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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
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0.1μs；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 BytesRAM；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。
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120°的霍尔器件进行位置检测。其输出波形如图2所示。
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。
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。
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。
软件控制策略
本系统采用速度和电流双闭环的全数字控制，其特点是调试方便，控制策略改动容易。速度环采用传统的PI控制策略，电流环采用带反电动势补偿的PI控制方案。软件设计采用模块化控制方案，从速度给定和位置采样、速度计算、闭环调节以及其他的各种功能都通过MCU的控制软件实现。系统的软件流程如图6所示。
对电机的控制由软件根据实际速度进行电压和电流的闭环计算后改变PWM输出脉冲的占空比实现。PWM驱动脉冲的频率为20KHz，最大限度的降低了系统的电磁噪声。其中电流环的计算周期为100μs，速度环的计算周期为500μs。其控制原理结构如图7所示。
样机测试及分析
根据系统的要求，采用新日风华6号作为试验样机，其采用的无刷直流电机的各项指标如下：
额定电压：48V；额定功率：240W；
额定转矩：6N.m；额定转速：300rpm
电机效率：≥80％；额定电流：7A。
在保证其他系统控制电路不变的情况下更换控制板后的样机如图8所示。
根据电动自行车的性能要求完成了如下各项功能试验，系统性能也得到了很大的提高。
·120°／60°电机切换功能
通过更改换相逻辑控制器完成了对两种电机的切换控制。
·刹车断电。
·电辅刹车和反充电
通过软件可以控制刹车力的大小和反充电的电流。
·定速巡航功能。
·速度和电流闭环
进行闭环控制提高了速度跟踪的精度并且减小运行过程中的转矩脉动。
·堵转保护
在堵转的情况下起到保护功率电路的作用。
·欠压保护
保护蓄电池以免过放电。
·其他一些辅助功能。
经过系统试验证明，与当前市场上的E－BIKE相比，该系统已经实现了所有基本的控制功能，并在此基础上增加了速度和电流闭环控制，提高了系统的动态响应性能。
关键词：μPD78F0712；无刷直流电机；控制器；电动自行车
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0.1μs；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 BytesRAM；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。
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120°的霍尔器件进行位置检测。其输出波形如图2所示。
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。
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。
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。
软件控制策略
本系统采用速度和电流双闭环的全数字控制，其特点是调试方便，控制策略改动容易。速度环采用传统的PI控制策略，电流环采用带反电动势补偿的PI控制方案。软件设计采用模块化控制方案，从速度给定和位置采样、速度计算、闭环调节以及其他的各种功能都通过MCU的控制软件实现。系统的软件流程如图6所示。
对电机的控制由软件根据实际速度进行电压和电流的闭环计算后改变PWM输出脉冲的占空比实现。PWM驱动脉冲的频率为20KHz，最大限度的降低了系统的电磁噪声。其中电流环的计算周期为100μs，速度环的计算周期为500μs。其控制原理结构如图7所示。
样机测试及分析
根据系统的要求，采用新日风华6号作为试验样机，其采用的无刷直流电机的各项指标如下：
额定电压：48V；额定功率：240W；
额定转矩：6N.m；额定转速：300rpm
电机效率：≥80％；额定电流：7A。
在保证其他系统控制电路不变的情况下更换控制板后的样机如图8所示。
根据电动自行车的性能要求完成了如下各项功能试验，系统性能也得到了很大的提高。
·120°／60°电机切换功能
通过更改换相逻辑控制器完成了对两种电机的切换控制。
·刹车断电。
·电辅刹车和反充电
通过软件可以控制刹车力的大小和反充电的电流。
·定速巡航功能。
·速度和电流闭环
进行闭环控制提高了速度跟踪的精度并且减小运行过程中的转矩脉动。
·堵转保护
在堵转的情况下起到保护功率电路的作用。
·欠压保护
保护蓄电池以免过放电。
·其他一些辅助功能。
经过系统试验证明，与当前市场上的E－BIKE相比，该系统已经实现了所有基本的控制功能，并在此基础上增加了速度和电流闭环控制，提高了系统的动态响应性能。