一种基于PSoC的电动自行车控制器的设计(下)

和正常运行时一样，刹车过程中也需要根据当前HALL传感器的位置进行换相，从而使得刹车过程平稳有效。通过分析可知道，为了产生反向电流，刹车过程中的换相控制和正常运行过程中的换相的开关管导通控制是互补的。以双侧斩波为例，图5是逆变器上个桥臂的开关管，表2是正常运行时候和刹车时候的换相表的对比。

能量再生

电动自行车的能量回收的基本工作原理是通过电机的自感电动势、反电动势，将存储在电枢中的磁场能量以及车体的动能转换成电能并保存到蓄电池。

图5  逆变器的开关管



图6  V2开通时刻电流方向


图7  V2关闭时刻电流方向

假设刹车时候采用单管单侧的PWM斩波，图6、7对应某个60°电角度区间的能量再生过程。此时只有G相对应的下桥臂功率管V2在PWM的驱动下进行开关动作， 其它所有功率管关闭。 当V2导通时， 电流方向对应着图6中虚线所示，此时电机的G相和R相的电感线圈蓄能。当G相下桥臂关断，此时由于线圈电流必须维持相同方向逐渐衰减，因此电流经右上角V5上所并联的续流二极管流向蓄电池，如图7所示，此时电感线圈释放能量，并向蓄电池和电容充电。实际上，这个能量回收的基本工作电路就是一个典型的升压电路。

辅助电子刹车和能量回收是一个紧密相关的控制，在设计时候应同时考虑刹车效果和能量回收。在忽略制动效率和制动电压抬高的影响，可根据蓄电池最大充电电流和额定电压来确定最大制动功率。可以适当限制制动功率，因为设计时只能在保证蓄电池的安全的前提下才尽可能的提高刹车效果和能量回收效率。实际设计时采用滞环控制，程序实时采样充电电流，并根据充电电流来调整PWM占空比，从而调整制动功率并保证蓄电池的安全。

中断服务程序及主循环

在PSoC架构中，每个数字模块和每个模拟比较总线都有独立的中断源，GPIO的电平变化也有相应的中断源。在本设计中，共使用三种中断源，即过流比较器中断，HALL传感器信号中断和PWM周期定时中断。过流保护由于实时性要求很高，并且不是规律发生的事件，可安排用中断服务程序进行处理。如前所述，当负载发生过流时将通过硬件直接关闭PWM输出，同时，将产生中断通知程序进行相应的处理。而HALL传感器信号中断的主要工作是在HALL信号发生变化时对HALL信号进行采集判断，并滤除电机工作中造成的强烈干扰，同时也要对诸如HALL失效，状态错误等情况进行处理。PWM模块在每个周期开始都会产生中断信号，一般在电动自行车控制器中，PWM载波频率为15~20KHz左右。PWM中断是程序设计中的最主要部分，大部分重要的控制诸如电机换相，电流检测，电池电压检测，刹车信号检测等都在此处实现。同时它也是系统计时的基础，所有其它长时间的定时都是基于PWM中断，因此，PWM中断服务程序也要负责维护所有的时钟标志的更新工作。

主程序包括：上电初始化、刹车过程控制、巡航、调速、电池欠压处理、堵转处理等。实际设计中， 由于程序任务较多，如何保证电机的及时换相的前提下满足控制的实时性要求是设计中最需要考虑的核心问题。考虑到换相程序非常短小，可安排在PWM中断服务程序中完成。

结语

PSoC的模拟和数字的高度集成为电动自行车控制器的发展提供一个良好的平台。采用PSoC器件开发的电动自行车控制器具有集成度高，程序设计灵活方便，并且具有非常好的保密性。

参考文献：
1. 陈国呈，PWM逆变技术及应用，中国电力出版社，2007
2. 王京锋、马瑞卿、孙纯祥，无刷直流电动机换相转矩波动的分析研究，微电机，2006.6
3. 贾爱萍、须斌、秦小雷、陈宝，电动自行车用无刷直流电动机弱磁控制技术，微特电机，2005.8
4. Cypress Semiconductor, PSoC Mixed Signal Array Technical Reference Manual (TRM), Version 2.10