一種基于PSoC的電動(dòng)自行車(chē)控制器的設(shè)計(jì)(下)

和正常運(yùn)行時(shí)一樣，剎車(chē)過(guò)程中也需要根據(jù)當(dāng)前HALL傳感器的位置進(jìn)行換相，從而使得剎車(chē)過(guò)程平穩(wěn)有效。通過(guò)分析可知道，為了產(chǎn)生反向電流，剎車(chē)過(guò)程中的換相控制和正常運(yùn)行過(guò)程中的換相的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通控制是互補(bǔ)的。以雙側(cè)斬波為例，圖5是逆變器上個(gè)橋臂的開(kāi)關(guān)管，表2是正常運(yùn)行時(shí)候和剎車(chē)時(shí)候的換相表的對(duì)比。

能量再生

電動(dòng)自行車(chē)的能量回收的基本工作原理是通過(guò)電機(jī)的自感電動(dòng)勢(shì)、反電動(dòng)勢(shì)，將存儲(chǔ)在電樞中的磁場(chǎng)能量以及車(chē)體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能并保存到蓄電池。

圖5  逆變器的開(kāi)關(guān)管



圖6  V2開(kāi)通時(shí)刻電流方向


圖7  V2關(guān)閉時(shí)刻電流方向

假設(shè)剎車(chē)時(shí)候采用單管單側(cè)的PWM斬波，圖6、7對(duì)應(yīng)某個(gè)60°電角度區(qū)間的能量再生過(guò)程。此時(shí)只有G相對(duì)應(yīng)的下橋臂功率管V2在PWM的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作， 其它所有功率管關(guān)閉。 當(dāng)V2導(dǎo)通時(shí)， 電流方向?qū)?yīng)著圖6中虛線(xiàn)所示，此時(shí)電機(jī)的G相和R相的電感線(xiàn)圈蓄能。當(dāng)G相下橋臂關(guān)斷，此時(shí)由于線(xiàn)圈電流必須維持相同方向逐漸衰減，因此電流經(jīng)右上角V5上所并聯(lián)的續(xù)流二極管流向蓄電池，如圖7所示，此時(shí)電感線(xiàn)圈釋放能量，并向蓄電池和電容充電。實(shí)際上，這個(gè)能量回收的基本工作電路就是一個(gè)典型的升壓電路。

輔助電子剎車(chē)和能量回收是一個(gè)緊密相關(guān)的控制，在設(shè)計(jì)時(shí)候應(yīng)同時(shí)考慮剎車(chē)效果和能量回收。在忽略制動(dòng)效率和制動(dòng)電壓抬高的影響，可根據(jù)蓄電池最大充電電流和額定電壓來(lái)確定最大制動(dòng)功率。可以適當(dāng)限制制動(dòng)功率，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)只能在保證蓄電池的安全的前提下才盡可能的提高剎車(chē)效果和能量回收效率。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)采用滯環(huán)控制，程序?qū)崟r(shí)采樣充電電流，并根據(jù)充電電流來(lái)調(diào)整PWM占空比，從而調(diào)整制動(dòng)功率并保證蓄電池的安全。

中斷服務(wù)程序及主循環(huán)

在PSoC架構(gòu)中，每個(gè)數(shù)字模塊和每個(gè)模擬比較總線(xiàn)都有獨(dú)立的中斷源，GPIO的電平變化也有相應(yīng)的中斷源。在本設(shè)計(jì)中，共使用三種中斷源，即過(guò)流比較器中斷，HALL傳感器信號(hào)中斷和PWM周期定時(shí)中斷。過(guò)流保護(hù)由于實(shí)時(shí)性要求很高，并且不是規(guī)律發(fā)生的事件，可安排用中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。如前所述，當(dāng)負(fù)載發(fā)生過(guò)流時(shí)將通過(guò)硬件直接關(guān)閉PWM輸出，同時(shí)，將產(chǎn)生中斷通知程序進(jìn)行相應(yīng)的處理。而HALL傳感器信號(hào)中斷的主要工作是在HALL信號(hào)發(fā)生變化時(shí)對(duì)HALL信號(hào)進(jìn)行采集判斷，并濾除電機(jī)工作中造成的強(qiáng)烈干擾，同時(shí)也要對(duì)諸如HALL失效，狀態(tài)錯(cuò)誤等情況進(jìn)行處理。PWM模塊在每個(gè)周期開(kāi)始都會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，一般在電動(dòng)自行車(chē)控制器中，PWM載波頻率為15~20KHz左右。PWM中斷是程序設(shè)計(jì)中的最主要部分，大部分重要的控制諸如電機(jī)換相，電流檢測(cè)，電池電壓檢測(cè)，剎車(chē)信號(hào)檢測(cè)等都在此處實(shí)現(xiàn)。同時(shí)它也是系統(tǒng)計(jì)時(shí)的基礎(chǔ)，所有其它長(zhǎng)時(shí)間的定時(shí)都是基于PWM中斷，因此，PWM中斷服務(wù)程序也要負(fù)責(zé)維護(hù)所有的時(shí)鐘標(biāo)志的更新工作。

主程序包括：上電初始化、剎車(chē)過(guò)程控制、巡航、調(diào)速、電池欠壓處理、堵轉(zhuǎn)處理等。實(shí)際設(shè)計(jì)中， 由于程序任務(wù)較多，如何保證電機(jī)的及時(shí)換相的前提下滿(mǎn)足控制的實(shí)時(shí)性要求是設(shè)計(jì)中最需要考慮的核心問(wèn)題。考慮到換相程序非常短小，可安排在PWM中斷服務(wù)程序中完成。

結(jié)語(yǔ)

PSoC的模擬和數(shù)字的高度集成為電動(dòng)自行車(chē)控制器的發(fā)展提供一個(gè)良好的平臺(tái)。采用PSoC器件開(kāi)發(fā)的電動(dòng)自行車(chē)控制器具有集成度高，程序設(shè)計(jì)靈活方便，并且具有非常好的保密性。

參考文獻(xiàn)：
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