电动车维修技术及其基础学习知识原理.doc

.\ 电动车维修 技术及原理 首先要了解一下电动车的整体电路组成 电动车电气原理图（无刷电机） 新增电动自行车电原理图 电动车转把，闸把的结构，信号特征及改制 1．转把的形式、信号特征及其信号改制 电动车的转把有3根引线：分别是电源（+5V），地线，转把信号线（线形连续变化信号）。 电动车上使用的转把有光电转把和霍耳转把两种，目前采用霍耳转把的电动车占绝大多数。霍耳转把的内部电路如图： 常见线性霍尔元件型号有3501 3503 3508 3515 3516 3517 3518 霍耳转把输出电压的大小，取决于霍耳元件周围的磁场强度。转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变了霍耳转把的输出电压。 在电动车上使用的霍耳转把的信号有以下几种： 转把的种类 输出电压 正把/5V供电 反把／5V供电 单霍耳转把 1.1-4.2(最多) 4.2-1.1(少量) 单霍耳转把 2.6-3.7(极少) 3.7-2.6 单霍耳转把 1-2.5 2.5-1 单霍耳转把 2.5-4 4-2.5 双霍耳转把 0-5 5-0 光电转把 0-5(少量) 5-0 其中最常用的是以下两种信号的转把：1-4.2V（俗称正把），4.2-1V（俗称反把）。两种信号的转把中，是1.0V～4.2V的转把占绝大多数。其它输出电压的转把，目前市场中存在很少，已成为事实中的非标产品，这种非标的转把在早期的电动车上使用比较多。因此目前市场上通用的控制器绝大多数是识别1-4.2V转把信号的产品。当电动车的转把或控制器需要维修更换时，一旦遇到转把信号与控制器不匹配的情况时，这就需要对转把进行改制，使其输出信号能匹配控制器。 转把输出信号改制：将转把拆开，改变转把里面磁钢工作面的极性，就可以改变转把输出的电位。如果转把内有两个磁钢，分别将两个磁钢都转180，再装好；如果转把内只有1个磁钢，将磁钢取出，反转180后，装好转把，这样就改变了转把里面霍耳元件工作磁场的起始位置，从而实现了转把输出信号的改制。如图： 2．闸把的形式与刹车信号及其信号改制 转把信号是电动车电机旋转的驱动信号，闸把信号是电机停止转动的制动信号。电动车标准要求电动车在刹车制动时，控制器应能自动切断对电机的供电。因此电动车闸把上应该有闸把位置传感元件，在有捏刹车把动作时，将刹车信号传给控制器，控制器接受到刹车信号后，立即停止对电机的供电。 电动车闸把的位置传感元件有机械式微动开关（分机械常开和机械常闭两种）和开关型霍耳感应元件（分刹车低电位和刹车高电位两种）两种。 常见单极性开关霍尔元件型号的型号有：3122 3123 3141 3143 3144 3161 3240 3361 3362 其典型内部电路如下： （开关霍耳元件电路原理图） 一般机械常开的刹车信号是常高电位，当刹车时，闸把内部的微动开关闭合，其信号变成低电位。 一般机械常闭的刹车信号是常低电位，当刹车时，闸把内部的微动开关打开，其信号变成高电位。 一般电子低电位闸把的刹车信号是常高电位，当刹车时，闸把内部的霍耳元件信号翻转，其信号变成低电位。 一般电子高电位闸把的刹车信号是常低电位，当刹车时，闸把内部的霍耳元件信号翻转，其信号变成高电位。 刹车信号高低电位的变化，是控制器识别电动车是否处于刹车状态，从而判断控制器是否给电机供电。当电动车的闸把或控制器需要维修更换时，会遇到闸把信号与控制器不匹配的情况时，这就需要对闸把进行改制，使其输出信号能匹配控制器。因此在维修实践中，不论闸把的形式如何，也不论控制器识别何种刹车信号，应做到能对各种形式的刹车信号进行适当改进，以匹配成控制器能识别的信号。 电动车主要由电机，控制器，电池，充电器四部分组成，人称“四大件”所以接下来，从电机入手 (电动车)直流无刷电机的原理与控制 直流无刷电机在各个方面得到广泛的应用，处处都可以见到它们的踪影，种类也很繁多，因为本人从事的是电动车方面的行业，故在这里我们主要讲讲电动车上直流无刷电机的原理和控制 它的结构图如下：（这是一个小型直流无刷电机的结构图）当然电动车上的无刷电机线圈更多，不过和下面介绍的原理是一样的。这样做的目的是为了简化，同时也是为了使大家更易于理解。 其实无刷电机的原理很简单，概括的说就是：当给内置霍耳传感器接通电源时，这些霍耳传感器将信号输入到控制器，其实这些信号间接反映了转子所处的位置。控制器对这些信号经过判断之后，作出相应的输出，并给相应的线圈通电，通电产生了磁场。因为同性相斥，异性想吸的原理，定子和转子就相对移动。 普通无刷电机的定子是线圈（上面连有霍耳传感器），于是转子（磁钢及轮子）受迫转动。 转子一转动，内置霍耳传感器的输出信号便发生改变，控制器又输出不同方向的电流而该输出产生的磁场又刚好再次和固定磁场（磁钢）同性相斥，异性相吸，结果再次迫使转子转动，接着霍耳传感器的输出信号又再次发生改变.......这样周而复使，轮子就不断转动（每次霍耳信号改变，控制器产生的电流方向要与电机所要求的一致才行，也就是相序要匹配，轮子才会朝一个方向运动）。 电机内部霍耳传感器的正电源线即红线一般接5－12v直流电。而以5V居多。霍耳的信号线传递电机里面磁钢相对于线圈的位置，根据三个霍耳的信号控制器能知道此时应该如何给电机的线圈供电（不同的霍耳信号，应该给电机线圈提供相对应方向的电流），就是说霍耳状态不一样，线圈的电流方向不一样。 二，无刷电机的运行原理 霍耳信号传递给控制器，控制器通过电机相线（粗线，不是霍耳线）给电机线圈供电，电机旋转，磁钢与线圈（准确的说是缠在定子上的线圈，其实霍耳一般安装在定子上）发生转动，霍耳感应出新的位置信号，控制器粗线又给电机线圈重新改变电流方向供电，电机继续旋转（线圈和磁钢的位置发生变化时，线圈必须对应的改变电流方向，这样电机才能继续向一个方向运动，不然电机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转），这就是电子换相。 如图所示 图1 图2 图3 图4 图5 电动自行车电机故障的检修 电机的故障有机械故障与电气故障两大类，机械故障比较容易发现，而电气故障就要通过测量其电压或电流进行分析判断了。我们现在介绍电机常见故障的检测与排除方法。 一、 电机的空载电流大 将万用表置于直流20A挡位，将红、黑表笔串联接在控制器的电源输入端。打开电源，在电机不转动的情况下，记录下此时万用表的最大电流数值A1。 转动转把，使电机高速空载转动10s以上。等电机转速稳定以后，开始观察并记录此时万用表的最大数值A2。 电机的空载电流=A2-A1 各种电机的无故障最大极限空载电流参考表如下： 当电机的空载电流大于参考表极限数据时，表明电机出现了故障。电机空载电流大的原因有： ①电机内部机械摩擦大。 ②线圈局部短路。 ③磁钢退磁。 我们继续往下做有关的测试与检查项目，可以进一步判断出故障原因或故障部位。 二、电机的空载/负载转速比大于1.5 打开电源，转动转把，使电机高速空载转动10s以上。等电机转速稳定以后，用手持式速度/转速测量计测量此时电机的空载最高转速N1。 在标准测试条件下，行驶200m距离以上，开始测量电机的负载最高转速N2。空载/负载转速比=N2N1 当电机的空载/负载转速比大于1.5时，说明电机的磁钢退磁已经相当厉害了，应该更换电机里面整套的磁钢,在电动车的实际维修过程中一般是更换整个电机。 三、电机发热 用非接触式的红外线温度计，或万用表的温度测量挡位（带温度测量的万用表），测量电机端盖的温度超过环境温度25℃以上时，表明电机的温升已经超出了正常范围，一般电机的温升应在20℃以下。 电机发热的直接原因是由于电流大引起的。电机电流I，电机的输入电动势E1，电机旋转的感生电动势（又叫反电动势）E2，与电机线圈电阻R之间的关系是： I=（E1-E2）R I增大，说明R变小或E2减小了。R变小一般是线圈短路或开路引起的。E2减小一般是磁钢退磁引起的或者是线圈短路、开路引起的。 在电动车的整车的维修实践中，处理电机发热故障的方法，一般是更换电机。 四、电机在运行时内部有机械碰撞或机械噪音 无论高速电机还是低速电机，在负载运行时都不应该出现机械碰撞或不连续不规则的机械噪音。不同形式的电机可以参考上表运用不同的方法进行维修。 五、整车行驶里程缩短，电机乏力 25℃环境温度时,标准试验条件下，用不同形式的电机装配的整车，其续行里程不一样，我们可以参照下表的数据下判断整车的续行里程是否正常。表格里的数据是新电池充满电时与新电机配合所跑出来的实际续行里程数的60%，如果实际行驶的里程数小于参考数，我们可以判定为整车的续行里程短。 整车乏力表现为电机上坡力量小，启动时间长，带人试车速度明显减慢。 整车续行里程短与电机乏力（俗称电机没劲）的原因比较复杂。但是当我们排除了以上4种电机故障之后，一般说来，整车续行里程短的故障就不是电机引起的了。这和电池容量的衰减，充电器充不满电池，控制器参数漂移（PWM信号没有达到100%）等有关，这些问题我们在下面的相关章节中介绍。 六、无刷电机缺相 无刷电机缺相一般是由于无刷电机的霍耳元件损坏引起的。我们可以通过测量霍耳元件输出引线相对霍耳地线和相对霍耳电源的引线的电阻，用比较法判断是哪只霍耳元件出现故障。 为保证电机换相位置的精确，一般建议同时更换所有的三个霍耳元件。更换霍耳元件之前，必须弄清楚电机的相位代数角是120还是60，一般60相角电机的三个霍耳元件的摆放位置是平行的。而120相角电机，三个霍耳元件中间的一个霍耳元件是呈翻转180位置摆放的。 再来就是控制电路 电动车控制器的分类命名及通用模块电路结构参数和典型电路 一、电动车控制器的分类命名 　　控制器的功能主要是控制电机旋转速度，并对整车的电气系统进行有效的保护。根据所要驱动的电机的形式，参数的不同，要选择的控制器的参数也不同。国标对电动车用控制器的命名标准如下： 1、控制器的命名 生产厂家派生代号（1—2号）位大写字母 额定电流（一般2位数字） 额定电压（一般2位数字） 产品名称代号 ZK：有刷电机用普通型驱动控制器 ZKC：有刷电机用智能型驱动控制器 WZK：无刷电机用普通型驱动控制器 WZKC：无刷电机用智能型驱动控制器 命名举例 ZK3610A：普通有刷控制器，额定电压36V，额定电流10A，厂家A类产品。 ZK3610C：普通有刷控制器，额定电压36V，额定电流10A，厂家C类产品。 ZKC2410KA：智能有刷控制器，额定电压24V，额定电流10A，厂家KA类产品。 WZK3610C：普通无刷控制器，额定电压36V，额定电流10A，厂家C类产品。 WZKC3610E：智能无刷控制器，额定电压36V，额定电流10A，厂家E类产品。 2、控制器的结构 一、电动自行车用各种型号的控制器特点如下表： 控制器名称 代表型号 结构 功率管数 价格 骑行模式 功能描述 普通有刷 ZK3610A 简单 1-2 低 单一“电动”骑行功能 欠压、限流/过流 智能有刷 ZKC3610E 简单 1-2 中 “助力”、“电动”、“定速” 欠压、限流/过流、故障自检/显示 普通无刷 WZK3610A 复杂 6 高 单一“电动”骑行功能 欠压、限流/过流 智能无刷 WZKC3610E 复杂 6 高 “助力”、“电动”、“定速” 欠压、限流、电机堵转保护、缺相保护、故障自检/显示 各种控制器的特点不一样，其内部的工作原理也不一样，下面我们分别介绍各种控制器的电路结构与典型的电路图。 二、通用模块电路结构与通用参数 1.典型有刷控制器的模块电路与电路图 一般普通有刷控制器的原理框图如下： 内部稳压电源提供控制器内部电子元件的工作电压。 PWM发生芯片可以根据转把的输入电压输出相应脉冲宽度的方波给MOS管驱动电路。 MOS管驱动电路将PWM信号整形提供给MOS。 MOS管是大电流开关元件，其导通时间与关闭时间，受PWM信号的控制。 欠压保护电路是当电池电压降低到控制器设定值以下时，PWM芯片停止了PWM信号的输出，以保护电池不至于在低电压情况下放电。 限流保护（或过流保护）电路是对控制器输出的最大电流进行限制，以保护电池、控制器、电机等不会出现允许范围以上的大电流。 普通有刷控制器的代表型号是ZK3610A，其典型电路图如下： 对普通有刷控制器来讲，一般有以下通用参数： 标称项目使用参考 额定电压匹配使用的电池额定电压 额定电流允许长时间放电的最大电流 欠压保护电池电压在保护数值以上允许给电机供电 限流／过流保护允许短时间放电的最大电流 使用温度控制器内部元器件能正常工作的温度范围 转把信号可以正常调速的转把信号电压数值 刹车信号刹车时，闸把信号的高低电位 根据电动车实际使用的环境（如温度等）和匹配的部件（如电池电压、转把、闸把、电机功率等），选择参数合适的控制器 2.典型无刷控制器的模块电路与电路图 一般普通无刷控制器的原理框图如下： 内部稳压电源提供控制器内部电子元件的工作电压。 主处理芯片根据无刷电机的霍耳信号对上三路和下三路的MOS管驱动电路给出有选择性的打开与关闭信号，以完成对电机的换向。同时，根据转把的输入电压大小将相应脉冲宽度的载波信号与下三路MOS管导通信号混合，以达到控制电机速度的目的。 MOS管驱动电路将PWM信号整形放大，提供给MOS。另外，对于上三路的三个MOS管来说，它们的驱动电平要求高于电池供电电压，因此MOS驱动电路还要具有升压功能，将上三路的MOS管导通信号变成高于电池电压的超高方波信号。 MOS管是大电流开关元件，其导通时间与关闭时间，受导通信号与PWM信号合成的混合信号控制。 欠压保护电路是当电池电压降低到控制器设定值以下时，PWM芯片停止了PWM信号的输出，以保护电池不至于在低电压情况下放电。 限流保护（或过流保护）电路是对控制器输出的最大电流进行限制，以保护电池、控制器、电机等不会出现允许范围以上的大电流。 普通无刷控制器的代表型号是WZK3610A，其典型电路图如下： 对普通无刷控制器来讲，一般有以下通用参数： 标称项目使用参考 额定电压匹配使用的电池额定电压 额定电流允许长时间放电的最大电流 欠压保护电池电压在保护数值以上允许给电机供电 限流／过流保护允许短时间放电的最大电流 使用温度控制器内部元器件能正常工作的温度范围 转把信号可以正常调速的转把信号电压数值 刹车信号刹车时，闸把信号的高低电位 电机相位允许匹配60度/120度相角的无刷电机 其参数的使用可以参考有刷控制器参数的使用说明，需要强调的是无刷控制器相位必须和无刷电机相位一致，电机才能转动。 最具典型的有刷控制器电路图 这里介绍一款最具代表性用LM339制作的有刷控制器电路图.原理见图: 这款有刷控制器采用了故障率非常低的通用元件，是非专用PWM芯片有刷控制器的典型代表。一般脉宽调功率开关管的占空比（也叫导通比）大，电机转速就高，反之，导通比小，电机转速就低。决定功率开关管导通比的就是脉宽调制器（PWM），是电压比较器的一种，它的一个输入是速度转把的速度电压信号，另一个是基准电压，基准电压是一个幅度不变的锯齿波（三角波），这些就是最基本的调速电路组成。生产厂家一般还扩充一些电路，这些电路有的是增加了部分功能，有的则是完善了某些性能。 该控制器以PWM为中心，前面有三角波发生器、电瓶欠压检测、电机过电流检测，后面有驱动、功率开关等。每部分都是独立的，检查调试都比较方便。 三角波发生器由IC1A、R8, R9, R14,R15, R16, C8、D6、组成施密特振荡器，C8上产生三角波。 脉宽调制器是IC1B，它的输入之一6脚来自C8上的三角波；输入之二7脚是来自速度转把的速度信号。1脚输出调宽脉冲，送互被推挽放大器。 互补推挽驱动由Q1,Q2组成，脉冲高电平到来，上管NPN管Q1导通，12V加到功率管T1的栅极，T1导通；脉冲低电平到来，Q1截止，下管PNP管Q2导通，将T1栅极的电荷迅速放掉，T1截止。 电池欠压保护由IC2C组成电压比较器，当电瓶电压低于31.5V时，它的14脚变为低电位，相当于将转把速度信号降到接近0V，通过PWM和驱动，最终使VDMOS截止。 过电流保护由IC2D组成电压比较器，当过电流时，R17右端电位变低，通过R18加到IC2D11脚，比较器翻转13脚变为低电位，同样相当于将转把速度信号降到接近零状，通过PWM和驱动，最终使VDMOS截止,电机慢慢停转. 几款有刷电动自行车控制器 伟星有刷电机控制器 一款带继电器的有刷电机控制器 ZKC3615MZ有刷电机控制器 新旭WMB型24V280W有刷电机控制器 电动自行车无刷控制器电原理图 电动车无刷电机控制器专用芯片33035各管脚的作用 直流无刷电机控制器MC33035的原理及应用 1 概述 MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还 具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管 （MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。此外，MC33035还有欠锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特 性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。 2 管脚排列及功能定义 MC33035的管脚排列如图1所示，各引脚功能定义见表1。 图 1 表1 MC33035的管脚功能定义 输 入 输 出 60度 SA SB SC 120度 SA SB SC 正向/反向 使能 电流检测 顶部驱协 AT BT CT 底部驱动 AB BB CB 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 X X X 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 X X X 1 1 1 0 0 0 V V V V V V X 0 X 1 1 1 0 0 0 V V V V V V X 1 X 1 1 1 0 0 0 表中,V表示六个有效传感器或驱动组合中的一个，X表示无关；输入逻辑0定义为小于85mV，逻辑1为于115mV 表2 三相六步换向器真值表 3 工作原理 MC33035的内部结构框图如图2所示。 MC33035 内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或者 光电耦合器相连接。此外，该电路还内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容。用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四 种传感器相位下工作。MC33035所提供的60度/120度选择可使MC33035很方便地控制具有60度、120度、240度或300度的传感器相位 电机。其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。通过六个有效输入编码可使译码器在使用60度电气相 位的窗口内分辨出电机转子的位置。表2所列是其真值表。 MC33035直流无刷电机控制器的正向/反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。当输入状态改变时，指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平，从而改变整流时序，以使电机改变旋转方向。 电机通/断控制可由输出使能来实现，当该管脚开路时，连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时，顶端驱动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动机停转。 MC33035中的误差放大器、振荡器、脉冲宽度调制、电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路以及热关断等电路的工作原理及操作方法与其它同类芯片的方法基本类似，这里不多述。 4 实际控制电路 4.1 三相六步电机控制电路 图3所示的三相应用电路是具有全波六步驱动的一个开环电机控制器的电路连接图。其中的功率 开关三极管为达林顿PNP型，下部的功率开关三极管为N沟道功率MOSFET。由于每个器件均含有一个寄生箝位二极管，因而可以将定子电感能量返回的电 源。其输出能驱动三角型连接或星型连接的定子，如果使用分离电源，也能驱动中线接地的Y型连接。 在任意给定的转子位置，图3所示的电路中都仅有一个顶部和底部功率开关（属于不同的图腾柱）有效。因此，通过合理配置可使定子绕组的两端从电源切换到地，并可使电流为双向或全波。由于前沿尖峰通常在电流波形中出现，并会导致限流错误。因此， 可通过在电流检测输入处串联一个RC滤波器来抑制类峰。同时,Rs采用低感型电阻也有助于减小尖峰。 4.2 有刷电机控制电路 虽然MC33035是专为控制无刷直流电机而设计的，但它也可以用来控制直流有刷型电机。图4所示就是一个使用MC33035来控制直流有刷型电机的典型应用电路实例。 图4中，MC33035通过驱动一个H型电四桥可用最少的器件来控制一个有刷电机。该控制 的关键在于：要将输入传感器编码为100，同时，在控制器正向/反向管脚为逻辑电平1时，还应产生一个顶部到左Q1和底部到右Q3的驱动信号，而当正向/ 反向管脚的逻辑电平为时，则应产生顶部到右Q4和底部到左Q2的驱动。该编码可以保证H型驱动同时满足方向和速度控制的要求。该控制器可在大约25kHz 的脉宽调制频率下正常工作。电机速度的控制可通过调节误差放大器同相输入端的电压来输入。而电机电流的逐周限流则可由检测H型电桥电机电流并通过电阻Rs 到地之间所产生的电压（100mV门限）来实现。由于利用过流检测电路可改变电机转向，因此，在工作时，使用正常的正向/反向切换不需要在变向前完全停 止。 CY8C24423构成的电动车无刷控制器系统 电动车作为一种新型的代步工具，已经实实在在地被人民群众所接受。尤其是在当前油价飞涨、摩托车牌照发放受限，汽车的梦想可望而不可即的情况下，电动车越来越受到老百姓的青睐。在中国这样一个“自行车王国”，电动车的市场空间是值得期待的。业内人士预测，未来几年内，电动车的容量几乎相当于自行车的市场容量，全国4.5亿辆自行车用户中至少有3亿的用户将成为电动车的用户。随着电动车市场趋向成熟，无刷电机电动车逐渐占据了80%以上的市场份额，无刷电机控制器也在不断的技术进步中被广大用户所喜爱，并且将会不断地推陈出新，以丰富的功能来适应市场的变化。 PSoC微处理器是美国赛普拉斯半导体公司推出的一种现场可编程片上系统。片内备有通用模拟和数字模块，用户可根据开发需要，随意调用模块，实现混合信号阵列的动态配置。文中以CY8C24423为例，介绍PSoC在电动车无刷电机控制器上的应用，它将对电压电流信号的放大、处理、模数转换功能，以及PWM信号输出功能全部集成到微处理器的内部完成，减少了芯片的外围器件，提高了系统整体的集成性能和可靠性。 可编程片上系统 由美国赛普拉斯半导体公司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。 与传统的MCU相较，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和其它外围设备，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。 PSoC的内部框图结构及资源 赛普拉斯CY8C21~29系列的内部结构如图1所示。其资源包括： 图1：CY8C24423内部系统资源框图 1. 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)，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88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。 2. 内存储器 PSoC系列器件拥有灵活的片内存储器，包括4~16KB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，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，系统具有串行编程功能(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。 3. 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(DB PWM)、循环冗余核对模块、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，用户只需简单地选择需要功能块，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(CT)，A类和B类开关电容(SC)模块。 4. 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。 5. 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。 6. 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、采样抽取器(Decimator)、片内温度传感器和片内电压参考等。 7. 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℃。 电动车无刷控制器系统 由CY8C24423构成的电动车无刷控制器系统原理框图如图2所示。 图2：电动车无刷控制器系统原理框图 要让图中所示的电机转动起来，首先控制部就必须根据电机霍尔感应到的电机转子目前所在位置，然后决定开启(或关闭)MOSFET的顺序，如上图中之A上、B上、C上(这些称为上桥功率晶体管)及A下、B下、C下(这些称为下桥功率晶体管)，使电流依序流经电机绕组线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制器又再开启下一组MOSFET，如此循环电机就可以按同一方向继续转动，直到控制器决定要电机转子停止，此时则关闭MOSFET，要电机转子反向则MOSFET开启顺序相反。 一个最基本的电动车用无刷电机控制器所需要实现的功能包括除了转把调速外，还应该包括欠压保护，过流保护，刹车断电等。另外近年来还有一些实用且流行的功能如定速巡航、ABS刹车再生制动、1:1助力等等。从上面的原理框图可以很清楚地看出，整个系统只用了一个PSoC芯片便实现了上述的所有控制功能。图3为本文设计的无刷控制器半成品实物图。 图3：电动车无刷电机控制器半成品实物外形图 除了上述功能外，本系统借助PSoC芯片强大而灵活的配置资源，还具有普通控制器所不具备的以下优点： 1. 超静音：启动及全程行驶过程中噪声极低，大大超越了传统的无刷控制器，减小电机振动，大大延长电机的寿命； 2. 低发热：采用国际先进的同步整流技术，大幅度降低控制器的热损耗，提高了整车的能量使用效率，延长了续驶里程； 3. 多重限流保护：既做到平均值限流，又做到峰值限流。峰值限流在每个PWM周期中都对电流波形进行检测，防止超过MOSFET的最大允许电流，在任何情况下不会烧毁； 4. 平均值：限流使控制器能够在各种不同的电