電動自行車用無刷直流電動機控制器設計

杜 丹,王曉旭,楊貴杰

(哈爾濱工業大學,黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

發展綠色交通工具已成為當代社會一個重要課題。相對于燃油交通工具,電動車擁有靈活、輕巧、零排放、價格低廉等優點,具有廣闊發展前景[1]。考慮到我國目前的國情,發展電動車具有極高的市場價值和重要的環保意義。而永磁體的可靠性、日益降低的成本及半導體工藝技術的提升,使永磁電機成為眾多工業產品應用的首選[2]。無刷直流電動機具有效率高、功率因數高、轉矩大、控制簡單、維護費用低等特點[3],被廣泛用作電動自行車的驅動電機。但考慮到電動自行車是民用產品,驅動與控制系統的可靠性與低成本是系統設計的關鍵問題。

目前,國內外的電動自行車驅動電機多采用外轉子結構,以三路開關型霍爾作為位置傳感器,方波電流驅動方式。本文研究的控制對象也是類似結構,電機本體如圖1所示,外轉子式三相永磁無刷直流電動機,極對數為8,功率350W,速度調節范圍80～220 r/min,工作電壓24 V、36 V和48 V。

本文主要研究電動自行車用無刷直流電動機的控制器設計問題,目標是在滿足系統對動態性能和保護性能要求的前提下,開發出主控芯片功能完備、硬件電路結構簡單、總體成本具有價格優勢的電動自行車驅動控制器。為此,設計方案中采用Microchip公司的PIC16F72單片機作為核心控制芯片,采用高性能集成驅動芯片IR2103驅動MOSFET組成全橋逆變電路。完成了驅動控制器的軟硬件設計,并通過帶負載調速及檢測報警功能的試驗,驗證了設計方案的合理性和工程實用性。

圖1 外轉子式電動自行車用無刷直流電動機

圖2 控制系統硬件結構

1 控制系統功能設計

電動自行車的特點是車載電池供電,車速(即電機轉速)、剎車等控制信號均要由手柄給定,而且安全性要求較高,需要設置較為完善的保護措施。

本文所設計的控制系統硬件結構如圖2所示,主電路由蓄電池供電,作為逆變橋的母線電壓。逆變橋由6個MOSFET驅動永磁同步電機。其觸發信號由單片機給出,再經過專用驅動芯片提供[4]。其中各類故障報警信號由閃爍頻率不同的光信號顯示,用戶可根據閃燈頻率判斷故障發生原因并及時進行處理。

根據要求,本系統所設置的功能為:

(1)平穩起停。暫設電機的最高轉速為400 r/min。

(2)平滑調速。具有電機轉速閉環系統,負載變化時進行PI調節。

(3)定速巡航。若想讓轉速維持在某一特定值不發生變化,防止系統調節頻繁,則通過程序判斷,若手柄電壓固定在某一值附近超過8 s,則認為起動定速巡航,此時即使手柄歸位,速度仍維持不變,當手柄電壓再次升高時,退出巡航狀態。

(4)完善了各種保護措施,主要有:

(a)過壓及欠壓保護。系統供電電壓48 V,當檢測到電壓超過60 V時或低于46 V則實行保護,PWM輸出全低狀態。

(b)過流保護。有效保證了電機和控制器的可靠運行,并有效遏制電池放電過大。

(c)手柄電壓超限保護。按5 V供電,動作點1.2～4 V。超出范圍則分別維持最低轉速或最高轉速。另外附加掉線及短路保護,若手柄電壓高于4.7 V或低于0.3 V,則認為發生手柄線路掉線或短路,此時驅動電路無輸出信號,同時報警。

(d)電機霍爾信號保護。如果檢測到霍爾信號掉線,即三路信號輸入全低的情況出現,則停車保護,同時報警。

(e)堵轉保護。電機堵轉超過3 s,則單片機停止輸出,有效保護電機和電池。

(f)溫度過高保護。當功率電路散熱器溫度達到75℃時脈寬減小50%并告警,且每上升10℃降低10%脈寬,超過95℃時,停車保護。

(g)防沖車保護(HPD保護)。需起動電機時,如果手柄被卡住或因其他原因未歸位到初始位置,電機不起動。當調速手柄回到接近初始位置時再起動。

(h)重載起動防抖。在電機起動后校對霍爾值,如果正確則變量加,如果霍爾變化連續三次正確,則認為電機已起動,反之,則認為重載電機無法正常起動,需檢查負載情況。

2 驅動電路硬件設計

本設計中采用了Microchip公司的PIC16F72可編程單片機,通過軟件調試可適應不同規格的無刷直流電動機參數。選用該芯片的主要優勢有:

(1)在價格方面,8位單片機即可滿足系統控制的精度要求,PIC16F72單片成本及開發系統具有較高的性價比。

(2)在性能方面,由于整個系統有多種模擬參數需要轉化為數字量,因此選用的單片機需具備多通道A/D轉化模塊,并且應具有至少一路PWM輸出口。中低端的PIC16F72具有1個集捕獲、比較、脈寬調制三項功能于一身的CCP模塊(Capture/Compare/PWM Module),8位多通道的A/D轉換器,電源電壓低偵測、電路掉電復位等功能,可以將多種模擬參數轉化為數字量,實現脈寬調制PWM(Pulse Width Modulation)。同時在安全因素上,作為控制系統的核心,PIC單片機的可靠性也可達到系統規定。

硬件核心部分設計如下:手柄給定電壓范圍為0～5 V,由PIC單片機AN2通道采樣。電機的霍爾信號分別輸入到單片機B口的三位RB4、RB5、RB6。由于PIC單片機B口高位具有電平變化中斷的功能,當霍爾信號發生變化時引發中斷進入換相子程序。觸發信號由單片機C口輸出,六路信號由單片機分別控制,互不影響。采用高性能專用驅動芯片IR2103對PIC16F72信號的驅動電流進行放大,然后直接驅動IRF540N。

另外,通過軟硬件結合的方式,在負載變化時對電機實現了速度PI閉環調節。PIC16F72的基本電路如圖3所示。

3 控制系統軟件設計

結合硬件電路和電動車的實際需求特性,編制了無刷直流電動機的驅動與系統控制程序,用以完成電機的基本運行、閉環調速,以及防沖車、過壓欠壓、過流、溫控、手柄超限、霍爾斷線、手柄故障報警等各種保護功能。信號采樣及AD轉換子程序流程圖如圖4所示,PWM輸出程序流程圖如圖5所示。

4 試驗結果及分析

根據上述設計完成的控制器樣機如圖6所示,試驗中的電池電壓為36 V。功率部分的場效應管驅動方式為單極性單邊PWM調制,上橋臂為PWM控制狀態,下橋臂導通期間為常開狀態。圖7為某一轉速下A橋驅動芯片的2路輸入信號經過IR2103的轉化后,輸出控制A橋上下MOSFET的柵極導通信號。

額定工作狀態下電機繞組的電流波形如圖8所示,電機電流頻率45.45Hz,電機轉速150 r/min,電流有效值1.3 A。圖9為手柄電壓過低時,控制系統RB7端口的電平情況,此時LED閃爍報警,閃爍信號頻率5Hz,閃爍延時0.8 s。

5 結 語

本文研究了基于PIC16F72單片機的電動車用無刷直流電動機控制器,進行了系統的軟硬件設計,研制了樣機系統,并進行了特性測試和保護功能測試。該控制器結構簡單,外部器件少,關鍵功能通過軟件編程來實現,可以針對不同的控制對象采用不同的控制算法[6],具有很好的靈活性和適應性。試驗結果表明,該控制器在車速控制性能、行駛保護功能、運行可靠性、維護的便利性等方面都有良好的性能,而且性能價格比優良,是民用電動車無刷直流電動機驅動控制器的一個較好的解決方案,具有很好的實用價值。

[1] 江建中,李永斌.電動車電機及其控制系統的研究現狀和發展前景[C]//第七屆中國小電機技術研討會論文集.上海:2002:6-20.

[2] Patel N,Madawala U.Brushless DC Motor Control Using Bit-Streams[C]//IEEE 2008 10thIntl.Conf.on Control,Automation,Robotics and Vision.2008:85-90.

[3] Lin C T,Hung CW,Liu CW.Position Senserless Control for Four-Switch Three-Phase Brushless DC Motor Drives[J].IEEE Tran sacionson Power Electronics,2008,23(1):438-444.

[4] 王立欣,王宇野,王豐欣.基于DSP的電動車用永磁同步電機的控制方法[J].電機與控制學報,2005,9(1):51-54.

[5] 顧偉光,章躍進,黃蘇融.提高無刷直流電機PWM調制頻率極限的方法[J].微特電機,2003,1:23-24.

[6] 周揚,葛英輝,倪光正.DSP在電動車應用中的幾個關鍵問題[J].電機與控制學報,2006,10(6):580-584.