基于单片机的电动自行车控制器设计

基于单片机的电动自行车控制器设计
何全陆
【摘要】通过对现有电动自行车控制管理的分析,设计了一款基于单片机
CY8C24533的控制器,详细设计了电源电路、霍尔位置检测电路,在硬件电路上采
用功率开关管控制驱动电路,根据控制需求通过软件编程输出不同占空比的PWM
波形,对电动自行车的运行速度进行有效的调节;在线采集各种信息,依据信息不同调用不同的子程序,各种功能得以有效、安全的实现.
【期刊名称】《佳木斯大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2017(035)003
【总页数】3页(P406-408)
【关键词】单片机;无刷直流电机;控制器;检测
【作者】何全陆
【作者单位】芜湖职业技术学院,安徽芜湖 241000
【正文语种】中文
【中图分类】TP332
随着经济和科技的快速发展，人民生活水平的提高，电动自行车逐渐取代人力自行车，以其轻巧、方便、环保等优点受到人们的青睐，成为当前社会人们主要的代步工具。

当前主流的电动自行车，电动摩托车大都是通过直流供电，对无刷直流电
机进行控制，通过对电源电压的调节实现对无刷直流电机的速度控制。

电动自行车主要有车身、电机、电源和控制器组成。

电动自行车控制器按照功率的大小可分为：
小功率、中功率、大功率三类，电动自行车一般使用小功率的，货运三轮车和电动摩托车使用中功率和大功率的。

电动自行车的控制器是电动自行车的大脑，控制电动自行车各种运动状态，控制器的好坏直接影响着电动自行车的工况，因此研发一款高性能、低耗能、使用方便的电动自行车控制器是当务之急。

电动自行车自上世纪80年代发明以来，经历了一个漫长的发展过程，与汽车、摩托车相比少了废气、噪音和污染，以好驾驶、速度低、安全等优势近年得到了迅速的发展。

电动自行车控制器如图1所示，主要有：微处理器、手把电路、刹车电路、功率驱动电路、逆变电路、霍尔位置检测电路和外围保护电路组成。

微处理器采用CY8C24533芯片，该芯片采用8位哈佛结构处理器内核(M8C CPU)，程序
和数据分别进行存储，速度可达24MHz；功率驱动电路把单片机输出的信号进行放大，驱动功率开关管MOSFET导通或关断，通过逆变电路驱动无刷直流电机运行；霍尔位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，控制电子开关线路，使定子各绕组按顺序导通。

1.1 无刷直流电机控制系统
无刷直流电机克服了有刷直流电机的机械换向的缺点，随着电力电子技术和半导体技术的发展，无刷直流电机得到了快速的发展和应用。

如图2所示为无刷直流电
机控制系统，VT1-VT6为功率开关管，U0为直流电源，M为无刷直流电机，位
置传感器与电机本体同轴连接，控制器采集位置传感器的信号，然后将该信号转换为驱动信号，驱动电路对驱动信号进行隔离放大,有序控制功率开关管VT1-VT6的导通与关断，使电机的绕组产生旋转磁场有序工作。

2.1 电源电路
如图3所示，电源电路有由LM317和7805以及分立元件构成的两级电路，经过两级电路得到所需的+5V电压。

R1为分压电阻，R2和R3为外部调节电阻，C2、C3和 C4为滤波电容，滤除输入电源中的高频成分，48伏电压经过LM317调整
输出15V电压，该电压作为7805的输入电源，经7805调整后得到+5V电压，
即控制器元器件所需的工作电压，为了避免出现输出的高脉冲电压对电路造成损害，通过C5和C6组成的滤波电路，C7和C8稳定输出。

2.2 霍尔位置检测电路
如图4所示，位置传感器即是安装在电机内部的三个霍尔传感器，霍尔传感器检
测电机内部的信号将其输出脉冲信号，该脉冲信号通过上拉电阻R10、R11、R12与+5V的电压相连，把检测的信号电平整定为5V或0V的高低电平，使其能够与微处理器输入输出端口电平一致。

由于霍尔传感器是放置在电机内部的，同电机的转子一起转动，会对输出信号产生一些干扰，因此用电容C11,C12,C13对输出的
信号进行滤波去噪，二极管D10,D11,D12起到隔离作用。

2.3 刹车电路
目前电动自行车上装的刹车手闸是开关信号，是无法来改变力矩的，由控制器来决定，当手按下手闸刹车时该信号经刹车电路调理后，送给微处理器进行分析判断，微处理器发出信号将上三路PWM关闭，与此同时开启下三路PWM,无刷直流电
机此时工作在发电状态给蓄电池充电，下三路PWM占空比越大充电电流也越大，刹车制动能力也就越强。

2.4 欠压保护电路
当电动自行车充满电运行时，蓄电池储存的电压会逐渐减少，从前面的状态显示面板上可以看出，若电压显示快到红色的警示时，表明电量已经不足，提醒用户者出行要考虑电源电压不足；当电压显示到红色位置上时，表明放电已经达到了终止放电的地步，保护电路将启动，对里面的电子元器件进行保护，用户禁止启动电动自行车，开始给电动自行车充电。

在硬件电路的基础上结合控制功能和实际需求，软件的设计要实现无刷直流电机的启动和制动，电压电流的检测，霍尔位置传感器信号的检测，以及驱动电路有效控
制，当电压过低、电流过大时，控制器能够快速的启动保护电路，关闭相应的输出。

依据采集的信息微处理器发出控制命令，控制全控型的开关功率元件进行脉宽调制(Pulse Width Modulation,简称PWM)，根据路程和行驶的需要调整PWM的占
空比，占空比越高输出的平均电压就大，无刷直流电机运行的速度就快，反之占空比低输出的平均电压就小，电动自行车行驶的速度就慢。

如图5所示是系统软件
控制流程框图，开始定义变量并赋初值，初始化程序，启动模拟数字转换器采集各种参数值，微处理器对采集的信号进行分析，并与事先设定好的各种标准值进行比较，然后做出判断，发出控制命令调用相关的子程序并执行，电动自行车在程序的控制下有序、高效、安全的行驶。

通过对当前电动自行车运行以及控制管理分析，设计出一款基于单片机
CY8C24533的控制器，该控制器能够有效的实现各种控制功能，在硬件电路的基础上编制软件算法程序，采用功率开关管控制驱动电路。

无刷直流电机的调速系统采用软件算法编程通过输出不同占空比的PWM波形，改变输出电压的平均值，
以此来调节电动自行车的运行速度，同时还在线检测各种模块的值，与设定的标准值进行比较，一旦超出正常值到达异常状态将开启保护功能，对电动自行车行驶、运行起到了安全防护作用，安全、舒适、方便人们出行。

【相关文献】
[1] 胡学青，陈文，郭焕银. 电动电动自行车控制器的硬件设计[J].电源技术, 2012,36(10) : 1520-1522.
[2] 周传运，曹秀海. 基于W79E823A的电动电动自行车控制系统设计[J]. 工业自动化，2013，
42(05): 35-37.
[3] 闵玉萍. 基于ATmega48单片机的电动电动自行车控制器的设计[J].伺服驱动系统及其应用, 2014,(01) : 41-43.
[4] 陈积先，张华树，孟辉等. 电动汽车用电机及控制器测试系统研制[J].电机与控制应用,
2015,42(12) : 86-87.
[5] 蒲斌. 基于 PIC16F72 单片机的电动车电机控制器设计[J]. 西华师范大学学报 (自然科学版), 2013,34(03) : 271-274.。