电动滑板车速度控制器

電動滑板車速度控制器

（此文刊載於e 科技， vol. 28, April 2003）

作者: 林錫寬

這篇文章要以松翰科技公司的微控器SN8P1708來作電動滑板車的單晶片速度控制器。現今市面上的電動滑板車，還有部分電動機車都是使用直流馬達來帶動，所以本文的目標也就是直流馬達的速度控制，只是系統考量為應用於電動滑板車。

1 直流馬達速度控制

在固定負荷下，直流馬達的旋轉速度和轉子的扭矩成正比，扭矩愈大，轉速愈大。對永磁式直流馬達而言，定子的磁場強度固定不變，所以轉子的扭矩完全由線圈的感應磁場強度決定，因而扭矩T e 就正比於電樞電流i a ：

T e =K v i a

其中K v 為扭矩常數。由動力學的Euler 公式可以得出轉速ωr 的動態方程式為

L e r m r T T B J −=+ωω

&

其中J 為轉子的慣性矩，B m 為動摩擦係數，T L 為負荷力矩。

由以上的式子，可以看出直流馬達的速度控制可由控制電樞電流i a 來達成，而電流的控制也可以改為控制輸入電壓，因為線圈的電阻是固定的。因此直流馬達的控制有所謂的穩定電流(current-stabilized)和穩定電壓(voltage-stabilized)。前者為輸入電流命令，控制輸出電流值等於輸入命令。後者則是控制輸出電壓值等於輸入電壓命令。實現這二種控制方法的最簡單方式為使用脈寬調變PWM 輸出。在供應電源的電壓保持不變，利用電子開關元件，在極短的週期內控制開與關的時間比（又稱工作週期duty cycle ），使得平均電壓隨該比值變化來達到控制電壓的目的。PWM 輸出訊號用來驅動電子開關元件的開和關。此開關的頻率稱作載波頻率，提高載波頻率雖然會降低電流的漣波，進而提高直流馬達的效率和

降低諧波的干擾，但是卻會增加功率開關的損耗。最基本的要求則是，載波頻率要遠高於直流馬達的電氣頻寬，才可以降低諧波的干擾，避免產生共振現象。

圖1 直流馬達PWM式的速度控制之電路圖。

工業上直流馬達使用的電子開關元件為MOSFET，雖然它的功能與電晶體開關PNP或NPN相似，但是它為電壓驅動因而可以耐高功率，又具有高頻開關切換的特性。圖5.16為直流馬達PWM式的速度控制之電路圖，其中功率級元件是以額定電壓為DC 24 V，額定功率為200W的永磁式直流馬達為考慮對象。MOSFET元件IRF540的規格為100V和36A，屬於電壓型驅動開關。控制IRF540開的電壓準位必須高於8 V以上，因而建議置於直流馬達的接地側。若是置於直流馬達的電源側，則會因相對電壓差無法達8 V以上，而無法驅動MOSFET，另外馬達的反電動勢也會改變驅動的電壓差。這裡驅動MOSFET使用二級控制電路，電壓源皆為12 V。當PWM0的訊號為1時，經反向器變成0，則Q1為關，致使Q2基極的電壓大於射極，而打開Q2，這時因Q1為關，所以Q3也為關，結果就產生驅動IRF540開的電位。如果PWM0的訊號為0，經反向器反而成為1，使得Q1為開，進而讓Q2的基極電位下降，Q2變成關，但是Q3因Q2開而為開狀態，這讓驅動IRF540的電荷迅速流入接地端而消耗掉，因此IRF540的開關波形才會接近方波。

這個驅動IRF540的控制電路中的電阻大都選用高電阻值，目的在減低電能的消耗，以此電路中的設計值，在IRF540導通時的電流量約為1.2 mA。

圖1中在直流馬達左側的電路為煞車電路。當將手撥開關SW由通路切換成斷路時，煞車電路就可以用來加速停止直流馬達的運轉。電源切斷時，馬達的旋轉會產生反電動勢，使得直流馬達成為發電機。直流馬達的正極處產生高電壓，促使煞車電路中的PNP電晶體導通，反電動勢的電流因而流經水泥電阻

(2Ω/20W)，使得電能快速銷耗掉。根據能量守恆原理，轉子的動能會被煞車電

阻產生熱能來消耗掉，一旦動能耗盡，則轉子就停止了。當手撥開關SW將直流馬達接上電源後，煞車電路中的二極體所造成的偏壓，將使得煞車電路的PNP 電晶體關閉，因而煞車電阻不會消耗電源的能量。煞車電路中的二極體為

1N4004，其規格為30V和1 A。

2 硬體系統

直流馬達速度控制應用到電動滑板車這類交通工具上，有一些操作上的考量。轉動電動滑板車的速度控制手把，透過鋼纜線帶動可變電阻旋鈕的旋轉。可變電阻旋鈕的旋轉改變電阻值，因而產生不同的電壓輸入訊號給微控器，微控器利用內部的類比轉數位轉換器ADC轉成256階的數值(0~255)，這個數值除於256就用來當作PWM的工作週期，微控器就可以輸出不同工作週期的PWM訊號給MOSFET的驅動電路。

硬體線路如圖2所示。供應的電源為二顆12 V電池中間抽出的12 V電源。SN8P1708微控器的腳位P5.4要接到圖5.16中的MOSFET驅動電路之輸入腳PWM0。另外，利用到腳位4.0的ADC通道來作速度命令輸入。微控器的ADC 將腳位P4.0輸入的類比電壓(AIN0)轉成數位，然後把該數值用掃描顯示方式呈現在4顆七段顯示器上。8位元的解析度的最高數值為256，所以3顆七段顯示器可以完全顯示出所有可能的數值。可變電阻旋鈕接於ADC的第一個通道腳位P4.0。注意，腳位A VREF要直接接於腳位VDD，以提供ADC的參考電位。另外，使用輸出入埠P4時，也要求將A VDD腳位接工作電源VCC，和A VSS需要接地。參考電壓(A VREF)和欲作轉換的類比電壓(AIN)有如下的範圍限制：

A VDD ≧A VREF ≧A VSS

A VREF ≧ AIN ≧ A VSS

當輸入的類比電壓幾乎等於參考電壓時，轉出的數位值為255（8位元解析度時）﹔而當輸入電壓為0 V時，轉出的數位值也為0。其他中間的電壓值就以

V=5 V時，類比電壓3 V 線性關係來對應到0至255的數值。例如，參考電壓

ref

對應到數值(3/5) ×256。ADC所需要的轉換時間是依據ADC時脈來計算，8位元解析度需要12個ADC時脈週期的時間。ADC時脈可以是1個指令週期或是16

f為10 個指令週期。時脈的選擇以不讓ADC轉換時間低於5µs為要求。如果

OSC

f為4 MHz MHz左右或大於，則必需選擇16個指令週期當作ADC時脈。當

OSC

或更小時，通常選擇1個指令週期當作ADC時脈。當然也可以選擇16個指令週期者。微控器本身並不知道振盪器的頻率，所以必須使用者來告知ADC時脈週期，這會用到系統暫存器ADR。