基于78F0712的E-BIKE用无刷直流电机控制器的设计

摘要：本文介绍了以电机控制专用芯片μPD78F0712为核心的E-BIKE用无刷直流电机控制器的设计，主要阐述了PWM控制电路结构及功率开关器件的选择，驱动电路，保护电路以及软件设计。

关键词：μPD78F0712；无刷直流电机；控制器；电动自行车

　　张广栋：工程师。

引言

　　电动自行车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。

　　在许多对调速精度要求不高的应用场合，无刷直流电机(BLDC )的调速方式主要通过开环PWM 调制来实现。导通逻辑信号上叠加PWM 信号，通过外部给定PWM 的占空比来实现转速变化，硬件实现容易，成本较低。目前市场上电动自行车的调速大多采用这种方式。

　　为提高E-BIKE(电动自行车)用无刷直流电机的控制性能，本文提出了一种采用NEC公司的电机专用控制芯片μPD78F0712为核心的控制方案，并对电机的速度和电流进行了闭环控制，目的在于提高其动态和静态特性，优化其控制性能。

μPD78F0712

　　μPD78F0712为NEC公司的8位电机控制专用驱动芯片，其特点如下：最小指令执行时间可达0.1ms；外部时钟频率20MHz；片上高速晶振(8MHz)；32个8位通用寄存器；片上乘法/除法器；16K ROM，768 Bytes RAM；自编程功能；片上看门狗定时器；10位逆变器控制电路；4通道10位A/D转换；15路IO端口；实时输出端口。

无刷直流电机控制系统

　　基于μPD78F0712的无刷直流电机的控制系统结构框图如图1所示。

图1 控制系统结构框图

　　框图中各个功能块的作用如下：速度给定电路得到自行车手柄的模拟给定速度；驱动电路把MCU的驱动信号转换为功率MOSFET的驱动信号，控制功率管的导通状态；功率电路实现直流到交流的变换，控制电机的电流；电流反馈用于检测电机电流；位置反馈用于检测电机转子的位置；无传感器电路根据电机的反电动势确定转子的位置。下面将具体介绍各个部分的电路和功能。

　　位置检测电路
　　无刷直流电机采用三个空间相差120o的霍尔器件进行位置检测。其输出波形如图2所示。

图2 霍尔器件的输出信号

　　这三个信号经过滤波处理后由单片机的三个外部中断输入引脚进行处理，得到正确的转子位置信息。由MCU根据确定的换相控制逻辑对电机进行换相，得到连续的输出转矩，从而使得电机可以正确的连续运行。同时根据这三路信号的位置信息经过微分计算可以得到电机的实际转速，为保证系统的稳定性，应对速度进行滤波处理。位置采样电路如图3所示。

图3 位置采样电路

　　电压检测电路
　　电压检测电路的作用在于实时检测蓄电池的输出电压，以防止在运行过程中蓄电池因为过放电而受到损坏。通过对输出电压进行电阻分压并通过控制芯片的A/D转换电路进行转换，在控制程序中实现欠压保护功能。

　　电流检测电路
　　电流检测电路用于检测在运行过程中的流过电机绕组和功率电路的电流的瞬时值，并进行电流采样用于系统的电流闭环控制和过流保护。为降低系统的成本，根据无刷直流电机的两两通电的控制方式的工作原理，在三相功率驱动电路的下桥臂与系统的地之间串入一个5毫欧的功率电阻，其两端的电压经过放大后进行电流采样。

　　功率电路
　　功率电路如图4所示，供电电压为直流48V,采用三相桥式逆变电路，工作方式为两两通电，即在每个工作周期内每隔60度换相一个功率管，每个功率管导通120度，同一桥臂的两个MOSFET不需要添加死区时间。

图4  功率电路

　　驱动电路
　　驱动电路一般包括两种形式：采用专用驱动芯片或用分立器件构成驱动电路。本系统中采用后一种方案，可以在保证可靠性的前提下降低系统的成本。由分立器件组成的一相桥臂的驱动电路如图5所示。

图5 驱动电路