E-Bicyclen

AtmelShenzhenOffice2005-12-30E-BikeE-BIKE主要电气部件•E-BIKE主要电器部件控制器直流无刷电机电池转把手柄刹车传感器防盗器仪表盘助力传感器充电器头灯，尾灯等E-BIKE控制器周边接口•E-BIKE控制器周边接口转把信号助力信号防盗控制信号电机HALL信号刹车信号LOCK-48V电机供电KEY-48VMOSFET-48VKEY-48V：电门供电给控制电路LOCK-48V：防盗器供电给控制电路MOSFET-48V：电池直接供给MOSFET控制器概述•系统采用AVR单片机作为控制器AVR丰富的硬件资源和卓越的性能使其成为最具竞争力的微控制器•功能说明PWM控制故障检测限流控制过流保护堵转保护欠压保护E-ABS功能助力功能防盗功能自动识别相位功能控制器系统结构•E-BIKE控制器系统结构KEY-48V：电门供电给控制电路LOCK-48V：防盗器供电给控制电路MOSFET-48V：电池直接供给MOSFET转把信号助力信号防盗控制信号电机HALL信号刹车信号LOCK-48V电机供电KEY-48VMOSFET-48VMCU驱动power输入信号接口电流检测AVRMCU特点•28引脚PDIP，32引脚TQFP或MLF23个可编程I/O口•宽工作电压1.8~5.5v•运行速度快最高工作频率可达到20MHz大多数指令为单时钟周期•两个时钟周期的硬件乘法器•4KByte非易失性Flash程序存储器高可靠的用户程序保密功能可擦写10，000次•256ByteEEPROM，可擦写100，000次•512Byte片内SRAMAVRMCU特点•2个8位T/C和1个16位T/C独立预分频器16位T/C带有输入捕获功能每个T/C可提供2个PWM，总共有6个PWM16位T/C有15种PWM模式，8位T/C有6种PWM模式16位T/C可输出16位的PWM•片内模拟比较器对外部模拟信号进行比较，并产生中断•ADCTQFP或MLF封装有8路AD通道，PDIP封装有6路AD通道10位AD转换10位AD最短转换时间为65us，8位AD最短转换时间为12usAVRMCU特点•内部可校准RC振荡器校准后精度可达到±1%•外部中断两个外部中断INT0和INT1引脚电平变化中断•片内独立振荡器的可编程看门狗定时器•内部掉电检测电路•debugWIRE调试接口在线调试仅占用RESET引脚BLDC特性•BLDC属于永磁同步电机，转子为永磁材料，随定子磁场同步转动•BLDC特点结构简单无物理电刷运行可靠维护方便具备直流电机的效率高无励磁损耗调速性能好•正因为如此多特点，使其广泛应用于电动自行车行业BLDC特性方程•直流无刷电机运行的基本方程式•电动势系数：Ke=Ea/nEa—感生电动势n—电机转速•转矩系数：KT=Ta/ITa—平均输出转矩I—工作电流•在具体电机中，Ke和KT是常数和驱动方式有很大关系BLDC特性方程•电压平衡方程式：U=Ea+IRR为电机内阻•n=U/Ke-RTa/KeKT•Ta-TL=（/375）*（dn/dt）—电动机转子飞轮力矩TL—电动机负载转矩2GD2GDBLDC驱动电路•BLDC驱动电路BLDC驱动•目前在电动自行车上常用的三相无刷直流电机有两种一种是120度电角度一种是60度电角度•三相全控电路，通电方式为两两通电方式•设计中有防止上下桥同时导通的硬件保护电路•MOSFET驱动方式使用5109作为驱动独立元器件作驱动电路BLDC换相表HALLTOPBridgeBOTTOMBridge序号HAHBHCQ1Q3Q5Q0Q2Q412001011111001121101130101140111150011160000011100111201111311111411011510011BLDC驱动换相波形（120度）换相驱动•将HALL信号对应到相应的相序值以120度电机为例Hall_signal[6]={5,1,3,2,6,4}相序表可定义为Phase_sequence[8]以下面的高级语言表达式来填充Phase_sequence表For(i=0;i6;i++)Phase_sequence[Hall_signal[i]]=i;在Phase_sequence中未填充的用6填充，于是得到Phase_sequence[8]={6,1,3,2,5,0,4,6}相序表最大的好处是直接带入Hall值可以得到相位次序值，便于查找驱动值换相驱动•建立驱动表按照相序定义PWM和上下桥驱动到数组pwm_ctr[7]，tb_bridge_ctr[7]中驱动表格里对应供电顺序是A-B，A-C，B-C，B-A，C-A，C-B将上下桥驱动数组的最后一个字节定义成关闭所有桥•利用相序表和驱动表查找驱动值假设当前读到的Hall值为“5”，将“5”带入相序表中，得到相序值是Phase_sequence[5]，既为“0”将得到的相序值“0”带入pwm_ctr，tb_bridge_ctr数组，即可得到用于控制PWM输出和上下桥开关的驱动值•BLDC换相控制对于不同电角度的电机，换相控制采用相应的驱动表格利用Hall信号进行相位控制，可以计算MOT的转速自动测相功能•自动测相功能在Hall信号和电机供电线任意搭配的情况下，该功能可以自动检测填充Hall_signal和Phase_sequence表格，并找出正确驱动值适合120，60度电机，测试成功率100%简化控制器安装，非常适合于配件市场•自动测相操作在控制板掉电情况下，连接上自动测相功能选择线，检查电机供电以及Hall信号线连接打开控制板电源，并顺时针旋转电机，即进入自动测相模式自动测相时，要保持电机能灵活转动自动测相功能•自动测相功能实现当Hall信号变化时，按照顺序将Hall值记录到Hall_signal数组中根据Hall_signal的特征判断电机类型(120/60度)根据Hall_signal建立第一次Phase_sequence表格将PWM设为一个较小值，避免测相时出现大电流根据Hall_signal，Phase_sequence表起动电机如果电机不能转动则将Hall_signal左循环移动一字节，重新建立Phase_sequence表格，再重新起动电机当相位和驱动对应上后，即可正常运转PWM和电流限制控制•PWM调节调整PWM的占空比来调节工作电压通过调节工作电压来调节电机转速和电流力矩的平衡关系PWM可调范围为15%~100%PWM工作频率为15KHz•电流限制控制电流限制控制目的是为了保护MOSFET换相错误，MOSFET损坏等因素都可能引起电流变大PWM和电流限制控制•电流限制当电流值大于软件设定值时，则将PWM下调当电流值小于软件设定值时，且PWM小于转把设定值时，则将PWM上调下图为电流限制时电流波形1：为实际电流波形2：放大滤波后进入MCU波形3：HALL-A信号•换相电流补偿也称为“重叠换相”加快电流上升速度克服电磁脉动引起的噪音E-BIKE功能说明•自动巡航功能当起动电机后，转把在某一位置停留8S，进入自动巡航模式复位转把后再次加大转把可以取消自动巡航模式刹车或欠压等也可以取消自动巡航模式•堵转保护当电机在重负载情况下被迫停止，2S后停止给电机供电•防飞车保护当转把处于起动状态时，开启控制电路电源，此时电机处于防飞车状态，不会转动有效防止转把损坏的情形下电机突然起动E-BIKE功能说明•自动测相功能自动识别Hall并建立驱动表格•助力功能助力传感器一般为数字式，输出为方波信号•防盗功能当防盗信号为低时，控制器进入防盗状态，当Hall有变化时，则开通所有驱动下桥抱死电机软件设计•系统设计MCU初始化系统初始化Hall及驱动初始化standby模式MOT运行控制模式Hall变化中断，换相控制系统出错处理startMCUinitSysteminitHalldriverinitStandbymodeMotrunmodeSystemerrorError?Run?NNYY软件设计•系统初始化初始化系统参数检测电流通道是否异常•Hall及驱动初始化建立Hall及驱动表格•StandbymodeLED显示控制器状态转把信号采集，处理电池电压采样，处理助力信号采集系统条件判断，确定是否起动电机软件设计•MOT运行控制模式转把信号采集，处理电池电压采样，处理助力信号采集Re_checkHall信号，判别是否重新输出新的驱动系统条件判断，确定是否起动电机电流检测控制最快电流控制时间为80us•分时处理各信号量为了加快电流检测控制，要缩短其他事务处理时间8ms内仅处理转把信号或电池电压软件设计•Hall变化中断，换相控制检测Hall信号值查找相序，并提取驱动值根据条件判断是否要进行换相电流补偿•系统出错控制停止给电机供电LED显示出错信息特点•AVR工作速度快，因此对事件响应快•硬件过流保护电路，有过流状况发生时，硬件首先切断MOT供电，保护系统将信息提交MCU处理•起动力矩大，加速度快•8位PWM的工作频率为15KHz，可提高PWM频率特点•当出现连续缺相的状况时，系统自动保护•电流闭环控制，连续检测电流，并作调节•使用TQFP封装时，有多余的IO口可做其它功能使用•效率高竞争对手ATmega48PIC16F72最大工作频率20MHZ20MHZ指令集131条指令多数为单周期指令硬件乘法指令指令少I/O23脚位电平变化中断22Memory4KBFLASH512BSRAM256EEPROM2K×14128BRAMNOEEPROMT/C2个8位T/C1个16位T/C6PWM输出2个8位T/C一个16位T/C1PWMAD8路10位AD（TQFP）6路10位AD（PDIP）模拟比较器5路8位AD调试debugWIRE－其他内部RC，BODBORE-Bike电机负载特性测试---客户控制板电机负载特性测试---AVR控制板电机负载特性测试---客户控制板电机负载特性测试---AVR控制板Question•如何看待电机效率？不同电机的工作效率不同控制方法和ＰＣＢ布线会有影响要提供良好的工作环境•控制板发热问题？MOT处于堵转时，控制板发热会比较严重堵转2s，系统会停止对MOT供电在重负载低速情况下，控制板发热情况也会比较严重Question