王 琪，于波峰，趙明鏡，陳黎娟

（南昌航空大學 江西 南昌 330063）

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，集成化已經(jīng)成為人們對各種產(chǎn)品的一種需求。文中采用的CYPRESS 公司的PSOC 系統(tǒng)可配置單片機具有這方面獨到的優(yōu)勢。它以體積小，價格低廉，功能完善和可配置編程的特點大量應(yīng)用在無刷直流電機控制器中。

文中基于CY8C24533 單片機設(shè)計了一款電動車用的無刷直流電機控制器，包括硬件和軟件的設(shè)計。該芯片是一款專門用來控制優(yōu)化設(shè)計的，特別適合于無刷直流電機的控制，由于該芯片集成了許多無刷直流電機控制的外圍電路，具有很高的性價比[1]。其中SAR8 的對齊采樣功能在限流工作中發(fā)揮了很重要的作用。

1 控制器整體設(shè)計

整體系統(tǒng)的作用就是讓用戶可以通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)把來控制電動自行車的行駛速度，給出剎車信號后自行車減速。單片機接收電動自行車轉(zhuǎn)把給定的速度信號，并根據(jù)電流和轉(zhuǎn)速反饋調(diào)整輸出的PWM 信號的占空比，控制著電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速[2]。電機內(nèi)部的霍爾元件在電機轉(zhuǎn)動時輸出高低電平信號，將電機轉(zhuǎn)子的當前位置信息反饋給單片機，單片機根據(jù)此反饋信號計算出電機的轉(zhuǎn)速同時輸出對應(yīng)的換相信號。驅(qū)動電路根據(jù)單片機的輸出指令控制三相橋功率開關(guān)電路上下功率管的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時間，從而實現(xiàn)對無刷電機的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動[3]。如圖1 所示。

圖1 無刷直流電機控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure diagram of the DC motor control system

本課題所設(shè)計的無刷直流電機控制器的系統(tǒng)框圖。PSoC的輸入信號有：轉(zhuǎn)把電壓信號、剎車信號、其他信號（三速選擇信號、巡航信號、電制動信號、報警器信號、電流信號和電池電壓信號）。輸出信號有：電機驅(qū)動信號，三速指示燈和故障指示燈。系統(tǒng)的電源為鋰電池組供電，經(jīng)過晶體管穩(wěn)壓成15 V 共電機驅(qū)動電路用，15 V 經(jīng)穩(wěn)壓模塊78L05 輸出5 V電壓共測量電路和CY8C24533 所用。

PSoC（Programmable System on Chip）是美國賽普拉斯微系統(tǒng)有限公司推出的新一代功能強大的8 位可配置的嵌入式單片機，它的出現(xiàn)使設(shè)計者逐步擺脫了板級電子系統(tǒng)設(shè)計方法層次而進入芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計。PSoC 與傳統(tǒng)單片機的根本區(qū)別在于其內(nèi)部集成了數(shù)字模塊和模擬模塊，用戶可以根據(jù)不同設(shè)計要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計，實現(xiàn)使用一塊芯片就可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，從而建立一種可配置嵌入式微控制器，用以實現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計的整個過程。Cypress 公司的CY8C24533是一款專門針對電機控制的芯片，它幾乎繼承了CY8C24XXXA 系列芯片的所有資源，同時針對電機控制擴展了相應(yīng)的資源和功能，使得CY8C24533 這款PSoC 芯片非常適合作為電動自行車控制器的主控芯片[4]。CY8C24533 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 CY8C24533 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the CY8C24533

CY8C24533 的模塊資源相當?shù)呢S富，4個數(shù)字模塊和4個模擬模塊，4個數(shù)字模塊可以配置成多種用戶模塊，如定時器、PWM 模塊、死區(qū)脈寬調(diào)制模塊、串口模塊（UART）、緩沖模塊（Digbuf）、SPI 主從通信模塊等。四個模擬模塊可以配置成多種模擬周邊功能，如可編程增益放大器（PGA）、比較器（COMPAR）、模擬快關(guān)電容等。模擬模塊和數(shù)字模塊結(jié)合的模塊有7～14 的增量式模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換模塊；8～11 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等。CY8C24533 之所以為電機控制專用芯片，主要是因為其特有的逐次逼近比較模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊SAR8。

2 限流工作的硬件電路設(shè)計

由于本文是主要介紹限流工作中逐次逼近比較模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊SAR8 的關(guān)鍵作用，所以只給出了電流采集部分的原理圖如圖3 所示。其中運放采用LM2904 雙運放，其中一個運放單元作為電流采樣后的放大使用，另外一個運放單元供其他電路使用。LM2904 運放的工作范圍寬，噪聲低。Port1 點為驅(qū)動電路MOSFET 源極引出節(jié)點，這樣采樣電阻可以以電壓的大小來反應(yīng)出流經(jīng)驅(qū)動電路總電流的大小。Rp1、Rp2為康銅絲，由于在進行電流采樣時會在采樣電阻上消耗一部分功率，所以在滿足測量情況的前提下，選取的電阻值越小越好。本課題中選取的康銅絲阻值為3 毫歐。采樣電壓經(jīng)過LM2904 放大后送至CY8C24533 的內(nèi)部，在MCU 內(nèi)部供兩路使用，一路用于過流保護。另一路信號，經(jīng)MCU 內(nèi)部PGA 模塊增益放大送至SAR8 模塊進行AD 采集。采集后與限流值比較，調(diào)整PWM 占空比，使電流限制在一定范圍內(nèi)即限流。由于在無刷直流電機運行中，有時會啟動柔性電子剎車功能，會產(chǎn)生反向電流信號，時間大概持續(xù)幾秒鐘，對LM2904 芯片產(chǎn)生很大的損害，所以圖3 中所示的同相比例放大電路中在同相端會疊加一個正向電壓，即使在康銅絲采樣點沒有信號時，運放的輸出也在0 V 以上。這樣可以在很大程度上減少負信號對LM2904 的損害。因本設(shè)計用控制器的電流最大可達32 A 左右，康銅絲Rp1、Rp2并聯(lián)后的電阻阻值為4 毫歐左右，所以康銅絲的兩端的最大壓差為70 mV 左右。由于最大電流信號和零點信號疊加后大于200 mV，而運放的最大輸出電壓為（VCC-1.5）V 左右，而本設(shè)計用的LM2904 的電源為5 V 供電，所以最大輸出電壓為3.5 左右，綜上參數(shù)，LM2904 的放大倍數(shù)選擇為15 倍左右，即電阻R2和R3的阻值比在1：14 左右。并且要采用精密電阻，保證放大倍數(shù)的準確，為了運放輸入的平衡還要在同相端加入R1作為平衡電阻，同樣采用精密電阻阻值與R2相等。但是需要注意在MOSFET 通斷過程中，由于寄生電容等因素的原因，康銅絲端的采樣電壓信號會有比較大的毛刺，若不進行濾波處理，將對采樣的準確性造成嚴重的影響。如圖3 中，由R1和C1構(gòu)成的低通濾波電路對康銅絲端的采樣信號進行了濾波處理。R1和C1的低通濾波電路一方面響應(yīng)速度要夠快，才能及時的濾除干擾信號；另一方面，要設(shè)計好截止頻率，使無效的高頻干擾或者噪聲濾除。

圖3 電流采集電路Fig.3 Current sampling circuit

CY8C24533 之所以為電機控制專用芯片，主要是因為其特有的逐次逼近比較模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊SAR8，典型的轉(zhuǎn)換時間為2.7 μs。電機控制中的一個關(guān)鍵問題就是對電流的控制，控制電流的前提條件就是快速而準確采集到電流值的大小。傳統(tǒng)的采集芯片雖然能夠在采樣速率上能夠滿足要求，但是在準確性上就顯得力不從心。SAR8 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可以在特定時刻觸發(fā)ADC 執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。SAR8 的觸發(fā)方式有：手動單次觸發(fā)方式、自由運行方式和自動對齊同步觸發(fā)方式。自動對齊同步觸發(fā)方式原理如圖4 所示。在該方式下有兩條通路：低通路（Low Path）和高通路（High Path）可以實現(xiàn)對齊觸發(fā)[5]。

圖4 SAR8 自動對齊同步觸發(fā)方式原理圖Fig.4 SAR8 Automatic alignment of synchronization trigger mode principle

同步觸發(fā)方式有兩條通道：低通道（Low Path）和高通道（High Path）均可以實現(xiàn)對齊觸發(fā)。這兩條通道均有一個和數(shù)字模塊的計數(shù)值進行比較的8 位寄存器。如果低通道（Low Path）和該計數(shù)值比較結(jié)果相等時，CMP_LO 輸出高電平。如果高通道（High Paht）與該計數(shù)值比較結(jié)果相等時，則CMP_HI 輸出高電平。CMP_LO 和CMP_HI 的輸出通過Path Logic 可進行邏輯與或者邏輯或運算，當運算結(jié)果為1 時，就觸發(fā)一次AD 轉(zhuǎn)換。數(shù)字模塊中的比較值可由用戶自行設(shè)定。例如，當DBB0 被配置成一個8 位的PWM 發(fā)生器時，在PWM 的一個周期內(nèi)，可以被觸發(fā)1 次或2 次A/D 轉(zhuǎn)換。當CMP_LO 和CMP_HI 的寄存器中的某一個被啟用時，且Path Logic 設(shè)置為或運算時，ADC 會被觸發(fā)一次；當CMP_LO 和CMP_HI 的寄存器被設(shè)置成同一個值時，并且Path Logic 設(shè)置為與運算時，ADC 會被觸發(fā)一次；當CMP_LO 和CMP_HI的寄存器被設(shè)置成不同的值時，且Path Logic 設(shè)置成邏輯或運算時，ADC 會被觸發(fā)兩次。在無刷直流電機的控制中，PWM 的作用在于控制電機的轉(zhuǎn)速，在任意一個PWM 周期中相電流不是恒定不變的，采用自對齊同步觸發(fā)方式可以在每一個PWM 周期的特定時刻觸發(fā)AD 采集電機的電流信號，對特定時刻的電流信號進行分析判斷是否異常，若異常則通過相應(yīng)的控制采取相應(yīng)措施。

3 限流工作的軟件設(shè)計

無刷直流電機的電流控制能體現(xiàn)無刷直流電機控制系統(tǒng)的好壞[6]。電流的控制關(guān)鍵在于準確和及時。準確、及時正是對電流經(jīng)過LM2904 放大后由AD 采樣的到的值經(jīng)過處理控制PWM 波形而言的。準確性體現(xiàn)在電流AD 采樣和轉(zhuǎn)換的時刻。本課題所使用的PSoC 的AD 模塊為SAR8，采用其對齊觸發(fā)采樣的方式。因為以PWM 波驅(qū)動的無刷直流電機電流與PWM 波同頻率，但相位滯后一定時間的脈動電流波形，合適的采樣點在上升沿過后一定時間內(nèi)。及時主要體現(xiàn)在采樣的次數(shù)上，因為電流的變化很快，在一個PWM 周期內(nèi)可能會有很大的起伏，所以最好是一個PWM 周期內(nèi)采樣多次，但是由于SAR8 的采樣和轉(zhuǎn)換時間為3.3 μs，單片機的速度受限，且改變PWM 脈寬寄存器的值不會立即改變PWM 占空比，要到下一個PWM 周期開始才改變，所以一個周期采集一次足矣。采集到電流AD 值后，可以根據(jù)其值對PWM 脈寬做調(diào)節(jié)控制，用逐漸增減PWM 脈寬值的方法如圖5 所示。采集到的電流AD 值乘以占空比得計算的平均電流值，當平均值大于限流值時，減小PWM 脈寬值，當平均值小于限流值時，不馬上恢復(fù)原先的PWM 脈寬值，而是有一個環(huán)帶，當電流值低于環(huán)帶值時才開始逐漸增加PWM 脈寬值，當恢復(fù)到原有值時就停止更新脈寬值。所以用平均值來控制PWM 脈寬值時，當占空比很小時，電流即時值就相當大，所以還需要最大值的控制，當電流及時值大于最大值時，同樣執(zhí)行增減PWM 脈寬值程序代碼。當即時值大于過流保護值時，開啟過流保護使PWM 脈寬快速減為0，確保MOSFET 的安全。

圖5 軟件程序流程圖Fig.5 Flow chart of the software design

4 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)

對控制器性能的測試是在天津科達動力測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的通用機臺架實驗設(shè)備（MCT-E2）上進行的，搭配杭州威格智能儀器研究所的測功機軟件?？梢宰詣咏邮諆x器測試數(shù)據(jù)生成excel 表格。如表1 所示為本設(shè)計控制器在轉(zhuǎn)速為463 r/min 時，扭矩從0 逐步增加到50 nm 時所測得的數(shù)據(jù)電機穩(wěn)定在特定轉(zhuǎn)速時，負載以線性方式逐步增加時，控制器的輸入電流跟隨負載扭矩的變化也成線性增加。當負載大到一定程度時，電流隨負載扭矩的增加而非線性增加。此現(xiàn)象正是本設(shè)計中限流子程序中限流算法的體現(xiàn)。限流的作用在于當控制器功率達到一定值時為減少控制器的發(fā)熱，提高控制器的效率，保證驅(qū)動電路MOSFET 工作在安全的環(huán)境下而在軟件上做的措施。

表1 實測數(shù)據(jù)Tab.1 Observed data

5 結(jié)論

文中對于電動車控制器的限流功能，從硬件和軟件兩個方面進行了介紹，提出了對齊采樣方式在限流工作中的關(guān)鍵作用。根據(jù)以上關(guān)于限流方法的設(shè)計以及從得到的實驗數(shù)據(jù)（表1）上分析得帶一種比較好的限制控制器電流的方案，充分保證了控制器在電動車運行過程中的安全和帶負載的能力。

[1]李胤昌.無刷直流電機控制器及其在電動自行車上應(yīng)用的研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2009.

[2]夏長亮.無刷直流電機控制系統(tǒng)[M].科學出版，2009：31.

[3]張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用[M].機械工業(yè)出版社，1996.

[4]易將能，韓力.電動車驅(qū)動電機及其控制技術(shù)綜述[J].微特電機，2001.YI Jiang-neng，HAN Li.Electric vehicles driving motor and its control technology about[J].micro motor，2001.

[5]余永權(quán)，汪明慧，黃英.單片機在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2003.

[6]廖承喜.基于ATmega8單片機的電動自行車控制器的設(shè)計[D]，湖南大學，2008.