電動(dòng)摩托車無刷直流電動(dòng)機(jī)智能控制器設(shè)計(jì)

黃海波，梅建偉，蘭建平，張 凱

(湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北十堰442002)

0 引 言

電動(dòng)摩托車無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器已由早期的純模擬器件［1］，發(fā)展到目前的以DSP 等高性能微處理器為核心的數(shù)字化控制時(shí)代［2］，為無刷電機(jī)控制的功能擴(kuò)展和更新?lián)Q代提供了非常便利的條件。目前普遍采用基于PID 的速度電流雙閉環(huán)控制策略，難以滿足無刷電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和高性能高精度的要求。因而人們研究了各種改進(jìn)的控制策略，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［3］、滑模變結(jié)構(gòu)［4］、微粒群［5］等算法，這些算法雖然達(dá)到了較好的實(shí)驗(yàn)效果，但由于其復(fù)雜性且難以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，大都處于計(jì)算機(jī)仿真和驗(yàn)證階段。

由于電動(dòng)摩托車運(yùn)行環(huán)境非常惡劣，而微分項(xiàng)對(duì)噪聲極其敏感，因此無論對(duì)速度還是電流均不采用微分調(diào)節(jié)。針對(duì)常規(guī)PID 控制的缺點(diǎn)和復(fù)雜算法的難以實(shí)現(xiàn)問題，對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)雙閉環(huán)控制策略進(jìn)行改進(jìn)，其中速度外環(huán)采用參數(shù)自整定模糊PI控制，電流內(nèi)環(huán)采用基于積分分離的PI 控制。同時(shí)，為降低成本，采用高性能8 位單片機(jī)stm8s103，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)摩托車無刷直流電動(dòng)機(jī)的智能控制。

1 系統(tǒng)控制策略

無刷直流電動(dòng)機(jī)速度電流雙閉環(huán)控制如圖1 所示，單片機(jī)通過霍爾信號(hào)不僅知道了轉(zhuǎn)子空間位置，以此作為確定功率逆變電路的開關(guān)信號(hào)，而且還可以計(jì)算出電機(jī)的運(yùn)行速度，以此反饋速度與設(shè)定轉(zhuǎn)速一起作為自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)器的輸入。模糊速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的設(shè)定值，與電流檢測(cè)單元的反饋電流一起又作為積分分離電流調(diào)節(jié)器的輸入。電流調(diào)節(jié)器輸出一定占空比的PWM 信號(hào)，結(jié)合霍爾檢測(cè)出的位置關(guān)系來控制逆變電路功率MOSFET 的導(dǎo)通與關(guān)閉。

圖1 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制結(jié)構(gòu)

1.1 自適應(yīng)模糊速度調(diào)節(jié)

自適應(yīng)模糊速度PI 調(diào)節(jié)器如圖2 所示，設(shè)定速度n0和反饋速度n 的誤差e 和誤差變化率ec作為輸入變量，輸出變量Kp、Ki作為PI 控制器的輸入。根據(jù)電機(jī)的運(yùn)行特性建立模糊規(guī)則表:

(1)在電機(jī)起動(dòng)或加減速階段，誤差| e | 較大，為了加快起動(dòng)速度，Kp取較大的值;為了避免超調(diào)造成的系統(tǒng)不穩(wěn)定，這時(shí)應(yīng)當(dāng)限制K，取較小的值。

(2)當(dāng)反饋速度接近于設(shè)定速度時(shí)，即誤差| e |為中等大小時(shí)，在保證較好的響應(yīng)速度的前提下減小系統(tǒng)超調(diào)，這時(shí)Kp取較小的值，Ki取中等大小的值。

(3)當(dāng)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)調(diào)速時(shí)，即誤差| e | 較小時(shí)，為了保持電機(jī)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能，這時(shí)Kp和Ki都取較大的值。

圖2 自適應(yīng)模糊速度PI 控制器

在實(shí)際電機(jī)控制過程中，輸入變量e、ec和輸出變量Kp和Ki的值域都是不對(duì)稱的，設(shè)它們的變化范圍分別為［emin，emax］、［ecmin，ecmax］、［Kpmin，Kimax］，它們的歸一化模糊論域均為［－1，1］，正則化變換公式分別:

這里，E、EC、KP和KI分別是e、ec、KP和KI的模糊語(yǔ)言變量，ke、kec是輸入變量e 和ec 的量化因子，kKP、kKI是輸出變量KP和KI的量化因子。E、EC、KP和KI均采用相同的模糊子集{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，隸屬函數(shù)采用對(duì)稱均勻分布全交迭的三角形形式。采用常規(guī)模糊條件和模糊關(guān)系IF Aiand BiTHEN Ci形式建立模糊規(guī)則表。根據(jù)Mamdani 的min－max 合成法，得到采用加權(quán)平均解模糊化的輸出KP和KI，最終的實(shí)際輸出:

則增量PI 控制器的輸出:

1.2 積分分離電流調(diào)節(jié)

當(dāng)電機(jī)在起動(dòng)、停止，尤其是大幅度加減速和負(fù)載突變時(shí)，速度環(huán)的輸出，即電流設(shè)定值與電流反饋值之間都會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。為避免積分作用降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時(shí)應(yīng)該取消積分的作用。當(dāng)電流設(shè)定值與反饋值接近時(shí)就加入積分控制，以達(dá)到消除靜差提高控制精度的目的。

積分分離控制算法可簡(jiǎn)單表示:

這里，T 為采樣時(shí)間，也是電流調(diào)節(jié)的計(jì)算周期。β 是積分項(xiàng)的開關(guān)系數(shù)，當(dāng)| e(k)| ≤ξ 時(shí)，β = 1，否則β = 0?？刂扑惴ǖ某绦蛄鞒倘鐖D3 所示。

圖3 積分分離算法流程圖

2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電動(dòng)摩托車無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)主要包括:由三相全橋逆變主電路和驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成的功率驅(qū)動(dòng)單元，以stm8s103 單片機(jī)為核心的主控模塊，調(diào)速把、防盜、串口通信、剎車把、限速及定速巡航構(gòu)成的人機(jī)接口電路，相電流、母線電壓采集電路，Hall 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路等。下面將對(duì)電路中的主要模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2.1 單片機(jī)及外圍電路

圖4 單片機(jī)及外圍電路

單片機(jī)及外圍電路如圖4 所示，它是系統(tǒng)硬件電路的核心，單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)各路模擬和開關(guān)信號(hào)進(jìn)行采集和處理。其中模擬信號(hào)包括電源電壓、瞬時(shí)電流、平均電流、轉(zhuǎn)速把電壓等，這些信號(hào)都是通過AD 進(jìn)行采集;開關(guān)信號(hào)包括過流信號(hào)、限速信號(hào)、巡航信號(hào)和剎車信號(hào)等，這些信號(hào)都通過單片機(jī)的基本輸入輸出口進(jìn)行采集。為了監(jiān)測(cè)和調(diào)試方便，通過串口和PC 機(jī)通信，實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)的各種工作參數(shù)，并繪制響應(yīng)的工作波形。三路漏極開漏的霍爾信號(hào)SA、SB 和SC 首先通過上拉，再經(jīng)過硬件濾波送往單片機(jī)進(jìn)行電機(jī)測(cè)速測(cè)算并計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置關(guān)系，結(jié)合程序處理后的PWM脈寬，輸出相應(yīng)的U、V、W 三相上下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.2 驅(qū)動(dòng)及逆變電路

為了滿足電動(dòng)摩托車的輸出額定功率，并留有較大的峰值功率余量，采用12 只功率MOSFEF 75NF75 構(gòu)成三相逆變橋，每個(gè)橋臂由4 個(gè)MOSFET構(gòu)成，且每個(gè)橋臂的上下橋均有兩個(gè)MOSFET 并聯(lián)。上橋臂的漏極均接在48 V 電壓上，下橋臂的源極均通過阻值為5 mΩ 的電流采樣電阻R47 和R48。電機(jī)的三相繞組A、B 和C 均接在三個(gè)橋臂的中間點(diǎn)，且在電機(jī)內(nèi)部呈星型連接。在任意時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，另一相懸空，因此采樣電阻上的電壓真實(shí)反映了電機(jī)內(nèi)部繞組的電流變化。由于三相橋臂的驅(qū)動(dòng)及逆變電路完全相同，圖5 只列出了其中一相的驅(qū)動(dòng)和逆變電路。為了節(jié)省成本和電路板面積，將驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路集成在一起，并全部采用分立器件設(shè)計(jì)。為了避免上下橋臂直通短路現(xiàn)象，單片機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)要保證在一個(gè)電周期內(nèi)U+和U－各持續(xù)有效時(shí)間為120°，且相互間隔60°。從圖5 的驅(qū)動(dòng)部分可以看出，U+是高電平有效，U －是低電平有效。即U+為高電平且U－也為高電平時(shí)，上橋臂導(dǎo)通，下橋臂截止;U+為低電平且U－也為低電平時(shí)，上橋臂截止，下橋臂導(dǎo)通。

圖5 驅(qū)動(dòng)及逆變電路

2.3 電流采集電路

電流采集電路由圖6 所示的三個(gè)運(yùn)放電路組成，其中瞬時(shí)電流和平均電流的電路結(jié)構(gòu)完全相同，區(qū)別僅僅是電容C11 和C12 的不同。C11 的取值通常僅為幾百PF 左右，作用是消除電路中的噪聲，充分保持電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，而C12 的取值一般要在0. 1 μF 以上，對(duì)電流起到平均濾波的作用。因而從示波器上可以清晰地看到瞬時(shí)電流的脈動(dòng)波形，而平均電流則呈直線狀態(tài)。電流采集在整個(gè)系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是將平均電流作為電機(jī)雙閉環(huán)控制策略電流內(nèi)環(huán)的輸入信號(hào)。二是將瞬時(shí)電流作為系統(tǒng)的限流信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的功率進(jìn)行限制，通過調(diào)節(jié)平均電流的大小可以限制系統(tǒng)的功率輸出，同時(shí)也起到一定的保護(hù)作用。三是采樣電流信號(hào)通過設(shè)定的比較器后產(chǎn)生的過流信號(hào)作為單片機(jī)的IO 引腳中斷信號(hào)，一旦過流信號(hào)有效，單片機(jī)即進(jìn)入中斷保護(hù)，關(guān)掉電機(jī)，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。

圖6 電流采集電路

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)stm8s103 單片機(jī)的性能特點(diǎn)，將系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為主程序和中斷服務(wù)程序兩大部分。如圖7(a)所示，在主程序部分主要完成系統(tǒng)的初始化，包括CPU 時(shí)鐘設(shè)定，PI 參數(shù)初始化，IO 口功能掃描(含巡航、限速)等。因?yàn)閟tm8s103 的AD 具備連續(xù)掃描工作模式，且AD 的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)CPU 主頻(16 MHz)的一半，因此將所有需要AD 轉(zhuǎn)換的信號(hào)，包括瞬時(shí)電流、平均電流、電源電壓、轉(zhuǎn)速把電壓分別作為AD 轉(zhuǎn)換的四個(gè)通道AIN0－AIN3 的輸入，一旦設(shè)定連續(xù)掃描模式后，單片機(jī)就自動(dòng)完成從AIN0 到AIN3 的連續(xù)輪詢轉(zhuǎn)換，并一直循環(huán)下去。各個(gè)通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果都存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)的緩沖寄存器里，以方便隨時(shí)讀取，這樣就大大簡(jiǎn)化了AD 轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計(jì)，并提高了軟件處理的實(shí)時(shí)性。在主程序中還要設(shè)計(jì)與PC 機(jī)的串口通信功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作參數(shù)。由于雙閉環(huán)控制算法的復(fù)雜性，將這部分重要的功能實(shí)現(xiàn)也放在主程序中，最后結(jié)合限流條件，產(chǎn)生一定占空比的PWM 波。

圖7 程序流程圖

在圖7(b)的中斷服務(wù)程序中完成對(duì)系統(tǒng)安全性和實(shí)時(shí)性要求較高的功能，包括過流、剎車、報(bào)警、過壓/欠壓，這些信號(hào)一旦發(fā)生立即進(jìn)行關(guān)閉PWM信號(hào)輸出并關(guān)機(jī)等緊急處理。還有霍爾信號(hào)中斷，通過霍爾信號(hào)狀態(tài)完成轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)和轉(zhuǎn)速計(jì)算，為自適應(yīng)轉(zhuǎn)速模糊調(diào)節(jié)提供反饋量。

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用于電動(dòng)摩托車專用輪轂電機(jī)，電機(jī)參數(shù):額定功率800 W，額定轉(zhuǎn)速3 500 r/min，電壓48 V，極對(duì)數(shù)32。將瞬時(shí)電流的限流值設(shè)定為30 A，這樣控制器的輸出功率可達(dá)到1 400 W 以上，以滿足電機(jī)的瞬時(shí)功率要求。將積分分離的電流閾值ξ 設(shè)定為15 A，一旦電流差值大于設(shè)定的閾值，就分離積分環(huán)節(jié)。通過兩通道示波器觀測(cè)到的信號(hào)波形如圖8 所示，其中圖8(a)是單片機(jī)輸出的某一相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其中一通道顯示的是作用于下橋臂的電平控制信號(hào)，下橋臂顯示的是作用于上橋臂的PWM 信號(hào)。圖8(b)上下顯示的是電機(jī)兩相繞組的相電壓，幅值為電源電壓48 V，中間顯示的是兩相繞組的線電壓，可見在兩相繞組的切換過程中存在反電動(dòng)勢(shì)形成的衰減過渡信號(hào)。

圖8 工作波形

上位機(jī)可通過串口實(shí)時(shí)接收系統(tǒng)工作參數(shù)，圖9 是根據(jù)接收的參數(shù)畫出的電機(jī)運(yùn)行速度和電流曲線。其中圖9(a)是電機(jī)起動(dòng)測(cè)試波形，電機(jī)在約2 s 時(shí)快速起動(dòng)，經(jīng)過短暫的超調(diào)即達(dá)到設(shè)定的額定速度3 500 r/min，初始起動(dòng)峰值電流達(dá)到24 A，2 s后電流迅速減小。圖9(b)是設(shè)定轉(zhuǎn)速3 000 r/min帶載運(yùn)行過程中在10～20 s 期間負(fù)載突變的測(cè)試波形，可見雖然電流變化較大，但速度變化仍較平緩。

圖9 速度電流曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)硬件除了高性能stm8s103 單片機(jī)和常用運(yùn)放外，全部采用分立器件構(gòu)成，控制器具有較高的性價(jià)比。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，控制器輸出的信號(hào)平滑且穩(wěn)定，抗噪性能好，抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)，系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性。目前該控制器已經(jīng)過大量的室外各種環(huán)境測(cè)試，并進(jìn)入批量試制階段。

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