一種全隔離的無刷直流電機(jī)的反饋制動控制板的研究

金力成++司響++章少岑

摘 要：本文研究了一種全隔離的無刷直流電機(jī)反饋制動控制板，運(yùn)用MCU模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，運(yùn)用軟件方式輸出互補(bǔ)SPWM波，通過驅(qū)動電路驅(qū)動MOSFET來使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)中有霍爾傳感器，來確定電機(jī)定轉(zhuǎn)子位置，以此來確保電機(jī)反饋制動的進(jìn)行，通過將反饋制動中的能量收集起來，做到綠色環(huán)保。在MCU的輸入輸出口都設(shè)置有隔離運(yùn)放與隔離光耦，通過隔離將電機(jī)的大電流波動與MCU數(shù)據(jù)處理模塊分開，增加整個(gè)控制板的穩(wěn)定性與可靠性，充分保證控制板的安全。

關(guān)鍵詞：隔離；無刷直流電機(jī)；控制板

中圖分類號：TM38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0078-01

當(dāng)下，正直國家的經(jīng)濟(jì)與科技不斷迅猛發(fā)展，能源消耗不斷增長，隨之產(chǎn)生的環(huán)境污染問題也日益嚴(yán)峻。綜觀各行各業(yè)的發(fā)展都對環(huán)保問題以及綠色節(jié)能提出了要求，追求環(huán)保。電動汽車等新興行業(yè)也早已成為各國研究的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，而對于電動汽車的反饋制動可以說是電動汽車領(lǐng)域中的較為重要的一方面，可以說無論是常規(guī)燃料動力汽車還是混合動力汽車，反饋制動都可以大大的節(jié)約能源。目前，傳統(tǒng)的制動方式主要是能耗制動與反接制動，而這些方式都是直接將動能以熱能形式消耗掉，不利于環(huán)保的推行。反饋制動可以將能量收集起來，儲存在蓄電池等儲能元件中，用于對汽車內(nèi)部乃至軌道交通內(nèi)部的供能與續(xù)航，經(jīng)濟(jì)環(huán)保。但是在電機(jī)運(yùn)行的過程中，必不可少的存在諸多的干擾，對干擾引起的問題尋求有效的保護(hù)措施是目前經(jīng)常討論的問題之一，只有保護(hù)措施的完善，安全系數(shù)才能提高，真正做到安全運(yùn)行[1]。

1 回饋制動的原理

電動汽車的用途十分廣泛，其多數(shù)采用無刷直流電機(jī)，具有反饋制動的能力。常規(guī)的制動方式主要有電氣制動、機(jī)械制動以及復(fù)合制動。而這些制動方式只要作用，就會導(dǎo)致一部分的能量以熱量的形勢消耗散失掉。而反饋制動方式可以通過將能量收集儲存，來達(dá)到節(jié)能環(huán)保的作用。

無刷直流電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)主要是通過三相橋式電路、三相逆變電路等，如圖1所示。

圖中VT1-VT6是MOSFET功率管，VD1-VD6為續(xù)流二極管。在反饋制動的過程中，每次有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每換向一次，通過無刷直流電機(jī)中霍爾傳感器的信號進(jìn)行判斷換向。正常運(yùn)行時(shí)，電源給整個(gè)系統(tǒng)供電，通過驅(qū)動MOS功率管驅(qū)動電機(jī)；當(dāng)反饋制動時(shí)，切斷供電，電機(jī)依靠慣性繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)控制板的反饋模式啟動，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)的動能采集后充入電池中進(jìn)行儲存。

2 全隔離控制板的原理

為了實(shí)現(xiàn)對于無刷直流電機(jī)的驅(qū)動控制，以及對于無刷直流電機(jī)三相定轉(zhuǎn)子相位的檢測，針對無刷直流電機(jī)的研究，設(shè)計(jì)了一種控制板。為了使控制板安全可靠，不被電機(jī)啟動制動產(chǎn)生的大電流所擊穿，設(shè)計(jì)了全隔離的方式進(jìn)行控制。

整個(gè)控制板分為兩個(gè)模塊，電機(jī)驅(qū)動控制模塊與程序數(shù)據(jù)采集處理模塊。通過對MCU定時(shí)器的調(diào)用，使MCU輸出六路互補(bǔ)SPWM波。通過對電路的電流電壓值進(jìn)行采樣記錄，通過數(shù)據(jù)處理與分析，采用先進(jìn)的PID算法，調(diào)節(jié)SPWM 波占空比，以達(dá)到所需要的電壓值和電流值，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)節(jié)的功能。在SPWM波的輸出口接上隔離模塊，如圖2所示，通過光耦隔離的方式，將MCU與控制板中的MOSFET驅(qū)動器模塊隔離，保證MCU的安全[2]。

為了使電源母線電壓穩(wěn)定運(yùn)行，電壓的波動減少，保持一個(gè)穩(wěn)定的電壓值，在電源母線上并聯(lián)了幾個(gè)大電容來穩(wěn)定電壓，降低噪音以及紋波的影響，防止對整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成波動。使用AMC1200隔離運(yùn)放，防止電源母線上的電壓電流值過沖，損壞MCU。采集電源母線的電壓與電流值，通過單電源差分電路處理后，經(jīng)過MCU的ADC端口進(jìn)行采樣。

同時(shí)對無刷直流電機(jī)內(nèi)部的霍爾傳感器信號進(jìn)行采集處理，實(shí)時(shí)分析得到電機(jī)定轉(zhuǎn)子相位與轉(zhuǎn)速，以便實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反饋制動。

電機(jī)驅(qū)動控制模塊主要是MOSFET驅(qū)動電路，通過將經(jīng)過隔離輸出的SPWM信號進(jìn)行輸入，運(yùn)用IR2130，同時(shí)驅(qū)動六組MOSFET功率管。2130驅(qū)動電路通過自舉電路驅(qū)動橋式電路低壓側(cè)的功率元件，集成了負(fù)電壓免疫系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的耐用性與可靠性，可以直接驅(qū)動高達(dá)600V的高壓系統(tǒng)，最大正向峰值驅(qū)動電流為200mA，反向峰值驅(qū)動電流為420mA，具有電流放大和過流保護(hù)的功能，自動產(chǎn)生上側(cè)與下側(cè)驅(qū)動所必須的死區(qū)時(shí)間，大概為2.5；具有欠壓鎖定功能并能及時(shí)關(guān)斷六路輸出，兼容2.5V邏輯信號輸入。在MOSFET三相橋上采用了兩個(gè)MOSFET管并聯(lián)的方式，將MOSFET功率管的驅(qū)動能力加大，確保無刷直流電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

同時(shí)，為了增大安全性，整個(gè)系統(tǒng) 采用多種保護(hù)相結(jié)合的方式，設(shè)定30A的電流值進(jìn)行過流保護(hù)，防止動作電流超過30A，損壞電機(jī)及電路板。整個(gè)MCU的輸入輸出電路與功率高壓部分都通過有效方式進(jìn)行隔離處理，充分確保控制板的安全與使用。

3 結(jié)語

本文對無刷直流電機(jī)的反饋制動以及控制系統(tǒng)板的全隔離方式做了研究，通過全隔離的方式確保MCU與大電壓大電流保持隔離，確保整個(gè)系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性。通過反饋制動將能源收集，節(jié)能環(huán)保，是一種綠色的環(huán)保方式，能有效減少環(huán)境污染。

參考文獻(xiàn)

[1]張毅，楊林，等.電動汽車無刷直流電動機(jī)的回饋制動控制[J]上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2005.

[2]張相軍，陳伯時(shí).無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中PWM調(diào)制方式對換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2003，7（2）：87-91.