電動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)

杜 丹,王曉旭,楊貴杰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江哈爾濱150001)

0 引 言

發(fā)展綠色交通工具已成為當(dāng)代社會(huì)一個(gè)重要課題。相對(duì)于燃油交通工具,電動(dòng)車擁有靈活、輕巧、零排放、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊發(fā)展前景[1]?？紤]到我國(guó)目前的國(guó)情,發(fā)展電動(dòng)車具有極高的市場(chǎng)價(jià)值和重要的環(huán)保意義。而永磁體的可靠性、日益降低的成本及半導(dǎo)體工藝技術(shù)的提升,使永磁電機(jī)成為眾多工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用的首選[2]。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)具有效率高、功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)矩大、控制簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)[3],被廣泛用作電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但考慮到電動(dòng)自行車是民用產(chǎn)品,驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)的可靠性與低成本是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前,國(guó)內(nèi)外的電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)電機(jī)多采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),以三路開關(guān)型霍爾作為位置傳感器,方波電流驅(qū)動(dòng)方式。本文研究的控制對(duì)象也是類似結(jié)構(gòu),電機(jī)本體如圖1所示,外轉(zhuǎn)子式三相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī),極對(duì)數(shù)為8,功率350W,速度調(diào)節(jié)范圍80～220 r/min,工作電壓24 V、36 V和48 V。

本文主要研究電動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的控制器設(shè)計(jì)問(wèn)題,目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能和保護(hù)性能要求的前提下,開發(fā)出主控芯片功能完備、硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、總體成本具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)的電動(dòng)自行車驅(qū)動(dòng)控制器。為此,設(shè)計(jì)方案中采用Microchip公司的PIC16F72單片機(jī)作為核心控制芯片,采用高性能集成驅(qū)動(dòng)芯片IR2103驅(qū)動(dòng)MOSFET組成全橋逆變電路。完成了驅(qū)動(dòng)控制器的軟硬件設(shè)計(jì),并通過(guò)帶負(fù)載調(diào)速及檢測(cè)報(bào)警功能的試驗(yàn),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性和工程實(shí)用性。

圖1 外轉(zhuǎn)子式電動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

電動(dòng)自行車的特點(diǎn)是車載電池供電,車速(即電機(jī)轉(zhuǎn)速)、剎車等控制信號(hào)均要由手柄給定,而且安全性要求較高,需要設(shè)置較為完善的保護(hù)措施。

本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,主電路由蓄電池供電,作為逆變橋的母線電壓。逆變橋由6個(gè)MOSFET驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)。其觸發(fā)信號(hào)由單片機(jī)給出,再經(jīng)過(guò)專用驅(qū)動(dòng)芯片提供[4]。其中各類故障報(bào)警信號(hào)由閃爍頻率不同的光信號(hào)顯示,用戶可根據(jù)閃燈頻率判斷故障發(fā)生原因并及時(shí)進(jìn)行處理。

根據(jù)要求,本系統(tǒng)所設(shè)置的功能為:

(1)平穩(wěn)起停。暫設(shè)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為400 r/min。

(2)平滑調(diào)速。具有電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng),負(fù)載變化時(shí)進(jìn)行PI調(diào)節(jié)。

(3)定速巡航。若想讓轉(zhuǎn)速維持在某一特定值不發(fā)生變化,防止系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻繁,則通過(guò)程序判斷,若手柄電壓固定在某一值附近超過(guò)8 s,則認(rèn)為起動(dòng)定速巡航,此時(shí)即使手柄歸位,速度仍維持不變,當(dāng)手柄電壓再次升高時(shí),退出巡航狀態(tài)。

(4)完善了各種保護(hù)措施,主要有:

(a)過(guò)壓及欠壓保護(hù)。系統(tǒng)供電電壓48 V,當(dāng)檢測(cè)到電壓超過(guò)60 V時(shí)或低于46 V則實(shí)行保護(hù),PWM輸出全低狀態(tài)。

(b)過(guò)流保護(hù)。有效保證了電機(jī)和控制器的可靠運(yùn)行,并有效遏制電池放電過(guò)大。

(c)手柄電壓超限保護(hù)。按5 V供電,動(dòng)作點(diǎn)1.2～4 V。超出范圍則分別維持最低轉(zhuǎn)速或最高轉(zhuǎn)速。另外附加掉線及短路保護(hù),若手柄電壓高于4.7 V或低于0.3 V,則認(rèn)為發(fā)生手柄線路掉線或短路,此時(shí)驅(qū)動(dòng)電路無(wú)輸出信號(hào),同時(shí)報(bào)警。

(d)電機(jī)霍爾信號(hào)保護(hù)。如果檢測(cè)到霍爾信號(hào)掉線,即三路信號(hào)輸入全低的情況出現(xiàn),則停車保護(hù),同時(shí)報(bào)警。

(e)堵轉(zhuǎn)保護(hù)。電機(jī)堵轉(zhuǎn)超過(guò)3 s,則單片機(jī)停止輸出,有效保護(hù)電機(jī)和電池。

(f)溫度過(guò)高保護(hù)。當(dāng)功率電路散熱器溫度達(dá)到75℃時(shí)脈寬減小50%并告警,且每上升10℃降低10%脈寬,超過(guò)95℃時(shí),停車保護(hù)。

(g)防沖車保護(hù)(HPD保護(hù))。需起動(dòng)電機(jī)時(shí),如果手柄被卡住或因其他原因未歸位到初始位置,電機(jī)不起動(dòng)。當(dāng)調(diào)速手柄回到接近初始位置時(shí)再起動(dòng)。

(h)重載起動(dòng)防抖。在電機(jī)起動(dòng)后校對(duì)霍爾值,如果正確則變量加,如果霍爾變化連續(xù)三次正確,則認(rèn)為電機(jī)已起動(dòng),反之,則認(rèn)為重載電機(jī)無(wú)法正常起動(dòng),需檢查負(fù)載情況。

2 驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用了Microchip公司的PIC16F72可編程單片機(jī),通過(guò)軟件調(diào)試可適應(yīng)不同規(guī)格的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)。選用該芯片的主要優(yōu)勢(shì)有:

(1)在價(jià)格方面,8位單片機(jī)即可滿足系統(tǒng)控制的精度要求,PIC16F72單片成本及開發(fā)系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。

(2)在性能方面,由于整個(gè)系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,因此選用的單片機(jī)需具備多通道A/D轉(zhuǎn)化模塊,并且應(yīng)具有至少一路PWM輸出口。中低端的PIC16F72具有1個(gè)集捕獲、比較、脈寬調(diào)制三項(xiàng)功能于一身的CCP模塊(Capture/Compare/PWM Module),8位多通道的A/D轉(zhuǎn)換器,電源電壓低偵測(cè)、電路掉電復(fù)位等功能,可以將多種模擬參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)。同時(shí)在安全因素上,作為控制系統(tǒng)的核心,PIC單片機(jī)的可靠性也可達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定。

硬件核心部分設(shè)計(jì)如下:手柄給定電壓范圍為0～5 V,由PIC單片機(jī)AN2通道采樣。電機(jī)的霍爾信號(hào)分別輸入到單片機(jī)B口的三位RB4、RB5、RB6。由于PIC單片機(jī)B口高位具有電平變化中斷的功能,當(dāng)霍爾信號(hào)發(fā)生變化時(shí)引發(fā)中斷進(jìn)入換相子程序。觸發(fā)信號(hào)由單片機(jī)C口輸出,六路信號(hào)由單片機(jī)分別控制,互不影響。采用高性能專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2103對(duì)PIC16F72信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行放大,然后直接驅(qū)動(dòng)IRF540N。

另外,通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式,在負(fù)載變化時(shí)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了速度PI閉環(huán)調(diào)節(jié)。PIC16F72的基本電路如圖3所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合硬件電路和電動(dòng)車的實(shí)際需求特性,編制了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)控制程序,用以完成電機(jī)的基本運(yùn)行、閉環(huán)調(diào)速,以及防沖車、過(guò)壓欠壓、過(guò)流、溫控、手柄超限、霍爾斷線、手柄故障報(bào)警等各種保護(hù)功能。信號(hào)采樣及AD轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖4所示,PWM輸出程序流程圖如圖5所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)完成的控制器樣機(jī)如圖6所示,試驗(yàn)中的電池電壓為36 V。功率部分的場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)方式為單極性單邊PWM調(diào)制,上橋臂為PWM控制狀態(tài),下橋臂導(dǎo)通期間為常開狀態(tài)。圖7為某一轉(zhuǎn)速下A橋驅(qū)動(dòng)芯片的2路輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)IR2103的轉(zhuǎn)化后,輸出控制A橋上下MOSFET的柵極導(dǎo)通信號(hào)。

額定工作狀態(tài)下電機(jī)繞組的電流波形如圖8所示,電機(jī)電流頻率45.45Hz,電機(jī)轉(zhuǎn)速150 r/min,電流有效值1.3 A。圖9為手柄電壓過(guò)低時(shí),控制系統(tǒng)RB7端口的電平情況,此時(shí)LED閃爍報(bào)警,閃爍信號(hào)頻率5Hz,閃爍延時(shí)0.8 s。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了基于PIC16F72單片機(jī)的電動(dòng)車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器,進(jìn)行了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì),研制了樣機(jī)系統(tǒng),并進(jìn)行了特性測(cè)試和保護(hù)功能測(cè)試。該控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,外部器件少,關(guān)鍵功能通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn),可以針對(duì)不同的控制對(duì)象采用不同的控制算法[6],具有很好的靈活性和適應(yīng)性。試驗(yàn)結(jié)果表明,該控制器在車速控制性能、行駛保護(hù)功能、運(yùn)行可靠性、維護(hù)的便利性等方面都有良好的性能,而且性能價(jià)格比優(yōu)良,是民用電動(dòng)車無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的一個(gè)較好的解決方案,具有很好的實(shí)用價(jià)值。

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