電動摩托車用無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計

李 倩，熊慶國

（武漢科技大學 湖北 武漢 430081）

無刷直流電機（Brushless DC Motor，BLDCM）是隨著新型電力電子器件和永磁材料的發(fā)展而成熟起來的一種新型電機，它屬于同步電機的范疇，既具有交流電機運行可靠的優(yōu)點，又具有傳統(tǒng)有刷直流電機優(yōu)越的調速性能，因此具有廣泛的應用前景。

隨著人們生活水平及環(huán)保意識的不斷提高，具名“綠色化”發(fā)展理念的新型電動交通工具將在世界各地大行其道，電動摩托車必將成為人類的主要代步工具之一[1]。采用無刷直流電機的電動摩托車作為綠色環(huán)保交通工具，具有操作簡單、騎乘舒適、維護方便、污染小和噪聲低等優(yōu)點。

PIC系列單片機是采用精簡指令集RISC技術、哈佛總線和兩級指令流水線結構的高性能價格比的8位嵌入式控制器（Embedded Controller）。在此研究的電動摩托車控制系統(tǒng)是一個以PICl6F737單片機為核心，無刷直流電機為控制對象的系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的實現

控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

主要組成部分：

1）主控模塊：由PIC16F737單片機、+5 V電源及外圍輔助電路組成。

2）輸入電路：由位置信號檢測、電流信號檢測電路、轉把剎車信號采集電路組成。

圖1 控制系統(tǒng)的原理框圖Fig.1 Structure diagram of the control system

3）輸出電路：由IR2110為核心的驅動電路和逆變電路組成。

4）保護電路：由過流保護電路、過壓保護電路及報警電路等組成。

工作原理：單片機作為控制核心將位置檢測、電流檢測的信號處理輸出對應的PWM波經驅動芯片，驅動6個功率場效應管，由其組成的三相全橋驅動電路對電機進行控制，因此可以對電機進行位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制[2-3]。當剎車信號出現或電機出現堵轉而引起電流超限時，單片機立刻切斷逆變電路；當電池電壓低于設定時，自動切斷電機驅動電路，以防電池過放電而損壞。

1.1 系統(tǒng)硬件設計

1）主控模塊

單片機外接口電路如圖2所示。主要包括：電流采樣包括瞬時電流采樣信號輸入量接RA0口，平均電流采樣信號輸入量接RA1口；過流保護中斷請求連接單片機的RB0口；電池電量檢測信號接RB1口，48 V電壓對應的采集電壓是2.66 V，低于40 V時對應的采集電壓是2.1 V此時需要保護；轉把調速模擬輸入量接RB3口，制動手柄模擬輸入量接RA2口；附加功能輸入包括報警和巡航，輸入量分別接RA5口和RB2口；3個霍爾轉子位置傳感器輸入Ha、Hb、Hc信號分別接RB7口、RB6口、RB5口；逆變電路中功率開關管驅動輸出，實現無刷電機電子換向及無級調速。

2）輸入電路

①霍爾信號輸入

轉子位置檢測電路在系統(tǒng)中的作用有兩個：檢測電機定、轉子的相對位置為逆變電路提供正確的換相信號；通過檢測某路霍爾脈沖信號的個數，計算后轉換為速度信號，構成速度反饋環(huán)節(jié)[4]。本系統(tǒng)的位置信號采樣是通過無刷直流電動機本身自帶的霍爾元件來檢測的，由于霍爾元件是集電極開路輸出，其輸出信號經過上拉電阻得出位置方波信號，再經過隔離電路送到單片機的引腳 （U2-29、U2-30、U2-31）進行位置信號的捕捉，如圖3所示。

圖2 單片機外接口電路Fig.2 Interface circuit of the microperipheral

圖3 霍爾電路接線圖Fig.3 Diagram of the hall circuit

②電流檢測電路

該電流檢測電路由2個LM358運算放大器組成，如圖4所示。其中一個構成了電壓比較器，把檢測的電流信號與已知電壓比較，得到過流輸出信號，過流時比較器翻轉觸發(fā)單片機中斷，及時關斷功率開關管形成保護電路。內部電流環(huán)電流通過另外一個由LM358運算放大器構成的同相比例放大電路來獲得，經放大后轉化為與電流成正比的電壓信號送入單片機PA2口。

圖4 電流采樣及保護電路Fig.4 Current sampling and protected circuit

3）輸出電路

①逆變電路設計

電機轉動由霍爾傳感器感應到的電機轉子所在位置，決定開啟或關閉逆變器中功率晶體管的順序來控制[5]，如圖5所示逆變器中的AH、BH、CH（上橋臂功率晶體管）及AL、BL、CL（下橋臂功率晶體管），使電流依序流經電機線圈，產生順向或逆向旋轉磁場，并與轉子磁鐵產生的磁場相互作用，使電機順向或逆向轉動。當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制部分又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機就可以實現轉動。

圖5 逆變器結構圖Fig.5 Structure diagram of the inverter

②IR2110驅動電路

IR2110芯片是一種雙通道、柵極驅動、高壓高速功率器件的單片式集成驅動模塊[6]。如圖6所示，是由IR2110組成的無刷直流電機驅動電路原理圖 （單橋臂）。此驅動電路采用以3片IR2110為中心的6個N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路，上橋臂采用PWM調制的控制方式；下橋臂采用固定角度控制方式，由此驅動無刷直流電動機。

圖6 IR2110驅動電路Fig.6 IR2110 driver circuit

1.2 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計是整個控制系統(tǒng)設計的核心部分，它將直接決定了整個控制系統(tǒng)的控制質量和它的效率，決定系統(tǒng)輸出信號的特性，包括電流大小及穩(wěn)定度、諧波含量、保護功能的完善、可靠性等[7]。PIC芯片是在其專門的軟件開發(fā)環(huán)境Mplab進行程序編寫與仿真的，這給開發(fā)者設計調試程序帶來了極大的方便。該系統(tǒng)軟件設計重點是主程序和中斷服務程序，流程圖如圖7所示，主程序實現了各變量和芯片的初始化、巡航模式非巡航模式2種工作模式的選擇；中斷服務程序包括過流欠壓中斷子程序、A/D轉換中斷服務子程序、剎車中斷子程序。

圖7 系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flow chart of the software design

2 結束語

文中所設計的基于PIC16F737的控制系統(tǒng)硬件結構簡單、保護功能完善、軟件采用模塊化設計、易于用戶二次開發(fā)、系統(tǒng)可靠性強、調試方便等特點。本文的創(chuàng)新點在于實現了電機的調速及定速兩種工作模式的選擇，同時從軟硬件2個方面實現了系統(tǒng)的欠壓保護，過流保護。整個系統(tǒng)在實際應用中啟動平穩(wěn)、帶載能力強、能夠實現快速精準的調速、現場運行良好。

[1]陳清泉，詹宜巨.21世紀的綠色交通工具—電動車[M].北京:清華大學出版社，2000.

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[3]綦慧，雷楊杰.無刷直流電機驅動控制器的SOPC技術研究[J].現代電子技術，2010（11）：117-120.QI Hui，LEI Yang-jie.SOPC technology of brushless DC motor drive controller[J].Modern Electronics Technique，2010（11）：117-120.

[4]李胤昌，鄭日榮.基于PIC單片機的電動自行車控制系統(tǒng)設計[J].現代電子技術，2009，32（8）:136-138.LI Yin-chang，ZHENG Ri-rong.Design of electric bike control system based on PIC[J].Modern Electronic Technology，2009，32（8）:136-138.

[5]吳陳燕，蔣友明，徐鋒，等.基于PIC單片機的電動自行車控制器研究[J].新技術新工藝，2010（4）:20-23.WU Chen-yan，JIANG You-ming，XU Feng，et al.Research of electric bicycle controller based on PIC MCU[J].New Technology and New Process，2010（4）:20-23.

[6]鐘曉偉，宋蟄存，許剛.電動自行車用無刷直流電機控制系統(tǒng)設計[J].電機與控制應用，2011，38（1）:20-24.ZHONG Xiao-wei，SONG Zhe-cun，XU Gang.Brushless DC motor of electric bicycle control system design[J].Motor Control Applications，2011，38（1）:20-24.

[7]顧銘，馬靈芝，辛萌萌.基于PIC單片機的無刷直流電動機控制器的設計[D].大連：大連理工大學，2006.