電動汽車用無刷直流電機控制器設計

舒 雄1,，杜榮華，柴 健，舒剛華，李亞中

(1.廣東科技學院機械與電子工程系, 廣東 東莞 523083；2.長沙理工大學智能交通與車路協同技術研究所，湖南 長沙 410004)

·新能源汽車與低碳運輸·

電動汽車用無刷直流電機控制器設計

舒 雄1,2，杜榮華2，柴 健2，舒剛華2，李亞中2

(1.廣東科技學院機械與電子工程系, 廣東 東莞 523083；2.長沙理工大學智能交通與車路協同技術研究所，湖南 長沙 410004)

針對四輪獨立驅動電動汽車所用電機須調速性好、可靠性高的特點，從工程應用出發，設計一種以dsPIC及MC33035為核心的無刷直流電機控制器。闡述控制方案及工作原理，給出了硬件電路組成和調速方法。把該控制器運用到自行研制的四輪獨立驅動電動汽車上進行測試，其結果表明，該控制器不僅具有響應速度快、調速性能好和穩定性高的特點，而且開發成本低，具有廣泛的應用價值。

無刷直流電機；控制器；MC33035；電動汽車

無刷直流電機不僅具有交流電機結構簡單、運行可靠和維護方便的特點，還具有直流電機大啟動轉矩和調速范圍寬的優點，被廣泛應用于電動汽車和電動摩托車上[1]。目前關于無刷直流電機控制器相關研究[2-11]較多，但仍存在研究空間：一方面體現在大部分研究僅集中于電機本身的調速控制，未能與電動汽車整車要求相結合；另一方面，由于單片機數據處理能力有限，同時電動汽車處于較強的電磁干擾環境，因此在運行電機調速算法和換向邏輯等多任務調度時易出現死機及無響應情況。為此，本文設計一種以dsPIC33FJ64GP706和MC33035為核心的無刷直流電機控制器(簡稱控制器)。在該控制器中MC33035負責電機驅動控制，dsPIC33FJ64GP706負責外圍電路和控制算法的實現，這樣不僅能減少單片機的任務調度頻率，而且能有效地把驅動電路和控制電路隔開，提高控制器的穩定性和可靠性。最后將設計完成的控制器應用到自行研制的四輪獨立驅動電動汽車上進行實際路況測試，其結果表明：該控制器運行穩定、安全性好、可靠性高，能較好地適應電動汽車大電磁干擾和顛簸路況的工作環境，具有重要的實際應用價值。

1 無刷直流電機工作原理及控制方案

本文以自行設計制造的四輪獨立驅動電動汽車所采用的無刷直流電機為研究對象，該電機為三相Y型，3個霍爾元件在空間相隔120°對稱放置，其基本參數如表1所示。

表1 無刷直流電機(BLDCM)參數

為使電機正常工作，定子電樞各相繞組應不斷換向通電，這樣才能使定子磁場隨轉子位置不斷變化，從而產生轉矩推動轉子旋轉。為保證驅動電機穩定可靠的運行，設計如圖1所示的控制方案， dsPIC33FJ64GP706負責外部信號的處理以及控制決策運算，MC33035負責編譯霍爾位置信號并輸出6路脈沖信號，控制功率管順序導通，P75NF75場效應管構成電機換向橋，IR2110芯片構成P75NF75場效應管的柵極驅動電路，ACS758構成電流檢測電路，DS18B20構成溫度檢測電路，MC33039通過對霍爾位置信號檢測輸出與電機速度成正比的電壓信號。

圖1 控制方案圖

2 基于MC33035的驅動電路設計

MC33035是為無刷直流電機設計的專用控制芯片，可實現霍爾位置角度為 60°/300°或 120°/240°的無刷直流電機驅動控制。芯片各引腳功能如圖2所示，在控制器中，轉子位置信號接MC33035的4、5、6引腳，由譯碼電路轉換為6路驅動信號輸出，其中3路上橋驅動輸出為1、2、24引腳，下橋驅動輸出為19、20、21引腳。電機旋轉方向由3引腳邏輯電平確定，啟/停由7引腳邏輯電平確定。

圖2 MC33035引腳功能圖

本文研究的電機額定電壓為60 V，峰值功率可到達2.0 kW。為保證電機的工作穩定可靠，在設計驅動電路時不僅要考慮電機在額定功率下的穩定性能，還需考慮一定的過載能力。需要注意的是，MC33035輸出的6路脈沖信號雖然可以直接驅動上下橋場效應管，但對場效應管有嚴格要求，上橋只能為P溝道型，下橋只能為N溝道型。由于市場上較大功率P溝道型較少，而且在同一驅動橋中，不同場效應管會有一定的熱效應干擾；因此，為提高控制器的穩定性、減少熱效應干擾，在設計控制器時將全部采用STP75NF75L場效應管構成三相全橋驅動，同時，對MC33035輸出的上橋脈沖信號采用CD4049芯片進行反向處理以確保正確的驅動邏輯?？紤]到單個STP75NF75L場效應管的漏源工作電壓為75 V，電流為75 A，為進一步保證控制器工作穩定提高驅動功率，采用并聯3個MOSFET的方式進行驅動，如圖3所示。

為確保MC33035輸出的驅動信號能充分穩定地導通MOSFET，設計如圖4所示的MOSFET驅動電路模塊。該模塊的核心為美國IR公司生產的IR2110芯片。它兼有光耦隔離和電磁隔離的優點，采用獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500 V，dU/dt=50 V/ns，15 V以下靜態功耗僅為116 mW；輸出的電源端電壓范圍為10～20 V；邏輯電壓范圍為5～15 V，可方便與TTL、CMOS電平相匹配；工作頻率高達500 kHz；開通、關斷延遲小，分別為120 ns和94 ns，圖騰柱輸出峰值電流為2 A。IR2110在驅動場效應管時不能產生負偏壓。在驅動橋式電路時，由于思密特效應的存在，在開通和關斷時刻，寄生電容產生的位移電流容易在柵極上產生干擾。特別是在大功率情況下，關斷電流較大，IR2110驅動輸出阻抗較小，柵極灌入的位移電流會在驅動電壓上疊加形成較嚴重的毛刺干擾。如果干擾超過場效應管的最小導通電壓，將會造成橋臂瞬間短路。為此，本文設計柵極電平鉗位電路，如圖4所示。它不僅解決了IR2110不能產生負偏壓可能造成橋臂短路現象，而且能提高電路的抗干擾能力。在該電路圖中D9、D12、D14及D18為穩壓二極管，D6、D8及D16為快速關斷二極管。D6與C15構成自舉電路，可滿足在極短的時間內向柵級提供足夠的柵電荷；上下橋柵極驅動回路中串聯的電阻(R14、R16)能有效地抑制功率管快速開通和關斷引起的毛刺干擾。需要注意的是，當串聯的電阻過小時會達不到效果，過大時會降低柵極驅動能量造成導通延時，通過計算，該處的電阻取20 Ω。二極管(D8、D16)可避免在關斷期間造成的大電流使串聯電阻(R14、R16)產生大的壓降。當上橋關斷下橋導通時，穩壓二極管D12及電容C17可使上橋場效應管產生-5 V的偏壓，使上橋徹底關斷，避免橋臂短路現象產生。

圖3 無刷直流電機驅動橋

圖4 驅動電路

3 基于dsPIC33的通信電路和信號采集電路設計

dsPIC33FJ64GP706是由美國微芯公司生產的數字信號處理器，它集成了單片機的控制功能以及數字信號處理器(DSP)的數據吞吐能力，芯片內部的CAN通信模塊、模數轉換及中斷控制等，可方便實現控制器所需的功能。

3.1 CAN通信硬件電路

為方便實現控制器與整車通信，設計圖5所示的CAN通信硬件電路。圖中：CAN總線保護器(NUP2105LT1G)能有效地使CAN通信免受EMI和ESD的影響，同時還能吸收瞬態電壓事件的能量，有效提高CAN網絡在嚴酷的電動汽車環境下的可靠性；共模濾波器(ZJYS81R5)對信號進行過濾、去噪，使CAN信號收發芯片SN65HVD230接收到的CAN信號更加穩定可靠；ISO7221芯片對收發芯片的信號進行電氣隔離后，通過CANRX引腳與CANTX引腳將信號接入dsPIC33FJ64GP706芯片。

圖5 CAN通信硬件電路

3.2信號檢測電路

電機在運行過程中，較大電流會導致MOSFET模塊及驅動電機發熱過快，因此，確保電機在正常溫度下工作是保證電機可持續運行的前提。本文采用DS18B20作為溫度檢測傳感器，其測量范圍為-55～125 ℃，且具有抗干擾能力強、誤差小、接口簡單及可編程的優點。

由表1計算可知，電機正常工作時最大電流不超過40 A，因此，可在直流電壓輸入端接一個型號為HNC-50LAP的霍爾電流傳感器。該霍爾電流傳感器額定測量范圍為0～50 A，線性范圍為0～75 A，能輸出與電流強度成正比的電壓信號(0～2.5 V)。

電機轉速信號的檢測是實現速度閉環控制的前提。MC33039能把無刷直流電機的轉子位置信號經過內部電路處理后，輸出與實際電機轉速成正比的電壓信號，其電路如圖6所示。

圖6 速度檢測電路

將上述檢測到的溫度信號、電流信號和轉速信號，經過dsPIC33FJ64GP706處理后，相應的信號通過CAN通信電路傳輸到整車控制器或儀表盤供使用，當出現過流、過/欠壓或高溫時，能輸出警示信息同時做出對應的保護動作。

4 調速控制算法

優越的調速系統需具有調速范圍較寬、系統靜態誤差較小、系統跟隨性和抗擾動性能優良的特性。傳統的PID控制器具有調整方便、結構簡單以及參數整定與工程系數緊密連接的特點，被廣泛應用于無刷直流電機調速系統[12]。需要注意的是，傳統的PID控制算法在電機轉速發生突變時，會引起偏差階躍使得期望偏差E(k)增大，從而導致PID的輸出P(k)出現急劇增加或減小，以至于超過控制量上、下限(Pmax-Pmin)，而實際控制量只能限制在(Pmax-Pmin)區間內。當出現這種情況時，由于控制量受到限制，偏差E(k)將持續很長時間保持較大值，從而使PID積分項不斷積累出現飽和特性，而當系統進入飽和特性后，后續的積分環節不堪重負，使得系統的性能出現大幅度的下降。為此，在充分考慮無刷直流電機調速特性的情況下，采用改進后的變速積分PID算法。其思路是通過改變累加速度使其與偏差大小相適應，偏差大時減弱積分作用，偏差小時加強積分作用，其表達式為

(1)

式中的非線性函數f[E(k)]可表示為

(2)

f[E(k)]的值在0～1區間變化，當偏差大于A+B時，表明已進入飽和區，此時令f[E(k)]=0,不再進行積分的累加；E(k)≤A+B時，f[E(k)]隨偏差的減小而增大，直至偏差小于B后, 累加速度達到最大值1。整個調速系統由轉速閉環和電流閉環組成，如圖7所示。在啟動和低速的情況下，電流閉環起主要作用，可減少系統過渡時間，提高系統響應；當到達給定轉速，轉速環起主要作用，電流閉環跟隨速度環的給定輸出，保證轉速恒定。 在工程實踐中需多次改變A、B值進行比較分析，得到一個合適值。

圖7 無刷直流電機調速原理圖

5 實驗測試

將研制好的控制器應用到自行設計制造的四輪獨立驅動試驗車(iECar)進行測試。下橋的輸出邏輯及上橋通過CD4049反向后的輸出邏輯與理論換向真值表相同，如表2所示。通過數字示波器分別測試了電動汽車在實驗路段，約15 km/h運行時相電壓波形和線電壓波形，如圖8、9所示，以及大約40 km/h運行時相電壓波形和線電壓波形，如圖10、圖11所示?？梢钥闯?，控制器運行穩定可靠，電子換向正常。為進一步驗證控制器的穩定與可靠性，對試驗車進行了實際城市路況測試，其結果表明：該控制器運行穩定、可靠，響應速度較快，調速性能穩定，CAN通信正常，能滿足四輪獨立驅動電動汽車所用的無刷直流輪轂電機驅動控制要求。

表2 三相六步換向真值表

圖8 車速為15 km/h電機相電壓波形

圖9 車速為15 km/h電機線電壓波形

圖10 車速為40 km/h電機相電壓波形

圖11 車速為40 km/h電機線電壓波形

6 結束語

本文以自主研制的四輪獨立驅動電動汽車所用的無刷直流輪轂電機為研究對象，充分考慮電動汽車對驅動器的功能要求，從實際工程應用出發，設計了一種以dsPIC和MC33035為核心的無刷直流電機控制器，給出了硬件電路設計方法及相關參數，給出了改進的調速算法。實驗結果表明，所設計的無刷直流電機控制器運行穩定、可靠，響應速度較快，調速性能穩定，符合設計要求。該設計方案不僅具有重要的實用價值，還可為電動汽車電機控制器的設計提供參考。

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(編校：饒莉)

ControllerDesignforDCBrushlessMotorofElectricVehicle

SHU Xiong1,2, DU Rong-hua2,CHAI Jian2,SHU Gang-hua2,LI Ya-zhong2

(1.DepartmentofMechanical&ElectricalEngineering,GuangdongUniversityofScience&Technology,Dongguan523083China；2.InstituteofIntelligentTrafficandCooperativeVehicle-InfrastructureSystems，ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410004China)

Based on dsPIC and MC33035, a kind of controller is designed for brushless dc motor with good speed regulating and high reliability, which is used in electric car with four-wheel independent drive. The control plan and operating principle are outlined, and the corresponding hardware circuit structure and speed regulation method are introduced. The controller was applied to test self-developed electric car with four-wheel independent drive. The results indicate that the controller have characteristics of fast response, good speed control performance and high stability with low cost and extensive application.

brushless DC motor; controller; MC33035; electric vehicle

2014-02-04

國家自然科學基金資助項目(11272067)；湖南省教育廳重點項目(10A003)。

舒雄(1987—)，男，碩士，主要研究方向為純電動汽車及電機控制技術。E-mail：shuxong510@163.com

TM33

：A

：1673-159X(2015)02-0058-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.012