CN112803845A - 一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机控制器技术领域，尤其是一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，包括主控模块、电源模块、驱动模块、采样电路、电机位置检测电路和电源保护电路，所述电源模块包括蓄电池和降压转换电路，所述驱动模块为无刷直流电机驱动电路，采样电路的检测端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，采样电路的信号输出端与主控芯片的输入端连接，电机位置检测电路的检测端与无刷直流电机的霍尔信号端连接，电机位置检测电路的输出端与主控模块的输入端连接，本发明具有结构简单、成本低、电路稳定性高、易于产品化的功能。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制器技术领域，具体领域为一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器。
背景技术
电动自行车因其生产和使用上的诸多优点而飞速发展，电动自行车无刷直流电机控制器的需求量也随之节节攀升。在保证性能可靠的前提下，低成本的无刷直流电机控制器显然具有更大的竞争优势。目前市场上的产品，有的性能较好，但价格昂贵，没有比较价格优势，不利于产品化；有的一味追求低成本，但可靠性较低，增加了维修和运营成本。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，包括主控模块、电源模块、驱动模块、采样电路、电机位置检测电路和电源保护电路，所述电源模块包括蓄电池和降压转换电路，蓄电池的电源输出端与降压转换电路的输入端连接，所述驱动模块为无刷直流电机驱动电路，所述降压转换电路的输出端分别与主控模块和无刷直流电机驱动电路的电源端连接，蓄电池的电源输出端与无刷直流电机驱动电路的电源输入端连接，无刷直流电机驱动电路的信号输入端与主控芯片的输出端连接，驱动电路的输出端与无刷直流电机的三路电源端连接，采样电路的检测端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，采样电路的信号输出端与主控芯片的输入端连接，电机位置检测电路的检测端与无刷直流电机的霍尔信号端连接，电机位置检测电路的输出端与主控模块的输入端连接，所述电源保护电路的检测端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，电源保护电路的的输出端与主控模块的输入端连接。
优选的，所述主控模块为STM32F030K6T6型微控制器。
优选的，所述降压转换电路包括启动电阻组、5V电源管理芯片、3.3V电源管理芯片、充电电容、分压电阻、稳压管、三极管一、三极管二和三极管三，所述启动电阻组包括多个依次串联的电阻，启动电阻组的一端连接蓄电池，另一端连接5V电源管理芯片的输入端，5V电源管理芯片的输出端输出5V电源，5V电源管理芯片的输出端与3.3V电源管理芯片的输入端连接，3.3V电源管理芯片的输出端输出3.3V电源；充电电容的一端连接5V电源管理芯片的输入端，另一端接地；5V电源管理芯片的输入端连接稳压管的负极端，稳压管的正极端连接三极管三的基极，三极管三的集电极连接5V电源管理芯片的电源输出端，三极管三的发射极接地；三极管二的基极连接三极管三的集电极，三极管二的发射极接地，三极管二的集电极连接三极管一的基极，三极管一的发射极串联分压电阻后连接蓄电池的电源端，三极管一的集电极连接5V电源管理芯片的输入端，三极管一为PNP型三极管。
优选的，所述驱动电路包括三路相同电路结构的无光耦自举浮动栅极驱动电路，三路无光耦自举浮动栅极驱动电路分别对应于无刷直流电机的三个电源端配合连接。
优选的，所述的无光耦自举浮动栅极驱动电路包括上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路，所述上桥臂驱动电路包括三极管四、三极管五、三极管六、二极管一、二极管二、MOS管一和电容一；所述下桥臂驱动电路包括三极管七、三极管八、三极管九、二极管三、MOS管二、电容二和电容三；
三极管四的基极连接3.3V电源管理芯片的电源输出端，三极管四的发射极连接主控模块的一输出端，三极管四的集电极连接三极管五的基极和发射极，三极管五的集电极连接二极管一的正极端，二极管一的负极端连接MOS管一的栅极，MOS管一的源极连接蓄电池，MOS管一的漏极连接无刷直流电机的一电源端，三极管六的发射极练级MOS管一的栅极，三极管五的集电极分别连接三极管六的基极和集电极，三极管六的集电极连接MOS管一的漏极，5V电源管理芯片的输入端连接二极管二的正极端，二极管二的负极端连接分别连接三极管五的发射极和电容一的正极端，电容一的负极端连接MOS管一的漏极；
三极管七的基极连接3.3V电源管理芯片的电源输出端，三极管七的发射极连接主控模块的一输出端，三极管七的集电极连接三极管八的基极和发射极，5V电源管理芯片的输入端连接三极管八的发射极，三极管八的集电极连接二极管三的正极端，二极管三的负极端连接MOS管二的栅极，MOS管二的源极连接MOS管一的漏极，MOS管二的漏极接地，三极管九的发射极连接MOS管二的栅极，三极管八的集电极分别连接三极管九的基极和集电极，三极管九的集电极连接MOS管二的漏极，电容二的一端连接蓄电池，电容二的另一端连接MOS管二的漏极，电容三的正极端连接蓄电池，电容三的负极端连接MOS管二的漏极。
优选的，所述的三极管四和三极管七为NPN型三极管，所述的三极管五、三极管六、三极管八和三极管九均为PNP型三极管，所述的电容一和电容三为电解电容。
优选的，所述采样电路包括稳压二极管一、稳压二极管二、比较器一、比较器二和MOS管三，稳压二极管一和稳压二极管二的同极端相互连接，且稳压二极管一的正极端接地，稳压二极管一的负极端连接比较器一的正极输入端，同时比较器的一的正极输入端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，比较器一的负极输入端接地后，比较器一的输出端连接MOS管三的源极，MOS管三的栅极连接主控模块的输出端，MOS管三的漏极连接比较器二的正极输入端，比较器二的输出端连接主控模块的输入端，比较器二的负极输入端与比较器二的输出端连接。
优选的，所述电机位置检测电路包括接插头、电阻一、电阻二、电阻三、电阻四、电阻五、电阻六、电容四、电容五和电容六，接插头与无刷直流电机上的三路霍尔信号端连接，电阻四、电阻五和电阻六的一端分别与接插头上的三路霍尔信号端对应连接，电阻四、电阻五和电阻六的另一端分别与主控模块的三路输入端分别对应连接，电阻一、电阻二和电阻三的一端分别与3.3V电源管理芯片的电源输出端连接，电阻一的另一端与电阻四连接接插头的一端连接，电阻二的另一端与电阻五连接接插头的一端连接，电阻三的另一端与电阻六连接接插头的一端连接，电阻四连接主控模块的一端串联电容四后接地，电阻五连接主控模块的一端串联电容无后接地，电阻六连接主控模块的一端串联电容六后接地。
优选的，所述电源保护电路包括三极管十、二极管四、电容七、电阻七和电阻八，三极管十的基极串联电阻八后与与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，三极管十的集电极连接3.3V电源管理芯片的电源输出端，三极管十的发射极连接二极管四的正极端，二极管四的负极端与主控模块的输入端连接，电容七与电阻七并联，且电容七的一端与二极管四的负极端连接，电容七的另一端接地。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用新型电阻降压式开关电源将蓄电池48V电压，转换为12V、5V和3.3V三种系统电压，电路由纯电阻和三极管组成，成本相对低廉，特别适合电动自行车这种功率适中的应用场合。
(2)在采样电路中增加保持电路，避免主控芯片采样时间较长，容易受到干扰的缺陷，提高了采样精度；同时在电流采样电阻Rs旁边并联稳压管和二极管，限制采样信号幅值，防止负电压输入到电流信号检测端。
(3)传统浮动电源驱动方法，需要光耦传递驱动信号，但光耦带宽和噪声敏感性受限，难以在在上臂驱动信号中叠加PWM调制；并且快速光耦，成本相对较高。本设计采用无光耦自举浮动栅极驱动方法，在保证驱动可靠性的前提下，取消了光耦，降低了成本。
(4)为提高过流保护的可靠性，在正常速度环和电流环外面加入直接接入中断口的过流保护信号。正常的电机电流调节由电流环执行，在少数异常情况下，不进行AD采样，直接通过中断关闭关断MOS管，限制电流上升。同时在保护电路输出作用端增加一个保持延时电路，将保护状态保持一定的时问，从而避免保护作用的发生与撤消的交叠。
(5)目前市场上的电动自行车控制器一般只有速度控制环，控制器响应速度偏低。本设计采用双闭环控制，包括转速外环调节器和电流内环调节器，这是控制系统软件设计的核心。转速调节器使电机转速跟随转把输入而变化，采用模糊自适应PID控制策略。电流调节器使电机在最大允许电流下快速启动，减小过渡过程时间，采用Pl控制。
附图说明
图1为本发明的系统原理框图；
图2为本发明的主控模块电路原理图；
图3为本发明的电源模块电路原理图；
图4为本发明的无光耦自举浮动栅极驱动电路原理图；
图5为本发明的采样电路原理图；
图6为本发明的电机位置检测电路原理图；
图7为本发明的电源保护电路原理图；
图8为本发明的低成本电动自行车无刷直流电机控制器软件流程图；
图9为本发明的AD中断服务程序流程图；
图10为本发明的速度环调节子程序流程图；
图11为本发明的电流环调节子程序流程图。
图中：1、主控模块；2、启动电阻组；3、5V电源管理芯片；4、3.3V电源管理芯片；5、充电电容；6、分压电阻；7、稳压管；8、三极管一；9、三极管二；10、三极管三；11、三极管四；12、三极管五；13、三极管六；14、二极管一；15、二极管二；16、MOS管一；17、电容一；18、三极管七；19、三极管八；20、三极管九；21、二极管三；22、MOS管二；23、电容二；24、电容三；25、稳压二极管一；26、稳压二极管二；27、比较器一；28、比较器二；29、MOS管三；30、接插头；31、电阻一；32、电阻二；33、电阻三；34、电阻四；35、电阻五；36、电阻六；37、电容四；38、电容五；39、电容六；40、三极管十；41、二极管四；42、电容七；43、电阻七；44、电阻八。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至7，本发明提供一种技术方案：一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，包括主控模块1、电源模块、驱动模块、采样电路、电机位置检测电路和电源保护电路，所述电源模块包括蓄电池和降压转换电路，蓄电池的电源输出端与降压转换电路的输入端连接，所述驱动模块为无刷直流电机驱动电路，所述降压转换电路的输出端分别与主控模块1和无刷直流电机驱动电路的电源端连接，蓄电池的电源输出端与无刷直流电机驱动电路的电源输入端连接，无刷直流电机驱动电路的信号输入端与主控芯片的输出端连接，驱动电路的输出端与无刷直流电机的三路电源端连接，采样电路的检测端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，采样电路的信号输出端与主控芯片的输入端连接，电机位置检测电路的检测端与无刷直流电机的霍尔信号端连接，电机位置检测电路的输出端与主控模块1的输入端连接，所述电源保护电路的检测端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，电源保护电路的的输出端与主控模块1的输入端连接。
电动自行车的转把模块信号、刹车模块信号和三挡切换模块信号分别与主控模块1的输入端连接，使得能够筒盖上述模块对电机进行通断控制。
所述主控模块1为STM32F030K6T6型微控制器。
低成本电动自行车无刷直流电机控制器系统结构框图如图1所示，以STM32F030K6T6微控制器为核心，电源模块将蓄电池的48V电源转换为12V、5V和3.3V三种电压作为系统电源；STM32F030K6T6的输出PWM信号驱动逆变器，控制无刷直流电机运行，换相所需的位置信息由霍尔模块检测提供，电流电压由AD模块检测转换完成，速度输入由转把手柄提供，刹车装置提供刹车信号，在运行过程中，需要实时检测电池电压，若处于低电压状态则报警停机。
如图2所示，STM32F030K6T6微控制器是一款32位M0系列ARM单片机，性价比很高，价格低廉，封装一般采用LQFP-32，在电动自行车以及家电行业中应用较为广泛，图中电阻R10和电容C8组成上电复位电路，电容C1和C11是电源滤波解耦电容，J6是程序烧录接口，批量生产时，该接插头可以不焊接，节省器件和空间。AH、BH、CH、AL、BL和CL是六路电机驱动信号；HA、HB和HC是三相霍尔检测信号；TX和RX是串口通信信号；VSen是电流检测信号，VSen1是电流检测备用信号；INT是过流中断信号；ZL是转向信号；SPEED是手柄调速信号；LOW_POW是蓄电池低压检测信号。
所述降压转换电路包括启动电阻组2、5V电源管理芯片3、3.3V电源管理芯片4、充电电容5、分压电阻6、稳压管7、三极管一8、三极管二9和三极管三10，所述启动电阻组2包括多个依次串联的电阻，启动电阻组2的一端连接蓄电池，另一端连接5V电源管理芯片3的输入端，5V电源管理芯片3的输出端输出5V电源，5V电源管理芯片3的输出端与3.3V电源管理芯片4的输入端连接，3.3V电源管理芯片4的输出端输出3.3V电源；充电电容5的一端连接5V电源管理芯片3的输入端，另一端接地；5V电源管理芯片3的输入端连接稳压管7的负极端，稳压管7的正极端连接三极管三10的基极，三极管三10的集电极连接5V电源管理芯片3的电源输出端，三极管三10的发射极接地；三极管二9的基极连接三极管三10的集电极，三极管二9的发射极接地，三极管二9的集电极连接三极管一8的基极，三极管一8的发射极串联分压电阻6后连接蓄电池的电源端，三极管一8的集电极连接5V电源管理芯片3的输入端，三极管一8为PNP型三极管。
如图3所示，无刷直流电机控制器正常工作由蓄电池供电，48V电压由插座P1输入，通过新型电阻降压式开关电源变换为系统所需要的三种电源，分为12V、5V和3.3V。电路通过电阻分压、结合集成运算放大器的输出特性实现降压功能，同时通过输出端负反馈得到稳定的5V和12V电压输出；
刚上电时，三极管Q21和Q24处于关断状态，48V电压通过电阻R86、R87和R88给电阻供电。当Vdr由于电容充电上升到7V左右时，输出端就可以输出+5V电压，一旦5V电压建立起来，Q24和Q21将导通，48V电压通过电阻R90、R91、R95和R96通过Q21输出到Vdr，由于此支路四个电阻阻值较小，并且Q21饱和导通，此时Vdr将迅速升高到12V左右，在电阻R115上的分压电阻将稳压管D19击穿，Q26将导通，其集电极输出为低电平，关断Q24和Q21，电源供电回路又回到R86、R87和R88这个回路，由于这几个电阻阻值较大，Vdr将缓慢下降，会慢慢导致D19关断和Q26关断，则Q24和Q21又将导通，电源又转换到电阻R90、R91、R95和R96这个支路供电，Vdr又将迅速上升。如此不断反复，就得到了稳定的Vdr(12V)和5V输出电压。其中电阻R86、R87和R88又叫启动电阻，还有一个辅助功能就是给主供电电路起分流作用，5V电源通过U5输出3.3V电压作为主控芯片STM32F030K6T6电源。
所述驱动电路包括三路相同电路结构的无光耦自举浮动栅极驱动电路，三路无光耦自举浮动栅极驱动电路分别对应于无刷直流电机的三个电源端配合连接。
所述的无光耦自举浮动栅极驱动电路包括上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路，所述上桥臂驱动电路包括三极管四11、三极管五12、三极管六13、二极管一14、二极管二15、MOS管一16和电容一17；所述下桥臂驱动电路包括三极管七18、三极管八19、三极管九20、二极管三21、MOS管二22、电容二23和电容三24；
三极管四11的基极连接3.3V电源管理芯片4的电源输出端，三极管四11的发射极连接主控模块1的一输出端，三极管四11的集电极连接三极管五12的基极和发射极，三极管五12的集电极连接二极管一14的正极端，二极管一14的负极端连接MOS管一16的栅极，MOS管一16的源极连接蓄电池，MOS管一16的漏极连接无刷直流电机的一电源端，三极管六13的发射极练级MOS管一16的栅极，三极管五12的集电极分别连接三极管六13的基极和集电极，三极管六13的集电极连接MOS管一16的漏极，5V电源管理芯片3的输入端连接二极管二15的正极端，二极管二15的负极端连接分别连接三极管五12的发射极和电容一17的正极端，电容一17的负极端连接MOS管一16的漏极；
三极管七18的基极连接3.3V电源管理芯片4的电源输出端，三极管七18的发射极连接主控模块1的一输出端，三极管七18的集电极连接三极管八19的基极和发射极，5V电源管理芯片3的输入端连接三极管八19的发射极，三极管八19的集电极连接二极管三21的正极端，二极管三21的负极端连接MOS管二22的栅极，MOS管二22的源极连接MOS管一16的漏极，MOS管二22的漏极接地，三极管九20的发射极连接MOS管二22的栅极，三极管八19的集电极分别连接三极管九20的基极和集电极，三极管九20的集电极连接MOS管二22的漏极，电容二23的一端连接蓄电池，电容二23的另一端连接MOS管二22的漏极，电容三24的正极端连接蓄电池，电容三24的负极端连接MOS管二22的漏极。
所述的三极管四11和三极管七18为NPN型三极管，所述的三极管五12、三极管六13、三极管八19和三极管九20均为PNP型三极管，所述的电容一17和电容三24为电解电容。
目前在电动车直流无刷电机的功率驱动应用中，广泛采用的是浮动电源法，采用光耦传递驱动信号并实现电气隔离。该方法优点是结构简、开关很快、功耗小，但是缺点也很明显：一是其带宽和噪声敏感性受限，难以在在上臂驱动信号中叠加PWM调制；另一方面，宽带快速光耦，成本相对较高。为此本设计采用无光耦浮动栅极驱动方法，三相驱动电路其中一相A相如图4所示；
在如图4所示电路中，上面部分是上桥臂驱动电路，下面部分是下桥臂驱动电路，主要设计创新体现在上桥臂驱动电路上。
当AH驱动信号为高电平时，Q2和Q1截止，12V驱动电源Vdr通过二极管D1对电容E2充电到12V左右；当AH驱动信号为低电平时，Q2和Q1导通，E2上的电压(12V左右)，通过二极管D2，电阻R6到上桥臂MOS管V1的栅极，保持栅极电位比MOS管源极电位A高12V，保证MOS管V1可靠导通。
当AL驱动信号为高电平时，Q5和Q6截止，下桥臂MOS管栅极没有驱动电压，处于截止状态；当AL为低电平时，Q5和Q6导通，12V驱动电源Vdr通过二极管D5和电阻R21到下桥臂MOS管V2的栅极，V2处于导通状态。电容C6和C14是MOS管栅极电荷泄放电阻，同时也是驱动缓冲电容，电阻R22是E2充电限流电阻，C13和E4是滤波电容。
所述采样电路包括稳压二极管一2514、稳压二极管二2615、比较器一27、比较器二28和MOS管三29，稳压二极管一2514和稳压二极管二2615的同极端相互连接，且稳压二极管一2514的正极端接地，稳压二极管一2514的负极端连接比较器一27的正极输入端，同时比较器的一的正极输入端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，比较器一27的负极输入端接地后，比较器一27的输出端连接MOS管三29的源极，MOS管三29的栅极连接主控模块1的输出端，MOS管三29的漏极连接比较器二28的正极输入端，比较器二28的输出端连接主控模块1的输入端，比较器二28的负极输入端与比较器二28的输出端连接。
STM32F030K6T6本身的AD不适应快速采样的要求，设计快速外部采样电路如图5所示。该电路属于串联型采样保持电路，由于运放TSV912的频宽远大于电流信号的频率范围，可认为运放与电阻组成的放大器是线性的。电机绕组电流信号通过康铜丝Rs转换为电压信号Isen，稳压管D28将采样信号限制在3.3V以下，二极管D29将采样信号限制为正电压。Isen经过滤波后，通过运放U3A进行放大和调理，其中上拉电阻R2对输入信号向正方向平移。采样时，将采样开关MOS管Q58栅极驱动信号置高，输出Vsen信号为对应的电压信号；
该电路有两个新的特点：一是增加保持电路，传统采样电路，没有Q58和U3B部分，直接对电流信号采样，由于STM32F030采样时间较长，期间容易受到干扰，采样精度不高；二是采样电阻Rs并联稳压管D28和二极管D29，限制采样信号幅值，尤其是D29，在PWM换向序流期间，防止负电压输入到电流信号检测端，不利于电路正常工作。
所述电机位置检测电路包括接插头30、电阻一31、电阻二32、电阻三33、电阻四34、电阻五35、电阻六36、电容四37、电容五38和电容六39，接插头30与无刷直流电机上的三路霍尔信号端连接，电阻四34、电阻五35和电阻六36的一端分别与接插头30上的三路霍尔信号端对应连接，电阻四34、电阻五35和电阻六36的另一端分别与主控模块1的三路输入端分别对应连接，电阻一31、电阻二32和电阻三33的一端分别与3.3V电源管理芯片4的电源输出端连接，电阻一31的另一端与电阻四34连接接插头30的一端连接，电阻二32的另一端与电阻五35连接接插头30的一端连接，电阻三33的另一端与电阻六36连接接插头30的一端连接，电阻四34连接主控模块1的一端串联电容四37后接地，电阻五35连接主控模块1的一端串联电容无后接地，电阻六36连接主控模块1的一端串联电容六39后接地。
如图6所示，接插头J7外接无刷直流电机上的霍尔信号，三路霍尔信号由上拉电阻R78、R79和R80上拉到高电平，即低电平有效。R82、R84、R89、C31、C32和C33是滤波电路，滤波后三路信号HA、HB和HC接入STM32F030K6T6中进行处理。
所述电源保护电路包括三极管十40、二极管四41、电容七42、电阻七43和电阻八44，三极管十40的基极串联电阻八44后与与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，三极管十40的集电极连接3.3V电源管理芯片4的电源输出端，三极管十40的发射极连接二极管四41的正极端，二极管四41的负极端与主控模块1的输入端连接，电容七42与电阻七43并联，且电容七42的一端与二极管四41的负极端连接，电容七42的另一端接地。
电动自行车经常会发生电机堵转的情况，另外，人为的误操作也会造成过电流情况，而过流都要求在最短的时间内得到处理。微控制器在正常工作条件下可以通过电流采样对电流进行调节和控制，但在某些异常情况下，微控制器的保护动作时间有可能会偏长，主要包括如下几个因素：
①A/D转换的时间较长，需要20us左右；
②电流检测是按周期进行，每个周期100us；
③电流采样电路一般都设有滤波环节，对信号采样有延迟，根据参数不同会有10-20us的时间。
综合考虑以上情况，在最恶劣的情况下，微控制器对阶跃性过电流的响应时间可能会超过150us,这个响应时间对少数异常情况可能会造成器件的损坏。
本设计在正常速度环和电流环外面加入直接接入中断口的过流保护信号，具体方法是：正常的电机调速，即电流没有出现超过警戒电流值时，电流的调节由电流环执行。在少数异常情况下，包括堵转、短路时电流急速上升，此时不进行AD采样，直接通过中断关闭关断MOS管，限制电流上升。但是，干扰会引起在逻辑比较电路翻转电平上下波动，造成保护作用的交叠，影响关断功能。为此需要在保护电路输出作用端增加一个保持延时电路，既可以迅速的执行保护动作，又可以将保护状态保持一定的时问，从而避免保护作用的发生与撤消的交叠，如图7所示；
过电流发生时，ISen升高到电流检测值时，三极管Q9导通，二极管正偏导通，通过电阻R84(阻值较小)对电容C39充电，INT点的电压迅速升高，接入微控制器中断引脚(中断上升沿检测)，进入中断程序迅速关闭MOS管。当过流信号ISen撤消后，电容C39的电平只能通过电阻R90(阻值较大)慢慢放电到低电平，中断引脚检测到下降沿跳变后，退出保护机制，电路进入正常运行状态。
通过本技术方案，低成本电动自行车无刷直流电机控制器软件流程图如图8所示，主要由主程序、功能子程序、中断子程序三部分组成，功能子程序包括系统初始化模块、位置传感器霍尔信号捕捉模块、换相模块、A/D转换模块和双闭环速度控制模块。初始化主要完成内部寄存器、I/O口、A/D转换初始值、中断寄存器以及一些状态变量的初始值设置。软件主体采用顺序结构，实现系统初始化及无刷直流电机的启动，然后循环调用中断服务子程序，实现电动自行车的功能和正常运行。
1.霍尔信号捕捉与换相模块
STM32F030K6T6通过检测霍尔位置传感器输出，控制逆变主电路中功率开关管有序通断，实现无刷直流电机的电子换向，因此需要检测到正确的霍尔位置信号。正常运行时，三路霍尔信号输出为互差60度电角度方波，主控芯片捕获端口可检测到六种有效输入状态。若运行出现故障，则会检测到非法状态，此时应停止运行程序，若电机未启动，则会检测到无效状态，此时应运行“软起动”子程序，实现电机的启动。换相模块根据霍尔信号捕捉模块得到的三路霍尔位置信号，查询位置传感器输入与导通开关管的对应关系表(表1)，开通逆变主电路对应的功率MOSFET，实现无刷直流电机三相定子绕组依序通电，驱动电机不断运转。
表1霍尔传感器信号与导通开关管对应关系
| HA、HB、HC | 对应导通开关管 |
| 1 0 0 | V1和V4 |
| 1 1 0 | V3和V4 |
| 1 1 1 | V3和V0 |
| 0 1 1 | V5和V0 |
| 0 0 1 | V5和V2 |
| 0 0 0 | V1和V2 |
换相模块中设有故障标志位，进入换相子程序后，要先判断电机是否存在故障，若故障存在，主控芯片应响应故障信号进入保护子程序；若运行正常，换相模块只须根据输入正常换相，换相结束后要清零换相标志。
无刷直流电机静止时，转子位置传感器无换向信号输出，电机不能自起动。采用附加电路可控制电机起动，但是增加了系统成本，可靠性也不高，本设计由软件程序控制无刷直流电机实现软起动，软起动控制过程为：先由程序控制三相绕组中的任意两相通电，定子合成磁势把转子磁极拖到与其轴线相同的方向，这样就得到了永磁转子的初始位置。然后根据电机旋转方向和开关管导通顺序表，由程序控制对应绕组依序通电使得电机运转，期间不进行转子位置检测，绕组的换相时间间隔由软件延时控制，输出PWM的占空比也由程序控制，为减小转矩脉动，占空比应缓慢增大,等到一个换相周期结束，电机已有一定的运行速度，此时跳出软起动，由位置传感器检测转子位置信号，查询位置传感器输入与导通开关管关系表，实现电机的自控式运行。
2.AD中断服务程序模块
控制系统中电池电压、转把输入和电流检测模拟量都须通过A/D转换器转换为数字量。在电动自行车用无刷直流电机运行过程中，转速和电流的采样和控制都在A/D中断服务子程序中完成。定子绕组换流过程可能会产生瞬间的尖峰干扰，为提高电流采样值的准确性和可靠性，一般将电流采样时间设定在逆变功率开关管导通周期的中点。当电流采样值大于程序设定的最大值时，可判定绕组过流，响应电流保护中断，启动电流保护予程序，封锁控制器六路驱动信号输出。当电流采样值在正常范围内时，软件程序正常执行，根据转把输入量，完成速度外环、电流内环调节，A/D中断服务子程序流程如图9所示。
3.双闭环控制模块
双闭环控制模块是控制系统软件设计的核心，对无刷直流电机的控制性能有很大影响，包括转速外环调节器和电流内环调节器。转速调节器使电机转速跟随转把输入而变化，要求稳态性能好、适应性强，采用模糊自适应PID控制策略。电流调节器使电机在最大允许电流下快速启动，减小过渡过程时间，采用传统Pl控制能满足要求。转速外环调节器的输入为速度给定值和反馈值的偏差，通过模糊自适应PID运算，得到电流调节器的给定值。电流内环调节器的输入为转速调节器的输出和电流检测值的偏差，通过电流调节PI运算，调节控制器输出PWM占空比，改变无刷直流电机转速。
转速环是实现无刷直流电机速度控制的核心，采用模糊自适应PID控制策略可以获得更好的系统动、静态性能，引入电流环可以克服单闭环转速控制快速性差的缺点。转速环主要有当前速度值计算、模糊自适应PID运算两个环节组成，如图10所示。
电流调节器作为无刷直流电机双闭环控制的内环，保证电机转速快速跟踪转把给定值的同时，控制电机绕组电流大小，防止转速调节过程中出现过流而损坏电机。为实现无刷直流电机的转速控制，电流PI调节器输出应转换为输出PWM的占空比值，定子绕组端电压决定电机转速，所以绕组电流大小与转速成正比，电流误差决定了PWM占空比，电流环调节子程序流程如图11所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：包括主控模块、电源模块、驱动模块、采样电路、电机位置检测电路和电源保护电路，所述电源模块包括蓄电池和降压转换电路，蓄电池的电源输出端与降压转换电路的输入端连接，所述驱动模块为无刷直流电机驱动电路，所述降压转换电路的输出端分别与主控模块和无刷直流电机驱动电路的电源端连接，蓄电池的电源输出端与无刷直流电机驱动电路的电源输入端连接，无刷直流电机驱动电路的信号输入端与主控芯片的输出端连接，驱动电路的输出端与无刷直流电机的三路电源端连接，采样电路的检测端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，采样电路的信号输出端与主控芯片的输入端连接，电机位置检测电路的检测端与无刷直流电机的霍尔信号端连接，电机位置检测电路的输出端与主控模块的输入端连接，所述电源保护电路的检测端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，电源保护电路的的输出端与主控模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：所述主控模块为STM32F030K6T6型微控制器。
3.根据权利要求1所述的一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：所述降压转换电路包括启动电阻组、5V电源管理芯片、3.3V电源管理芯片、充电电容、分压电阻、稳压管、三极管一、三极管二和三极管三，所述启动电阻组包括多个依次串联的电阻，启动电阻组的一端连接蓄电池，另一端连接5V电源管理芯片的输入端，5V电源管理芯片的输出端输出5V电源，5V电源管理芯片的输出端与3.3V电源管理芯片的输入端连接，3.3V电源管理芯片的输出端输出3.3V电源；充电电容的一端连接5V电源管理芯片的输入端，另一端接地；5V电源管理芯片的输入端连接稳压管的负极端，稳压管的正极端连接三极管三的基极，三极管三的集电极连接5V电源管理芯片的电源输出端，三极管三的发射极接地；三极管二的基极连接三极管三的集电极，三极管二的发射极接地，三极管二的集电极连接三极管一的基极，三极管一的发射极串联分压电阻后连接蓄电池的电源端，三极管一的集电极连接5V电源管理芯片的输入端，三极管一为PNP型三极管。
4.根据权利要求3所述的一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：所述驱动电路包括三路相同电路结构的无光耦自举浮动栅极驱动电路，三路无光耦自举浮动栅极驱动电路分别对应于无刷直流电机的三个电源端配合连接。
5.根据权利要求4所述的一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的无光耦自举浮动栅极驱动电路包括上桥臂驱动电路和下桥臂驱动电路，所述上桥臂驱动电路包括三极管四、三极管五、三极管六、二极管一、二极管二、MOS管一和电容一；所述下桥臂驱动电路包括三极管七、三极管八、三极管九、二极管三、MOS管二、电容二和电容三；
三极管四的基极连接3.3V电源管理芯片的电源输出端，三极管四的发射极连接主控模块的一输出端，三极管四的集电极连接三极管五的基极和发射极，三极管五的集电极连接二极管一的正极端，二极管一的负极端连接MOS管一的栅极，MOS管一的源极连接蓄电池，MOS管一的漏极连接无刷直流电机的一电源端，三极管六的发射极练级MOS管一的栅极，三极管五的集电极分别连接三极管六的基极和集电极，三极管六的集电极连接MOS管一的漏极，5V电源管理芯片的输入端连接二极管二的正极端，二极管二的负极端连接分别连接三极管五的发射极和电容一的正极端，电容一的负极端连接MOS管一的漏极；
三极管七的基极连接3.3V电源管理芯片的电源输出端，三极管七的发射极连接主控模块的一输出端，三极管七的集电极连接三极管八的基极和发射极，5V电源管理芯片的输入端连接三极管八的发射极，三极管八的集电极连接二极管三的正极端，二极管三的负极端连接MOS管二的栅极，MOS管二的源极连接MOS管一的漏极，MOS管二的漏极接地，三极管九的发射极连接MOS管二的栅极，三极管八的集电极分别连接三极管九的基极和集电极，三极管九的集电极连接MOS管二的漏极，电容二的一端连接蓄电池，电容二的另一端连接MOS管二的漏极，电容三的正极端连接蓄电池，电容三的负极端连接MOS管二的漏极。
6.根据权利要求5所述的一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：所述的三极管四和三极管七为NPN型三极管，所述的三极管五、三极管六、三极管八和三极管九均为PNP型三极管，所述的电容一和电容三为电解电容。
7.根据权利要求1所述的一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：所述采样电路包括稳压二极管一、稳压二极管二、比较器一、比较器二和MOS管三，稳压二极管一和稳压二极管二的同极端相互连接，且稳压二极管一的正极端接地，稳压二极管一的负极端连接比较器一的正极输入端，同时比较器的一的正极输入端与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，比较器一的负极输入端接地后，比较器一的输出端连接MOS管三的源极，MOS管三的栅极连接主控模块的输出端，MOS管三的漏极连接比较器二的正极输入端，比较器二的输出端连接主控模块的输入端，比较器二的负极输入端与比较器二的输出端连接。
8.根据权利要求3所述的一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：所述电机位置检测电路包括接插头、电阻一、电阻二、电阻三、电阻四、电阻五、电阻六、电容四、电容五和电容六，接插头与无刷直流电机上的三路霍尔信号端连接，电阻四、电阻五和电阻六的一端分别与接插头上的三路霍尔信号端对应连接，电阻四、电阻五和电阻六的另一端分别与主控模块的三路输入端分别对应连接，电阻一、电阻二和电阻三的一端分别与3.3V电源管理芯片的电源输出端连接，电阻一的另一端与电阻四连接接插头的一端连接，电阻二的另一端与电阻五连接接插头的一端连接，电阻三的另一端与电阻六连接接插头的一端连接，电阻四连接主控模块的一端串联电容四后接地，电阻五连接主控模块的一端串联电容无后接地，电阻六连接主控模块的一端串联电容六后接地。
9.根据权利要求3所述的一种低成本电动自行车无刷直流电机控制器，其特征在于：所述电源保护电路包括三极管十、二极管四、电容七、电阻七和电阻八，三极管十的基极串联电阻八后与与无刷直流电机驱动电路的输出端连接，三极管十的集电极连接3.3V电源管理芯片的电源输出端，三极管十的发射极连接二极管四的正极端，二极管四的负极端与主控模块的输入端连接，电容七与电阻七并联，且电容七的一端与二极管四的负极端连接，电容七的另一端接地。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20210514 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |