限流技術(shù)在無(wú)刷直流電機(jī)控制器中的應(yīng)用

王 琪，于波峰，趙明鏡，陳黎娟

（南昌航空大學(xué) 江西 南昌 330063）

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，集成化已經(jīng)成為人們對(duì)各種產(chǎn)品的一種需求。文中采用的CYPRESS 公司的PSOC 系統(tǒng)可配置單片機(jī)具有這方面獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。它以體積小，價(jià)格低廉，功能完善和可配置編程的特點(diǎn)大量應(yīng)用在無(wú)刷直流電機(jī)控制器中。

文中基于CY8C24533 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)車用的無(wú)刷直流電機(jī)控制器，包括硬件和軟件的設(shè)計(jì)。該芯片是一款專門用來(lái)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)的，特別適合于無(wú)刷直流電機(jī)的控制，由于該芯片集成了許多無(wú)刷直流電機(jī)控制的外圍電路，具有很高的性價(jià)比[1]。其中SAR8 的對(duì)齊采樣功能在限流工作中發(fā)揮了很重要的作用。

1 控制器整體設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)的作用就是讓用戶可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)把來(lái)控制電動(dòng)自行車的行駛速度，給出剎車信號(hào)后自行車減速。單片機(jī)接收電動(dòng)自行車轉(zhuǎn)把給定的速度信號(hào)，并根據(jù)電流和轉(zhuǎn)速反饋調(diào)整輸出的PWM 信號(hào)的占空比，控制著電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速[2]。電機(jī)內(nèi)部的霍爾元件在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)輸出高低電平信號(hào)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)此反饋信號(hào)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)的換相信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)單片機(jī)的輸出指令控制三相橋功率開(kāi)關(guān)電路上下功率管的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)[3]。如圖1 所示。

圖1 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Structure diagram of the DC motor control system

本課題所設(shè)計(jì)的無(wú)刷直流電機(jī)控制器的系統(tǒng)框圖。PSoC的輸入信號(hào)有：轉(zhuǎn)把電壓信號(hào)、剎車信號(hào)、其他信號(hào)（三速選擇信號(hào)、巡航信號(hào)、電制動(dòng)信號(hào)、報(bào)警器信號(hào)、電流信號(hào)和電池電壓信號(hào)）。輸出信號(hào)有：電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，三速指示燈和故障指示燈。系統(tǒng)的電源為鋰電池組供電，經(jīng)過(guò)晶體管穩(wěn)壓成15 V 共電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用，15 V 經(jīng)穩(wěn)壓模塊78L05 輸出5 V電壓共測(cè)量電路和CY8C24533 所用。

PSoC（Programmable System on Chip）是美國(guó)賽普拉斯微系統(tǒng)有限公司推出的新一代功能強(qiáng)大的8 位可配置的嵌入式單片機(jī)，它的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)者逐步擺脫了板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法層次而進(jìn)入芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。PSoC 與傳統(tǒng)單片機(jī)的根本區(qū)別在于其內(nèi)部集成了數(shù)字模塊和模擬模塊，用戶可以根據(jù)不同設(shè)計(jì)要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)使用一塊芯片就可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，從而建立一種可配置嵌入式微控制器，用以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)始，到軟/硬件劃分，并完成設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。Cypress 公司的CY8C24533是一款專門針對(duì)電機(jī)控制的芯片，它幾乎繼承了CY8C24XXXA 系列芯片的所有資源，同時(shí)針對(duì)電機(jī)控制擴(kuò)展了相應(yīng)的資源和功能，使得CY8C24533 這款PSoC 芯片非常適合作為電動(dòng)自行車控制器的主控芯片[4]。CY8C24533 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 CY8C24533 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the CY8C24533

CY8C24533 的模塊資源相當(dāng)?shù)呢S富，4個(gè)數(shù)字模塊和4個(gè)模擬模塊，4個(gè)數(shù)字模塊可以配置成多種用戶模塊，如定時(shí)器、PWM 模塊、死區(qū)脈寬調(diào)制模塊、串口模塊（UART）、緩沖模塊（Digbuf）、SPI 主從通信模塊等。四個(gè)模擬模塊可以配置成多種模擬周邊功能，如可編程增益放大器（PGA）、比較器（COMPAR）、模擬快關(guān)電容等。模擬模塊和數(shù)字模塊結(jié)合的模塊有7～14 的增量式模數(shù)（AD）轉(zhuǎn)換模塊；8～11 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊等。CY8C24533 之所以為電機(jī)控制專用芯片，主要是因?yàn)槠涮赜械闹鸫伪平容^模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊SAR8。

2 限流工作的硬件電路設(shè)計(jì)

由于本文是主要介紹限流工作中逐次逼近比較模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊SAR8 的關(guān)鍵作用，所以只給出了電流采集部分的原理圖如圖3 所示。其中運(yùn)放采用LM2904 雙運(yùn)放，其中一個(gè)運(yùn)放單元作為電流采樣后的放大使用，另外一個(gè)運(yùn)放單元供其他電路使用。LM2904 運(yùn)放的工作范圍寬，噪聲低。Port1 點(diǎn)為驅(qū)動(dòng)電路MOSFET 源極引出節(jié)點(diǎn)，這樣采樣電阻可以以電壓的大小來(lái)反應(yīng)出流經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路總電流的大小。Rp1、Rp2為康銅絲，由于在進(jìn)行電流采樣時(shí)會(huì)在采樣電阻上消耗一部分功率，所以在滿足測(cè)量情況的前提下，選取的電阻值越小越好。本課題中選取的康銅絲阻值為3 毫歐。采樣電壓經(jīng)過(guò)LM2904 放大后送至CY8C24533 的內(nèi)部，在MCU 內(nèi)部供兩路使用，一路用于過(guò)流保護(hù)。另一路信號(hào)，經(jīng)MCU 內(nèi)部PGA 模塊增益放大送至SAR8 模塊進(jìn)行AD 采集。采集后與限流值比較，調(diào)整PWM 占空比，使電流限制在一定范圍內(nèi)即限流。由于在無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行中，有時(shí)會(huì)啟動(dòng)柔性電子剎車功能，會(huì)產(chǎn)生反向電流信號(hào)，時(shí)間大概持續(xù)幾秒鐘，對(duì)LM2904 芯片產(chǎn)生很大的損害，所以圖3 中所示的同相比例放大電路中在同相端會(huì)疊加一個(gè)正向電壓，即使在康銅絲采樣點(diǎn)沒(méi)有信號(hào)時(shí)，運(yùn)放的輸出也在0 V 以上。這樣可以在很大程度上減少負(fù)信號(hào)對(duì)LM2904 的損害。因本設(shè)計(jì)用控制器的電流最大可達(dá)32 A 左右，康銅絲Rp1、Rp2并聯(lián)后的電阻阻值為4 毫歐左右，所以康銅絲的兩端的最大壓差為70 mV 左右。由于最大電流信號(hào)和零點(diǎn)信號(hào)疊加后大于200 mV，而運(yùn)放的最大輸出電壓為（VCC-1.5）V 左右，而本設(shè)計(jì)用的LM2904 的電源為5 V 供電，所以最大輸出電壓為3.5 左右，綜上參數(shù)，LM2904 的放大倍數(shù)選擇為15 倍左右，即電阻R2和R3的阻值比在1：14 左右。并且要采用精密電阻，保證放大倍數(shù)的準(zhǔn)確，為了運(yùn)放輸入的平衡還要在同相端加入R1作為平衡電阻，同樣采用精密電阻阻值與R2相等。但是需要注意在MOSFET 通斷過(guò)程中，由于寄生電容等因素的原因，康銅絲端的采樣電壓信號(hào)會(huì)有比較大的毛刺，若不進(jìn)行濾波處理，將對(duì)采樣的準(zhǔn)確性造成嚴(yán)重的影響。如圖3 中，由R1和C1構(gòu)成的低通濾波電路對(duì)康銅絲端的采樣信號(hào)進(jìn)行了濾波處理。R1和C1的低通濾波電路一方面響應(yīng)速度要夠快，才能及時(shí)的濾除干擾信號(hào)；另一方面，要設(shè)計(jì)好截止頻率，使無(wú)效的高頻干擾或者噪聲濾除。

圖3 電流采集電路Fig.3 Current sampling circuit

CY8C24533 之所以為電機(jī)控制專用芯片，主要是因?yàn)槠涮赜械闹鸫伪平容^模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊SAR8，典型的轉(zhuǎn)換時(shí)間為2.7 μs。電機(jī)控制中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是對(duì)電流的控制，控制電流的前提條件就是快速而準(zhǔn)確采集到電流值的大小。傳統(tǒng)的采集芯片雖然能夠在采樣速率上能夠滿足要求，但是在準(zhǔn)確性上就顯得力不從心。SAR8 逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可以在特定時(shí)刻觸發(fā)ADC 執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。SAR8 的觸發(fā)方式有：手動(dòng)單次觸發(fā)方式、自由運(yùn)行方式和自動(dòng)對(duì)齊同步觸發(fā)方式。自動(dòng)對(duì)齊同步觸發(fā)方式原理如圖4 所示。在該方式下有兩條通路：低通路（Low Path）和高通路（High Path）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)齊觸發(fā)[5]。

圖4 SAR8 自動(dòng)對(duì)齊同步觸發(fā)方式原理圖Fig.4 SAR8 Automatic alignment of synchronization trigger mode principle

同步觸發(fā)方式有兩條通道：低通道（Low Path）和高通道（High Path）均可以實(shí)現(xiàn)對(duì)齊觸發(fā)。這兩條通道均有一個(gè)和數(shù)字模塊的計(jì)數(shù)值進(jìn)行比較的8 位寄存器。如果低通道（Low Path）和該計(jì)數(shù)值比較結(jié)果相等時(shí)，CMP_LO 輸出高電平。如果高通道（High Paht）與該計(jì)數(shù)值比較結(jié)果相等時(shí)，則CMP_HI 輸出高電平。CMP_LO 和CMP_HI 的輸出通過(guò)Path Logic 可進(jìn)行邏輯與或者邏輯或運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果為1 時(shí)，就觸發(fā)一次AD 轉(zhuǎn)換。數(shù)字模塊中的比較值可由用戶自行設(shè)定。例如，當(dāng)DBB0 被配置成一個(gè)8 位的PWM 發(fā)生器時(shí)，在PWM 的一個(gè)周期內(nèi)，可以被觸發(fā)1 次或2 次A/D 轉(zhuǎn)換。當(dāng)CMP_LO 和CMP_HI 的寄存器中的某一個(gè)被啟用時(shí)，且Path Logic 設(shè)置為或運(yùn)算時(shí)，ADC 會(huì)被觸發(fā)一次；當(dāng)CMP_LO 和CMP_HI 的寄存器被設(shè)置成同一個(gè)值時(shí)，并且Path Logic 設(shè)置為與運(yùn)算時(shí)，ADC 會(huì)被觸發(fā)一次；當(dāng)CMP_LO 和CMP_HI的寄存器被設(shè)置成不同的值時(shí)，且Path Logic 設(shè)置成邏輯或運(yùn)算時(shí)，ADC 會(huì)被觸發(fā)兩次。在無(wú)刷直流電機(jī)的控制中，PWM 的作用在于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在任意一個(gè)PWM 周期中相電流不是恒定不變的，采用自對(duì)齊同步觸發(fā)方式可以在每一個(gè)PWM 周期的特定時(shí)刻觸發(fā)AD 采集電機(jī)的電流信號(hào)，對(duì)特定時(shí)刻的電流信號(hào)進(jìn)行分析判斷是否異常，若異常則通過(guò)相應(yīng)的控制采取相應(yīng)措施。

3 限流工作的軟件設(shè)計(jì)

無(wú)刷直流電機(jī)的電流控制能體現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的好壞[6]。電流的控制關(guān)鍵在于準(zhǔn)確和及時(shí)。準(zhǔn)確、及時(shí)正是對(duì)電流經(jīng)過(guò)LM2904 放大后由AD 采樣的到的值經(jīng)過(guò)處理控制PWM 波形而言的。準(zhǔn)確性體現(xiàn)在電流AD 采樣和轉(zhuǎn)換的時(shí)刻。本課題所使用的PSoC 的AD 模塊為SAR8，采用其對(duì)齊觸發(fā)采樣的方式。因?yàn)橐訮WM 波驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)電流與PWM 波同頻率，但相位滯后一定時(shí)間的脈動(dòng)電流波形，合適的采樣點(diǎn)在上升沿過(guò)后一定時(shí)間內(nèi)。及時(shí)主要體現(xiàn)在采樣的次數(shù)上，因?yàn)殡娏鞯淖兓芸?，在一個(gè)PWM 周期內(nèi)可能會(huì)有很大的起伏，所以最好是一個(gè)PWM 周期內(nèi)采樣多次，但是由于SAR8 的采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間為3.3 μs，單片機(jī)的速度受限，且改變PWM 脈寬寄存器的值不會(huì)立即改變PWM 占空比，要到下一個(gè)PWM 周期開(kāi)始才改變，所以一個(gè)周期采集一次足矣。采集到電流AD 值后，可以根據(jù)其值對(duì)PWM 脈寬做調(diào)節(jié)控制，用逐漸增減PWM 脈寬值的方法如圖5 所示。采集到的電流AD 值乘以占空比得計(jì)算的平均電流值，當(dāng)平均值大于限流值時(shí)，減小PWM 脈寬值，當(dāng)平均值小于限流值時(shí)，不馬上恢復(fù)原先的PWM 脈寬值，而是有一個(gè)環(huán)帶，當(dāng)電流值低于環(huán)帶值時(shí)才開(kāi)始逐漸增加PWM 脈寬值，當(dāng)恢復(fù)到原有值時(shí)就停止更新脈寬值。所以用平均值來(lái)控制PWM 脈寬值時(shí)，當(dāng)占空比很小時(shí)，電流即時(shí)值就相當(dāng)大，所以還需要最大值的控制，當(dāng)電流及時(shí)值大于最大值時(shí)，同樣執(zhí)行增減PWM 脈寬值程序代碼。當(dāng)即時(shí)值大于過(guò)流保護(hù)值時(shí)，開(kāi)啟過(guò)流保護(hù)使PWM 脈寬快速減為0，確保MOSFET 的安全。

圖5 軟件程序流程圖Fig.5 Flow chart of the software design

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)

對(duì)控制器性能的測(cè)試是在天津科達(dá)動(dòng)力測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的通用機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)設(shè)備（MCT-E2）上進(jìn)行的，搭配杭州威格智能儀器研究所的測(cè)功機(jī)軟件?？梢宰詣?dòng)接收儀器測(cè)試數(shù)據(jù)生成excel 表格。如表1 所示為本設(shè)計(jì)控制器在轉(zhuǎn)速為463 r/min 時(shí)，扭矩從0 逐步增加到50 nm 時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù)電機(jī)穩(wěn)定在特定轉(zhuǎn)速時(shí)，負(fù)載以線性方式逐步增加時(shí)，控制器的輸入電流跟隨負(fù)載扭矩的變化也成線性增加。當(dāng)負(fù)載大到一定程度時(shí)，電流隨負(fù)載扭矩的增加而非線性增加。此現(xiàn)象正是本設(shè)計(jì)中限流子程序中限流算法的體現(xiàn)。限流的作用在于當(dāng)控制器功率達(dá)到一定值時(shí)為減少控制器的發(fā)熱，提高控制器的效率，保證驅(qū)動(dòng)電路MOSFET 工作在安全的環(huán)境下而在軟件上做的措施。

表1 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Observed data

5 結(jié)論

文中對(duì)于電動(dòng)車控制器的限流功能，從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了介紹，提出了對(duì)齊采樣方式在限流工作中的關(guān)鍵作用。根據(jù)以上關(guān)于限流方法的設(shè)計(jì)以及從得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表1）上分析得帶一種比較好的限制控制器電流的方案，充分保證了控制器在電動(dòng)車運(yùn)行過(guò)程中的安全和帶負(fù)載的能力。

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