MCU為電動自行車提供有效的驅(qū)動(圖)

從CD/DVD播放器和電腦制冷風(fēng)扇到工業(yè)機(jī)械以及包含混合動力汽車、著名的Segway電動滑板車和許多其他電動滑板車、電力驅(qū)動的自行車（或稱為“電動自行車”）在內(nèi)的電動交通工具，無刷直流電動機(jī)正在各種領(lǐng)域中取代整流式電動機(jī)。由于它們越來越普及，特別是在亞洲，這樣的“個(gè)人運(yùn)輸設(shè)備”向制造商描繪了巨大的潛在市場，并且可能有助于降低全球的能源消耗。

即使北美市場也顯示了采用電動自行車的可能性。自2000年8月以來，由加利福尼亞州圣克魯斯的縣區(qū)域性運(yùn)輸委員會資助的一項(xiàng)活動對居民購買電動自行車予以部分退款。由Ecology Action進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查顯示，62%的活動參與者從只駕駛單乘客的汽車轉(zhuǎn)變?yōu)槠骄恐茯T電動自行車行駛24～28英里。

盡管這種情況可能是獨(dú)一無二的，但它說明了電動自行車的實(shí)用性和效用是怎樣減少個(gè)人汽車旅程，并進(jìn)而減少交通擁擠，停車場需求以及空氣污染的。如果將這種經(jīng)驗(yàn)在整個(gè)美國推廣，影響可能會非常大。根據(jù)環(huán)境保護(hù)局的說法，在美國，人們每天大約進(jìn)行9億次汽車旅行，其中一半路程少于5英里而且只乘載了一位乘客。

電動自行車部件

基本型電動自行車通過由電池供電的無刷直流電動機(jī)來驅(qū)動，并由電子控制設(shè)備（ECU）進(jìn)行控制。無刷直流電動機(jī)之所以受歡迎，是因?yàn)樗鼈冞\(yùn)轉(zhuǎn)快、無噪聲、效率高，而且展示了比整流式電動機(jī)更長的工作壽命。無刷直流電動機(jī)中傳送的力矩和電動機(jī)尺寸的比值比其他電動機(jī)要高，這使得它們非常適用于對體積/重量要求比較高的應(yīng)用。

無刷直流電動機(jī)所需要的基于MCU的控制器通常受限于應(yīng)用的要求，但是常見的例子是用于電動自行車的控制單元。這項(xiàng)應(yīng)用不僅需要波形因數(shù)小，而且對成本的要求也特別高。

基本型電動自行車在設(shè)計(jì)上是簡單的。它的后輪由三相無刷直流電動機(jī)驅(qū)動，額定功率通常在幾百瓦。電池的電壓通常是36V或者48V，而ECU包含了幾乎所有電子裝置（參見圖1），包括MCU、電動機(jī)逆變器、溫度傳感器、故障檢測、SMPS以及I/O。這些電子裝置通常安放在明信片大小的單元內(nèi)，而且對熱性能和耐用性有很高的要求，這些都為設(shè)計(jì)者提出了許多難題。

設(shè)計(jì)難題

成本敏感性、零件數(shù)量以及整體功能的難題可以通過使用功能強(qiáng)大但價(jià)格低廉的8位微控制器來解決，例如，英飛凌公司的XC866。ECU設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)尋找每個(gè)機(jī)器周期兩個(gè)時(shí)鐘的增強(qiáng)型8051芯片（而不是標(biāo)準(zhǔn)的12），它提供了更強(qiáng)的計(jì)算效率，更快的執(zhí)行速度以及增強(qiáng)的最大時(shí)鐘速率，并且，它可以在較低的晶振速度下完成相同的工作，在不犧牲性能的情況下降低能源消耗。
為了適應(yīng)電動機(jī)控制的算法，嵌入式閃存大小的要求可能在4～16KB之間。MCU的電動機(jī)控制外設(shè)可能包含一塊脈寬調(diào)制電路，通過可以預(yù)編程以自動執(zhí)行任務(wù)的捕獲/比較單元（CCU）來實(shí)現(xiàn)，它有助于減小代碼大小以及CPU的負(fù)荷。此外，CCU可以連接到8通道10位ADC來提供硬件事件驅(qū)動的觸發(fā)，來提供無須傳感器的控制功能。

圖1 電動自行車控制單元驅(qū)動三相無刷直流電動機(jī)

無傳感器型控制

無傳感器型的控制在要求低成本和高可靠性的應(yīng)用中是很重要的，比如在電動自行車以及暴露在戶外自然環(huán)境和嚴(yán)峻溫度之中的其他應(yīng)用。無刷直流電動機(jī)應(yīng)用中常用的霍爾傳感器非常容易受這些因素的影響，而且長期暴露在這種環(huán)境中會使可靠性明顯降低。

但是，在考慮轉(zhuǎn)換到無傳感器型BLDC電動機(jī)控制時(shí)，設(shè)計(jì)人員面臨著如何使無傳感器型系統(tǒng)滿足需要的性能水平的難題。與這一點(diǎn)有最密切關(guān)系的是啟動電動機(jī)，因?yàn)闊o傳感器型控制是基于反電動勢的，而反電動勢只有在電動機(jī)旋轉(zhuǎn)的時(shí)候才存在。

對于帶有腳蹬的電動自行車而言，這個(gè)問題并不嚴(yán)重，因?yàn)轵T車人可以在電動機(jī)達(dá)到需要的速度之后再激活電子控制。但是在沒有腳蹬的電動自行車中，必須要配備從熄火狀態(tài)啟動電動機(jī)的算法。

由于難以預(yù)知的情況，傳統(tǒng)的強(qiáng)迫換流啟動辦法通常不適用于無傳感器系統(tǒng)，因此制造商通常會使用結(jié)合幾項(xiàng)技術(shù)的方法來啟動電動機(jī)。例如，因?yàn)樵趩与妱訖C(jī)之前不知道轉(zhuǎn)子的位置，所以可以使用預(yù)設(shè)相位來確定轉(zhuǎn)子的位置或者將轉(zhuǎn)子放在確定的位置。

一旦轉(zhuǎn)子位于啟動位置，可以向電動機(jī)應(yīng)用加速表，以探測反電動勢的過零點(diǎn)信息。如果微控制器探測到預(yù)定數(shù)量的過零點(diǎn)事件，它就可以切換到自動換流模式。這需要執(zhí)行大量的算法。

考慮因素

有些應(yīng)用的性能要求會需要用到運(yùn)動傳感器；在這種情況下，將需要最小軟件開銷的換流模式內(nèi)置在CCU中是非常有幫助的。

另一項(xiàng)主要的考慮是從反電動勢探測或者從同步失敗中恢復(fù)的能力，這些可能會發(fā)生在碰到障礙物之后等情況下。同樣，為了解決這個(gè)難題，需要使用結(jié)合算法，這使得微控制器的可配置型成為一項(xiàng)重要的因素。通過在自管理型外設(shè)中執(zhí)行盡可能多的任務(wù)，MCU可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)并減少需要的代碼空間。這兩者都會產(chǎn)生更耐久、更節(jié)省成本的設(shè)計(jì)。

無論是帶有還是沒有傳感器的設(shè)計(jì)，都可以通過PWM實(shí)現(xiàn)各種“梯形”換流方法來驅(qū)動BLDC。在梯形換流方法中，電流都是通過每次使用一對電動機(jī)端子來控制的，而電動機(jī)的第三個(gè)端子在電氣上總是與電源斷開的；也就是說，在任意給定的時(shí)間，只使用了三相中的兩相，而第三相是懸空的。

在“慢衰變”調(diào)制方法中，在PWM關(guān)閉的時(shí)段內(nèi)，負(fù)載電流可以在底部開關(guān)和體二極管之間流通。
相反，在“快衰變”方法中，PWM關(guān)閉時(shí)段內(nèi)所有的開關(guān)都將斷開，但是這種方法存在高負(fù)載電流尖峰的缺陷。為了彌補(bǔ)這種缺陷，可以使用同步整流，讓負(fù)載電流在開關(guān)本身中流通，而不是在體電阻中。這需要同時(shí)調(diào)制同一個(gè)電橋的頂部和底部開關(guān)，而不僅僅是頂部開關(guān)。

但是，必須謹(jǐn)慎，以避免轉(zhuǎn)換期間電流的直通短路。通過在電路切換過程中插入無效時(shí)間，電流將通過體二極管。但是在無效時(shí)間之后電流將流過底部開關(guān)，因此同步整流可以用于快衰變。對于使用分立功率器件而不是帶有內(nèi)置保護(hù)電路的集成驅(qū)動器的低成本設(shè)計(jì)而言，在MCU的PWM中可以使用上述模式是至關(guān)重要的。將這些模式和故障檢測等其他功能結(jié)合使用，可以為分立逆變器驅(qū)動提供高層次的保護(hù)功能。

在設(shè)計(jì)和算法的開發(fā)完成之后，制造商需要確保自己的知識產(chǎn)權(quán)受到保護(hù)。這可以通過防止無授權(quán)獲取代碼的特殊功能來實(shí)現(xiàn)。這一點(diǎn)是非常重要的，因?yàn)殡妱幼孕熊囼?qū)動是由相對普通的驅(qū)動結(jié)構(gòu)組成的，產(chǎn)品之間主要的差別在于軟件。