PSoC单片机的电动自行车控制器的设计 - 图文

基于PSoC单片机的电动车控制器的设计

电动汽车直流无刷电机控制器的设计

设计单位： 时 间

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基于PSoC单片机的电动车控制器的设计

目 录

第一章 PSoC可编程片上系统 .................................................................................. iv

1.1可编程片上系统(Programmable System-on-Chip, PSoC) ............................. iv 1.2 PSoC的内部资源 ........................................................................................... iv 第二章 电机控制器的功能和总体方案设计 ........................................................... viii

2．1 控制器功能介绍 ........................................................................................ viii 2.2系统总体方案设计 ........................................................................................ viii 第三章 电机控制器硬件方案设计 ............................................................................. xi

3.1 PSoC开发环境介绍 ....................................................................................... xi

3.1.1 PSoC开发环境 ..................................................................................... xi 3.1.2 与传统单片机系统设计方案的比较 ................................................... xi 3.2电动汽车电机控制器 .................................................................................... xiii

3.2.1电源电路 .............................................................................................. xiii 3.2.2 触发电路 ............................................................................................. xiii 3.2.3 过流保护电路 ..................................................................................... xiv 3.2.4 欠压保护电路 ...................................................................................... xv 3.2.5霍尔传感器检测电路 ........................................................................... xv 3.2.6助力 ...................................................................................................... xvi 3.2.7逆变电路 ............................................................................................. xvii 3.2.8转把电路 ............................................................................................. xvii 3.2.9调速刹车电路 .................................................................................... xviii 3.3电动车控制器系统 ........................................................................................ xix 3.4PWM输出 ...................................................................................................... xix 第四章 系统软件设计 ............................................................................................... xxi

4.1 程序整体流程图 ......................................................................................... xxiii 4.2具体软件设计方案 ...................................................................................... xxiv

4.2.1 电机调速方案 ................................................................................... xxiv 4.2.2 电机及控制器保护方案 .................................................................... xxv 4.2.3欠压保护方案 .................................................................................... xxvi

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4.2.4 刹车控制方案 ................................................................................... xxvi

第五章 计中遇到的问题及解决方法 ................................................................... xxviii

5.1 设计中遇到的问题 ................................................................................... xxviii 5.2 绘制原理图中遇到的问题 ....................................................................... xxviii 第六章 结论 .............................................................................................................. xxx 谢辞 ........................................................................................................................... xxxi 参考文献 .................................................................................................................. xxxii 附录 ......................................................................................................................... xxxiii

附录1电动车控制器图 .................................................................................. xxxiii 附录2 PCB图 ................................................................................................. xxxiv 附录3 源程序 .................................................................................................. xxxv

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第一章 PSoC可编程片上系统

1.1可编程片上系统(Programmable System-on-Chip, PSoC)

由美国赛普拉斯半导体公司（Cypress Semiconductor）倡导并推出的完全基于通用IP模块，由可编程选择来构成产品SoC的设想，并把单片机的发展从MCU推动到SoC的新阶段。这种可编程的SoC取名为可编程片上系统（PSoC）,由基本的CPU内核和预设外围器件组成，就是在一个专有MCU内和周围集成了（PSoC）模块（可配置的模拟和数字外围器件阵列），利用芯片内部可编程互联阵列，可以有效地配置芯片的模拟和数字电路资源，达到可编程片上系统的目的。同传统的MCU相比较，从根本意义上讲PSoC系列是一种微控制器，而且是一种可编程片上系统微控制器，它的出现使设计者逐步摆脱了板级电子系统设计方法层次而进入芯片级电子系统设计，减少了单片机的品种和规格，同时更有利于新品开发和升级换代。与同种价位的普通单片机比较，其丰富的内部资源、新颖的设计界面、灵活的设计方式、简单的编程技巧都使其极具特点。PSoC完全不同于以往的传统的微处理器。PSoC开发者不需要自己构建ADC,DAC和其他外围设备，可以通过PSoC的配置性进行资源调配，而且PSoC为控制器成功的引入动态可重新配置功能，真正实现在线可编程，由此可见，一个PSoC微控制器就能代替多种类型的单片机。

1.2 PSoC的内部资源

PSoC微处理器CY8C21×××～29×××系列器件使用强大的8位哈佛结构处理器内核（M8C CPU Core）,它具有独立的程序存储器和数据存储器总线，处理器速度可达24MHz。拥有丰富的M8C架构指令，并可进行I/O和内存上的操作。此外系统提供便捷的寻址方式。

CPU内核具有完善的快速乘加能力，PSoC系列所有处理器中都有一个乘法器/加法器(MAC)。MAC系统中作为一个独立的组件，并映射到特定的寄存器地址空间，由输入寄存器和输出寄存器，能执行带符号的8×8乘法运算和32位的加法运算。只要把数据传送到输入寄存器在下一个指令周期，在输出寄存器就能得到运算结果。寄存器加速内存数据交换，大大提高了处理数据的速度。

CYPRESS MICROSYSTEMS INC生产的PSOC是新一代功能强大的8位可

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配置微控制器。PSOC器件集成有模拟和数字逻辑电路可编程模块、一个快速8位MCU 16KB闪存、256字节SRAM以及乘法器/累加器、8根独立的输入和输出总线，其内部可用的BLOCK资源包含：4个基本类型和4个通信类型的数字BLOCK，使用基本类型数字BLOCK可配置：计数器(counter)；定时器(timer)；脉宽调制(PWM)；循环冗余码校验(CRC)。使用通信类型数字BLOCK 可配置：串行发(serialtransmitter)；串行接收(serial receiver)；SPI主端(SPI Master)；SPI 从端(SPI Slave)。使用模拟BLOCK可配置：多极滤波器（multi-pole filters）；放大器（gain stages）；数模转换（DACs）；模数转换（ADCs）。使用这些资源可以配置成不同的功能模块，用以实现微控制器标准外围器件的功能。所有PSOC 器件都是可动态重配置的，使设计人员能动态地设计并实现新的系统功能。设计人员可在不同的时钟周期中使用同一芯片的不同功能，从而提高了芯片利用率。PSOC的集成化结构减少了设计方案中所需的模拟和数字元件的数量，节省了成本。此外，PSOC 的可编程性缩短了开发时间，能让产品更快上市。其可在消费类、工业、办公自动化、电信和汽车领域应用中实现大量嵌入式控制功能。PSOC 的内部资源极为丰富，分别从以下几个方面进行介绍：

a. 处理器内核

PSoC微处理器CY8C21×××～29×××系列器件使用强大的8位哈佛结构处理器内核（M8C CPU Core）,它具有独立的程序存储器和数据存储器总线，处理器速度可达24MHz。拥有丰富的M8C架构指令，并可进行I/O和内存上的操作。此外系统提供便捷的寻址方式。

CPU内核具有完善的快速乘加能力，PSoC系列所有处理器中都有一个乘法器/加法器(MAC)。MAC系统中作为一个独立的组件，并映射到特定的寄存器地址空间，由输入寄存器和输出寄存器，能执行带符号的8×8乘法运算和32位的加法运算。只要把数据传送到输入寄存器在下一个指令周期，在输出寄存器就能得到运算结果。寄存器加速内存数据交换，大大提高了处理数据的速度。

b. 内存储器

PSoC系列器件拥有灵活的片内存储器，包括4～16K字节的快速程序存储器（Flash Program Memory）以及256字节的片内SRAM数据存储器，快速内存可擦写100,000次，并可分块实时修改，不同的型号芯片闪存的容量不同。此外，

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系统具有串行编程功能，（In System Serial Programming--ISSP），即在程序头（Programme Pod）或者用户板上的闪存可通过串行的方式，把程序固化到内部程序闪存存储器中。PSoC对片内存储器提供多种保护加密方式。以保证用户敏感信息的安全。这个功能允许用户有选择性的对内存模块的读写操作加锁和写操作保护。这允许对部分代码进行升级，而不会泄漏重要数据。

c. PSoC模块

在每一个PSoC芯片中共有若干个PSoC数字模块。PSoC片内的数字模块减少了多种微控制器类型和外设元件的需求。数字PSoC模块可以配置成各种各样的用户模块，比如时间定时器、实时时钟、脉宽调制（PWM）和死区脉宽调制(DEADBAND PWM)、循环冗余核对模块(CRC)、全双工(UARTS)、串行主从通信(SPI)功能。PSoC软件开发包提供了PSoC模块自动配置，用户只需简单的选择需要功能块，PSoC软件开发包就能产生正确的配制信息和器件数据手册。

在每一个PSoC芯片中还有若干个模拟PSoC模块，芯片内的模拟PSoC模块可以减少CPU复杂的系列编号以及对外设的需求。模拟PSoC模块可以配置许多外设功能，譬如12个PSoC模块可以提供11位△－∑模数转换，8位逐次逼近式模数转换、8位直接模数转换、12增量式模数转换、可编程增益放大器、采样和保持功能、可编程滤波器、差分比较器和片内温度传感器等。PSoC系统包含三种类型的模拟模块：连续时钟模块（Continuous Time CT），A类和B类开关电容(Switch Capacitor SC)模块。

d. 通用I/O

PSoC微控制器的通用I/O数量从6到44位不等，具体根据不同型号来确定。每个I/O功能可编程选择。在输出模式中可选择输出驱动方式，模拟输出驱动可达40mA。通过内部上拉或者下拉电阻输出，强输出，可设置输出最大的驱动电流达25mA。所有引脚都能作为中断电源，通过引脚信号变化产生中断。并可选择位上升沿触发终端、下降沿触发。引脚能与模拟模块相连。此外，还有用作斯密特触发器的TTL 、I/O。

e. 振荡器

PSoC系列器件有多种振荡器可供选择，总能为CPU时钟、模拟PSoC模块和数字PSoC模块的时钟、找到合适的振荡器。主要有内部达到24/48MHz的主

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振荡器、一个32.768MHz外部晶体振荡器和内部低速振荡器。主振荡器误差为±2.5%，且没有外部补偿，外部晶体振荡器可对PLL选定精度，内部低速振荡器一般作为PSoC模块和看门狗/睡眠定时器的时钟。可使用时钟分频器，从而优化代码执行速度和减少功耗。

f. 专用外设

PSoC系列器件还提供一些专用外设，包括看门狗/睡眠模式时钟（Watchdog /Sleep Timer ）、可设定电压阀值的电源低电压检测（LVD/POR）、中断控制器（Interrupt Controller）、采样抽取器（Decimator）、片内温度传感器和片内电压参考等。

g. 静态COMS器件

PSoC微处理器系列运用了先进Flash工艺的全静态CMOS器件，实现高度低电压功能。通常电压保持在3.0 到5.5V DC，使用片内开关式电压汞可使工作电压降低到1.0V DC，工作于－40℃ ～ ＋85℃。

图1-1 本文所采用的芯片CY8C24423内部系统资源框图

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第二章 智能控制器的功能和总体方案设计

2．1 控制器功能介绍

电动自行车的控制器用于控制电动自行车的运行，具体实现功能如下： （1）运行控制：使电动自行车的速度能按照手把转动的角度发生变化从零速度到最大速度；

（2）具有电流过载保护功能，在各种运行状态电流都不超过保护值； （3）刹车时自动断开供电电源；

（4）欠压保护：当电源供电不足电池电压下降到电池最低电压时切断电源，以保护电池。酸铅电池不怕充足就怕没电。

（5）其它功能：为提高使用性能，电动自行车常附带有一些其它功能。非零启动功能是为了防止起动电流过大，具有该功能的自行车只有当电动自行车的车速大于某一速度（例如5公里/小时）后控制才起作用，以保护蓄电池，使蓄电池不在大电流放电状态下工作；软起动的目的同前，使电动自行车工作电流保持恒定，使蓄电池不在大电流放电状态下工作；保持功能是使电动自行车的运行速度在手把给定的最大速度运行，以减轻长途骑行时的疲劳，即你骑行时将车速增加到某个速度运行时，可放开手把，自行车则维持在该速度上运行，若要增加速度则可通过增加手把转角，但要降低车速则必须使用刹车解除来保持状态。

2.2系统总体方案设计

本文围绕PSoC单片机来实现整个电动自行车控制器的设计，Cy8c24423单片机产生PWM信号并负责对整个系统控制、信号检测和系统保护；功率转换采用MOSFET(场效应晶体管)，电动机位置信号与转速采用霍尔元件检测。采用PSoC片上系统增加了系统的可靠性、安全性与快速性,并具有很好的灵活性，达到了很好的控制效果。在本系统中，速度反馈信号来自转子位置信号的间接测量，即在PSoC中通过定时器将霍尔脉冲的频率测出，间接得到电动机转速。电动自行车手柄给定速度与反馈速度相比较获得的误差信号，经过一个PI调节器调整后得到电流环参考信号的输入，再与测得的实际相电流信号比较，得出的误差信号再经过PI调节器调整为PWM信号的占空比，控制电动机转速。在电动机启动阶段，速度变化率高，电流参考信号输入大，此时电流误差信号大，得到的输出占

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空比高，加在电动机上的电压平均值增大，保证在启动阶段维持一个较高的启动转矩，同时对电流参考信号幅值加以限制从而避免启动电流过大而损坏电动机。功率变换电路采用三相桥式结构，三相绕组需6个开关器件，功率驱动电路采用分立元件（三极管、电阻、电容）构成，相对于集成芯片，成本低廉。该控制系统原理框图如图2.1所示。

图2-1 电动自行车智能控制器系统框图

控制器针对电动自行车和铅酸蓄电池的使用要求，提供欠压保护、电流保护和堵转保护等多种措施。在电动车运行过程中，控制器检测蓄电池电压，当电压下降到额定电压的80%（欠压值）时，使电动机断电不工作，可避免短时重载欠压停车及临界欠压状态下不正常的运行振荡。电流保护分两种情况，一种过载（12A17A），电流短时间内超过电流上限，电流反馈回路的比较器将触发PSoC的外部中断，在中断服务程序中，关闭PWM输出。为避免外部干扰引起中断的误触发，将中断设置为电平触发方式，并在中断程序中检测电平状态。经反复实验证明，电流中断保护有效。如果在一段时间内检测电动机霍尔信号不变，则判断为发生了堵转，此时减小PWM的占空比，并继续检测，如果电动机堵转状态仍持续，则关闭PWM信号。电流保护和堵转保护都是暂时关闭PWM输出，当松开调速手柄，再次转动仍可以启动电动机。此外，控制器还具备巡航功能，当检测到手柄固定在某一位置超过一段时间，松开手柄，电动车会保持原来的速

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度运行。电动自行车控制器需要三路AD分别测量手柄电压、电动机相线电流和电池电压，而且这三路信号的输入范围相差很大，为此，在PSoC中将输入信号经过一个多路转换开关和一个放大器连接AD，动态配置多路转换开关的输入管脚，可以在不同时间段内三路信号复用一个AD，而动态配置放大器的放大倍数，可以分别调整三路信号的输入范围。对于控制器的输出而言，需要三路PWM信号，Cy8c24423有四个数字模块，控制器设计中一个用于AD，一个用于定时器，所以不可能再有三个PWM模块供选择。为此，采取动态配置，一个PWM模块分时复用，不同时间配置到不同的输出管脚。本控制器模拟模块和数字模块动态配置的界面如图2.2所示。PSoC的集成化结构减少了设计方案中所需的模拟和数字元件的数量，节省了成本。此外，PSoC的可编程性缩短了开发时间，能让产品更快上市。

PSoC设计系统的保密性体现在两个方面：一是PSoC芯片集成了系统的大部分硬件，相当于“硬件加密”；二是程序编译链接形成目标代码时，可以选择部分或全部不可读，相当于“软件加密”，从而有效地保护了知识产权。

图2-2 PSoC动态配置界面

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BSF STATUS，RP0 MOVLW 0XEF MOVWF TRISB MOVLW 0XC7 MOVWF PR2

MOVLW 0X082 MOVWF ADCON1

BSF OPTION_REG，INTEDG BCF STATUS，RP0

CALL SAMPLE CALL OUTPUT MOVLW 0X0D8 MOVWF INTCON BCF PIE2，CCP2IE BSF PIE1，ADIE CLRF FLAG1 CLRF COUNT_VOL BSF T1CON，TMR1ON BSF T2CON，TMR2ON RETEST BTFSS FLAG1，PWM GOTO NEXT1 CALL OUT_PWM BCF FLAG1，PWM

NEXT1 BTFSS FLAG1，LOWPOWER GOTO NEXT2 CALL POWER BTFSC FLAG1，OFF GOTO MAIN

NEXT2 BTFSS FLAG1，SHUTDOWN GOTO RETEST

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CALL BRAKEON CLRWDT

BTFSC FLAG1，OFF GOTO MAIN GOTO RETEST

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