一種電動自行車控制系統(tǒng)的硬件設(shè)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(dāng)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(xù)發(fā)展的角度、時代發(fā)展的趨勢還是從人類自身健康的角度來講,發(fā)展清潔能源和清潔的交通方式都是未來的發(fā)展趨勢。

1 控制系統(tǒng)的設(shè)計與原理分析

本文的控制系統(tǒng)主要由三相全橋逆變電路、無刷直流電動機(jī)、霍爾位置傳感器、控制器和驅(qū)動電路5大部分構(gòu)成。其中,無刷直流電動機(jī)也是采用三相兩極結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)軸上的,它用來跟蹤檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置,然后將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號傳送給控制器?？刂破鲗⑽恢脗鞲衅鱾魉瓦^來的轉(zhuǎn)子位置信號轉(zhuǎn)變成電信號,作用在驅(qū)動電路上,使三相全橋逆變電路的晶閘管按一定順序?qū)ɑ蜿P(guān)斷,從而使無刷直流電動機(jī)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(dǎo)通的,其余4個關(guān)斷。通電的定子繞組不同,它產(chǎn)生的磁場也不同,轉(zhuǎn)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(chǎn)生的磁場作用下,轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的狀態(tài),這樣便實現(xiàn)了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)[1],如圖1所示。

1.1 霍爾位置傳感器的介紹

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于某一位置時,霍爾位置傳感器將轉(zhuǎn)子的位置信號傳送給控制器,控制器作用于驅(qū)動電路,使下一狀態(tài)的電子功率開關(guān)管進(jìn)行導(dǎo)通,從而使另一組兩相定子繞組通電,產(chǎn)生的磁場與定子磁鋼相互作用,驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[2]。

它包括轉(zhuǎn)子和定子,轉(zhuǎn)子由無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子充當(dāng),定子則按一定規(guī)律安裝在無刷直流電動機(jī)定子繞組附近。因為所用的電機(jī)是無刷直流電動機(jī),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(jī)轉(zhuǎn)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(diào)制調(diào)速

調(diào)速是電動自行車最為關(guān)鍵的核心技術(shù),電動自行車整體性能的優(yōu)劣與否都體現(xiàn)在調(diào)速功能上,整個控制系統(tǒng)設(shè)計的難點就在于調(diào)速的實現(xiàn)。對于電動自行車而言,早期的電樞電壓調(diào)速是由繼電器實現(xiàn)的,之后由晶閘管控制,現(xiàn)在大多用的是PWM脈沖寬度調(diào)制,這期間的發(fā)展主要還要歸功于新型開關(guān)器件的出現(xiàn)。

PWM脈沖寬度調(diào)速是指通過控制電子功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間,調(diào)整輸送到電機(jī)定子繞組上的電壓來實現(xiàn)調(diào)速,其實質(zhì)就是在一個周期T(單片機(jī)的脈沖時鐘周期)內(nèi),通過調(diào)節(jié)電子功率開關(guān)管導(dǎo)通的時間在0～T內(nèi)變化,從而使輸出到電機(jī)定子繞組電壓變化來實現(xiàn)調(diào)速[3]。

電源提供給電子功率開關(guān)管的電壓為Ui,電子功率開關(guān)管在一個周期T內(nèi)導(dǎo)通時間為Ton(0≤Ton≤T),Uo為電子功率開關(guān)管輸送到電機(jī)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(diào)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(diào)節(jié)電子功率開關(guān)管的導(dǎo)通時間Ton,就使得經(jīng)電子功率開關(guān)管“斬波”后輸出到電機(jī)的電壓Uo在0～Ui的范圍內(nèi)變化,從而達(dá)到了調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

由控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能,可以設(shè)計出控制系統(tǒng),如圖4所示[4]。

圖4 控制系統(tǒng)

2.1 電源電路

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

為了得到功率驅(qū)動電路需要的+15 V電壓,采用可調(diào)式集成穩(wěn)壓器LM317T來進(jìn)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(jī)和其他控制電路所需要的+5 V電壓,采用固定式集成穩(wěn)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(dá)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(fù)載的干擾作用。

2.2 ATmega48單片機(jī)

ATmega48單片機(jī)是一款具有MEGA系列高檔單片機(jī)全部性能,但價格又與低檔單片機(jī)相當(dāng)?shù)某壭詢r比的單片機(jī)。它采用了小引腳封裝,是一款低功耗的CMOS型8位單片機(jī);具有4 K字節(jié)的Flash程序儲存器,能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程(ISP)和應(yīng)用編程(IAP);具有512字節(jié)的SRAM和256字節(jié)的EEPROM,以及18個內(nèi)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(shù)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(nèi)存技術(shù),片內(nèi)的Flash能夠通過自引導(dǎo)的Boot程序來進(jìn)行自編程,能通過通用編程器以及SPI接口來進(jìn)行編程。通過自引導(dǎo)Boot程序,并利用它的硬件接口,就可以將應(yīng)用程序下載并且寫入片內(nèi)的Flash應(yīng)用程序區(qū)中;可以利用Boot區(qū)中的自引導(dǎo)程序來更新片內(nèi)Flash應(yīng)用程序區(qū)的數(shù)據(jù),從而實現(xiàn)了同時讀寫的功能。它將在系統(tǒng)編程、應(yīng)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(yīng)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(jīng)GND接地。(2)PB2、PD5、PD6輸出PWM信號,控制著上橋驅(qū)動電路;PB1、PB3、PD3輸出普通高低電平信號,控制著下橋驅(qū)動電路。(3)PD7為過流檢測輸入,它是系統(tǒng)的開關(guān)輸入量;PC2為電流檢測輸入,為速度電流雙閉環(huán)調(diào)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(huán)調(diào)速提供速度量。(5)PC1為手把電壓輸入,用于調(diào)速。(6)PD4為剎車信號輸入,是系統(tǒng)的開關(guān)輸入量。此外,PC6為復(fù)位輸入;MOSI、MISO和SCK均為調(diào)試口,用于下載程序或在線調(diào)試。圖6為單片機(jī)ATmega48的引腳分布圖。

圖6 ATmega48單片機(jī)引腳分配

2.3 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用專門用于無刷直流電動機(jī)的三相全橋MOSFET管柵極驅(qū)動的IR21367芯片,單片機(jī)的六路輸出口分別對應(yīng)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(guān)管VT1、VT3、VT5、VT2、VT4、VT6[6],如圖7所示。

2.4 電流檢測過流保護(hù)電路

“兩相導(dǎo)通的三相星形六狀態(tài)”的無刷直流電動機(jī)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(lián)一個采樣電阻便能夠測得導(dǎo)通相的相電流。通過一個康銅電阻R25(0.01 Ω/1 W)來實現(xiàn)電流的檢測,它接在電機(jī)的母線高壓側(cè)。通過1 A的運算放大器實現(xiàn)電流的反饋,通過2 A的比較器來實現(xiàn)過電流的檢測[7]。圖8為用電阻法設(shè)計的電流檢測過流保護(hù)電路。

圖8 電流檢測過流保護(hù)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(tǒng)中主要有2個作用:檢測定、轉(zhuǎn)子的相對位置,給控制器提供驅(qū)動換相信號;檢測脈沖信號的個數(shù),經(jīng)過控制器軟件計算后變換成速度信號,形成速度的閉環(huán)調(diào)節(jié)[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(jī)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(jī)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(jī)的AD端口,由這個智能芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)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(jī)AD端口電壓為0 V。C41與R41的作用是濾除手把電壓中的調(diào)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(jī)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(yīng)電壓會不斷地下降,這個過程中,發(fā)光二極管對應(yīng)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(fā)光二極管點亮過程正好相反。

圖12 電量顯示電路

3 結(jié)語

本文控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要實現(xiàn)以下功能:改變電機(jī)轉(zhuǎn)速(調(diào)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(tǒng)電路過電流保護(hù)的功能。

3.1 改變電機(jī)轉(zhuǎn)速(調(diào)速)的功能

通過旋轉(zhuǎn)車把右邊的旋鈕來調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)PWM波的占空比,進(jìn)而來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.2 輔助剎車的功能

當(dāng)閘把作用時,產(chǎn)生一個開關(guān)信號給予控制器,促使PWM禁止輸出,并通過剎車片的機(jī)械摩擦作用使車輪停止轉(zhuǎn)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(shè)計用的蓄電池規(guī)格是48V12AH的鉛酸蓄電池,采用4個發(fā)光二極管來大概地顯示電量。原理是:4個發(fā)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(dǎo)致電壓不斷降低,使接入電阻阻值最大的發(fā)光二極管分得的電壓不夠使它保持點亮而熄滅,電壓進(jìn)一步下降,從而使得接入電阻阻值從大到小的發(fā)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(tǒng)電路過電流保護(hù)的功能

由于負(fù)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(jìn)行保護(hù),當(dāng)檢測到的電流大于20 A時,控制器關(guān)閉PWM輸出,車把右邊的旋鈕失效。