基于STC12C5410AD的電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器檢測(cè)

摘 要:伴隨著城市化進(jìn)程，人們生活的交通距離不斷擴(kuò)大，代替燃油汽車和自行車的電動(dòng)車已經(jīng)走進(jìn)了千家萬戶，本設(shè)計(jì)以STC12C5410AD單片機(jī)為核心，對(duì)電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器進(jìn)行檢測(cè)。闡述了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理并對(duì)軟件框圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)基本可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器的各種檢測(cè)功能，包括剎把轉(zhuǎn)把的檢測(cè)、相角相序的檢測(cè)。

關(guān)鍵詞:STC12C5410AD; 電動(dòng)車; 無刷控制器; 檢測(cè)

中圖分類號(hào):TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0208-03

Detection of Brushless Motor Controller in Electric Bicycles Based on STC12C5410AD

LI Bo， DENG Xiao-yan

(Department of Electrical and Electronics Engineering， Shijiazhuang Railway Institute， Shijiazhuang 050043， China)

Abstract: Along with the progress of urbanization， the traffic distance of people′s life is expanding. Instead of fuel vehicles and bicycles， electric bicycles have entered into households. The design is based on STC12C5410AD， which can test brushless motor controller of electric bicycles. The principles of system hardware are described and the diagram of software is designed. The experiments show that the system can basically achieve various detections of brushless motor controller of electric bicycles， including detections of brake systems， phase angle and phase sequence.

Key words:STC12C5410AD; electric bicycle; brushless controller; detection

0 引 言

伴隨著城市化進(jìn)程，人們生活的交通距離不斷擴(kuò)大，代替燃油汽車和自行車的電動(dòng)車的普及大幅度的提高了電力資源的利用效率，促進(jìn)了國民經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。電動(dòng)自行車以電力作動(dòng)力，騎行中不產(chǎn)生污染，無損于空氣質(zhì)量。從改善人們的出行方式、保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件許可情況等因素綜合來看，電動(dòng)自行車目前乃至今后都有著廣闊的發(fā)展空間。電動(dòng)自行車所用直流電機(jī)分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩種。其中有刷電機(jī)控制較簡(jiǎn)單，但其易磨損的電刷帶來維修保養(yǎng)工作量相對(duì)較大、使用壽命相對(duì)較短等缺點(diǎn)。而直流無刷電機(jī)本身沒有易磨損部件，電機(jī)壽命長(zhǎng)，維修保養(yǎng)工作量小。但直流無刷電機(jī)采用電子換向原理工作，其控制過程比有刷電機(jī)復(fù)雜得多，因此對(duì)控制器質(zhì)量的要求也高得多。

目前電動(dòng)自行車采用的直流無刷電機(jī)都是三相電機(jī)，電角度有60°和120°兩種。電機(jī)極數(shù)大部分為18極，也有16極、20極等。控制器根據(jù)霍爾反饋的電機(jī)電極位置，控制相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)管的開通或關(guān)斷，在定子中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[1-3]。

為了判斷無刷控制器是否能夠正常運(yùn)行，也就是檢測(cè)轉(zhuǎn)把和剎車功能是否正常，判斷控制器的角度是60°還是120°，并且確定繞組A，B，C相與位置信號(hào)a，b，c之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，正確地將控制器與電機(jī)進(jìn)行連接，現(xiàn)在很多的檢測(cè)儀器都采用模擬電路，使得結(jié)果不是很精確，而且需要的電路也很復(fù)雜，成本很大。設(shè)計(jì)采用STC12C5410AD單片機(jī)作為控制芯片，大大簡(jiǎn)化了硬件電路，以軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

1 電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器簡(jiǎn)介

控制器由周邊器件和主芯片(或單片機(jī))組成。周邊器件是一些功能器件，如執(zhí)行、采樣等，它們是電阻、傳感器、橋式開關(guān)電路，以及輔助單片機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐吠瓿煽刂七^程的器件;單片機(jī)也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號(hào)語言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開關(guān)電路功率管導(dǎo)通或截止、通過方波控制功率管的的導(dǎo)通時(shí)間以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)片。這就是電動(dòng)自行車的智能控制器。

控制器的設(shè)計(jì)品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關(guān)器件電路及周邊器件布局等，直接關(guān)系到整車的性能和運(yùn)行狀態(tài)，也影響控制器本身性能和效率。不同品質(zhì)的控制器，用在同一輛車上，配用同一組相同充放電狀態(tài)的電池，有時(shí)也會(huì)在續(xù)駛能力上顯示出較大差別。

目前，電動(dòng)自行車所采用的控制器電路原理基本相同或接近。有刷和無刷直流電機(jī)大都采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速，只是選用驅(qū)動(dòng)電路、集成電路、開關(guān)電路功率晶體管和某些相關(guān)功能上的差別。元器件和電路上的差異，構(gòu)成了控制器性能上的不同[4]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

為了判斷無刷控制器是否正常，測(cè)量控制器各個(gè)部分的輸出信號(hào)是否符合標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠接收電機(jī)、轉(zhuǎn)把、剎車的信號(hào)，判斷這個(gè)控制器是否能實(shí)現(xiàn)其需要實(shí)現(xiàn)的功能，系統(tǒng)要檢測(cè)控制器的轉(zhuǎn)把和剎把是否有穩(wěn)定的5 V電壓輸出，判斷控制器的角度，以及判斷霍爾控制線相序及與其對(duì)應(yīng)的電機(jī)電源相序是否一致。只有位置傳感器信號(hào)和繞組A，B，C正確連接才能使電機(jī)正常運(yùn)行。圖1為電路整體設(shè)計(jì)原理圖，系統(tǒng)采用STC12C5410AD單片機(jī)作為主要控制芯片。STC12C5410AD系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8~12 倍，內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，4 路PWM，8 路高速10 位A/D 轉(zhuǎn)換，專門針對(duì)強(qiáng)干擾場(chǎng)合電機(jī)控制[5]。

圖1 電路整體設(shè)計(jì)

2.1 橋式整流電路

因?yàn)榭刂破鞴ぷ餍枰氖侵绷麟姡孕枰觽€(gè)整流電路。系統(tǒng)選用的是單相橋式整流電路。這種電路只要將四只二極管口連接成“橋”式結(jié)構(gòu)，便具有全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 剎車與轉(zhuǎn)把信號(hào)的檢測(cè)

剎車信號(hào)高低電位的變化，是控制器識(shí)別電動(dòng)車是否處于剎車狀態(tài)，從而判斷控制器是否給電機(jī)供電的依據(jù)。只要將剎車和轉(zhuǎn)把信號(hào)的輸出端接到STC12C5410AD單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端P16和P17，便能檢測(cè)輸出是否正常[6-8]。

2.3 控制器角度與相序的判斷

如圖2所示，首先判斷繞組電壓A的輸出，將兩個(gè)光藕合器連到控制器的末級(jí)，與A的上下管并聯(lián)起來，當(dāng)A的上管導(dǎo)通時(shí)，A輸出高電壓，使下面的光耦導(dǎo)通，從而輸出一個(gè)電壓值，通過STC12C5410AD單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端P11口送到單片機(jī)中;當(dāng)A的下管導(dǎo)通時(shí)，A輸出低電壓，使上面的光耦導(dǎo)通，從而輸出一個(gè)電壓值，通過STC12C5410AD單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換端P10口送到單片機(jī)中。B和C用上面同樣的接法[9，10]。在輸出時(shí)沒有直接輸出，而是通過光耦隔離后才輸出，原因如下:光耦合器的信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)、工作穩(wěn)定、無觸點(diǎn)、使用壽命長(zhǎng)、傳輸效率高。

圖2 相序檢測(cè)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)流程圖

總體設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

測(cè)量控制器輸入端阻抗，當(dāng)其大于10 Ω時(shí)為正常，否則電源輸入端短路。轉(zhuǎn)把、剎把、霍爾電源端的檢測(cè)要保證輸出電壓大于4.5 V。控制器角度和相序的判斷根據(jù)無刷真值表進(jìn)行判斷和檢測(cè)，以下僅以控制器角度判斷為例進(jìn)行說明。

3.2 控制器角度判斷程序設(shè)計(jì)

由表1可以看出當(dāng)a，b，c都取“0”，控制器角度為120°的時(shí)候，A，B，C上下管都不導(dǎo)通;而控制器為60°時(shí)A的上管和B的下管導(dǎo)通，這樣便能根據(jù)a，b，c都取“0”時(shí)，A，B，C的輸出信號(hào)來判斷控制器的角度。流程圖如圖4所示。

表1 輸入、輸出真值表

60°abc

120°abc

正向/反向使能電流檢測(cè)

頂部驅(qū)動(dòng)

ATBTCT

底部驅(qū)動(dòng)

ABBBCB

010000XXX111000

000101110011010

圖3 總體設(shè)計(jì)流程圖

圖4 角度判斷流程圖

4 結(jié) 語

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用STC12C5410AD單片機(jī)作為控制芯片，電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精確，很好地滿足了電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器檢測(cè)的各項(xiàng)需求，能夠檢測(cè)控制器接轉(zhuǎn)把和剎把端是否正常，能夠判斷控制器的角度，霍爾控制相序以及與其對(duì)應(yīng)的電機(jī)電源相序是否一致。希望該設(shè)計(jì)在將來的應(yīng)用中得到更好的改進(jìn)和完善。

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