基于STCl2C5410AD的電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器檢測設(shè)計(jì)

0 引言

　　伴隨著城市化進(jìn)程，人們生活的交通距離不斷擴(kuò)大，代替燃油汽車和自行車的電動(dòng)車的普及大幅度的提高了電力資源的利用效率，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。電動(dòng)自行車以電力作動(dòng)力，騎行中不產(chǎn)生污染，無損于空氣質(zhì)量。從改善人們的出行方式、保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件許可情況等因素綜合來看，電動(dòng)自行車目前乃至今后都有著廣闊的發(fā)展空間。電動(dòng)自行車所用直流電機(jī)分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種。其中有刷電機(jī)控制較簡單。但其易磨損的電刷帶來維修保養(yǎng)工作量相對(duì)較大、使用壽命相對(duì)較短等缺點(diǎn)。而直流無刷電機(jī)本身沒有易磨損部件，電機(jī)壽命長，維修保養(yǎng)工作量小。但直流無刷電機(jī)采用電子換向原理工作，其控制過程比有刷電機(jī)復(fù)雜得多，因此對(duì)控制器質(zhì)量的要求也高得多。

　　目前電動(dòng)自行車采用的直流無刷電機(jī)都是三相電機(jī)，電角度有60°和120°兩種。電機(jī)極數(shù)大部分為18極，也有16極、20極等?？刂破鞲鶕?jù)霍爾反饋的電機(jī)電極位置，控制相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)管的開通或關(guān)斷，在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　為了判斷無刷控制器是否能夠正常運(yùn)行，也就是檢測轉(zhuǎn)把和剎車功能是否正常，判斷控制器的角度是60°還是120°，并且確定繞組A，B，C相與位置信號(hào)a，b，c之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，正確地將控制器與電機(jī)進(jìn)行連接，現(xiàn)在很多的檢測儀器都采用模擬電路，使得結(jié)果不是很精確，而且需要的電路也很復(fù)雜，成本很大。設(shè)計(jì)采用STCl2C5410AD單片機(jī)作為控制芯片，大大簡化了硬件電路，以軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

l 電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器簡介

　　控制器由周邊器件和主芯片(或單片機(jī))組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關(guān)電路，以及輔助單片機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐吠瓿煽刂七^程的器件；單片機(jī)也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號(hào)語言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開關(guān)電路功率管導(dǎo)通或截止、通過方波控制功率管的的導(dǎo)通時(shí)間以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)片。這就是電動(dòng)自行車的智能控制器。

　　控制器的設(shè)計(jì)品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整車的性能和運(yùn)行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。不同品質(zhì)的控制器，用在同一輛車上，配用同一組相同充放電狀態(tài)的電池，有時(shí)也會(huì)在續(xù)駛能力上顯示出較大差別。

　　目前，電動(dòng)自行車所采用的控制器電路原理基本相同或接近。有刷和無刷直流電機(jī)大都采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速，只是選用驅(qū)動(dòng)電路、集成電路、開關(guān)電路功率晶體管和某些相關(guān)功能上的差別。元器件和電路上的差異，構(gòu)成了控制器性能上的不同。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　為了判斷無刷控制器是否正常，測量控制器各個(gè)部分的輸出信號(hào)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠接收電機(jī)、轉(zhuǎn)把、剎車的信號(hào)，判斷這個(gè)控制器是否能實(shí)現(xiàn)其需要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)要檢測控制器的轉(zhuǎn)把和剎把是否有穩(wěn)定的5 V電壓輸出，判斷控制器的角度，以及判斷霍爾控制線相序及與其對(duì)應(yīng)的電機(jī)電源相序是否一致。只有位置傳感器信號(hào)和繞組A，B，C正確連接才能使電機(jī)正常運(yùn)行。圖1為電路整體設(shè)計(jì)原理圖，系統(tǒng)采用STCl2C5410AD單片機(jī)作為主要控制芯片。STCl2C5410AD系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘／機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4路PWM，8路高速10位A／D轉(zhuǎn)換，專門針對(duì)強(qiáng)干擾場合電機(jī)控制。

　　2．1 橋式整流電路

　　因?yàn)榭刂破鞴ぷ餍枰氖侵绷麟姡孕枰觽€(gè)整流電路。系統(tǒng)選用的是單相橋式整流電路。這種電路只要將四只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)。

　　2．2 剎車與轉(zhuǎn)把信號(hào)的檢測

　　剎車信號(hào)高低電位的變化，是控制器識(shí)別電動(dòng)車是否處于剎車狀態(tài)，從而判斷控制器是否給電機(jī)供電的依據(jù)。只要將剎車和轉(zhuǎn)把信號(hào)的輸出端接到STCl2C5410AD單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換端P16和P17，便能檢測輸出是否正常。

　　2．3 控制器角度與相序的判斷

　　如圖2所示，首先判斷繞組電壓A的輸出，將兩個(gè)光藕合器連到控制器的末級(jí)，與A的上下管并聯(lián)起來，當(dāng)A的上管導(dǎo)通時(shí)，A輸出高電壓，使下面的光耦導(dǎo)通。從而輸出一個(gè)電壓值，通過STCl2C5410AD單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換端P11口送到單片機(jī)中；當(dāng)A的下管導(dǎo)通時(shí)，A輸出低電壓，使上面的光耦導(dǎo)通，從而輸出一個(gè)電壓值，通過STCl2C5410AD單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換端P10口送到單片機(jī)中。B和C用上面同樣的接法。在輸出時(shí)沒有直接輸出，而是通過光耦隔離后才輸出，原因如下：光耦合器的信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、無觸點(diǎn)、使用壽命長、傳輸效率高。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3．1 總體設(shè)計(jì)流程圖

　　總體設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

　　測量控制器輸入端阻抗，當(dāng)其大于10 Ω時(shí)為正常，否則電源輸入端短路。轉(zhuǎn)把、剎把、霍爾電源端的檢測要保證輸出電壓大于4．5 V。控制器角度和相序的判斷根據(jù)無刷真值表進(jìn)行判斷和檢測，以下僅以控制器角度判斷為例進(jìn)行說明。

　　3．2控制器角度判斷程序設(shè)計(jì)

　　由表1可以看出當(dāng)a，b，c都取“0”，控制器角度為120°的時(shí)候，A，B，C上下管都不導(dǎo)通；而控制器為60°時(shí)A的上管和B的下管導(dǎo)通，這樣便能根據(jù)a，b，c都取“0”時(shí)，A，B，C的輸出信號(hào)來判斷控制器的角度。流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STCl2C5410AD單片機(jī)作為控制芯片，電路簡單，測量精確，很好地滿足了電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器檢測的各項(xiàng)需求，能夠檢測控制器接轉(zhuǎn)把和剎把端是否正常，能夠判斷控制器的角度，霍爾控制相序以及與其對(duì)應(yīng)的電機(jī)電源相序是否一致。希望該設(shè)計(jì)在將來的應(yīng)用中得到更好的改進(jìn)和完善。