摘 要:方波驅(qū)動(dòng)的無刷直流電機(jī)由于力矩大,運(yùn)行可靠,在電動(dòng)車控制器中廣泛應(yīng)用,方波驅(qū)動(dòng)最大的缺點(diǎn)在于換相時(shí)的電流突變引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),導(dǎo)致噪聲較大,但好的控制策略可以大大改善換相噪聲.電動(dòng)車控制器設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于電流控制,本文就電動(dòng)車控制器設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵地方加以描述.
關(guān)鍵詞:電動(dòng)車控制器 直流無刷電機(jī) 換相 同步整流

1. 概述
電動(dòng)自行車上使用的電機(jī)普遍采用永磁直流電機(jī).所謂永磁電機(jī),是指電機(jī)線圈采用永磁體激磁,不采用線圈激磁的方式.這樣就省去了激磁線圈工作時(shí)消耗的電能,提高了電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率,這對(duì)使用車載有限能源的電動(dòng)車來講,可以降低行駛電流,延長(zhǎng)續(xù)行里程.
永磁直流電機(jī)按照電機(jī)的通電形式來分,可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩大類,有刷電機(jī)由于采用機(jī)械換相裝置導(dǎo)致可靠性和壽命降低,因此逐漸退出電動(dòng)車市場(chǎng).
無刷電機(jī)又可分為有傳感器和無傳感器兩類,對(duì)于無位置傳感器的無刷電機(jī),必須要先將車用腳蹬起來,等電機(jī)具有一定的旋轉(zhuǎn)速度以后,控制器才能識(shí)別到無刷電機(jī)的相位,然后控制器才能對(duì)電機(jī)供電.由于無位置傳感器無刷電機(jī)不能實(shí)現(xiàn)零速度啟動(dòng),所以現(xiàn)在生產(chǎn)的電動(dòng)車上用得較少.目前電動(dòng)車行業(yè)內(nèi)使用的無刷電機(jī),普遍采用有位置傳感器無刷電機(jī).
有位置傳感器永磁直流無刷電機(jī)按照內(nèi)部傳感器的安裝位置不同,又可分為60度電機(jī)和120度電機(jī).在120°的霍爾信號(hào)中,不可能出現(xiàn)二進(jìn)制000和111的編碼,所以在一定程度上避免了因霍爾零件故障而導(dǎo)致的誤操作.因?yàn)榛魻柦M件是開漏輸出,高電平依靠電路上的上拉電阻提供,一旦霍爾零件斷電,霍爾信號(hào)輸出就是111.一旦霍爾零件短路,霍爾信號(hào)輸出就是000,而60°的霍爾信號(hào)在正常工作時(shí)這兩種信號(hào)均會(huì)出現(xiàn),所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準(zhǔn)確率.因此目前市面馬達(dá)已經(jīng)逐漸舍棄60°相位的霍爾排列.
2. 永磁直流電機(jī)基本原理
2.1. 主回路電路

 
圖中ABC表示電機(jī)的3相繞組,采用星形接法,V1~V6表示功率場(chǎng)效應(yīng)管,如果將V1~V6用如下的時(shí)序波形驅(qū)動(dòng),則3相繞組會(huì)按照AB-AC-BC-BA-CA-CB順序通電(AB表示電流由A相流向B相),產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng),牽引外轉(zhuǎn)子(永磁體)旋轉(zhuǎn).
導(dǎo)通順序
 

3. 電動(dòng)車控制器功能要求
 功能性要求：
     1. 電子換相
     2. 無級(jí)調(diào)速
     3. 剎車斷電
     4. 附加功能
          A. 限速
          B. 1+1助力
          C. EBS柔性電磁剎車
          D. 定速巡航
          E. 其它功能(消除換相噪音,倒車等)
 安全性要求：
     1. 限流驅(qū)動(dòng)
     2. 過流保護(hù)
     3. 堵轉(zhuǎn)保護(hù)
     4. 電池欠壓保護(hù)
     5. 降低溫升
     6. 附加功能(防盜鎖死,溫升限制等)
     7. 附加故障檢測(cè)功能
從上面的要求來看,功能性要求和安全性要求的前三項(xiàng)用專用控制芯片用加上適當(dāng)?shù)耐鈬娐肪浑y解決,代表芯片是摩托羅拉的MC33035,早期的控制器方案均用該集成塊解決.但后來隨著競(jìng)爭(zhēng)加劇,很多廠商都增加了不少附加功能,一些附加功能用硬件來實(shí)現(xiàn)就比較困難,所以使用單片機(jī)來做控制的控制器迅速取代了純硬件的專用控制芯片.
但是硬件控制和軟件控制有很大的區(qū)別,硬件控制的反應(yīng)速度僅僅受限于邏輯門的開關(guān)速度,而軟件的運(yùn)行則需要指令執(zhí)行時(shí)間.要使軟件跟得上電機(jī)控制的需求,就必須要求軟件在最短的時(shí)間內(nèi)能夠正確處理?yè)Q相,電流限制等各種復(fù)雜動(dòng)作,這就涉及到一個(gè)對(duì)外部信號(hào)的采樣頻率,采樣時(shí)機(jī),信號(hào)的內(nèi)部處理判斷及處理結(jié)果的輸出,還有一些抗干擾措施等,這些都是軟件設(shè)計(jì)中需要仔細(xì)考慮的東西.
在本方案中,我們采用了一顆集成PWM發(fā)生器的8位單片機(jī)SH79F081,采用優(yōu)化的單機(jī)器周期8051內(nèi)核,內(nèi)置16k Flash存儲(chǔ)器,兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源,采用JTAG仿真方式,內(nèi)置16.6MHz振蕩器,同時(shí)擴(kuò)展了如下功能:
 雙DPTR指針. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
 3通道帶死區(qū)控制PWM,6路輸出,輸出極性可設(shè),提供周期溢出功能
 集成故障檢測(cè)功能,可瞬時(shí)關(guān)閉PWM輸出.
 提供硬件抗干擾措施.
 集成高速10bit ADC.
 提供Flash自編程功能,可以模擬用做EEROM,方便存儲(chǔ)參數(shù).
這顆IC由于CPU運(yùn)行速度和AD采樣速度都很快,PWM功能強(qiáng)大,硬件抗干擾功能多,非常適合作電動(dòng)車控制器.
4. 軟件實(shí)現(xiàn)
下面我們挑選對(duì)控制器性能和安全比較重要的功能來討論編程中應(yīng)該注意的問題.
4.1. 減小換相噪聲
上文已提過,無刷直流電動(dòng)機(jī)方波驅(qū)動(dòng)最大的缺點(diǎn)是換相時(shí)電流不能持續(xù),導(dǎo)致有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),因此衡量控制器好壞很大程度上是取決于換相是否能做好.
在電動(dòng)車剛剛起步的時(shí)候我們會(huì)發(fā)現(xiàn)換相時(shí)電機(jī)會(huì)發(fā)出很大的突突聲,這是由于電機(jī)起步時(shí)電流比較大,而電機(jī)是個(gè)感性負(fù)載,換相后由于電機(jī)線圈電流不會(huì)一下增大到換相前的水平,這樣就造成換相前后電流反差非常大,從而導(dǎo)致牽引力的急劇變化,這種變化便會(huì)引起電機(jī)強(qiáng)烈振動(dòng),這種振動(dòng)噪聲不能完全消除,但可以采取一些措施減小噪聲
方法1:在換相后的一段時(shí)間使PWM脈沖占空比達(dá)到100%來使電流增長(zhǎng)快一點(diǎn),從而減輕振動(dòng)噪聲.需要提醒的是在這個(gè)過程中我們需要隨時(shí)監(jiān)測(cè)電流變化,電流一達(dá)到換相前的水平就可以恢復(fù)換相前的PWM占空比.
方法2:延遲關(guān)閉換相MOS管,方波驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)是6步驅(qū)動(dòng),定子勵(lì)磁每隔60度電角度跳躍一次,保證定子磁動(dòng)勢(shì)方向和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)方向夾角在60°到120°之間運(yùn)行,因?yàn)閵A角在90°時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩最大,夾角為0°或180°時(shí)沒有轉(zhuǎn)矩,現(xiàn)假設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn),AB導(dǎo)通要切換到AC導(dǎo)通,此時(shí)AB繞組通電產(chǎn)生的定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角為60°,如果正常切換到AC導(dǎo)通,則AC繞組通電后,定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)夾角變?yōu)?20°,由于切換到AC通電后電流要從0開始爬升,因此此時(shí)定子磁勢(shì)幅值很小,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低,但如果此時(shí)不關(guān)閉B,同時(shí)將下橋C打開,則定子磁勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁勢(shì)的夾角變?yōu)?0°,而且由于AB相電流基本沒有變化,而C相電流還很小,因此換相前后轉(zhuǎn)矩變化很小,但要注意,等C相電流爬升后要將B相關(guān)閉,否則3相導(dǎo)通的合成力矩比2相導(dǎo)通力矩大,也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng).
4.2. 電子剎車：
電子剎車其實(shí)是將電動(dòng)機(jī)當(dāng)做發(fā)電機(jī)機(jī)運(yùn)行,因此會(huì)產(chǎn)生電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,檢測(cè)到電子剎車信號(hào)后,cpu將上三路PWM關(guān)閉,將下三路同時(shí)打開,占空比設(shè)為某一固定值,這樣,電機(jī)相當(dāng)于工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài),給蓄電池充電,充電電流和下三路占空比有關(guān),占空比越大,則充電電流越大,剎車制動(dòng)能力越強(qiáng),由于目前電動(dòng)車上裝配的電子剎車都是開關(guān)信號(hào),使用者無法調(diào)整剎車力矩,完全由控制器決定,不過由電動(dòng)機(jī)的特性, 即使占空比固定,電子剎車時(shí)轉(zhuǎn)速越高,發(fā)電機(jī)感生電壓越高,回饋充電能力越強(qiáng),剎車力矩越大, 當(dāng)然,最好是裝配線性剎車傳感器,使用者會(huì)更方便.
4.3. 恒流驅(qū)動(dòng)
電流信號(hào)經(jīng)康銅絲采樣之后分兩路,一路送至放大器,一路送至比較器.放大器用來實(shí)時(shí)放大電流信號(hào),放大倍數(shù)大約6.5倍,放大后的信號(hào)提供給單片機(jī)進(jìn)行AD 采樣轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換所得數(shù)字用來控制電流不超過我們所允許的值.另一路信號(hào)送至比較器,當(dāng)電流突然由于某種原因大大超過允許值,比如一只MOSFET擊穿或誤導(dǎo)通時(shí),比較器翻轉(zhuǎn)送出低電平,送給79F081的FLT引腳,無需單片機(jī)執(zhí)行程序,IC硬件會(huì)自動(dòng)關(guān)閉PWM輸出,從而保護(hù)MOSFET避免更大傷害.
電流采樣時(shí)間點(diǎn)很重要.因?yàn)槭褂肞WM脈沖驅(qū)動(dòng),這種脈沖驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的直接結(jié)果是放大后的電流信號(hào)與PWM脈沖頻率相同,相位上滯后一定時(shí)間的脈動(dòng)電流波形,這種波形如果沒有經(jīng)過濾波處理,將會(huì)類似于一個(gè)梯形,如果我們要獲得準(zhǔn)確的電流AD轉(zhuǎn)換值,最好的辦法就是在梯形波的上邊中間采樣電流信號(hào),這樣所獲得的電流AD值才能較為準(zhǔn)確地反應(yīng)電流的實(shí)際大小.在SH79F081中AD轉(zhuǎn)換的采樣由ADCON中的GO/DONE啟動(dòng), 完成一次ADC轉(zhuǎn)換分為采樣和保持兩段時(shí)間,采樣時(shí)間內(nèi),外部仿真輸入信號(hào)將ADC內(nèi)部采樣電容充滿, 保持時(shí)間內(nèi),IC內(nèi)部逐次比較得出A/D結(jié)果.在應(yīng)用中ADC采樣的時(shí)間一般為2μS,而轉(zhuǎn)換時(shí)間為12μS.
AD采樣啟動(dòng)與PWM中斷同步,進(jìn)入PWM中斷處理城市后,先執(zhí)行一些PWM事件的處理,然后開啟AD采樣,這樣采樣點(diǎn)剛好落在電流梯形波的上邊, 即使由于PWM占空比很小時(shí),開啟時(shí)間小于一次ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間也沒有影響,只要保證大于采樣時(shí)間即2μS即可,轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)即使外部輸入仿真量變化了也不會(huì)影響ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果.
這樣采樣出來的結(jié)果實(shí)際上是PWM有效期間(為高)時(shí)的電流,電流控制實(shí)際是控制平均電流.(FLT 短路保護(hù)是控制瞬態(tài)電流).因此需要乘上PWM占空比得到平均電流,因?yàn)槔碚撋?PWM周期內(nèi)無效(低電平)期間主回路上是沒有電流的.
根據(jù)電流采樣的結(jié)果來實(shí)時(shí)調(diào)整PWM的占空比,實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán),理論上電流閉環(huán)的時(shí)間常數(shù)可以做到一個(gè)PWM周期時(shí)間(60us左右).
4.4. 同步整流
電機(jī)是電感性負(fù)載,采用PWM開關(guān)驅(qū)動(dòng),在功率管關(guān)斷期間由于電流不能突變,必須要有續(xù)流回路,功率MOSFET一般內(nèi)置有續(xù)流二極管,但是續(xù)流二極管壓降在1V左右,而電動(dòng)車工作電流可能達(dá)到20A,此時(shí)續(xù)流二極管消耗的功率會(huì)很大,很容易導(dǎo)致發(fā)熱燒毀.因此必須另外提供續(xù)流回路.
我們知道功率MOSFET,源級(jí)和漏級(jí)是可以互換的,因此可以將互補(bǔ)的橋臂驅(qū)動(dòng)開啟建立續(xù)流回路,從而大大降低功耗.但需注意,上橋在關(guān)斷后,下橋不能立即開啟來實(shí)現(xiàn)續(xù)流,而是需要插入一個(gè)死區(qū)時(shí)間以避免上下橋臂直通造成電源短路.79F081有6路pwm輸出,內(nèi)部集成上下橋死區(qū)控制,因此實(shí)現(xiàn)同步續(xù)流非常方便.
5. 總結(jié)
采用上述方案做成的電動(dòng)車控制器,無需外加門電路,CPU執(zhí)行速度和ADC轉(zhuǎn)換速度都足夠滿足電流閉環(huán)速度要求,PWM六路輸出直接控制3相全控橋的6個(gè)晶體管.集成死區(qū)控制功能,因此很適合用在電動(dòng)自行車控制器上, 此方案實(shí)際測(cè)試效果不錯(cuò),目前已經(jīng)量產(chǎn).

附:方案原理圖