uPD78F1213介绍
    uPD78F1213为NEC公司针对电动自行车控制所开发的78K0R/IC3系列芯片中的一款控制芯片，它在片上集成了电机控制功能的外围电路，在很大程度上降低了系统的复杂性。它具有如下特点：
 (1)20 MHz内部时钟；
 (2)外围电路时钟可达40 MHz；
 (3)32 KB ROM，1.5 KB RAM；
 (4)片上10位A/D转换芯片，最快可达2.5us；
 (5)6路PWM输出端口，具备死区功能；
 (6)片上乘法器；
 (7)内部集成运放和两段式电流保护功能；
 (8)定时器触发A/D转换；
 (9)12路16位定时器阵列，可灵活配置；
 (10)在线仿真和自编程功能。
 

    该系列芯片不仅适用于电动自行车控制的开发，而且还可以用于包括空调、洗衣机等各种家用电器的电机控制开发。

系统介绍

总体结构
    基于uPD78F1213的E-BIKE控制系统结构如图1所示。在电动自行车控制器中，速度的给定是通过转把信号给定的模拟信号。在系统中采用A/D转换电路进行速度给定的采样。供电系统由48 V的蓄电池组供电，采用的电机为外转子无刷直流电机，其主要性能指标如下：额定转速为300 r/m，额定电压为48 V，额定功率为350 W。同时系统中还包括了其他的外围硬件电路。

图1 BLDC控制系统框图

硬件介绍
    系统硬件主要包括MCU控制电路、电源电路、功率电路以及分立驱动电路。MCU控制电路主要完成核心的控制功能，包括驱动信号的输出以及A/D采样和各种保护功能；电源电路把48 V的主电源变换为系统所需的5 V和15 V控制电源；功率电路由6个功率MOSFET构成，采用NEC 2SK3435芯片，完成电机的功率驱动；分立驱动电路用于按照PWM输出驱动6路功率MOSFET，完成对电机的控制，采用分立驱动电路可有效地降低系统的成本。

SVPWM分析
    电压空间矢量法（SVPWM）是从电动机的角度出发,着眼于使电机获得幅值恒定的圆形磁场。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想圆形磁通轨迹为基准，用逆变器不同的开关模式产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，从而达到较高的控制性能。与SPWM技术相比，SVPWM在电机的电流中产生的谐波较小并且提高了母线电压的利用率。

    实现SVPWM的方法有磁链圆轨迹法、电压矢量合成法等。在这里采用了电压矢量合成法，即采用2个非零矢量和1个零矢量合成一个等效的电压矢量。

    逆变器主回路(如图2)的6个开关管T1～T6可以形成8个开关量，分别对应8个空间矢量，以T1、T3和T5的开关状态来表示：000～111，1表示导通，0表示截止；而T2、T4、T6的状态与对应的T1、T3和T5正好相反，其中6种状态(001～110)为非零矢量，6种非零矢量输出电压，并在图2三相逆变器主回路电机中形成6个工作磁链矢量,以6种不同工作矢量所形成的实际磁链来追踪三相对称正弦波供电时定子上的理想磁链圆,即可得到PWM调制时的等效基准磁链圆,矢量图如图3所示。当输出电压矢量V_out旋转到某扇区时,由组成该扇区的两个非零矢量V_x、V_x+60分别作用ta、tb时间，时间分解如图3所示。为补偿Vout的旋转频率，插入零矢量V₁₁₁或V₀₀₀，时间为t0。

图2 电机驱动电路结构

图3 空间电压矢量合成

 V_out=t_a/T_Vx+t_b/T_Vx+60+t₀/T(V₁₁₁或V₀₀₀)

 Ｔ=t_a+t_b+t₀ 其中Ｔ为PWM周期。
 

    为了降低调制过程中的开关损耗，本系统采用了两相调制的方法，即在两个零矢量V111和V000中只采用V000作为调制中的零矢量，这样在任何一个区间内总有一相桥臂的下桥臂常通，而上桥臂常闭，从而降低了调制过程中的开关损耗。这种调制所形成的驱动波形如图4所示。

图4 两相调制SVPWM下的驱动波形

单电阻采样方法及原理分析
    矢量控制方法需要检测电机的三相电流，传统的方法一般都采用电流传感器或者霍尔器件与电机的相线耦合直接检测相电流。为减少电流传感器的数量并且降低系统成本，系统采用如图5所示的电路检测电机的直流母线电流。

图5 单电阻电流采样的系统电路

    在图5的电流采样电路中，根据开关状态的不同组合，可以得到相电流与母线电流的对应关系。图6为开关状态下的电流对应关系在①区间内UVW的状态为110，此时电流从U、V两相上桥臂流入经过W相流出，此时母线电流与W相电流大小相等，方向相反，即：i_u=-i_dc。在②区间内UVW的状态为100，此时电流从U相上桥臂流入经过V、W两相的下桥臂流出，此时母线电流与U相电流大小相等，方向相同，即iu=idc。

图6 相电流与母线电流的对应关系分析

   同理可以得到在不同的开关状态下的三相电流与母线电流的对应关系，如表1所示。

表1 各开关状态下的母线电流与相电流的对应关系

   根据表中所列的电流对应关系，选择通过定时器触发A/D转换就可以得到电机的三相电流值。
 

   值得注意的是，当开关状态持续的时间较短时，电流采样的精度会变差，因此需要采用非对称的PWM驱动波形来进行补偿以提高采样精度，会对系统的动态性能造成一定的影响。

系统控制原理
   矢量控制的原理已经广泛应用于各种电机控制系统，本文不再对具体原理进行分析。下面根据系统的计算原理图（如图7）介绍系统的计算过程。

图7 矢量控制系统原理图
   

   首先，根据检测到的电动机转速和输入的参考转速，以及转速与转矩的关系，通过速度PI控制器计算出定子电流参考输入。定子三相相电流通过检测系统的母线电流按照电流重构的方法得出。然后，用Clark变换将它们转换到定子两相坐标系中，再使用Park变换将它们转换到d-q旋转坐标系中。将d-q坐标系中的电流信号与它们的参考输入I_{sq_ref}和I_{sd_ref}相比较，其中I_{sd_ref}＝0。通过PI控制器获得理想的控制量。控制信号再通过Park逆变器，送到PWM逆变器，从而得到控制定子三相对称绕组的实际电流。外环速度环产生了定子电流的参考值，内环电流环得到实际控制信号，从而构成了一个完整的速度矢量控制系统。

系统角度细分方法
   在BLDC中通常采用三个霍尔器件作为位置反馈信号。在这种情况下，每个360°区间内共有6种位置状态，每种状态持续60°电角度。为进行矢量控制运算，需要对角度进行细分。

图8 霍尔周期的计算

   角度细分的方法如下：首先根据霍尔信号的触发沿得到当前时间，再与上一次沿触发的时间相减即可得到相邻两次沿触发的周期。由于在实际系统中霍尔信号或者永磁体分布不均匀，因此采用如图8中所示的方法计算霍尔中断的周期，从而消除系统所产生的误差。由上述可知：T=T1+T2+T3+T4+T5+T6，则：

 
再根据计算周期时间即可以得到每一个中断周期的角度实际值。

    在实际计算过程中由于计时的误差等因素会对实际角度的计算造成一定的偏差，在这种情况下，可采用PLL技术对计算所得到的进行补偿以取得更准确的位置角。

软件流程
 

    系统软件主要包括以下各个功能块，分别实现不同的功能。HALL信号检测模块用以检测三相霍尔信号的电平变化，得到霍尔中断的周期，从而计算出电机的实际速度（作为速度反馈值）和?驻?兹的值(用以计算电角度)。电流检测模块用以检测电机的母线电流，根据触发A/D采样时刻的开关状态重构出电机的三相电流以进行电流的旋转变换。外围功能模块用以进行其他各种外围的检测和控制，包括各种保护功能等。定时中断模块为系统的核心模块，完成系统的各种计算功能，包括速度环PID运算、矢量旋转变换、电流环PI运算和SVPWM计算功能，其流程如图9所示。

图9 闭环计算流程图
  

   78K0R/IC3系列单片机是一种适合电机控制的专用驱动芯片，其实时处理能力强，运算速度快，且内部集成了电机控制的部分外围电路。本文根据电动自行车用无刷直流电机的控制要求设计了基于?滋PD78F1213的控制器，对电动自行车用无刷直流电机实现了180°正弦波控制。试验表明：78K0R/IC3系列芯片在处理速度和外部资源上都充分满足电机控制系统开发的需要，并且由于其内在的高集成度降低了控制系统的复杂性；在180°正弦波控制方式下，电机运行的转矩波动减小，机械噪声得到了很大的抑制，运行更加平稳。
参考文献
[1] 8-Bit Single-Chip Microcontrollers  Introduction to Space Vector Modulation.NEC Corporation，2004.
[2] 78K0R/IC3 user′s manual.NEC Corporation，2008.
[3] 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2003.
[4] 张琛.直流无刷电动机原理及应用.北京：机械工业出版社，2004.