樣程序void init_bus_current(); / 初始化電流的各種參考值unsigned char check_mosfet(); /MOSFET漏電流檢測void inactive_ctrl(); / 關(guān)閉PWM輸出void motor_ctrlout(); / PWM輸出到管腳的設置unsigned char get_ctrlout_setni(); / 根據(jù)當前有效的HALL輸入狀態(tài)更新輸出控制序列void check_cruise_entry(); / 巡航檢測和設定void adjust_motor_run_maxcurrent(); / 參考工作電流的調(diào)整void battery_voltage_detect(); /電池電壓檢測及相應參數(shù)調(diào)整void process_speed_command(); / 根據(jù)轉(zhuǎn)把輸入及當前工作狀態(tài)更新速度命令unsigned ch