MCU為電動自行車提供有效的驅動(圖)

從CD/DVD播放器和電腦制冷風扇到工業(yè)機械以及包含混合動力汽車、著名的Segway電動滑板車和許多其他電動滑板車、電力驅動的自行車（或稱為“電動自行車”）在內的電動交通工具，無刷直流電動機正在各種領域中取代整流式電動機。由于它們越來越普及，特別是在亞洲，這樣的“個人運輸設備”向制造商描繪了巨大的潛在市場，并且可能有助于降低全球的能源消耗。

即使北美市場也顯示了采用電動自行車的可能性。自2000年8月以來，由加利福尼亞州圣克魯斯的縣區(qū)域性運輸委員會資助的一項活動對居民購買電動自行車予以部分退款。由Ecology Action進行的一項調查顯示，62%的活動參與者從只駕駛單乘客的汽車轉變?yōu)槠骄恐茯T電動自行車行駛24～28英里。

盡管這種情況可能是獨一無二的，但它說明了電動自行車的實用性和效用是怎樣減少個人汽車旅程，并進而減少交通擁擠，停車場需求以及空氣污染的。如果將這種經驗在整個美國推廣，影響可能會非常大。根據環(huán)境保護局的說法，在美國，人們每天大約進行9億次汽車旅行，其中一半路程少于5英里而且只乘載了一位乘客。

電動自行車部件

基本型電動自行車通過由電池供電的無刷直流電動機來驅動，并由電子控制設備（ECU）進行控制。無刷直流電動機之所以受歡迎，是因為它們運轉快、無噪聲、效率高，而且展示了比整流式電動機更長的工作壽命。無刷直流電動機中傳送的力矩和電動機尺寸的比值比其他電動機要高，這使得它們非常適用于對體積/重量要求比較高的應用。

無刷直流電動機所需要的基于MCU的控制器通常受限于應用的要求，但是常見的例子是用于電動自行車的控制單元。這項應用不僅需要波形因數小，而且對成本的要求也特別高。

基本型電動自行車在設計上是簡單的。它的后輪由三相無刷直流電動機驅動，額定功率通常在幾百瓦。電池的電壓通常是36V或者48V，而ECU包含了幾乎所有電子裝置（參見圖1），包括MCU、電動機逆變器、溫度傳感器、故障檢測、SMPS以及I/O。這些電子裝置通常安放在明信片大小的單元內，而且對熱性能和耐用性有很高的要求，這些都為設計者提出了許多難題。

設計難題

成本敏感性、零件數量以及整體功能的難題可以通過使用功能強大但價格低廉的8位微控制器來解決，例如，英飛凌公司的XC866。ECU設計人員應當尋找每個機器周期兩個時鐘的增強型8051芯片（而不是標準的12），它提供了更強的計算效率，更快的執(zhí)行速度以及增強的最大時鐘速率，并且，它可以在較低的晶振速度下完成相同的工作，在不犧牲性能的情況下降低能源消耗。
為了適應電動機控制的算法，嵌入式閃存大小的要求可能在4～16KB之間。MCU的電動機控制外設可能包含一塊脈寬調制電路，通過可以預編程以自動執(zhí)行任務的捕獲/比較單元（CCU）來實現，它有助于減小代碼大小以及CPU的負荷。此外，CCU可以連接到8通道10位ADC來提供硬件事件驅動的觸發(fā)，來提供無須傳感器的控制功能。

圖1 電動自行車控制單元驅動三相無刷直流電動機

無傳感器型控制

無傳感器型的控制在要求低成本和高可靠性的應用中是很重要的，比如在電動自行車以及暴露在戶外自然環(huán)境和嚴峻溫度之中的其他應用。無刷直流電動機應用中常用的霍爾傳感器非常容易受這些因素的影響，而且長期暴露在這種環(huán)境中會使可靠性明顯降低。

但是，在考慮轉換到無傳感器型BLDC電動機控制時，設計人員面臨著如何使無傳感器型系統(tǒng)滿足需要的性能水平的難題。與這一點有最密切關系的是啟動電動機，因為無傳感器型控制是基于反電動勢的，而反電動勢只有在電動機旋轉的時候才存在。

對于帶有腳蹬的電動自行車而言，這個問題并不嚴重，因為騎車人可以在電動機達到需要的速度之后再激活電子控制。但是在沒有腳蹬的電動自行車中，必須要配備從熄火狀態(tài)啟動電動機的算法。

由于難以預知的情況，傳統(tǒng)的強迫換流啟動辦法通常不適用于無傳感器系統(tǒng)，因此制造商通常會使用結合幾項技術的方法來啟動電動機。例如，因為在啟動電動機之前不知道轉子的位置，所以可以使用預設相位來確定轉子的位置或者將轉子放在確定的位置。

一旦轉子位于啟動位置，可以向電動機應用加速表，以探測反電動勢的過零點信息。如果微控制器探測到預定數量的過零點事件，它就可以切換到自動換流模式。這需要執(zhí)行大量的算法。

考慮因素

有些應用的性能要求會需要用到運動傳感器；在這種情況下，將需要最小軟件開銷的換流模式內置在CCU中是非常有幫助的。

另一項主要的考慮是從反電動勢探測或者從同步失敗中恢復的能力，這些可能會發(fā)生在碰到障礙物之后等情況下。同樣，為了解決這個難題，需要使用結合算法，這使得微控制器的可配置型成為一項重要的因素。通過在自管理型外設中執(zhí)行盡可能多的任務，MCU可以減輕CPU的負擔并減少需要的代碼空間。這兩者都會產生更耐久、更節(jié)省成本的設計。

無論是帶有還是沒有傳感器的設計，都可以通過PWM實現各種“梯形”換流方法來驅動BLDC。在梯形換流方法中，電流都是通過每次使用一對電動機端子來控制的，而電動機的第三個端子在電氣上總是與電源斷開的；也就是說，在任意給定的時間，只使用了三相中的兩相，而第三相是懸空的。

在“慢衰變”調制方法中，在PWM關閉的時段內，負載電流可以在底部開關和體二極管之間流通。
相反，在“快衰變”方法中，PWM關閉時段內所有的開關都將斷開，但是這種方法存在高負載電流尖峰的缺陷。為了彌補這種缺陷，可以使用同步整流，讓負載電流在開關本身中流通，而不是在體電阻中。這需要同時調制同一個電橋的頂部和底部開關，而不僅僅是頂部開關。

但是，必須謹慎，以避免轉換期間電流的直通短路。通過在電路切換過程中插入無效時間，電流將通過體二極管。但是在無效時間之后電流將流過底部開關，因此同步整流可以用于快衰變。對于使用分立功率器件而不是帶有內置保護電路的集成驅動器的低成本設計而言，在MCU的PWM中可以使用上述模式是至關重要的。將這些模式和故障檢測等其他功能結合使用，可以為分立逆變器驅動提供高層次的保護功能。

在設計和算法的開發(fā)完成之后，制造商需要確保自己的知識產權受到保護。這可以通過防止無授權獲取代碼的特殊功能來實現。這一點是非常重要的，因為電動自行車驅動是由相對普通的驅動結構組成的，產品之間主要的差別在于軟件。