52单片机电动自行车控制器的设计+无刷直流电机控制(7)
图10 霍尔位置检测电路
2.4.5 转把输入电路
电动自行车的在行驶过程中，并不会以恒定的速度运行，有时需要加快速度，有时需要减慢速度，因此调速是电动自行车不可缺少的一个功能。当转动放置在自行车手把处的霍尔手柄时，输出的模拟电压发生变化，送至单片机的P3.5口，单片机收到信号进行逻辑综合从P1.6输出不同占空比的PWM波形，从而控制加到直流电机的电压大小，实现软启动和无级调速的目的。图11所示为转把输入电路，其中J3为霍尔手柄接口。
图11 转把输入电路
2.4.6 欠压保护的电路设计
欠压保护电路主要对电池电压实施监控。监控信号由经过电源的分压电阻分压产生，经A／D转换后得到数字信号，与程序中预先设定的值比较，判断电源是否欠压，如果低于设定值则认为是欠压，使单片机停止输出PWM波。如果电路刚上电自检时就检测到电源电压低于设定值，欠压保护电路就封锁PWM波的输出。只有当启动自检时电源电压大于设定值，经过软启动过程，内部各电路模块才开始正常工作，输出PWM波。
3. 系统软件设计
3.1 软件整体设计方案
系统软件采用纯模块设计，在KEIL集成开发环境中由C语言编写完成，软件设计主要完成以下功能：
（1）实现无刷直流电动机的软启动和电子换相。软启动时，PWM占空比由转把和软件共同控制。正常运行时根据电机霍尔位置获取信息进行电子换相，保持电机的正常运转。
（2）实现电动车各项功能设计。包括无级调速、手动/自动巡航、柔性电子刹车等。
（3）无刷直流电机速度电流双闭环控制。内环为电流环，电流调节算法为PI（比例调节和积分调节）控制算法；外环为速度环，速度调节算法采用模糊PI闭环控制算法。
（4）使电动车及控制器的安全可靠运行。设计了堵转保护、过载保护、上电自检、欠压保护、过流保护以及防飞车保护等，提高安全性且更人性化。
主程序分为初始化和循环主体两大部分。初始化部分主要是把系统资源和各变量初始化。循环主体部分包括对转把信号和电源电压采样，获取刹车信号并处理以及实现双闭环调速。每次循环开始先检测蓄电池电压是否欠缺以及刹车信号是否存在。过流保护在程序中有2种情况。第1类过流：当前检测到的电流值超过了电机额定工作电流，但不大于设定的2类电流，比如爬倾角小的坡道或者增大了负载。此时没有必要禁止输出，而只需稍微减小输出PWM波的占空比即可实现降低回路电流的保护要求。这类处理程序包含在闭环调速控制环节。第2类过流：当前获取到电流值大于程序中设定的故障电流值。单片机应立即禁止PWM波输出，此时还需要不断检测电流。当再次获取到的电流值小于故障电流值时，使PWM波重新输出，这部分程序放在对突发事件的中断处理中[11]。这种相互结合的电流调节方法可以更好的保护系统电路以及电动机，同时也不会发生因突发原因导致电流瞬间增大而突然停车，使整个系统更加安全舒适，更加人性化。系统整体流程图如图12所示。
图12 系统整体流程图
3.2 子模块设计
3.2.1 位置检测与换相子程序
转子位置的确定主要依靠单片机获取来自霍尔传感器检测到的信号。转子位置信号是通过直流无刷电动机自身内部的霍尔传感器来检测得到的，由于霍尔传感器中的霍尔元件是集电极开路输出的，其输出信号通过上拉电阻可以得到位置方波信号，高电平置l，低电平置0，以低三位表示霍尔传感器Hc，Hb，Ha位置信号的状态，则可得到从001到110吹冰种不同的状态。而111为不应该存在的状态，若出现这种状态，说明电机或者霍尔传感器可能出现故障，此时程序应当立即停止运行。而当检测到的状态为000时，说明此时电动机还处于静止状态，这时就要运行开环PWM调速子程序进行软启动，可以实现电机从静止到达到一定转速的过程。当电机速度保持一段时间后，进入闭环控制程序。电子换相子程序通过查表的方法确定电机的运行状态。进入电子换相子程序后，首先检查电动机是否处于正常运行状态，当电机出现运行不正常时，单片机中断响应将故障标志位置为1，电子换相子程序根据得到的故障标志位的状态确定输出正常换相信号或者跳出电子换相子程序，跳出换相子程序后进入故障保护子程序，故障排除之后要把故障标志位置为0。当结束正常换相后，应把换相标志置为0，以便进行下一次换相[12]。电子换相程序流程图如图13所示。