PSoC单片机的电动自行车控制器的设计(75页).doc

-毕业设计（论文）报告题 目 基于PSoC单片机的电动自行车控制器的设计 系 别 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 2012年 4 月第 67 页-基于PSoC单片机的电动自行车控制器的设计摘要：电动车以零污染、高效率、低噪音等特点被认为是真正的“绿色交通工具”,而电动汽车受到电动机、电池的限制,批量进入市场还有一定的难度,电动自行车却可以得到迅速的发展。电动自行车的主要性能取决于电池、电动机和控制器,无刷直流电动机是电动自行车的主要部件。基于PSoC CY8C24533的电动自行车控制器，利用其模拟、数字和路由资源使整个系统只用一个PSoC芯片便实现了上述的所有控制功能，因此无需任何外围芯片，外围元件的数目也相应减少。这充分体现了SoC的优势，同时芯片的资源也得到了充分有效的利用。由于CY8C24533的模拟、数字和路由等资源也是可编程的，其使设计工程师的智慧和创意得到更多体现的同时，也使电动自行车控制器的性能得到更多的提升。关键词：电动自行车、控制器、PSoC、无刷直流电机Design of electric bicycle based on PSoC microcontrollerAbstract: Electric vehicles with zero pollution, high efficiency, low noise characteristics is considered to be the real "green transport", while the electric car is limited by motor power, battery, volume entering the market there is difficulty, electric bicycles can be quicklydevelopments. The electric bicycle performance depends on the battery, motor and controller, brushless DC motor is the main components of the electric bicycle.The whole system is only a PSoC chip to achieve all of the above control function based on the PSoC CY8C24533 electric bicycle controller, analog, digital and routing resources, and therefore does not require any peripheral chips, the number of external components is also a corresponding reduction. This fully demonstrates the advantage of the SoC chip resources have been fully and effectively use. CY8C24533's analog, digital, and routing resources are also programmable, so that the wisdom and creativity of the design engineers to be more embodied at the same time, electric bicycle controller performance is more improved.KeyWords: Electric bikes、Controller、PSoC、 brushless DC motor目录前言1第一章 PSoC可编程片上系统31.1可编程片上系统(Programmable System-on-Chip, PSoC)31.2 PSoC的内部资源3第二章 智能控制器的功能和总体方案设计721 控制器功能介绍72.2系统总体方案设计7第三章 智能控制器硬件方案设计103.1 PSoC开发环境介绍103.1.1 PSoC开发环境103.1.2 与传统单片机系统设计方案的比较103.2电动自行车智能控制器123.2.1电源电路123.2.2 触发电路123.2.3 过流保护电路133.2.4 欠压保护电路143.2.5霍尔传感器检测电路143.2.6助力153.2.7逆变电路163.2.8转把电路163.2.9调速刹车电路173.3电动车自行车控制器系统183.4PWM输出18第四章 系统软件设计204.1 程序整体流程图224.2具体软件设计方案234.2.1 电机调速方案234.2.2 电机及控制器保护方案244.2.3欠压保护方案254.2.4 刹车控制方案25第五章 计中遇到的问题及解决方法275.1 设计中遇到的问题275.2 绘制原理图中遇到的问题27第六章 结论29谢辞30参考文献31附录32附录1电动车控制器图32附录2 PCB图33附录3 源程序34 前言 电动车作为一种新型的代步工具，已经实实在在地为人民群众所接受。尤其是在当前油价飞涨、摩托车牌照发放受限，汽车的梦想可望而不可即的情况下，电动车越来越受到老百姓的青睐。在中国这样一个“自行车王国”，电动车的市场空间是值得期待的。业内人士预测，未来几年内，电动车的容量几乎相当于自行车的市场容量，全国4.5亿辆自行车用户中至少有3亿的用户将成为电动车的用户。随着电动车市场趋向成熟，无刷电机电动车逐渐占据了80以上的市场份额，无刷电机控制器也在不断的技术进步中被广大用户所喜爱，并且将会不断地推陈出新，以丰富的功能来适应市场的变化。本课题是用PSOC芯片控制电动自行车，PSOC芯片控制无刷直流电动机用于电动自行车，既可以完成一系列个性化定制，又可以减小产品的体积和成本、降低系统设计周期。PSOC由基本的CPU内核和预设外围部件组成，就是在一个专有MCU内核周围集成PSOC块，利用芯片内部可编程互列阵列，可以有效地配置芯片上的模拟和数字电路资源，达到可编程片上系统的目的。无刷直流电动机智能控制器基于PSOC片上系统。改进以前传统微处理器，具有更多的功能，保密性更强。随着现代社会可持续发展战略的深入人心，环境和能源问题越来越引起人们的重视。由于燃油车辆产生大量的废气和噪声污染，因而被零污染、高效率和宁静的新型电动车代替已成为一个不可逆转的趋势。与燃油机相比，电动车具有节能、可均衡电网高峰与低谷期的负荷以及可消除空气污染和降低城市噪音，且能源广泛（可来自火力、煤炭、石油、天然气 、水力、风力、地热、潮汐、原子能发电）等众多优点，电动车的研究已成为世界各国的研究热点之一。电动自行车自从20世纪80年代发明以来经历了一个漫长的发展过程，在20世纪90年代北京的道路上曾经出现过电动自行车，但由于很多技术并没有过关以及交通管理上的一些问题，逐渐在马路上消失了。当时主要的问题是电源没过关，那时的电动自行车使用的电源是汽车用的铅酸蓄电池，维护非常麻烦，除了要及时充电外，还要经常换蒸馏水，而且电池体积重量都很大。到了最近，电源问题得到较好的解决，于是电动自行车就得到了迅速的发展。电动自行车有很多的优点，它不像汽车、摩托车那样有废气及噪音污染，速度低、易于驾驶，一般只要会骑自行车，用不了一个小时就能掌握电动自行车的操作，因此特别适合妇女及老人的使用。从上世纪60年代至今，电动车的开发主要经历三个发展阶段：1、20世纪90年代以前，蓄电池电动车以蓄电池作为系统的动力源。2、90年代起，复合型电动车蓄电池系统和燃油系统相互配合使用的电动车，这种车由电动机和汽油发动机联合驱动。与燃油车和纯电动车相比复合车既显著降低了排放，提高了燃油效率，又能在保持高速和远程行使方面取得较大突破。由于并非真正的零排放车辆，所以复合车通常被视为电动汽车发展过程中的过渡性产品。3、燃料电池电动车，燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的“电池”，它不是蓄电池，而是“发电厂”，这种电池的使用，能提高起能量密度，但不具备回收电能的功能。国内的电动车发展也很迅速，20世纪90年代初，国家计委、国家科委就曾为此专门立项，中国电工技术学会电动车辆研究会早在1987年就已成立，电动汽车项目科技部已列入“九五”国家重大科技产业项目，各个研究课题已全面起动，并己取得阶段性成果。电动自行车，无论是从技术，还是从市场来讲，都有比较广阔的发展前景。首先：电动自行车在技术上比较成熟，价格也较低，更为大多数厂家和用户接受。其次：与电动汽车相比，电动自行车是一种更加灵活、方便的中短途交通工具，尤其适合于没有驾驶执照的老人和未成年人。再次：电动自行车对路况要求较低。亚洲城市街道拥挤，人们上下班路程较短，这种“停停走走”的交通状况尤其适合于电动自行车。此外：电动自行车还兼有运动和健身的功能，很适合于休息娱乐用，因此即使将来电动汽车风行起来，电动自行车市场也不至于衰退。电动自行车已经达到200-300万辆，全世界已达600万辆。前景非常乐观。第一章 PSoC可编程片上系统1.1可编程片上系统(Programmable System-on-Chip, PSoC)由美国赛普拉斯半导体公司（Cypress Semiconductor）倡导并推出的完全基于通用IP模块，由可编程选择来构成产品SoC的设想，并把单片机的发展从MCU推动到SoC的新阶段。这种可编程的SoC取名为可编程片上系统（PSoC）,由基本的CPU内核和预设外围器件组成，就是在一个专有MCU内和周围集成了（PSoC）模块（可配置的模拟和数字外围器件阵列），利用芯片内部可编程互联阵列，可以有效地配置芯片的模拟和数字电路资源，达到可编程片上系统的目的。同传统的MCU相比较，从根本意义上讲PSoC系列是一种微控制器，而且是一种可编程片上系统微控制器，它的出现使设计者逐步摆脱了板级电子系统设计方法层次而进入芯片级电子系统设计，减少了单片机的品种和规格，同时更有利于新品开发和升级换代。与同种价位的普通单片机比较，其丰富的内部资源、新颖的设计界面、灵活的设计方式、简单的编程技巧都使其极具特点。PSoC完全不同于以往的传统的微处理器。PSoC开发者不需要自己构建ADC,DAC和其他外围设备，可以通过PSoC的配置性进行资源调配，而且PSoC为控制器成功的引入动态可重新配置功能，真正实现在线可编程，由此可见，一个PSoC微控制器就能代替多种类型的单片机。1.2 PSoC的内部资源PSoC微处理器CY8C21×××29×××系列器件使用强大的8位哈佛结构处理器内核（M8C CPU Core）,它具有独立的程序存储器和数据存储器总线，处理器速度可达24MHz。拥有丰富的M8C架构指令，并可进行I/O和内存上的操作。此外系统提供便捷的寻址方式。CPU内核具有完善的快速乘加能力，PSoC系列所有处理器中都有一个乘法器/加法器(MAC)。MAC系统中作为一个独立的组件，并映射到特定的寄存器地址空间，由输入寄存器和输出寄存器，能执行带符号的8×8乘法运算和32位的加法运算。只要把数据传送到输入寄存器在下一个指令周期，在输出寄存器就能得到运算结果。寄存器加速内存数据交换，大大提高了处理数据的速度。CYPRESS MICROSYSTEMS INC生产的PSOC是新一代功能强大的8位可配置微控制器。PSOC器件集成有模拟和数字逻辑电路可编程模块、一个快速8位MCU 16KB闪存、256字节SRAM以及乘法器/累加器、8根独立的输入和输出总线，其内部可用的BLOCK资源包含：4个基本类型和4个通信类型的数字BLOCK，使用基本类型数字BLOCK可配置：计数器(counter)；定时器(timer)；脉宽调制(PWM)；循环冗余码校验(CRC)。使用通信类型数字BLOCK 可配置：串行发(serialtransmitter)；串行接收(serial receiver)；SPI主端(SPI Master)；SPI 从端(SPI Slave)。使用模拟BLOCK可配置：多极滤波器（multi-pole filters）；放大器（gain stages）；数模转换（DACs）；模数转换（ADCs）。使用这些资源可以配置成不同的功能模块，用以实现微控制器标准外围器件的功能。所有PSOC 器件都是可动态重配置的，使设计人员能动态地设计并实现新的系统功能。设计人员可在不同的时钟周期中使用同一芯片的不同功能，从而提高了芯片利用率。PSOC的集成化结构减少了设计方案中所需的模拟和数字元件的数量，节省了成本。此外，PSOC 的可编程性缩短了开发时间，能让产品更快上市。其可在消费类、工业、办公自动化、电信和汽车领域应用中实现大量嵌入式控制功能。PSOC 的内部资源极为丰富，分别从以下几个方面进行介绍：a. 处理器内核PSoC微处理器CY8C21×××29×××系列器件使用强大的8位哈佛结构处理器内核（M8C CPU Core）,它具有独立的程序存储器和数据存储器总线，处理器速度可达24MHz。拥有丰富的M8C架构指令，并可进行I/O和内存上的操作。此外系统提供便捷的寻址方式。 CPU内核具有完善的快速乘加能力，PSoC系列所有处理器中都有一个乘法器/加法器(MAC)。MAC系统中作为一个独立的组件，并映射到特定的寄存器地址空间，由输入寄存器和输出寄存器，能执行带符号的8×8乘法运算和32位的加法运算。只要把数据传送到输入寄存器在下一个指令周期，在输出寄存器就能得到运算结果。寄存器加速内存数据交换，大大提高了处理数据的速度。b. 内存储器PSoC系列器件拥有灵活的片内存储器，包括416K字节的快速程序存储器（Flash Program Memory）以及256字节的片内SRAM数据存储器，快速内存可擦写100,000次，并可分块实时修改，不同的型号芯片闪存的容量不同。此外，系统具有串行编程功能，（In System Serial Programming-ISSP），即在程序头（Programme Pod）或者用户板上的闪存可通过串行的方式，把程序固化到内部程序闪存存储器中。PSoC对片内存储器提供多种保护加密方式。以保证用户敏感信息的安全。这个功能允许用户有选择性的对内存模块的读写操作加锁和写操作保护。这允许对部分代码进行升级，而不会泄漏重要数据。c. PSoC模块在每一个PSoC芯片中共有若干个PSoC数字模块。PSoC片内的数字模块减少了多种微控制器类型和外设元件的需求。数字PSoC模块可以配置成各种各样的用户模块，比如时间定时器、实时时钟、脉宽调制（PWM）和死区脉宽调制(DEADBAND PWM)、循环冗余核对模块(CRC)、全双工(UARTS)、串行主从通信(SPI)功能。PSoC软件开发包提供了PSoC模块自动配置，用户只需简单的选择需要功能块，PSoC软件开发包就能产生正确的配制信息和器件数据手册。 在每一个PSoC芯片中还有若干个模拟PSoC模块，芯片内的模拟PSoC模块可以减少CPU复杂的系列编号以及对外设的需求。模拟PSoC模块可以配置许多外设功能，譬如12个PSoC模块可以提供11位模数转换，8位逐次逼近式模数转换、8位直接模数转换、12增量式模数转换、可编程增益放大器、采样和保持功能、可编程滤波器、差分比较器和片内温度传感器等。PSoC系统包含三种类型的模拟模块：连续时钟模块（Continuous Time CT），A类和B类开关电容(Switch Capacitor SC)模块。d. 通用I/OPSoC微控制器的通用I/O数量从6到44位不等，具体根据不同型号来确定。每个I/O功能可编程选择。在输出模式中可选择输出驱动方式，模拟输出驱动可达40mA。通过内部上拉或者下拉电阻输出，强输出，可设置输出最大的驱动电流达25mA。所有引脚都能作为中断电源，通过引脚信号变化产生中断。并可选择位上升沿触发终端、下降沿触发。引脚能与模拟模块相连。此外，还有用作斯密特触发器的TTL 、I/O。e. 振荡器PSoC系列器件有多种振荡器可供选择，总能为CPU时钟、模拟PSoC模块和数字PSoC模块的时钟、找到合适的振荡器。主要有内部达到24/48MHz的主振荡器、一个32.768MHz外部晶体振荡器和内部低速振荡器。主振荡器误差为±2.5%，且没有外部补偿，外部晶体振荡器可对PLL选定精度，内部低速振荡器一般作为PSoC模块和看门狗/睡眠定时器的时钟。可使用时钟分频器，从而优化代码执行速度和减少功耗。f. 专用外设PSoC系列器件还提供一些专用外设，包括看门狗/睡眠模式时钟（Watchdog /Sleep Timer ）、可设定电压阀值的电源低电压检测（LVD/POR）、中断控制器（Interrupt Controller）、采样抽取器（Decimator）、片内温度传感器和片内电压参考等。g. 静态COMS器件PSoC微处理器系列运用了先进Flash工艺的全静态CMOS器件，实现高度低电压功能。通常电压保持在3.0 到5.5V DC，使用片内开关式电压汞可使工作电压降低到1.0V DC，工作于40 85。图1-1 本文所采用的芯片CY8C24423内部系统资源框图 第二章 智能控制器的功能和总体方案设计21 控制器功能介绍电动自行车的控制器用于控制电动自行车的运行，具体实现功能如下：（1）运行控制：使电动自行车的速度能按照手把转动的角度发生变化从零速度到最大速度；（2）具有电流过载保护功能，在各种运行状态电流都不超过保护值；（3）刹车时自动断开供电电源；（4）欠压保护：当电源供电不足电池电压下降到电池最低电压时切断电源，以保护电池。酸铅电池不怕充足就怕没电。（5）其它功能：为提高使用性能，电动自行车常附带有一些其它功能。非零启动功能是为了防止起动电流过大，具有该功能的自行车只有当电动自行车的车速大于某一速度（例如5公里/小时）后控制才起作用，以保护蓄电池，使蓄电池不在大电流放电状态下工作；软起动的目的同前，使电动自行车工作电流保持恒定，使蓄电池不在大电流放电状态下工作；保持功能是使电动自行车的运行速度在手把给定的最大速度运行，以减轻长途骑行时的疲劳，即你骑行时将车速增加到某个速度运行时，可放开手把，自行车则维持在该速度上运行，若要增加速度则可通过增加手把转角，但要降低车速则必须使用刹车解除来保持状态。2.2系统总体方案设计本文围绕PSoC单片机来实现整个电动自行车控制器的设计，Cy8c24423单片机产生PWM信号并负责对整个系统控制、信号检测和系统保护；功率转换采用MOSFET(场效应晶体管)，电动机位置信号与转速采用霍尔元件检测。采用PSoC片上系统增加了系统的可靠性、安全性与快速性,并具有很好的灵活性，达到了很好的控制效果。在本系统中，速度反馈信号来自转子位置信号的间接测量，即在PSoC中通过定时器将霍尔脉冲的频率测出，间接得到电动机转速。电动自行车手柄给定速度与反馈速度相比较获得的误差信号，经过一个PI调节器调整后得到电流环参考信号的输入，再与测得的实际相电流信号比较，得出的误差信号再经过PI调节器调整为PWM信号的占空比，控制电动机转速。在电动机启动阶段，速度变化率高，电流参考信号输入大，此时电流误差信号大，得到的输出占空比高，加在电动机上的电压平均值增大，保证在启动阶段维持一个较高的启动转矩，同时对电流参考信号幅值加以限制从而避免启动电流过大而损坏电动机。功率变换电路采用三相桥式结构，三相绕组需6个开关器件，功率驱动电路采用分立元件（三极管、电阻、电容）构成，相对于集成芯片，成本低廉。该控制系统原理框图如图2.1所示。 图2-1 电动自行车智能控制器系统框图控制器针对电动自行车和铅酸蓄电池的使用要求，提供欠压保护、电流保护和堵转保护等多种措施。在电动车运行过程中，控制器检测蓄电池电压，当电压下降到额定电压的80%（欠压值）时，使电动机断电不工作，可避免短时重载欠压停车及临界欠压状态下不正常的运行振荡。电流保护分两种情况，一种过载（12A<I<17A），程序中不断查询，如果过载状态超过整定时间仍存在，则停机。另一种是过流（I>17A），电流短时间内超过电流上限，电流反馈回路的比较器将触发PSoC的外部中断，在中断服务程序中，关闭PWM输出。为避免外部干扰引起中断的误触发，将中断设置为电平触发方式，并在中断程序中检测电平状态。经反复实验证明，电流中断保护有效。如果在一段时间内检测电动机霍尔信号不变，则判断为发生了堵转，此时减小PWM的占空比，并继续检测，如果电动机堵转状态仍持续，则关闭PWM信号。电流保护和堵转保护都是暂时关闭PWM输出，当松开调速手柄，再次转动仍可以启动电动机。此外，控制器还具备巡航功能，当检测到手柄固定在某一位置超过一段时间，松开手柄，电动车会保持原来的速度运行。电动自行车控制器需要三路AD分别测量手柄电压、电动机相线电流和电池电压，而且这三路信号的输入范围相差很大，为此，在PSoC中将输入信号经过一个多路转换开关和一个放大器连接AD，动态配置多路转换开关的输入管脚，可以在不同时间段内三路信号复用一个AD，而动态配置放大器的放大倍数，可以分别调整三路信号的输入范围。对于控制器的输出而言，需要三路PWM信号，Cy8c24423有四个数字模块，控制器设计中一个用于AD，一个用于定时器，所以不可能再有三个PWM模块供选择。为此，采取动态配置，一个PWM模块分时复用，不同时间配置到不同的输出管脚。本控制器模拟模块和数字模块动态配置的界面如图2.2所示。PSoC的集成化结构减少了设计方案中所需的模拟和数字元件的数量，节省了成本。此外，PSoC的可编程性缩短了开发时间，能让产品更快上市。 PSoC设计系统的保密性体现在两个方面：一是PSoC芯片集成了系统的大部分硬件，相当于“硬件加密”；二是程序编译链接形成目标代码时，可以选择部分或全部不可读，相当于“软件加密”，从而有效地保护了知识产权。图2-2 PSoC动态配置界面第三章 智能控制器硬件方案设计3.1 PSoC开发环境介绍3.1.1 PSoC开发环境PSOC Designer x. x 是赛普拉斯微系统有限公司专为PSOC 推出的集成开发环境（IDE），目前最高版本为4. 1 。该软件包除了具备与其它单片机IDE 相同的如项目管理、文件编辑、汇编/ 编译、链接等功能以及协同硬件仿真器进行实时仿真外，最有特色的是，它提供了一个图形化的用户模块(User Module) 库，其中包含了超过50 种经过严格测试的用户模块，除了上述业已介绍的ADC、PWM 等，甚至还具有伪随机序列发生器、红外通讯、调制解调器等并非常用的模块，并且还在不断地追加中。软件包提供的丰富的模块等于将市场上成千上万不同的外围元器件搬到设计工程师工作台上。在图形界面下，设计者只需用鼠标双击要选用的模块就可以将它添加到自己的设计中，借助软件提供的简便易用的连接功能完成相应的连接，通过“生成应用程序( Generate Application) ”命令自动生成C 及汇编的API 函数，至此相当于完成了传统意义上的(片内) 硬件设计，在应用程序中直接调用API 函数即可。3.1.2 与传统单片机系统设计方案的比较(1) Cypress PSOC 的开发基于成熟而又丰富的用户模块，极大地减少甚至免除了设计者在成千上万种外围元件中选择的烦恼，节省了模拟量处理电路调试及修改的精力和时间，提高了成功率、灵活性和可靠性。在软件编制方面，由于开发系统可以根据硬件电路的构造自动生成高质量的可供调用的API 函数，编程者无须像以往那样在底层驱动程序上劳神费力，而可将精力更多地放在应用层程序的编制上，提高了开发效率。(2) Cypress PSOC 采用了一种新的架构，通过可配置的数字及模拟区块灵活地构造适用的用户模块，这是传统的或走传统路线的单片机所不具备的。加之Cypress PSOC 可以动态重构，即在应用中通过程序改变存储在片内闪存中设定的参数，重新定义系统所需要的功能模块的种类和数量，动态地完成片上资源的重新分配，实现新的外围元器件的功能，这一点保证了系统资源的最大化、最合理化和最经济化应用。(3) 与传统意义上的单片机系统相比，CypressPSoC 最大程度地实现了系统单片化的目标，也减少了PCB 的面积。和当前其它架构的SoC 相比，Cy2press PSoC 在保证以更简便方式实现更多更灵活功能和具备较高性能的前提下，达到了当今无出其右的最高性价比。基于PSoC 的项目开发包含下述三个步骤，实际开发过程很可能多次反复。限于篇幅，简述如下：(1) 器件层编辑这相当于传统的硬件设计。运行PSoC Designer 4. 1 ，新建项目，选择相应芯片及编程语言（C 或汇编）后系统自动进入器件编辑界面。浏览用户模块库，选择用户模块并双击鼠标逐一添加，同时观察芯片资源的使用情况，必要的话重新选择芯片。进入模块放置及连接界面。将用户模块分配到PSoC 区块上(有些模块不占用PSoC 区块) 、对用户模块进行必要的参数设置、全局资源设置、建立模块间连接及模块与PSoC 芯片外部引脚的合理连接。生成应用程序。“Generate Application”快捷图标，系统自动生成可供调用的API 函数。(2) 应用层设计进入应用程序编辑界面。PSoC Designer 4. 1为当前项目规划并建立了系统程序的框架。在此，设计者根据需要编制应用层代码，随后进行汇编/ 编译、链接、排错等工作，一切无误后，由链接器生成一个可供下载调试的目标文件。(3) 联机调试将链接器生成的目标文件通过并行电缆下载到仿真器进行系统调试。第一步连接好硬件，即组件的连接以及ICE与计算机之间的连接。步骤：将组件之间连接好；连接并行电缆插头与计算机的并行口；启动计算机进入BIOS设置，选择EPP模式并保存该设置。第二步是连接软件，即PSOC DESIGNER与POD之间的连接。方法如下是：接通ICE的电源，进入PSOC Designer；进入调试程序子系统。第三步是将project、com文件传输到Pod中，目的就是把在ROM中的数据传送到仿真器。3.2电动自行车智能控制器电动自行车控制器的主要控制功能有：电机调速控制、刹车控制、蓄电池欠压保护、电机过载保护、电机过热保护及控制器过流保护等。以下给出以PSOC芯片为核心的电动自行车智能控制器，包括驱动电路、过流保护、欠压保护、刹车、调速各单元实现方案。3.2.1电源电路电动机运行需要蓄电池提供电压，控制器也需要电源提供的电压，但驱动电路和芯片所需的电压不需要48V，所以控制器电源电路是通过芯片7815将+48V电压转换成+15V的电压，电容C31、C33、C34起滤波、抗干扰的作用，限流是通过R33、R34实现的。芯片7815将48V电压进行转换，输出15V的电压，再经过芯片7805转换成5V电源。图3-1 电源电路3.2.2 触发电路触发电路中的主要元器件是三极管、二极管、电阻、电容、MOS管连接而成。PSOC发出的驱动信号不足以驱动MOS管，经过三极管放大电路放大后，驱动MOS管。上管驱动通过电容充放电达到驱动电压自举的功能。 图3-2 触发电路3.2.3 过流保护电路过流保护电路的功能是保证电路中的电流不过超过一定的值，从而保证电路中的原器件不会因为电流过大而导致烧毁。 图3-3 过流保护电路过流保护电路是通过ptc热敏电阻的电流小于额定电流，过流保护用ptc热敏电阻处于常态，阻值很小，不会影响电路的正常工作。当电路出现鼓掌，电流大大超过额定电流时，过流保护用ptc热敏电阻陡然发热，呈高阻态，使电路处于相对断开的状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除后，过流保护用ptc热敏电阻亦自动回复至低阻态，电路恢复工作。3.2.4 欠压保护电路当电源电池的电量不足时，其输出电压将降低，这样电池的损耗非常大。欠压保护就是在电池电量不足时，及时切断电源。欠压保护电路如图3.4，电源电压48伏通过电阻分压，得到的电压值由PSOC芯片读取，当电源电压低于门槛电压时，PSOC切断电路，起到欠压保护的作用。其中的电容起滤波抗干扰的作用。图3-4 欠压保护电路3.2.5霍尔传感器检测电路磁场平衡式霍尔电流传感器是由原边电路、聚磁环、霍尔元件、次级线圈、放大器等组成，如图所示。其工作原理是磁场平衡式的，即原边电流所产生的磁场，用通过次级线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零。当原边回路有一大电流IP流过时，在导线周围产生一个强的磁场HP，这一磁场被聚磁环聚集，并感应霍尔元件，使其有一个信号输出Uh，这一信号经放大器N放大，再输入到功率放大器中，这时相应的功率管导通，从而获得一个补偿电流Is。 图3-6霍尔检测电路由于这一电流要通过很多匝绕组，多匝导线所产生的磁场Hs与原边电流所产生的磁场Hp方向相反，因而相互抵消，引起磁路中总的磁场变小，使霍尔器件的输出逐渐减小，最后当Is与匝数相乘所产生的磁场Hs与Ip所产生的磁场Hp相等时，达到磁场平衡，Is不再增加，这时霍尔元件就处于零磁通检测状态。3.2.6助力CY8C24533有数字模块可以用作捕捉定时器，捕捉踏板转轴的转速信号，获得模拟的1:1助力信号，然后通过对PWM的输出的控制，实现模拟的1:1助力或1:N控制。由于CY8C24533的闪存空间高达8KB，可允许用户程序设计多种功能和保护。基于PSoC CY8C24533的电动自行车控制器还包括超静音功能、防飞车功能、短路保护功能、欠压保护功能、定速巡航、ABS刹车再生制动等功能。超静音功能减少了起步噪声；防飞车功能解决了无刷控制器由于转把或线路故障引起的飞车现象，提高了系统的安全性；短路保护功能防止电机三根相线输出端任意两端短路或三端全短路，以及控制器不会烧毁；欠压保护功能使得电池电量不足时及时通知用户更换电池。定速巡航、ABS刹车使控制器的性能更加完善。3.2.7逆变电路逆变电源也称逆变器，是一种DC/AC的转换器，它将电池组的直流电源转化成输出电压和频率稳定的交流电源。一般是指将低压的直流电转变成高压（或低压）的交流电的装置，它可以用蓄电池做电源，输出交流电，具体说，比如用12V的蓄电池是不能为普通电灯或电脑、电视等供电的，而把该蓄电池通过逆变器变成普通的220V交流电再接到这些用电器中，它们就能正常工作。图3-7逆变电路3.2.8转把电路其中最常用的是以下两种信号的转把：1-4.2V（俗称正把），4.2-1V（俗称反把）。两种信号的转把中，是1.0V4.2V的转把占绝大多数。其它输出电压的转把，目前市场中存在很少，已成为事实中的非标产品，这种非标的转把在早期的电动车上使用比较多。因此目前市场上通用的控制器绝大多数是识别1-4.2V转把信号的产品。当电动车的转把或控制器需要维修更换时，一旦遇到转把信号与控制器不匹配的情况时，这就需要对转把进行改制，使其输出信号能匹配控制器。 图3-8转把电路3.2.9调速刹车电路（1）调速电路 电动自行车调速是无极调速，通过旋转电动车的手把来调节开车的速度。本课题设计的调速控制是通过调节可变电阻的大小来输出相应的电压值给PSOC芯片，PSOC芯片根据采集到的电压大小调节输出PWM占空比的变化，从而达到调节速度的目的。（2）刹车电路 刹车控制采用实时响应方式, 当系统检测到刹车信号后, 立即使单片机输出的PWM 信号变为零脉宽, 使电子开关断开, 电机失电。图3-5 调速刹车电路同时借助于自行车本身的制动系统， 使自行车停止前进。这时单片机系统应处于等待状态，刹车信号消失后, 系统恢复当时所需的PWM脉宽。 电路左下脚的刹车装置有两个端口，2号端口通过电阻的分压接电源，1号端口接地，而这两个端口是在正常的情况下是开路的，这时，2号端口的输出是高电平；当发生紧急情况，我们按下刹车手把时，两个端口短路，这时，2号端口通过1号端口接地，其输出就变成低电平，这样，不断检测端口的PSoC芯片就可以得知该端口的变化情况，从而根据该端口的输入是否为零，如果是的话，就立即断开电路，使得电机停止运作来达到刹车的目的。3.3电动车自行车控制器系统图3.6 所示是一个电动自行车控制器系统原理框图。图3.6中，CY8C24533作为主控芯片，左边为各种输入信号：调速转把信号、刹车信号、电池电压、电机的霍尔信号和其他外设信号。右边是MOSFET的驱动电路、功率MOSFET三相桥电路以及电池电量显示电路。现在的电动自行车都使用“无刷直流电机”作为传动部件，所以CY8C24533必须通过来自电机的霍尔信号产生合适的相序信号提供给MOSFET的驱动电路，进而驱动功率MOSFET三相桥，使无刷直流电机的三相绕组得到按一定规律变化的励磁电流。图3-6 电动自行车控制器系统原理框图3.4PWM输出 为了通过调速转把来控制转速，必须将PWM信号叠加在相序信号上，通过调节PWM的占空比，来控制电机绕组的相电压和电流实现转速控制。通常MCU的PWM输出是从固定的管脚输出，所以传统的MCU做法是在芯片的外部加逻辑电路将6路或3路相序信号和PWM信号相“与”后输出。而CY8C24533 PSoC芯片有灵活多样的模块输入和输出的路由资源可以选择，可以将一路PWM信号在不同的时刻路由到一个或同时路由到多个I/O上。如图3.7所示将一个数字模块配置成双缓冲器，PWM信号的输出配合双缓冲器中的一个缓冲器便将PWM信号路由到LUT的四个输出上，进而通过数字输出总线路由到一个或多个I/O上。这样在换相且当某一相或几相需要PWM输出时，可在获得换相信号时通过中断程序将PWM输出切换到相应的I/O口上。I/O口的输出可以直接输入到MOS管的驱动电路，这样就不需要外部加逻辑电路。图3.7是在PSoC Designer开发环境下的PWM输出路由配置图。图3-7 PWM输出路由选择和比较器输出路由选择图第四章 系统软件设计本课题选用的PSOC模块有：时钟模块（TIMER）、脉宽调制（PWM）；模拟块中的模数转换模块（ADC）以及模拟开关电容模块（AMUX）和硬件配置模块可编程增益放大器（PGA）。具体模块在前面已有介绍，这里不再赘述