摘 要:方波驅動的無刷直流電機由于力矩大,運行可靠,在電動車控制器中廣泛應用,方波驅動最大的缺點在于換相時的電流突變引起的轉矩脈動,導致噪聲較大,但好的控制策略可以大大改善換相噪聲.電動車控制器設計的難點在于電流控制,本文就電動車控制器設計的一些關鍵地方加以描述.
關鍵詞:電動車控制器 直流無刷電機" title="無刷電機">無刷電機 換相 同步整流

1. 概述
電動自行車上使用的電機普遍采用永磁直流電機.所謂永磁電機,是指電機線圈采用永磁體激磁,不采用線圈激磁的方式.這樣就省去了激磁線圈工作時消耗的電能,提高了電機機電轉換效率,這對使用車載有限能源的電動車來講,可以降低行駛電流,延長續行里程.
永磁直流電機按照電機的通電形式來分,可分為有刷電機和無刷電機兩大類,有刷電機由于采用機械換相裝置導致可靠性和壽命降低,因此逐漸退出電動車市場.
無刷電機又可分為有傳感器和無傳感器兩類,對于無位置傳感器的無刷電機,必須要先將車用腳蹬起來,等電機具有一定的旋轉速度以后,控制器才能識別到無刷電機的相位,然后控制器才能對電機供電.由于無位置傳感器無刷電機不能實現零速度啟動,所以現在生產的電動車上用得較少.目前電動車行業內使用的無刷電機,普遍采用有位置傳感器無刷電機.
有位置傳感器永磁直流無刷電機按照內部傳感器的安裝位置不同,又可分為60度電機和120度電機.在120°的霍爾信號中,不可能出現二進制000和111的編碼,所以在一定程度上避免了因霍爾零件故障而導致的誤操作.因為霍爾組件是開漏輸出,高電平依靠電路上的上拉電阻提供,一旦霍爾零件斷電,霍爾信號輸出就是111.一旦霍爾零件短路,霍爾信號輸出就是000,而60°的霍爾信號在正常工作時這兩種信號均會出現,所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準確率.因此目前市面馬達已經逐漸舍棄60°相位的霍爾排列.
2. 永磁直流電機基本原理
2.1. 主回路電路

圖中ABC表示電機的3相繞組,采用星形接法,V1~V6表示功率場效應管,如果將V1~V6用如下的時序波形驅動,則3相繞組會按照AB-AC-BC-BA-CA-CB順序通電(AB表示電流由A相流向B相),產生一個旋轉的磁場,牽引外轉子(永磁體)旋轉.
導通" title="導通">導通順序
 

3. 電動車控制器功能要求
? 功能性要求：
     1. 電子換相
     2. 無級調速
     3. 剎車斷電
     4. 附加功能
          A. 限速
          B. 1+1助力
          C. EBS柔性電磁剎車
          D. 定速巡航
          E. 其它功能(消除換相噪音,倒車等)
? 安全性要求：
     1. 限流驅動
     2. 過流保護
     3. 堵轉保護
     4. 電池欠壓保護
     5. 降低溫升
     6. 附加功能(防盜鎖死,溫升限制等)
     7. 附加故障檢測功能
從上面的要求來看,功能性要求和安全性要求的前三項用專用控制芯片用加上適當的外圍電路均不難解決,代表芯片是摩托羅拉的MC33035,早期的控制器方案均用該集成塊解決.但后來隨著競爭加劇,很多廠商都增加了不少附加功能,一些附加功能用硬件來實現就比較困難,所以使用單片機來做控制的控制器迅速取代了純硬件的專用控制芯片.
但是硬件控制和軟件控制有很大的區別,硬件控制的反應速度僅僅受限于邏輯門的開關速度,而軟件的運行則需要指令執行時間.要使軟件跟得上電機控制的需求,就必須要求軟件在最短的時間內能夠正確處理換相,電流限制等各種復雜動作,這就涉及到一個對外部信號的采樣頻率,采樣時機,信號的內部處理判斷及處理結果的輸出,還有一些抗干擾措施等,這些都是軟件設計中需要仔細考慮的東西.
在本方案中,我們采用了一顆集成PWM發生器的8位單片機SH79F081,采用優化的單機器周期8051內核,內置16k Flash存儲器,兼容傳統8051所有硬件資源,采用JTAG仿真方式,內置16.6MHz振蕩器,同時擴展了如下功能:
? 雙DPTR指針. 16位 x 8乘法器和16位/8除法器.
? 3通道帶死區控制PWM,6路輸出,輸出極性可設,提供周期溢出功能
? 集成故障檢測功能,可瞬時關閉PWM輸出.
? 提供硬件抗干擾措施.
? 集成高速10bit ADC.
? 提供Flash自編程功能,可以模擬用做EEROM,方便存儲參數.
這顆IC由于CPU運行速度和AD采樣速度都很快,PWM功能強大,硬件抗干擾功能多,非常適合作電動車控制器.

4. 軟件實現
下面我們挑選對控制器性能和安全比較重要的功能來討論編程中應該注意的問題.
4.1. 減小換相噪聲
上文已提過,無刷直流電動機方波驅動最大的缺點是換相時電流不能持續,導致有轉矩脈動,因此衡量控制器好壞很大程度上是取決于換相是否能做好.
在電動車剛剛起步的時候我們會發現換相時電機會發出很大的突突聲,這是由于電機起步時電流比較大,而電機是個感性負載,換相后由于電機線圈電流不會一下增大到換相前的水平,這樣就造成換相前后電流反差非常大,從而導致牽引力的急劇變化,這種變化便會引起電機強烈振動,這種振動噪聲不能完全消除,但可以采取一些措施減小噪聲
方法1:在換相后的一段時間使PWM脈沖占空比" title="占空比">占空比達到100%來使電流增長快一點,從而減輕振動噪聲.需要提醒的是在這個過程中我們需要隨時監測電流變化,電流一達到換相前的水平就可以恢復換相前的PWM占空比.
方法2:延遲關閉換相MOS管,方波驅動直流無刷電機是6步驅動,定子勵磁每隔60度電角度跳躍一次,保證定子磁動勢方向和轉子磁動勢方向夾角在60°到120°之間運行,因為夾角在90°時轉動力矩最大,夾角為0°或180°時沒有轉矩,現假設電機正轉,AB導通要切換到AC導通,此時AB繞組通電產生的定子磁勢和轉子磁勢夾角為60°,如果正常切換到AC導通,則AC繞組通電后,定子磁勢和轉子磁勢夾角變為120°,由于切換到AC通電后電流要從0開始爬升,因此此時定子磁勢幅值很小,導致轉矩降低,但如果此時不關閉B,同時將下橋C打開,則定子磁勢和轉子磁勢的夾角變為90°,而且由于AB相電流基本沒有變化,而C相電流還很小,因此換相前后轉矩變化很小,但要注意,等C相電流爬升后要將B相關閉,否則3相導通的合成力矩比2相導通力矩大,也會發生轉矩波動.
4.2. 電子剎車" title="電子剎車">電子剎車：
電子剎車其實是將電動機當做發電機機運行,因此會產生電磁制動轉矩,檢測到電子剎車信號后,cpu將上三路PWM關閉,將下三路同時打開,占空比設為某一固定值,這樣,電機相當于工作在發電機狀態,給蓄電池充電,充電電流和下三路占空比有關,占空比越大,則充電電流越大,剎車制動能力越強,由于目前電動車上裝配的電子剎車都是開關信號,使用者無法調整剎車力矩,完全由控制器決定,不過由電動機的特性, 即使占空比固定,電子剎車時轉速越高,發電機感生電壓越高,回饋充電能力越強,剎車力矩越大, 當然,最好是裝配線性剎車傳感器,使用者會更方便.
4.3. 恒流驅動
電流信號經康銅絲采樣之后分兩路,一路送至放大器,一路送至比較器" title="比較器">比較器.放大器用來實時放大電流信號,放大倍數大約6.5倍,放大后的信號提供給單片機進行AD 采樣轉換,轉換所得數字用來控制電流不超過我們所允許的值.另一路信號送至比較器,當電流突然由于某種原因大大超過允許值,比如一只MOSFET擊穿或誤導通時,比較器翻轉送出低電平,送給79F081的FLT引腳,無需單片機執行程序,IC硬件會自動關閉PWM輸出,從而保護MOSFET避免更大傷害.
電流采樣時間點很重要.因為使用PWM脈沖驅動,這種脈沖驅動導致的直接結果是放大后的電流信號與PWM脈沖頻率相同,相位上滯后一定時間的脈動電流波形,這種波形如果沒有經過濾波處理,將會類似于一個梯形,如果我們要獲得準確的電流AD轉換值,最好的辦法就是在梯形波的上邊中間采樣電流信號,這樣所獲得的電流AD值才能較為準確地反應電流的實際大小.在SH79F081中AD轉換的采樣由ADCON中的GO/DONE啟動, 完成一次ADC轉換分為采樣和保持兩段時間,采樣時間內,外部仿真輸入信號將ADC內部采樣電容充滿, 保持時間內,IC內部逐次比較得出A/D結果.在應用中ADC采樣的時間一般為2μS,而轉換時間為12μS.
AD采樣啟動與PWM中斷同步,進入PWM中斷處理城市后,先執行一些PWM事件的處理,然后開啟AD采樣,這樣采樣點剛好落在電流梯形波的上邊, 即使由于PWM占空比很小時,開啟時間小于一次ADC轉換時間也沒有影響,只要保證大于采樣時間即2μS即可,轉換時間內即使外部輸入仿真量變化了也不會影響ADC轉換結果.
這樣采樣出來的結果實際上是PWM有效期間(為高)時的電流,電流控制實際是控制平均電流.(FLT 短路保護是控制瞬態電流).因此需要乘上PWM占空比得到平均電流,因為理論上,PWM周期內無效(低電平)期間主回路上是沒有電流的.
根據電流采樣的結果來實時調整PWM的占空比,實現電流閉環,理論上電流閉環的時間常數可以做到一個PWM周期時間(60us左右).
4.4. 同步整流
電機是電感性負載,采用PWM開關驅動,在功率管關斷期間由于電流不能突變,必須要有續流回路,功率MOSFET一般內置有續流二極管,但是續流二極管壓降在1V左右,而電動車工作電流可能達到20A,此時續流二極管消耗的功率會很大,很容易導致發熱燒毀.因此必須另外提供續流回路.
我們知道功率MOSFET,源級和漏級是可以互換的,因此可以將互補的橋臂驅動開啟建立續流回路,從而大大降低功耗.但需注意,上橋在關斷后,下橋不能立即開啟來實現續流,而是需要插入一個死區時間以避免上下橋臂直通造成電源短路.79F081有6路pwm輸出,內部集成上下橋死區控制,因此實現同步續流非常方便.
5. 總結
采用上述方案做成的電動車控制器,無需外加門電路,CPU執行速度和ADC轉換速度都足夠滿足電流閉環速度要求,PWM六路輸出直接控制3相全控橋的6個晶體管.集成死區控制功能,因此很適合用在電動自行車控制器上, 此方案實際測試效果不錯,目前已經量產.

附:方案原理圖