引言

控制工業(yè)的發(fā)展使得在很多場(chǎng)合下需要使用體積小、功能強(qiáng)的控制器。例如在電動(dòng)自行車(chē)上，為了不在外觀上對(duì)車(chē)身產(chǎn)生重大的影響（這實(shí)際上是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求之一），電機(jī)作為后輪的一部分，電池（雖然體積不?。┮脖M量安裝在不甚矚目的地方。這樣的總體要求使得電機(jī)控制器也必須在完成所需功能的前提下，盡可能地小巧。這樣的要求歸結(jié)到電路的層次就要求選取盡量少和盡量小的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制功能。幸運(yùn)的是，大規(guī)模集成電路的發(fā)展使得這樣的實(shí)現(xiàn)成為可能。Cypress Microsystems， Inc.的PSoC系列就是一種新型的功能強(qiáng)大的控制器優(yōu)選IC，利用它可以極大程度地減少外圍電路。

1 PSoC 及其特點(diǎn)

PSoC 即可編程片上系統(tǒng)（Programmable System on Chip）。Cypress Microsystems， Inc.的PSoC Cy8c24xxx 系列片內(nèi)有一個(gè)高速內(nèi)核、Flash 快速閃存和SRAM 數(shù)據(jù)內(nèi)存，以及設(shè)計(jì)者可配置的模擬和數(shù)字模塊。其主要特征如下：

■ 功能強(qiáng)大的 Harvard 結(jié)構(gòu)處理器：M8C 處理器速度可達(dá)24MHz；8×8 乘法，32 位加法。

■ 先進(jìn)的外圍電路（PSoC Blocks）：6 個(gè)模擬PSoC Block 提供多至14 位ADC、多至8 位DAC、可編程放大器、可編程濾波器和比較器；4 個(gè)數(shù)字PSoC Block 提供8-32 位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器和PWM、可連至所有GPIO 引腳、可組合成復(fù)雜的外圍電路。

■ 靈活的片上存儲(chǔ)器：4K 字節(jié)Flash 程序存儲(chǔ)，50，000 次擦寫(xiě)；256 字節(jié)SRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；在系統(tǒng)編程。

■ 可編程的引腳配置：所有GPIO 25mA 驅(qū)動(dòng)；上拉、下拉、高阻、強(qiáng)力及開(kāi)路驅(qū)動(dòng)模式。

■ 其他系統(tǒng)資源：看門(mén)狗和睡眠定時(shí)器等。

■ 完善的開(kāi)發(fā)工具：免費(fèi)的開(kāi)發(fā)軟件 PSoC Designer；全功能在線仿真器和編程器。

PSoC 將傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)集成在一顆芯片里，用戶模擬和數(shù)字陣列的可配置性是其最大特點(diǎn)，可供開(kāi)發(fā)者隨需配置。

2 控制器需要實(shí)現(xiàn)的功能

設(shè)計(jì)的控制器用于電動(dòng)自行車(chē)上直流電機(jī)的控制，具有如下一些功能：

（1） 根據(jù)電動(dòng)手柄或腳踏傳感器的輸入，輸出相應(yīng)脈寬的PWM 值，改變驅(qū)動(dòng)電流，從而達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的功能；

（2） 定時(shí)巡航功能：若手柄或腳踏輸出在一段時(shí)間內(nèi)不變，則不再響應(yīng)新的輸入而保持固定的PWM 脈寬輸出，直到輸出超過(guò)10%；

（3） 安全方面的考慮。限速：限速開(kāi)關(guān)閉合則控制電機(jī)最大速度不超過(guò)某定值；剎車(chē)：檢測(cè)到剎車(chē)信號(hào)，則停止所有輸出，剎車(chē)信號(hào)取消后系統(tǒng)重新啟動(dòng)；

（4） 車(chē)速輸出指示：通過(guò)測(cè)量Hall 傳感器信號(hào)檢測(cè)車(chē)速，送車(chē)速指示表盤(pán)；

（5） 產(chǎn)生一個(gè)50kHz 的時(shí)鐘信號(hào)，送驅(qū)動(dòng)電路。

另外，為保證系統(tǒng)的健壯性（Robustness），對(duì)于一些偶然的誤操作或外部條件的突然改變應(yīng)有一定的容錯(cuò)功能。

（1） 過(guò)流保護(hù)：電流過(guò)大會(huì)損壞電路中的元器件，從而影響系統(tǒng)的正常工作。因此，過(guò)流保護(hù)是一項(xiàng)重要的措施；

（2） 電池欠壓保護(hù)：電池的電壓過(guò)低時(shí)繼續(xù)工作會(huì)嚴(yán)重影響電池的壽命。因此，需要欠壓保護(hù)來(lái)提示用戶；

（3） 溫度保護(hù)：電路中溫度過(guò)高會(huì)影響元器件的正常工作，所以對(duì)此也要采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

3 控制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 PSoC 設(shè)置

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用CY8C24423，首先考慮對(duì)PSoC 進(jìn)行設(shè)置，如圖1。系統(tǒng)中選用了多種內(nèi)部模塊。如表1。內(nèi)部模塊設(shè)置完成后，對(duì)相應(yīng)的管腳進(jìn)行配置，包括I/O 設(shè)定和中斷方式設(shè)定等。另外，對(duì)全局資源進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)中主要的參數(shù)有： CPU 時(shí)鐘24MHz、工作電壓5V、睡眠定時(shí)512Hz（供看門(mén)狗定時(shí)用）。

圖1 控制器中PSoC設(shè)置

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

如 3.1 所述，由于大部分功能都可以通過(guò)PSoC 實(shí)現(xiàn)，因此硬件電路的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單。圖2 給出了系統(tǒng)中電路框圖。

圖2 控制器電路框圖

控制電路對(duì)輸入的電流、電池電壓、手柄電壓和溫度電壓送入A/D 采樣；腳踏電壓采用中斷方式，根據(jù)脈沖寬度判斷車(chē)速和施加在腳踏傳感器上的力的大小，送出相應(yīng)的PWM，實(shí)現(xiàn)助力；剎車(chē)中斷作為一個(gè)獨(dú)立的中斷源，具有最高的優(yōu)先級(jí)。PWM 輸出對(duì)于電機(jī)的上臂和下臂采用不同的處理。上臂信號(hào)直接輸出，而下臂信號(hào)在與Hall 傳感信號(hào)“與”后輸出。

3.3 控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的核心部分是軟件的設(shè)計(jì)。圖3 給出了系統(tǒng)運(yùn)行的總體流程。

圖3 控制器軟件流程

其中，SA、SB 和SC 分別為Hall 傳感器輸入的電機(jī)位置信號(hào)，根據(jù)他們來(lái)確定送往電機(jī)控制上臂（AT/BT/CT）和下臂（AB/BB/CB）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。主程序根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)可能出現(xiàn)異常的參數(shù)進(jìn)行輪詢。若一切正常，則所需操作就是取得手柄或腳踏輸入轉(zhuǎn)換為PWM 輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于手柄電壓和電流保護(hù)采樣，放在PWM 中斷中實(shí)現(xiàn)，將在下文說(shuō)明。使用PSoC 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，可有兩種選擇——匯編或C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。即使在匯編程序中，也可以定義所需要的常數(shù)和變量，這無(wú)疑大大減小了程序的復(fù)雜程度，在現(xiàn)有單片機(jī)中是很有特色的。

以下是匯編程序中關(guān)于電流保護(hù)的一段。

其中定義了若干變量，使得程序的可讀性大大增強(qiáng)。

3.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

前文已經(jīng)提到，本系統(tǒng)中使用最頻繁的是手柄/腳踏采樣然后送PWM 輸出；最高優(yōu)先級(jí)的是電流保護(hù)。因此，在PWM 中斷程序（pwmint.asm）中實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)功能。

PWM 相關(guān)設(shè)置

PWM 輸出頻率選擇15kHz/25kHz 兩種，主要的考慮是避開(kāi)可聽(tīng)聲的頻率范圍（20Hz~20kHz，到15kHz 時(shí)人耳已經(jīng)不甚敏感），同時(shí)及時(shí)響應(yīng)可能的電流異常。

手柄/腳踏信號(hào)采樣及處理

為了操作的簡(jiǎn)便，該設(shè)計(jì)中省去了一般電動(dòng)車(chē)上的腳踏開(kāi)關(guān)。因此，對(duì)于同時(shí)進(jìn)入的采樣信號(hào)，既要保證都能夠檢測(cè)到，又要采用合理的處理方法送PWM 輸出。

圖4 給出了系統(tǒng)中手柄采樣/電流保護(hù)一體化處理的流程。其中中斷執(zhí)行5 次（時(shí)間間隔：5/15000=0.33ms）分別進(jìn)行一次手柄電壓采樣，并和腳踏采樣比較，大者送PWM 輸出。圖4 手柄采樣/電流保護(hù)一體化處理過(guò)流保護(hù)的實(shí)現(xiàn)。

圖4 手柄采樣/電流保護(hù)一體化處理

我們知道，瞬間的電流沖擊對(duì)于電子元器件有很強(qiáng)的損耗，甚至毀壞。特別對(duì)于直流電機(jī)來(lái)說(shuō)，在啟動(dòng)瞬間或者突然的堵轉(zhuǎn)，將產(chǎn)生電流沖擊。因此，在這種情況下，必須立即減小PWM 輸出脈寬，以防意外。系統(tǒng)中，對(duì)于過(guò)流保護(hù)是一個(gè)重點(diǎn)，而其難點(diǎn)在于迅速對(duì)過(guò)流作出響應(yīng)。若采用PSoC 中的A/D 模塊進(jìn)行采樣，即使使用響應(yīng)較快的6 位A/D 模塊SAR6（已經(jīng)犧牲掉了一定的精度），其轉(zhuǎn)換時(shí)間20μ s，經(jīng)測(cè)試，后續(xù)的處理難以起到限流作用。另外一個(gè)問(wèn)題就是對(duì)于沖擊毛刺的處理。由于電流（系統(tǒng)中通過(guò)一個(gè)5mΩ 的電阻變換為電壓信號(hào)）在上升沿處容易產(chǎn)生毛刺，因此需要一定的延時(shí)再進(jìn)行處理。這樣，上述模塊更加難以勝任。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析遴選，最終確定選用CMPPRG 比較器模塊。

該模塊響應(yīng)時(shí)間（在HighPower模式下）響應(yīng)時(shí)間僅為1.2μ s，加上為剔除毛刺所需要的10μ s延時(shí)，仍能夠滿足限流需求。需要指出的是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中巧妙利用PWM 輸出過(guò)程進(jìn)行限流處理，使得限流更加可靠。圖5給出了限流處理的時(shí)序。在第一個(gè)PWM 周期內(nèi)，沒(méi)有檢測(cè)到過(guò)流，因此PWM 輸出脈寬在第二周期內(nèi)保持不變。在第二個(gè)周期內(nèi)檢測(cè)到了過(guò)流，立即從下一周期開(kāi)始減小PWM 輸出脈寬，從而電流得到了限制。

圖5 限流處理時(shí)序圖

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一款電動(dòng)自行車(chē)控制器的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)基于功能強(qiáng)大的PSoC 單片機(jī)，外圍電路簡(jiǎn)單可靠，程序設(shè)計(jì)中利用PWM 輸出高電平時(shí)間檢測(cè)電流過(guò)載，取得的很好的效果。目前，該控制器已經(jīng)量產(chǎn)，用戶反響良好。