电动车mcu是啥（电动车的mcu是什么意思）

介绍

本文将重点介绍使用微控制器或可编程片上系统(PSoC) 实现电动自行车的设计技术和相关挑战。目前业界的电动自行车系统使用微控制器和外部信号调理和比较器电路来驱动三相电机；使用外部ADC和外部放大器来支持不同的传感器输入；使用继电器驱动电路支持刹车灯、头灯和转向灯；此外，还可以支持LED/LCD显示和温度测量。

该可编程SOC器件不仅可以用作电动自行车应用的电机控制、模拟测量和直接LCD显示驱动的统一电路板系统，而且还可以支持电容传感技术以取代键盘上的机械按键。此外，SOC 器件还可以使用内部PWM、MUX 和比较器来驱动和控制三相电机，使用内部ADC 和PGA 支持传感器输入电池监控，并使用热敏电阻或RTD 等温度传感器件进行温度传感。该器件不仅可以直接驱动继电器来支持刹车灯、头灯和转向灯，还可以直接驱动LCD显示器来显示温度、电池状态、速度、骑行距离和各种错误/警告信息。

使用基于IDE的工具，可以为SoC设计各种接口和逻辑。这些工具还提供即用型组件模块，可用于设计更复杂的逻辑，例如用于监控接口的电容传感器、支持模拟传感器和其他输入的ADC、驱动蜂鸣器的PWM、DAC 以及段和字符或图形液晶显示等。因此，采用可编程SOC，可以显着降低电动自行车系统的开发和生产成本。

微控制器：微控制器通常用于不同传感器输入检测（如油门输入、温度传感器、电池输入、燃油传感器、障碍物传感器等）、模数转换、输出比较组件等，并可驱动并控制三相无刷汽车电机。电池供电的电动自行车系统需要超低功耗微控制器。此外，微控制器也是中控锁系统的一部分，用于与车辆中使用的各种外部设备进行通信。每当踩刹车时，微控制器都可以自动停止电机旋转，从而防止电机比标准人力自行车更快地磨损刹车片。

轮毂电机：一般采用无刷电机，无论有无传感器（基于霍尔效应），都可以实现高效可靠的运行。

可充电铅酸/锂离子电池：电动自行车应用中使用了许多不同的电池类型，从铅酸到锂离子。其中，可充电铅酸电池广泛应用于电动汽车中。

显示屏和键盘：通常，背光LCD 显示屏不仅显示温度、电池输入、速度、行驶距离和错误/警告消息，还显示踏板辅助和能量生成的水平。基于机械按键的键盘也应用于电动汽车应用中，并且键盘还可以支持防盗功能以保护电动汽车。电源管理：该子系统为各功能模块的运行提供电源，并监控电池运行情况。具有比较器和离散逻辑的主机微控制器可用于管理铅酸电池。此外，这种方法还为微控制器和用户提供有关电池的安全和关键信息。

原则

当前的电动自行车系统使用16 位和32 位微控制器。微控制器控制和管理车辆的所有功能和特性。一旦用户打开点火装置并启动电动自行车，微控制器就会获取输入来启动三相无刷车辆电机。微控制器可以接收来自用户的各种车辆输入信号并相应地控制车辆。微控制器以用户选择的速度驱动三相无刷汽车电机，并且电机的速度可以根据加速度和制动传感器的用户输入进行改变和控制。

微控制器使用内部或外部串行EEPROM（I2C/SPI类型）来存储距离读数等数据。此外，微控制器使用实时时钟(RTC) 在显示屏上显示准确的时间。

温度测量是通过板载RTD 或热敏电阻型温度传感装置完成的。电动自行车系统还可以在停车时使用障碍物传感器来获取附近车辆的信息。燃油传感器获取发动机中燃油的信息，微控制器还监控电池输入并将其显示在LCD 显示屏上。继电器驱动电路用于开关刹车灯、前灯和转向信号灯的开/关等。

电源由可充电铅酸或锂离子电池作为电源，并且必须符合电池充电器法规。电池输入被下变频为直流电压，为微控制器和其他电路供电。点火开关启用或禁用板载电压调节器。此外，电源部分还可以提供电池、过流、过热以及启动故障状态保护电路等多种保护功能。 OEM厂商也会对手机等外部设备的充电做出相应的规定。

电动自行车系统的实现

为了给电动自行车系统提供一个实用的实现方案，本文介绍了一种基于Cypress PSoC 4的设计。PSoC 4器件将微控制器与数字可编程逻辑、高性能模数转换、运算放大器完美集成。具有比较器模式以及标准通信和计时外设。该微控制器是32 位ARM Cortex M0，运行频率高达48 MHz，并提供最大32 KB 闪存、最大4 KB SRAM 和2 KB 内部EEPROM。

该实现使用板上的6 个P 沟道(P-Channel) MOSFET 和栅极驱动器电路来驱动三相无刷电机。 PSoC 4 器件具有内置PWM、时钟、多路复用器和比较器，用于驱动和控制三相无刷电机。此外，内置16位PWM将用于驱动控制电机的FET栅极驱动电路。 PWM 的占空比根据用户设置的所需速度而变化。

PSoC4 具有内部运算放大器、PGA、比较器和一个可用于差分和单端模式的12 位1MSPS SAR ADC，包括采样保持(S/H) 功能。 ADC 可以通过改变PWM 占空比来控制电机速度，并测量不同的传感器输入，以满足电池监控、低成本温度传感、障碍物传感和燃料传感等需求。这样系统中就不再需要任何外部放大器、ADC 或比较器。

该系统利用两个电流DAC (IDAC)，提供通用传感功能以及在任何引脚上利用电容传感技术的能力。 PSoC 4 架构支持电容式传感组件，支持手动和自动调节。采用电容式接口可以帮助整个电动自行车系统防水，还可以直接驱动继电器，完全满足喇叭、刹车灯、头灯、转向灯和液晶显示器的需求。该器件的工作电压范围为1.71V至5.5V，可以轻松连接其他外围设备以实现更多功能。此外，PSoC 4 支持两个独立的动态可重配置串行通信模块(SCB)，具有可重配置I2C、SPI 或UART 功能，用于内部和外部外设通信。

该实施方案使用可充电铅酸或锂离子电池作为电源。输入电压通过板载降压调节器进行降压转换。 1.71 V 的较低工作电压和超低功耗操作，再加上休眠和深度睡眠模式，可以在唤醒时间和功耗之间进行权衡，从而延长电池寿命。

使用PSoC Creator IDE 工具，我们可以通过即用型组件模块设计所有接口和逻辑，包括用于模拟传感器和其他输入的SARADC 和PGA；用于电机驱动应用的PWM、CLK、MUX 和比较器组件；用于直接驱动字符和段式液晶显示器的组件；电动自行车应用中CAN 协议接口的CAN 组件；和RTC组件通过内部系统时钟进行实时测量，消除了系统中外部时钟/振荡器电路的需要。

此外，PSoC Creator 还为工程师提供了完整的工具生态系统，包括集成编译器工具链、RTOS 和生产编程器。借助PSoC Creator，开发人员可以使用分层原理图设计创建和共享用户定义的自定义外设。然后，他们可以自动放置和路由选定的组件，并集成简单的粘合逻辑（通常位于分立多路复用器中）。

过流保护用于关闭电机驱动PWM，从而停止电机运行。 PSoC 4 器件使用基于比较器的PWM Kill 信号触发器，可在检测到过流情况时终止电机驱动。该模块的输入来自母线电流，其截止参考值可设置为电机消耗的最大电流。总线电流输入为比较器和可配置截止参考供电，该参考由DAC 设置。如果总线电流低于参考阈值，则比较器输出设置为高电平。比较器输出连接到PWM 的“KILL”信号输入。当“KILL”输入为高电平时，PWM 输出关闭，从而防止损坏电机。完整的模块将使用PSoC Creator 组件来实现，不需要设计人员编写任何固件。

无传感器电机控制

无传感器电机控制不需要霍尔传感器，而是采用反电动势（back-EMF）过零检测技术来控制电机的运动。当电机旋转时，每个绕组产生的电压称为反电动势电压，它与供给绕组的主电压相反。反电动势的极性与用于励磁绕组的电压的方向相反，并且与电机的速度成正比。

在图3 中，三相EMF 信号终止，同时直流总线延伸并路由至PSoC。 PSoC 将采用多路复用器切换到比较器的终端输入，并将其与直流总线电压进行比较。级联的数字逻辑将滤除PWM信号以获得真正的过零信号。微控制器将根据此信息决定换向。

可选电流控制将应用于PWM 输出控制以调节电机电流。该内环基于比较器：将反馈总线电流与12 位DAC 提供的参考电流值进行比较。更改DAC 输出将修改输出电流值。

基于传感器（霍尔效应）的电机控制

基于传感器的无刷电机控制使用霍尔传感器输入来检测转子位置，从而控制电机的运动。它为微控制器提供霍尔传感器输入，并作为闭环系统工作，有利于较长驱动器的自动速度锁定。

设计挑战

高性能智能微控制器需要更高的MIPS性能CPU内核、更快的ADC（=500Ksps @ 10位）、内置闪存和SRAM存储器、内置EEPROM、用于执行高性能模拟测量的模拟和数字外设、CAN接口、三相电机控制、LCD驱动器、低功耗运行、RTC、不同的外部协议接口和其他关键功能。

该系统可以使用低成本的前面板设计来实现不同的功能，例如按钮和LED/LCD接口。此外，电容式传感技术可用于在前面板上实现按钮、滑块和接近传感器。利用前面板上的相邻LED（PWM 类型）来满足电容式感应性能要求（例如信噪比等）对于系统设计人员来说可能是一项设计挑战。

选择具有低Ron 和低栅极电容的功率MOSFET 正是驱动三相电机所必需的。设计具有高功率MOSFET 驱动电路的电路板并处理来自电池输入的较高电路板电流是电路板设计人员面临的另一项挑战。由于系统涉及机电构造问题，设计低成本、紧凑的机电系统并通过最终设计认证极具挑战性。此外，电动自行车系统的设计需要能够一次充电覆盖更远的里程。

具有恢复机制的故障检测对于所有汽车应用至关重要。此外，具有电池保护、过流、过热和启动故障条件保护的电源设计也是必须的。

此外，开发人员可能还希望使用一次性可编程（OTP）设备来防止竞争对手和黑客对固件进行逆向工程。

系统限制

PSoC 4 支持电容感应技术，可以用触摸控制键盘取代机械按钮。这不仅减少了机械按钮造成故障的几率，还提高了产品的可靠性。 PSoC Creator 支持CapSense SmartSense 组件，该组件可自动调整电容式感应按钮和滑块的灵敏度，从而无需开发人员进行手动调整。此外，电容式传感可以提高最终系统的防水性。

前面板上实现的触摸屏设计取代了LCD显示屏和键盘，为用户提供了更好的用户界面和更高的灵活性。系统还可以添加连接iPod/iPhone等外部设备的接口，通过UART或USB接口与媒体播放器通信，支持播放音乐、控制播放列表、为设备充电等功能。

故障分析及返回材料：电路板上内外接口数量的增加，必然给入侵者带来更多破坏系统的途径。这也是嵌入式系统面临的最大限制之一。

汽车应用中使用的电动自行车系统目前使用微控制器来实现。 PSoC 完美结合了微控制器和ASIC。使用基于PSoC的电动自行车解决方案可以帮助我们降低汽车行业的整体产品成本（通过降低BOM成本）和项目开发成本（通过使用PSoC Creator实现）。

审稿人：彭静