直流無刷電機控制實驗系統設計與實現

張惠國, 錢　斌, 潘啟勇, 顧　涵

(常熟理工學院 物理與電子工程學院, 江蘇 常熟　215500)

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直流無刷電機控制實驗系統設計與實現

張惠國, 錢斌, 潘啟勇, 顧涵

(常熟理工學院 物理與電子工程學院, 江蘇 常熟215500)

針對現有電動車直流無刷電機控制系統電壓高、功率大,不易被教學實驗直接采用等不足,設計了一套低壓、小電流的直流無刷電機控制系統,實現方波或正弦波控制，并重點以方波控制實現了軟硬件系統,提出了相關實驗方案。該實驗系統將嵌入式系統、傳感器、電機傳動、自動化控制等有機融合,可作為學生的綜合性實驗平臺、課程設計訓練平臺,學生創新實驗項目實踐平臺。利用這實驗平臺,學生在鞏固專業基礎知識的同時,有效提高了動手能力和創新能力。

控制器； 實驗系統； 直流無刷電機

為滿足行業發展對人才的需求,各學校在新能源技術與工程專業學生的培養上做了大量的創新改革,改革的趨勢是學生在掌握扎實理論基礎的條件下,教育直接面向行業,學生獲得行業急需的工程實踐能力和技術水平[1-5]。隨著行業發展和新技術的出現,原有的一些實驗設備在學生動手能力培養上捉襟見肘，而且新能源科學與工程專業的培養方案,要求學生要有較好的物理、材料等的理論基礎,又要有能源轉換、傳輸、應用的技術實踐能力。因此建設綜合性創新實驗平臺，開設技術性強、學生可參與度高的實驗系統非常必要。

直流無刷電機因效率高、噪音低、結構緊湊、可靠性高和維護成本低,被廣泛用于各種新能源車輛及各種家電產品中。本文設計的BLDCM控制實驗系統,直接以電動車輛為原型,具備電動車輛的基本功能；同時將電動車輛控制器中的各個功能分模塊分區域設計,便于細化實驗項目的開展；同時,控制實驗系統采用24 V電壓,控制系統直流母線的電流控制在2 A內,能有效防止大功率引起的安全、器件損壞等問題。軟件設計方面,精心考慮了程序的流程框架,各個控制功能封裝成不同函數表示,便于軟硬件協同調試。實驗系統能用于課堂實驗、課程設計、創新性實驗項目的開展。

1　實驗系統結構

直流無刷電機控制系統主要根據市場上現有的電動車輛為原型、采用主流的帶霍爾位置傳感器的電機。控制系統具備基本的調速功能、前進后退功能、欠壓保護、過壓保護、過溫保護、過流保護、短路保護等功能,并通過合適的軟件處理,具備霍爾自修復、電子剎車等輔助性功能。同時,留有速度、電能、溫度、故障指示等儀表顯示人機接口。

圖1是控制系統的框圖,由電池、功率驅動電路、功率模塊、電機、控制電路組成。功率模塊由6個功率MOSFET管子(M1—M6)組成,功率模塊為電機提供合適的功率；功率驅動電路接收來自微控制器的PWM輸出信號,產生適合于功率MOSFET的半橋電路驅動信號；控制電路主要以微控制器為核心,接收各種傳感器送來的電機位置(霍爾信號)、電流、電壓、溫度、速度、方向等信號,經過控制算法處理后產生實時變化的PWM控制信號,同時,輸出相應的指示信號到儀表顯示。

圖1　直流無刷電機控制系統框圖

目前在電動車輛控制中,常用的方法有方波控制方法和正弦波控制方法。這兩種方法主要由微控制器的軟件實現,外部硬件上主要體現在方波控制不需要采樣相電流信號,而正弦波控制需要獲取電機相線中兩相相電流信號。實驗系統設計時充分考慮了能兼容這兩者方法,為處理方便,本文將三相電流和母線電流均采樣輸出,圖1中的Iu,Iv,Iw對應相電流和Ib對應母線電流。

2　實驗系統硬件設計

實驗系統設計的核心在于控制器的設計,控制器主要包括供電部分、控制部分和功率部分,并留有外部人機接口控制,如速度、方向、儀表顯示等接口。設計中,考慮學生實驗的安全性及操作方便性,限制了電壓、電流,供電電壓限制在20～24 V,電流限制在2 A以下，并將控制系統和電機小型化,便于學生一人一套,以便取得更好的控制訓練效果。設計中,將實驗系統的各個功能部分分塊設計,將電源、功率部分和控制部分采用一塊PCB板完成設計。各個模塊在PCB中有清晰的界面,并留有測試接口,便于實驗時的測試。

2.1供電設計

實驗系統的供電主要包括控制部分供電和功率部分供電,控制部分涉及微控制器、各種比較放大器以及速度控制、電機位置傳感器等的供電,電壓分為5 V和3.3 V兩種；功率部分包括電機的供電電壓即直流母線電壓為24 V,功率驅動為15 V電壓。整個實驗系統采用可調的開關電源供電,模擬實際車輛的電池,直流母線電壓直接由外部開關電源供給。其他的電壓由24 V電壓變換而來。

電源部分的設計采用非隔離的降壓變換器,如圖2所示。其中,KEY端受電門鎖開關控制,電門鎖打開時,電源通過限流電阻R1給后級直流降壓電路供電,限流電阻限制了電源開啟時給電解電容C1等后級充電引起的瞬間電流沖擊。直流降壓電路主要包括開關管Q1、輸出濾波電感L1、輸出電容C3及續流二極管D2；而R6,R7、穩壓管D3、三極管Q3、Q2作為電壓反饋、控制開關管Q1的開關,輸出電壓可以穩定在15 V。3.3 V和5 V的電壓從15 V變換得到,采用三端穩壓器件如HT7550,HT7533等。同時,為濾除一些高頻干擾,在15 V、5 V和3.3 V輸出端均設置100 nf的小電容進行濾波,如C4、C7、C9。

圖2　電源變換電路

2.2功率部分設計

功率電路由3個半橋電路組成,圖3給出了其中一相的功率電路,其他兩相電路類似。圖3中M1為功率MOSFET上管,其漏極接母線電源,源極U接電機相線；M2為功率下管。電路中的電阻R1和R3電阻為柵極電阻,C1和C2為柵極濾波電容,兩者用于柵極的濾波,應盡量靠近功率管柵極,可有效防止柵極驅動振蕩引起的功率管失效損壞。R2和R4是接在柵極和源極間的放電電阻,在閑置時會將柵極電荷泄放,防止啟動時柵極存有電荷而對半橋功率管產生沖擊。電阻R5主要用于給功率管自舉電容預充電提供通路。RS1是相電流采樣電阻,當相電流通過時,其上產生小電壓Uu,經放大后提供給微控制器端的模數轉換電路,采集的相電流信號主要用于正弦波控制算法。RS4為母線電流采樣電阻,其上產生小電壓信號Ub,經過整流放大后用于系統限定母線電流等。另外,為防止大電流工作時造成母線電壓的不穩定,設計時在母線電壓和地接了較大容量的電解電容。

圖3　功率電路

半橋電路的驅動需要處理好上半橋的功率管的驅動,因上半橋的功率管源極接電機的相線,在運行過程中相線的電壓是浮動的,導致源極電壓也是浮動變化的,為保證上半橋功率管有效導通,可在設計中采用自舉電路,使得相線電壓浮動時柵極電壓也變動以保證上管能有效開啟。驅動電路可采用分立三極管搭建,也可采用專用的半橋驅動電路完成。本文在設計中采用了國際整流公司(IR)的IR2101s芯片,并選擇了合適的驅動電阻和自舉電容,保證功率管能在1 μs內完全開啟。

2.3控制部分設計

控制電路的設計主要圍繞微控制器展開,設計中采用了STM32F030C8芯片,采用48引腳薄型四方扁平封裝,供電電壓是3.3 V。控制器主要接收來自傳感器或檢測電路的信號,如加速、方向、溫度、電流、電壓、霍爾等信號,然后根據這些信號完成柵極驅動信號及儀表信號的產生。設計中微控制器用到的引腳和對應的端口和信號名等見表1。

表1　主要引腳分配

微控制器程序的燒寫采用SWD的下載調試方式,采用電源、地、數字、時鐘4根線。電機輸出的霍爾位置信號高電平為5 V,在微控制器接收時需要采用電阻分壓,并濾除干擾信號。微控制器采集時,利用基本定時器的捕獲功能,在霍爾跳變時觸發定時器中斷,從中獲取電機的速度信息,進行相應的磁鏈和轉矩運算。功率管的柵極驅動PWM信號則利用微控制器的高級定時器完成,上下橋信號采用同一通道互補輸出。電流、電壓、溫度信號則通過傳感器輸出處理后直接接到微控制器芯片的模數轉換輸入端；三檔調速、倒車、剎車、巡航、電子ABS等則采用高低電平直接指示動作；儀表顯示則通過串行通信協議傳出速度、溫度、故障、剩余電壓等信息。

2.4控制板設計

設計控制板時,根據圖1所示的原理框圖,將控制系統分模塊進行設計,控制板實物圖見圖4。控制板分成電源電路、功率電路、驅動電路、控制電路等部分,其中控制電路部分又分為輸入輸出接口、下載接口、微控制器電路、信號放大濾波部分。我們在電源電路、控制電路、驅動電路輸出部分、以及功率電路輸入處預留了測試點,用于實驗中信號的測試和觀測。

圖4　控制板實物圖

3　實驗系統軟件設計

基于上述設計的實驗板,可進行市場上主流的電動車控制方法實驗,或是采用方波控制方法[6-8],或是采用正弦波控制方法[9-12]。方波控制相對簡單,容易調試,我們在實驗中主要采用方波控制方法。在完成電機運行的基礎上,添加了較多輔助功能的軟件調試部分,如霍爾自修復、三檔調速、倒車、防溜坡、巡航、電子剎車、電子防抱死(EABS)、堵轉保護、欠壓/過壓保護、過溫保護等,使實驗系統的功能和電動車行業的控制方法保持同步。

軟件代碼編寫中,利用狀態表征軟件的執行階段,程序在CHECK、IDLE、INIT、RUN、STOP、FAULT、EABS_START、EABS_END等狀態間切換、將微處理器系統時鐘處理狀態SYSTICK、外部中斷狀態設成優先級較高的運行狀態,可以介入各個狀態的執行,各狀態的跳轉關系見圖5。程序的主體框架為一個無限循環,在循環中利用條件分支語句確定各個狀態的跳轉。

圖5　系統狀態轉移圖

初始化流程負責各種定時器、模數轉換、存儲器直接存取、外部中斷等的設定,以及完成一些全局變量的初始化。CHECK狀態主要完成轉把加速器狀態的檢測,若有故障則停留在CHECK狀態,轉把正確則進入IDLE狀態。IDLE狀態完成母線電壓等常規檢測,檢測通過后進入INIT狀態；INIT狀態完成霍爾狀態讀取,使能定時器后進入RUN狀態。RUN狀態完成轉把速度信號的讀取,并在高級定時器中斷時完成換相和PWM占空比的設定,同時實時檢測母線電壓；當檢測到轉把信號值較小時,或電機速度接近停止時,就進入STOP狀態。STOP狀態負責關掉高級定時器,并做一些清零動作,然后進入IDLE狀態。在主體循環運行的同時,微控制器還獨立并行運行著系統時鐘、外部中斷以及定時器中斷,這些中斷負責檢測故障情況的發生以及緊急情況下進入EABS狀態,以及進入故障狀態FAULT。故障狀態恢復后重新回到CHECK狀態。

4　實驗系統實驗項目安排

實驗系統依據主流的電動車功能為原型,能完成各種車輛相關的軟硬件功能實驗。設計中,將實驗系統的最大電壓設定在24 V,最大母線電流設定在2 A以下,系統中可配備直流電壓源、示波器、溫度探頭、轉把、直流無刷小電機,組成一套可控的調速系統,基本的系統實物圖見圖6。

圖6　實驗系統實物圖

根據設計的實驗系統,將實驗分成了硬件和軟件兩大部分,硬件主要訓練學生的硬件認知、貼片焊接、直流電源變換設計、功率驅動設計、信號放大濾波設計、故障檢測分析等幾個方面；軟件主要包括程序控制流程、速度環控制、母線限流、欠壓保護、霍爾修復、防溜坡等功能設計和測試等。

5　結語

針對新能源工程與技術專業的新能源汽車方向課程,進行了相關的車輛控制實驗系統設計。實驗系統以市場上的電動車為原型,自主設計了控制器,開發了帶各項輔助功能的控制軟件,整套系統按照模塊化的原則設計,結構清晰、成本較低。利用這套實驗系統,能開設課堂實驗、課程設計、創新訓練、畢業設計等各個層次訓練項目,達到應用型專業的教學實踐目的，學生在實驗中得到了較好的訓練，但也存在著一些問題,學生在做實驗時花的時間較多,有的實驗項目難度較大,后續需要進一步細化實驗項目,并從硬件上放大實驗系統,讓學生更易操作。

References)

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Design and realization of experimental system for controlling brushless direct current motor

Zhang Huiguo, Qian Bin, Pan Qiyong, Gu Han

(School of Physics and Electronic Engineering,Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)

As the blushless direct current motor(BLDCM) control system for vehicle on market is hard to use directly in the experiments in class for high voltage and large power,a low voltage and small current BLDCM control system with either PWM control or sine wave control is designed for experimental purpose. The experimental system is realized with the PWM control method,and the experimental scheme is proposed based on the system. The designed experimental system has integrated multiple technology such as embeded system design,sensor application,motor drive,and automatic control. It could be a comprehensive experimental platform for experiments in class,curriculum design,and innovative experiment project practice.With this system,students can consolidate their basic knowledge and improve the pratical ability and innovative ability to meet the industry demands.

controller; experimental system; BLDCM

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.020

2016-05-16

教育部留學回國人員科研啟動基金項目“電力電子裝置實時仿真研究”(第48 批)；教育部“十二五”本科專業綜合改革試點項目；江蘇省重點專業類(能源動力類)建設項目；江蘇省高校品牌專業建設工程一期建設項目(PPZy2015A030)；江蘇省2014 年中高等職業教育銜接課程體系建設課題(201431)

張惠國(1978—)，男，江蘇常熟，博士，副教授，主要研究方向為功率器件及應用、集成電路設計

錢斌(1973—)，江蘇常熟，博士，教授，研究方向為新能源技術.E-mail：njqb@cslg.edu.cn

TM 301.2；G642.423

A

1002-4956(2016)10-0076-05