电动车无刷电机控制器软件设计详解.doc

电动车无刷电机控制器软件设计详解
    本文以MICROCHIP 公司所生产的PIC16F72为基础说明软件编程方面所涉及的要点,此文所涉及的源程序均以PIC的汇编语言为例。
    由于软件不可避免需与硬件相结合,所以此文可能出现硬件电路图或示意图。
本文适合在单片机编程方面有一定经验的读者,有些基础知识恕不一一介绍。
    我们先列一下电动车无刷马达控制器的基本要求:
功能性要求:
   
   
   
   
   
    +1助力
   
   
    (消除换相噪音,倒车等)
安全性要求:
   
   
   
   
   
    (防盗锁死,温升限制等)
   
从上面的要求来看,功能性要求和安全性要求的前三项用专用的无刷马达驱动芯片加上适当的外围电路均不难解决,代表芯片是摩托罗拉的MC33035,早期的控制器方案均用该集成块解决。但后来随着竞争加剧,很多厂商都增加了不少附加功能,一些附加功能用硬件来实现就比较困难,所以使用单片机来做控制的控制器迅速取代了硬件电路芯片。
    但是硬件控制和软件控制有很大的区别,硬件控制的反应速度仅仅受限于逻辑门的开关速度,而软件的运行则需要时间。要使软件跟得上电机控制的需求,就必须要求软件在最短的时间内能够正确处理换相,电流限制等各种复杂动作,这就涉及到一个对外部信号的采样频率,采样时机,信号的内部处理判断及处理结果的输出,还有一些抗干扰措施等,这些都是软件设计中需要再三仔细考虑的东西。
    PIC16F72是一款哈佛结构,精简指令集的MCU,由于其数据总线和指令总线分开,总共35条单字指令,0-20M的时钟速度,所以其运算速度和抗干扰性能都非常出色,2K字长的 FLASH程序空间,22个可用的IO口,同时又附加了3个定时/计数器,5个8位AD口,1个比较/捕捉/脉宽调制器,8个中断源,这些优异的性能为电动车控制器控制提供了良好的硬件环境和软件基础,一经推出就赢得众多设计人员的热捧。
那么如何使用PIC16F72来设计一个电动车控制器呢?我们下面以目前市面流行的硬件设计为基础,尽量通俗易懂地介绍一下程序设计思路和注意点。
要使无刷电机转起来,并且听从驾驶者的调速、刹车等基本指挥,最基本的要求就是要实现硬件所能实现的电子换向和调速,刹车等功能。实际上软件的整体设计也和硬件一样,也是一个模块化堆砌的过程,问题在于模块的合理化堆砌,使堆砌后形成的整体能够坚固,协调、高效率运作。我们先说一说各种模块功能的简单实现,然后再来讨论如何使这些模块协调运转。

    我们知道,直流永磁电机在运转时需要一对电刷和与线圈相对应的换向整流子来使线圈中的电流方向根据磁场方向来不断改变,从而转子持续向一个方向运转,我们称这种电机为有刷电机,在电动车刚刚面世时一般均使用这种电机,但有刷电机有一个致命的缺陷,就是用作电刷的碳刷非常容易磨损,换向整流子也非常容易被油污,碳刷碎屑填满空隙而漏电,而且功率越大,这种毛病越严重,导致有刷电机维护量和故障率急剧上升,严重影响其推广,因此在较大功率的场合,无刷电机应运而生。
    无刷电机,顾名思义就是没有了电刷,不能自动换向,因此要依靠传感器检测转子的位置、用电子开关来改变线圈中电流的方向,所以其控制器要对转子永磁体位置进行精确检测,并用电子开关切换不同绕组通电以获得持续向前的动力。转子位置检测传感器有很多,比如光传感器,磁感应传感器等,电子开关可以用大功率三极管、功率型场效应管、IGBT等制作,在目前的绝大多数电动车三相无刷电机中均使用三个开关式的霍尔传感器检测永磁体相对于定子线圈的位置,控制器跟据三个霍尔传感器输出的六种不同信号输出相应的控制信号驱动功率型场效应管(MOSFET)组成的电子开关向马达供电。这就是所谓六步换相法。从电机原理可以看出,这种电机是一种特殊的同步电机,因此换相必须及时,否则会导致电机失步,从而使电机噪音增大,效率降低,严重的还会导致控制器,电机烧毁。
    鉴于以上要求,我们先必须测一下市面上普通的无刷马达在最高转速时(考虑到顺风和下坡的情况)的换向情况,这个比较简单,用示波器测量之后得到在最高速时每相霍尔传感器输出的频率大概在140HZ左右,折合到换向的最小时间,,根据际的使用效果,,也就是说在检测到换相信号的改变并且输出换相驱动