電動車無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究

王偉，盧雄，彭安濤

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

電動車無刷直流電機控制系統(tǒng)的研究

王偉，盧雄，彭安濤

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北 十堰 442002）

設(shè)計了一種以LPC1769單片機為核心的電動車無刷直流電機控制系統(tǒng)，給出了主要硬件電路和軟件模塊的設(shè)計過程。實驗測試表明，該系統(tǒng)輸出功率大，調(diào)速范圍寬，具有良好的啟動和運行特性，功能完善，保護措施到位，具有較高的應(yīng)用和推廣價值。

電動車；無刷直流電機；控制系統(tǒng)；逆變器

無刷直流電機（BLDCM）是隨著新型電力電子器件和永磁材料的發(fā)展而成熟起來的一種新型電機，它屬于同步電機的范疇，既具有交流異步電機運行可靠的優(yōu)點，又具有傳統(tǒng)有刷直流電機優(yōu)越的調(diào)速性能，因此具有廣泛的應(yīng)用前景［1-2］。電動車用電機已由早期的傳統(tǒng)直流電機和交流異步電機發(fā)展到無刷直流電機階段［3］，BLDCM控制系統(tǒng)一般有兩種形式：復(fù)雜的純模擬器件構(gòu)成的控制器和以微控制器為核心的數(shù)字式控制器，早期的電動車以及當(dāng)前少量的電動觀光車采用純模擬器件構(gòu)成的無刷電機控制器，而當(dāng)前的數(shù)字式控制器使電動車控制器設(shè)計更靈活，功能更豐富，因而得到廣泛應(yīng)用［4-5］。

本系統(tǒng)采用時代超群80BL145-440無刷直流電機，額定參數(shù)為電壓48V，額定功率550W，額定轉(zhuǎn) 速 4500 r·min-1。 采 用 恩 智 浦LPCXpressoLPC1769單片機為核心，自主設(shè)計了無刷直流電機的軟硬件控制的完整系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足了電機的各項運行指標(biāo)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

BLDCM是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它是由電機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機系統(tǒng)［6-7］。位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置信號，控制器對轉(zhuǎn)子位置信號進行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，開關(guān)信號以一定的順序觸發(fā)逆變電路中的功率器件。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電動車用無刷電機智能控制系統(tǒng)主要包括:由逆變主電路、逆變功率開關(guān)驅(qū)動電路構(gòu)成的輸出驅(qū)動電路;以LPCXpressoLPC1769單片機為核心的主控模塊；調(diào)速把、剎車把、限速、定速巡航及液晶顯示構(gòu)成的人機接口電路；相電流、母線電壓采集電路；轉(zhuǎn)子位置檢測電路。

為使電動機在起動階段能維持最大允許起動力矩，充分利用電動機的過載能力獲得最快起動效果，并且系統(tǒng)可在穩(wěn)態(tài)條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差的理想效果，采用了是轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制策略。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

電機正常運行時，控制器根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號計算出當(dāng)前轉(zhuǎn)速，與設(shè)定的轉(zhuǎn)速信號進行PI運算［8］，得到電流的給定電壓參考值，電流反饋信號經(jīng) A／D接口送入控制器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到電流的反饋值和參考值進行PI運算，得到電流調(diào)節(jié)器的輸出調(diào)節(jié)占空比，控制功率管的開/關(guān)狀態(tài)，從而實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖1所示，無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)是以單片機為核心，在單片機內(nèi)完成所有的數(shù)據(jù)采集、處理和控制功能。外圍電路主要有功率驅(qū)動電路、霍爾位置信號處理電路、電流采樣及過流保護電路、電池電壓采集電路、人機接口電路等。下面將對主要的硬件電路設(shè)計進行說明。

2.1 功率驅(qū)動電路

為了滿足大功率無刷電機驅(qū)動的需求，系統(tǒng)采用三相橋式逆變電路，采用12只MOS管構(gòu)成，其中每個橋臂4個MOS管，上下橋臂各2個。上下橋臂的中間節(jié)點作為電機的驅(qū)動信號輸出端，分別接于電機的三相繞組，三相繞組呈星型聯(lián)接。

以一相為例，如圖3所示，當(dāng)IR2110的HO輸出為低，LO輸出為高，上管截止下管導(dǎo)通時，輸出端與地相連，輸出端相當(dāng)于地；當(dāng)IR2110的輸出HO為高，LO輸出為低，上管導(dǎo)通下管截止時，輸出端與電源相連，輸出端相當(dāng)于電池電壓48V。為避免上下橋臂短路燒毀，在任何時刻禁止HO和LO同時為高。

2.2 霍爾信號處理電路

霍爾傳感器輸出的三路位置信號通常受到電機運行過程中的噪聲干擾，一般都含有很多毛刺，采用圖4所示的阻容濾波電路。同時因為霍爾傳感器是開漏輸出，所以必須進行上拉。

2.3 電流采樣及過流保護電路

本系統(tǒng)采用直流母線電流采樣方式，電機回路電流信號經(jīng)采樣電阻轉(zhuǎn)成電壓信號送入運算放大器LM358，由LM358構(gòu)成一個電壓比較器，把檢測的電流信號與閾值電壓比較，得到過流輸出信號，過流時比較器翻轉(zhuǎn)觸發(fā)單片機中斷，及時關(guān)斷MOS管。同時由LM358構(gòu)成的比例放大電路，將將電流信號放大轉(zhuǎn)換成的電壓信號，分別代表瞬時電流和平均電流信號送入單片機采集處理，如圖5所示。

2.4 人機接口電路

人機接口電路有設(shè)定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速把電壓的采集電路，剎車制動電路，限速設(shè)置電路，定速巡航設(shè)置電路，液晶顯示電路等。

設(shè)計了液晶儀表顯示器（圖6），在顯示面板的左側(cè)為電池電壓顯示，右側(cè)為電機運行電流顯示，中央為電機轉(zhuǎn)速顯示，采用液晶模擬顯示的方法，更加直觀地獲得電機轉(zhuǎn)速。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

無刷直流電機控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化思想，將整個控制系統(tǒng)的軟件劃分為2個部分，即主程序和主中斷程序，以利于軟件設(shè)計、調(diào)試、修改和維護。系統(tǒng)實現(xiàn)電子換相、柔性剎車、無級調(diào)速、限速、定速巡航和顯示等功能性要求，以及過流保護、電池欠壓保護等安全性要求。

軟件系統(tǒng)中，設(shè)計了速度電流雙環(huán)電機驅(qū)動控制程序、轉(zhuǎn)子位置檢測程序、電流采樣程序、轉(zhuǎn)速估算程序、PWM發(fā)生程序、限流驅(qū)動程序、過流欠壓保護程序等中斷服務(wù)子程序和人機界面程序。

3.1 主程序

主程序負(fù)責(zé)建立整個程序的一個運行框架，完成控制器初始化、控制器運行環(huán)境的定義等任務(wù)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。后臺循環(huán)程序只需實現(xiàn)2個功能：在沒有主中斷請求時，后臺循環(huán)程序不斷執(zhí)行LCD顯示程序和開關(guān)處理程序，實現(xiàn)人機界面功能；當(dāng)有主中斷請求的時候，跳轉(zhuǎn)到主中斷服務(wù)子程序。

3.2 主中斷程序

主中斷程序是系統(tǒng)軟件的核心部分，從功能上分為：系統(tǒng)故障檢測及故障處理程序；無刷電機驅(qū)動控制程序。在進入主中斷服務(wù)程序時，首先進行系統(tǒng)故障檢測，當(dāng)發(fā)生故障時，程序跳入故障處理程序，系統(tǒng)停機。如果沒有發(fā)生故障，系統(tǒng)正常，則進入電動驅(qū)動程序，控制電機運轉(zhuǎn)。

1）系統(tǒng)故障檢測及故障處理程序 本系統(tǒng)設(shè)定了母線電壓過壓/欠壓故障、過電流故障的檢測。當(dāng)發(fā)生故障的時候，調(diào)用故障處理程序，故障處理程序?qū)WM信號封鎖。系統(tǒng)故障檢測及故障處理程序流程圖如圖8所示。

2）電機驅(qū)動控制程序 電機驅(qū)動程序根據(jù)功能主要分為速度調(diào)節(jié)模塊、電流調(diào)節(jié)模塊、PWM發(fā)生模塊、電流采樣模塊、轉(zhuǎn)子位置檢測模塊、轉(zhuǎn)速估算模塊。電機驅(qū)動控制程序流程如圖9所示。由于在電機起停、負(fù)載突變或者快速的加減速過程中，無論速度環(huán)還是電流環(huán)，其設(shè)定值與反饋值之間都會出現(xiàn)較大的誤差，微分項對誤差和噪聲非常敏感，因此對速度和電流的調(diào)節(jié)均采用PI控制策略。

轉(zhuǎn)速環(huán)包含位置檢測模塊、轉(zhuǎn)速估算模塊、速度調(diào)節(jié)4個模塊。速度估算模塊根據(jù)位置檢測模塊的中斷標(biāo)志信號、位置信息和軟件時間估算出當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，將反饋速度送入速度調(diào)節(jié)器與給定速度相比較并進行PI調(diào)節(jié)，實現(xiàn)速度環(huán)的調(diào)節(jié)作用。速度調(diào)節(jié)器的輸出為參考電流。

電流環(huán)包含電流采樣模塊、電流調(diào)節(jié)器、PWM發(fā)生模塊3個模塊。電流采樣模塊根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)采樣相應(yīng)相電流，并求出當(dāng)前定子電流幅值，將反饋電流送入電流調(diào)節(jié)器與參考電流相比較并進行PI調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。電流調(diào)節(jié)器的輸出為PWM波的占空比。PWM發(fā)生模塊根據(jù)占空比以及當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置信息確定PWM波的輸出波形。

3.3 中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)程序主要完成轉(zhuǎn)子位置檢測、轉(zhuǎn)速估算、PWM信號發(fā)生、系統(tǒng)保護、人機接口等功能。限于篇幅，本文只對轉(zhuǎn)子位置檢測和轉(zhuǎn)速估算程序進行設(shè)計分析，其流程圖如圖10～11所示。

轉(zhuǎn)子位置檢測程序?qū)︱?qū)動程序非常重要，轉(zhuǎn)子位置信息為轉(zhuǎn)速估算程序、電流采樣程序、PWM導(dǎo)通關(guān)斷邏輯提供重要信息。要實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，必須提供電機轉(zhuǎn)速信息，本系統(tǒng)根據(jù)位置傳感器信號利用軟件方法估算電機轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)速估算程序在每個霍爾位置信號的跳變邊沿進行，以I/O口捕捉中斷標(biāo)志位有效與否判斷是否執(zhí)行電機轉(zhuǎn)速估算子程序。

4 系統(tǒng)測試

將上述軟硬件進行聯(lián)調(diào)測試，系統(tǒng)實物如圖12所示。首先分別檢驗控制系統(tǒng)的電機驅(qū)動模塊、霍爾位置信號檢測模塊、PWM發(fā)生模塊、轉(zhuǎn)速估算模塊、過流保護模塊、電池電壓采集模塊、電機信息顯示模塊、單片機和系統(tǒng)板供電模塊以及剎車、巡航、限速、調(diào)速把模塊。

圖13是用雙通道示波器測量的重要信號波形，其中圖13a是相鄰兩項霍爾信號，任一霍爾信號有限電平均為180°，且互差60°；圖13 b是單片機輸出的某一相的驅(qū)動信號，即逆變橋的驅(qū)動信號，其中一通道顯示的采用電平控制信號，二通道顯示的是采用PWM控制信號；圖13c相鄰的電機兩相電壓波形，在一相繞組施加電壓時，另一項繼續(xù)存在反電動勢產(chǎn)生的衰減電壓信號。將各個調(diào)試好的模塊聯(lián)合構(gòu)成本系統(tǒng)，由于測試條件有限，在系統(tǒng)雙閉環(huán)控制策略的調(diào)試過程中，給電機人工施加負(fù)載的條件下，先調(diào)節(jié)速度外環(huán)的PI參數(shù)，再調(diào)節(jié)電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)。整個調(diào)節(jié)過程中，一直通過萬用表監(jiān)測母線電壓和相電流，使電機能夠輸出額定功率，并具有足夠的負(fù)載能力。

經(jīng)過反復(fù)測試，各項功能模塊均工作正常，電機起動平穩(wěn)、加速平滑，電機在額定4500 r·min-1范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速任意可調(diào)；人為增加電源電壓到52 V以上和降低電源電壓到42 V以下時，過壓和欠壓保護均得到實現(xiàn)；在運行過程中突加負(fù)載導(dǎo)致電機堵轉(zhuǎn)3 s時，立即進行過流堵轉(zhuǎn)保護；當(dāng)轉(zhuǎn)速把（實驗中采用電位器模擬）設(shè)定轉(zhuǎn)速保持8 s不變時，電機即進入巡航狀態(tài)；通過示波器觀測到的霍爾信號、PWM發(fā)生信號、電流采樣等信號，信號均穩(wěn)定且噪聲很小，說明電路設(shè)計可靠，系統(tǒng)工作正常。

5 結(jié)束語

以LPCXpressoLPC1769單片機為控制核心的電動車用無刷直流電機智能控制系統(tǒng)，通過硬件的設(shè)計與制作、軟件的設(shè)計與編寫，完成了電動車無刷直流電機控制器的實驗系統(tǒng)。并針對應(yīng)用額定電壓為48V，額定功率為550W的無刷直流電機進行安裝調(diào)試，很好地完成無刷直流電機的調(diào)速、剎車、定速巡航、限速等功能性要求和過壓/欠壓保護、過流保護等安全性要求。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)體積小，重量輕，精度高，相比傳統(tǒng)模擬控制器具有更大的靈活性和可靠性，容易實現(xiàn)附加功能和全數(shù)字化控制。

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（指導(dǎo)老師：黃海波）

Research on Electromobile Control System of Brushless DC Motor

Wang Wei，Lu Xiong，Peng Antao
（School of Electrical&Information Engineering,Hubei University of Automotive Technology,Shiyan 442002,China）

An electromobile control system of brushless DC motor was designed based on LPC1769 microcontroller,the design process of the main hardware circuits and software modules were given.The experimental testing shows that this system has the characteristics of large output power,wide speed range,good starting and running performance,perfect functions,protection in place,and better application and promotion value.

electromobile;brushless DC Motor;control system;inverter

TP301；TM33

A

1008-5483（2013）01-0071-05

10.3969/j.issn.1008-5483.2013.01.019

2012-12-12

湖北汽車工業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目（SJ201219）