第2 6 卷第8 期增刊仪器仪表学报2 0 0 5 年8 月基于p p d 7 8 F 9 2 2 2 的无刷电机控制系统的实现佟国香1周亦敏1温田学2吉田修3浦野启4 铃木英次5( 上海理工大学计算机工程学院上海2 0 0 0 9 3 )2 ( 上海雅泰电子科技有限公司上海2 0 0 0 0 1 )a ( 日本电气株式会社川崎2 1 1 - 8 6 6 8 ) 4 ( 香港、日电有限公司香港5 1 8 0 0 8 )5 ( 佐鸟电机株式会社东京1 0 80 0 1 4 )摘要采用N E C 微处理器f l p d 7 8 F 9 2 2 2 作为主控芯片，设计了具有价格和功能优势的无刷电机控制系统，可以应用于电动白行车的电机控制系统。该系统可替代目前大多采用的专用集成电路的设计方案，具有控制的实时性强、稳定性好，电路简单、性价比高等特点，目前已进人试生产阶段。具有良好市场前景。美键词微处理器无刷电机电动自行车控制I m p l e m e n t a t i o no fB r u s h l e s sM o t o rC o n t r o lS y s t e mB a s e do nU p d 7 8 F 9 2 2 2M i c r o p r o c e s s o rT o n gG u o x i a n 9 1Z h o uY i m i n lM a n a b u0 n d a 2O s a m uY o s h i d a 3H i r o s h iU r a n 0 4H i d e j iS u z u k i51 ( I n s t i t u t eo fC o m p u t e rE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS h a n g h a if o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 3 ，C h i n a )吖A C U T E CL t d ，S h a n g h a i2 0 0 0 础，C h i n a )誓E CE l e c t r o n i c sC D r p o r a t i o n ，K a z w a s a k i2 1 j 一8 6 6 8 J a p a n )4 ( H o n g K o n gL i m n e d N E CE l e c t r o n i c s ，H o n g K o n g5 1 8 0 0 8 ，C h i n a )I S a t o HE l e c t r i cC o L t d T o h oj 0 8 - 0 0 1 4 ，J a p a n )A b s t r a c tAb r u s h l e s sm o t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do N9 p d 7 8 F 9 2 2 2m i c r o p r o c e s s o rw a sd e s i g n e dt oa c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c ea tag o o dc o s t e f f e c t i v e n e s s T h i ss y s t e mc a nb ea d o p t e di ne l e c t r i cb i c y c l ec o n t r o l l i n gs u b s t i t u t i n gw i d e l yu s e dA S I Cd e s i g n T h em a i na d v a n t a g e si n c l u d es i m p l ec i r c u i t ，b e t t e rr e a l t i m ec o n t r o l l i n g tb e t t e rs t a b i l i z a t i o na n dh i g h e rp e r f o r m a n c e p r i c er a t i o T h i ss y s t e mh a sb e e np u ti n t ot r i a lp r o d u c t i o na n dh a sag o o dm a r k e tp r o s p e c t s K e yw o r d sM i c r o p r o c e s s o rB r u s h l e s sm o t o rE l e c t r i cb i c y c l ec o n t r o l格低廉，而且无需外接硬件即可轻松实现诸如巡航定1引言速、E A B S 电子辅助制动、6 0 0 1 2 0 0 电角度智能选择、霍尔故障检测等一系列专用芯片难以实现的功能。在目前面市的电动自行车中，驱动电机主要采用有刷高速电机、无刷电机和有刷低速电机三种类型，并以前两种类型电机较为常见。与有刷电机相比，无刷电 机的控制相对比较复杂，一般采用M C 3 3 0 3 5 、L B l l 6 9 0 、L M 6 2 1 等专用集成电路控制方案o 对于生产厂商来说，此类方案相对成本较高，且专用控制器的资源有限，用产品更新以增加新的卖点也几乎不可能o “3 。而这里采用N E C 的低引脚微控制器p p d 7 8 9 2 2 2 作为主控芯片，设计方案不仅电路简单，价2 微处理器的资源使用N E C 此款微处理器可以说专门为无刷电机的控制量身定制的，在只有2 0 个引脚，外形尺寸只有4 0 m m 2 的晶片内集成了相当可观的资源，详细介绍可参见p p d 7 8 F 9 2 2 2 的用户手册o 。为使微处理器的资源得到有效利用，设计中采用内部高速R I N GO S C 提供的时钟作为C P U 及其外围硬件的时钟源，8 位定时器2 1 0仪器仪表学报第2 6 卷H 1 提供P W M 控制，8 位定时器8 0 作为定时器，内部看门狗提供软件监视，选择4 路l o 位A D 中的两路作为速度信号采样和欠压信号采样，4 个外部中断中的I N T P O 作为过流信号的中断申请输入，它的1 5 个引脚均可作为通用I 0 口，因而可选择3 个U O 口作为速 度 大 干 0且 右 换 柏霍尔信号的输入，6 个I o 口作为上下桥臂的开关控制，此外，还提供了霍尔故障状态输出就巡航定速的输入。即使这样，引脚的使用也略有赢余，可供功能升级。图i 是采用p p d 7 8 F 9 2 2 2 为核心的控制系统的组成图。建度大于o ，且5 s 内无换相图1 控制系统组成图图2 模式控制迁移图3 直流无刷电机的软件控制直流无刷电机的控制原理比较简单，但作为大批量生产的产品而言，要使其稳定、可靠、性能良好，要考虑的因素很多。既要保证硬件控制的实时性，又要保证必要的功能实现和数据处理。例如，必须实时监测霍尔信号，并尽快地进行换向控制，处理不及时将增加电机的噪声；而对电机速度的调节则需要进行平滑处理，不宜过快。因而，软件的实现采用类似于实时操作系统的控制原理，将电机的动作划分为如下几种模式：空闲模式、启动模式、正常模式、过流模式和堵转模式。每个模式相当于操作系统中的一个任务，模式的转换相当于任务的切换，对中断的处理，采用占先式内核操作系统的处理方式，在中断服务程序中使高优先级任务进入就绪状态，这样退出中断服务程序后，将切换到高优先级的任务。图2 是模式控制迁移图。4 测试结果及结论图3 是该控制器控制的无刷电机输出综合参数曲线图。可以看出：转距在4 5 1 0 5 之间电机的效率可以达到8 0 左右。电流曲线的线性度好，功率随转距线性上升。完全达到国家相关标准。综合参数见表1 。使用N E C 的徽处理器g p d 7 8 F 9 2 2 2 进行无刷电动自行车控制，可以利用各种输人信号对控制系统完成相对完善与灵活的保护，除文中介绍的功能外，还可以实现：减流保护、低电流过载保护等功能。测试结果过流结束-搂足启动模式条什第8 期增刊基于S p a 7 8 F 9 2 2 2 的无刷电机控制系统的实现2 1 l衰1 综台参数裹。载点L o a d ，3 6 0 40 - 8 7 73 1 6 1o o ，3 1 7 1 一一。震慧3 8 , 2 01 0 0 03 5 2 - 1m2 0 。2 6 。s8 8 0 , 27 9 - 5。慧篙，s s 埘e m3 2 4 15 - 1 0 1z e1 8 0 , 08 0 5未丈鞴M a x 蚴率) 3 4 “9 5 0 4 52 ”1 3 6 9 773_Pout 1 4 9 3 43。意篙烹。一t m 川t z 张一”，及实践证明：用p p d 7 8 F 9 2 2 2 开发的控制器具有很好的适用性和市场竞争力。参考文献1 王绪伟，费树岷云，胡继峰基于M C 3 3 0 3 5 的永磁无刷直流电机控制器的设计 J 电子工程师，2 0 0 1 ( 5 ) ：4 8 5 0 2 庞勇，贺益康，方卫中基于专用控制芯片的永磁无刷直流电机控制器口 微电机，1 9 9 9 3 2 ( 3 ) t 1 5 1 7 3 张琛直流无刷电动机原理及应用 M 北京：机械工业( v ) ( 町( ) ( r p ) 5 叮5 叮1 8 ”f 1 4 6 4 5 0 f “2 | 4 5 0 | 4 0 4 耐M 4 4 0 口 3 f i 3 5 0 1 2 43 5 0 | 3 43 0 4 n 43 0 0 z 42 s o 42 s 0 2 m l2 0 0 。 2 0 0 1 5 1 5 0 + 5 4 1 5 0 1 0 ll o o I 4 l o o I 恫1 弱F 胛( )M ( Nm )图3 控制器控翩的无刷电机输出综合参数曲线圈出版社，2 0 0 4 1 6 l 1 7 2 4 郑吉，李学普无刷直流电机控制技术综述 J 微特电机，2 0 0 2 ( 3 ) ：1 I 1 3 5 吴守箴，喊英杰电气传动的脉宽调制控制技术特性的影响 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 2 6 0 6 2 6s p a 7 8 F 9 2 2 2u s e r Sm a n u a l 2 0 0 4 h t t p ：w w w n e c e l e o m c g i 也i n n e s d i s 0 0 02 一e c g i ? a l i a s c o d e 一1 4 2 8 0 0 l a n g c o d e = E一- - - 一一一一一一( 上接第2 0 8 页)2M a r t i nT H a g a n ，H o w a r dB D e m u t h N e u r a ln e t w o r kd e s i g n C h i n aM a c h i n eP r e s s ，2 0 0 2 3 张智星，孙春在，水谷英二神经一模糊和软计算西安：西安交通大学出版社，2 0 0 0 6 ，1 6 4 1 6 7 ，3 2 4 3 3 0 4 刈智勇，朱劲，李秀平等单交岔口的多相位模糊控制 J 信息与控制，1 9 9 9 2 8 ( 6 ) ：4 5 3 4 5 8 5 徐冬玲，方建安，邵世煌交通系统的模糊控制及其神经网络实现口 信息与控制，1 9 9 2 ，2 l ( 2 ) ：7 4 7 8