CN201113873Y - 电动自行车控制*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种电动自行车控制***，霍尔信号、刹车信号、电子辅助制动(EABS)信号、过流信号和前置驱动电路反馈信号输入单片机，单片机输出信号给前置驱动电路转化为控制信号通过驱动电路控制三相无刷电机换相、变速、停止。本实用新型电路简单，价格低廉，具有无极变速、堵转断流、欠压及过流保护、电子辅助制动(EABS)、巡航定速、60°/120°电角度智能选择等功能；实现了电动自行车的低成本、高性能的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制***，特别是涉及一种用于电动自行车上的电机控制***。
背景技术
电动自行车因其具有的体积小、重量轻、无尾气排放、低噪音，以及方便、快捷、耐用、低价等特点业已成为具有广阔市场前景的代步交通工具。在目前面市的电动自行车中，驱动电机主要采用有刷高速电机、无刷电机和有刷低速电机三种类型，并以前两种类型电机较为常见。与有刷电机相比，无刷电机的控制相对较复杂，一般采用MC33035、LB11690、LM621等专用集成电路控制方案，对于生产厂商来说，此类方案相对成本较高，专用控制器的资源有限，控制比较单一化，不能提供一些智能控制：(1)在驱动60°和120°电角度两种不同型号电机时，必须采用不同的硬件设计电路才能够实现，给生产商带来成本增加和必须增加产品型号才可以解决上述问题的困扰；(2)在小于10％PWM占空比驱动电机运转控制上，专用芯片无法解决电机运转不连续的问题；(3)出现堵转时，专用芯片控制方案无法识别堵转状态。(4)无法实现电子辅助制动EABS(ElectronicAir Brake System)。
发明内容
本发明是针对现在电动自行车控制成本较高，专用控制器的资源有限，控制比较单一化，不能提供一些智能控制，而提供一种电动自行车控制***，在保证产品稳定和性能的前提下，力争用最低的成本实现其功能的升级。
本发明的技术方案为：一种电动自行车控制***，其特点是，它包括三相无刷电机、单片机、前置驱动电路、驱动电路；单片机的输入端分别和霍尔信号、刹车信号、EABS信号、过流信号、欠压信号和前置驱动电路反馈信号相连接；单片机输出端连接前置驱动电路，前置驱动电路和由两两串联的6只场效应管组成的驱动电路相连接，两场效应管的串联中间点分别连接三相无刷电机三相A、B、C以控制三相无刷电机换相、变速、停止。单片机采用20引脚的MCU(upd78F9222)作为主控芯片，用于电动自行车控制的解决方案。
本实用新型的有益效果是：本设计方案主要针对直流无刷电机，电路简单，价格低廉，具有无极变速、堵转断流、欠压及过流保护、电子辅助制动(EABS)、巡航定速、60°/120°电角度智能选择等功能。综合参数测定表明：转距在4.5～10.5之间电机的效率可以达到80％左右。电流曲线的线性度好，功率随转距线性上升。完全达到国家相关标准。实现了电动自行车的低成本、高性能的要求。
附图说明
图1是本发明直流无刷电机控制***示意图；
图2是本发明电机60°电角度的控制时序图；
图3是本发明电机120°电角度的控制时序图；
图4是本发明电机60°和120°电角度的智能选择程序流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示***图，一种电动自行车控制***，其特点是，它包括三相无刷电机9、单片机6、前置驱动电路7、驱动电路8；单片机6的输入端分别和霍尔信号1、刹车信号2、EABS信号3、过流信号4、欠压信号5和前置驱动电路7反馈信号相连接；单片机6输出端连接前置驱动电路7，前置驱动电路7和由两两串联的6只场效应管组成的驱动电路8相连接，两场效应管的串联中间点分别连接三相无刷电机9三相A、B、C，以控制三相无刷电机9换相、变速、停止。***选用单片机控制芯片6为upd78F9222，我们称为MCU，前置驱动电路7采用分立器件实现，构成三相无刷电机9三相A、B、C的上桥和下桥控制信号AH，AL，BH，BL，CH，CL。霍尔信号(H1，H2，H3)1分别输入单片机6的引脚(P121，P122，P123)，通过软件计算得到霍尔信号值，再根据换相表的换向运算找到当前对应的导通相，按照换相控制时序图导通当前相。电机9的驱动电路8采用6只MOS管10，分别为(Q1～Q6)，两两串联，串联中间点分别接三相无刷电机9三相A、B、C。MCU通过内部AD采样速度手柄(由ANIO引脚输入)，由软件计算出对应的PWM值，通过内部定时器H1产生PWM信号，对电机9进行调速控制。刹车信号2、EABS信号3、过流信号4分别输入MCU，通过软件检测这些信号的状态，再根据当前的状态进行各种控制。欠压信号5的形成是通过两个分压电子将36V电压降低到5V以内，送入MCU的AD输入引脚(ANI1)，通过软件进行AD采样，获知当前是否欠压，如果欠压进入欠压处理模式。60°和120°的自适应控制，通过软件实现，即在内存中建立2个换相表，在进行换相控制时不考虑电机9的电角度，只根据霍尔的状态，决定要导通的相。堵转的实现也是通过软件实现，用定时器的计数功能，对换相时间进行计数，计数器到达5s时，表示堵转发生，将堵转状态报告给主控程序，进行进一步处理。巡航控制也无需***硬件，而是采用软件处理，2s内手柄速度无变化即进入巡航定速模式，电机9以一定的速度转动，转把可以回到零位，减轻长时间旋转手柄的疲劳，手柄速度加大、刹车、EABS信号输入退出巡航定速模式。下面表1为upd78f9222单片机控制芯片的I/O脚和功能的对应表格，表2为功能和MCU控制信号的对应关系表。
表1
| 引脚号 | 引脚名称 | 输入/输出 | 功能 | 电平 |
| 1 | VSS | - | GND，保证稳定接地 | - |
| 2 | BH(P121/X1) | O | H3(SC) | H |
| 3 | NC(P122/X2) | - | H2(SB) | - |
| 4 | H3(P123) | I | H1(SA) | - |
| 5 | VDD | - | VDD(2.0～5.5V) | - |
| 6 | /RESET/P34 | - | 编程时的复位/运行时的过流检测输入口 | L |
| 7 | P31/TI010/TO00/INTP2 | I | 报警输出 | - |
| 8 | PWM输入(P30/TI000/INTP0) | I | PWM信号输入 | - |
| 9 | AH(P40) | O | A相上桥驱动，初始化输出低电平 | H |
| 10 | AL(P41/INTP3) | O | A相下桥驱动，初始化输出高电平 | L |
| 11 | PWM输出(P42/TOH1) | O | PWM输出，接至8脚作为INTP0的中断源 | - |
| 12 | BL(P43/TxD6/INTP1) | O | B相下桥驱动，初始化输出高电平 | L |
| 13 | CH(P44/RxD6) | O | C相上桥驱动，初始化输出低电平 | H |
| 14 | CL(P45) | O | C相下桥驱动，初始化输出高电平 | L |
| 15 | FLT(P130) | O | B相上桥驱动，初始化输出高电平 | H |
| 16 | H2(P23/ANI3) | I | EABS制动信号输入 | - |
| 17 | H3(P22/ANI2) | I | BRK(制动) | - |
| 18 | A/D(P21/ANI1) | I | 电池电压信号检测端口 | - |
| 19 | 手柄速度(P20/ANI0) | I | 转把电压信号检测端口 | - |
| 20 | AVREF | - | 模拟信号电源端口 | - |
表2
| 项目 | 操作机能 | 引发事件 | 操作式样 | 电机控制信号 |
| 1 | 空闲模式 | 手柄速度为0，电机停转。 | 1、上电复位。2、正常模式时，手柄及电机实际转速均为0时，进入空闲模式。3、从其他模式退出时，检测到无换相。 | 无换相信号pin无输出。PWM停止。 |
| 2 | 启动模式 | 电机启动 | 1、电机启动：在空闲模式下，检测到手柄速度不为0。2、检测换相信号，检测到有换相，同时，速度不为0，进入正常模式 | 正常换相。 |
| 3 | 正常调速模式 | 手柄速度不为0，换相信号正常。 | 1、启动模式下，检测到换相信号。2、空闲模式下，检测到速度不为0，同时检测到换相信号。3、检测换相信号。4、根据速度手柄调制PWM。 | 正常换相。 |
| 4 | 过流、欠压保护 | 1、反馈电流达到15A2、电压低于33V高于31.5V，或者低于31.5V. | 过流：1、封锁速度手柄、速度降为0。2、速度为0时，封锁PWM输出。欠压：1、31.5V＜电压＜33V时，如果手柄速度不为0，以15％占空比PWM调制。否则，关闭PWM2、电压＜31.5V时，关闭PWM | 正常换相。 |
| 5 | 巡航定速 | 在5秒内转把电压变化小于10％，自动进入巡航状态， | 取当前的速度值。制动或欠压或转把电压变化大于10％，解除巡航。 | 正常换相 |
| 6 | 堵转 | 5s内检测不到霍尔信号 | 1、如果过流，封锁速度手柄、速度降为0。2、如果不过流，不处理。 | 正常换相。 |
下面对MCU单片机控制的具体实现作一一阐述。
1、电机换向控制：
通过换相对应表表3控制逆变器的上下桥导通。
表3
软件上定时读入H1、H2、H3的状态，根据状态的变化，控制ABC三相的输出，每次导通两个MOSFET管。如图2所示60°电角度的控制时序图和图3所示120°电角度的控制时序图。
2、60°和120°电角度智能选择：
具体的控制不需任何硬件资源，通过软件的控制可以实现电机的60°和120°电角度智能选择。如程序流程图4。
3、速度控制：
通过改变PWM的占空比，对下桥输出电压进行斩波，从而实现调速控制。
对于PWM信号的产生是利用upd78F9222内部的8位定时器H1产生的。
8位定时器H1工作在PWM输出模式；PWM输出期间，占空比可调。
(1)PWM频率：12KHz；占空比：0～100％；
(2)PWM操作：
PWM的周期设置：8位定时器比较寄存器01(CMP01)控制定时器输出的周期，在定时器操作期间不可以重写CMP01；
PWM的占空比设置：8位定时器比较寄存器11(CMP11)控制定时器输出的占空比，在定时器操作期间可以重写CMP11。
操作机理：向CMP01中写入周期的控制值N；向CMP11中写入占空比的控制值M。计数时钟的频率为fCNT。则PWM的周期及占空比如下：
PWM脉冲输出周期＝(N+1)/fCNT
占空比＝活跃电平宽度∶PWM的总宽度＝(M+1)∶(N+1)
且：00H≤CMP11(M)＜CMP01(N)≤FFH
定时器启动后，当定时器的计数器H1中的数值与CMP01的值匹配时，定时器的输出变为活跃的高电平，同时H1被清0；之后，H1从0开始计数，当计数值与CMP11的值匹配时，定时器的输出变为低电平。(设置TOLEV1＝0，默认为低电平有效，TOEN1＝1允许输出)
定时器-H1计数频率fCNT的确定：
分析：逆变电机的调制频率设为12KHZ；则周期＝1/12KHZ，设置fCNT＝2.5MHZ，则CMP01取值N＝167，CMP11取值M＝166。
PWM模式的选择：TMHMD1寄存器中的TMMD11：TMMD10＝10。
PWM输出的启动和停止控制：
启动：寄存器TMHMD1的TMHE1＝1，启动之前，确定CMP11已被赋值。
停止：寄存器TMHMD1的TMHE1＝0，停止之后，确定再一次设置了CMP11的值。
PWM模式控制寄存器的格式如下：
(3)最小和最大占空比的获得
最小占空比：清除TMHE1，停止PWM产生，使下桥输出为高电平(关闭)
最大占空比：清除TMHE1，停止PWM产生，使下桥输出为低电平(全部打开)
手柄的速度信号是0～5V的电压信号，送入微处理器的19引脚AIN0，A/D的输入端，软件上每隔10ms采样一次。有效的电压范围取为：1.4V～4V，对应速度值0～20km/h。对应PWM的占空比范围为0～100％。
对应关系如下：
电压取值：1.4～4V
对应A/D值：71～204；通过软件将其修正为：0～133
速度取值：0 1 2 3 4……………………131 132 133
CMP11的设置值：01.25 1.5 1.752………………163.75 165166.25
通过设置CMP11的值获得PWM的占空比调制。
4、、刹车控制：
刹车信号2通过单片机的17引脚输入，通过软件检测到刹车信号后，将当前的速度逐步调低，直至为0。
5、过流保护：
过流保护是通过硬件的方式实现的。电机的反馈电流经过过流保护电路，输出过流信号4接P34脚，通过软件检测P34引脚状态，为低电平，则进入过流保护状态。关闭PWM输出，速度逐步降低直至过流解除。
6、欠压保护：欠压保护是通过接收到欠压信号5，控制速度的递减，进而关闭电机。
7、EABS功能：EABS信号3通过16引脚输入到MCU，MCU检测到EABS信号3之后，以当前速度的50％反向控制MOS管，使电机9倒转，当PWM降低到15％占空比时，关断PWM。
8、堵转检测
采用MCU内部的定时器对换相信号进行检测，即检测霍尔信号1的输入是否发生变化，如果发生变化，说明有换相信号，清除计数器的计数值。如果没有发生变化，在此计数器继续计数，当计数到5s时，说明5s内MCU没有检测到换相信号。则堵转发生，将此信号报告给主控软件进行处理。
9、巡航定速：
2s内手柄速度无变化即进入巡航定速模式，电机9以一定的速度转动，转把可以回到零位，减轻长时间旋转手柄的疲劳，手柄速度加大、刹车信号2、EABS信号3输入退出巡航定速模式。
Claims (1)
1. 一种电动自行车控制***，其特征在于，它包括三相无刷电机(9)、单片机(6)、前置驱动电路(7)、驱动电路(8)；单片机(6)的输入端分别和霍尔信号(1)、刹车信号(2)、EABS信号(3)、过流信号(4)、欠压信号(5)和前置驱动电路(7)反馈信号相连接；单片机(6)输出端连接前置驱动电路(7)，前置驱动电路(7)和由两两串联的6只场效应管组成的驱动电路(8)相连接，两场效应管的串联中间点分别连接三相无刷电机(9)三相A、B、C以控制三相无刷电机(9)换相、变速、停止。
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