32位國產(chǎn)MCU在電動車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃文理，葉 晨

（1.浙江珊溪經(jīng)濟發(fā)展有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325014；2.寧波星箭航天機械有限公司，浙江 寧波315153）

0 引言

近年來，伴隨著城市化進程，人們的環(huán)境保護意識越來越強烈，代替燃油汽車和自行車的電動車的普及大幅度提高了電力資源的利用效率，在人們生活中的地位也日益重要。早期的電動車動力系統(tǒng)采用有刷電機，但隨著控制技術(shù)和直流電機的發(fā)展，無刷電機逐漸取代有刷電機并成為電動車動力系統(tǒng)的首選。對采用無刷直流電機提供動力的電動車而言，控制器的水平已是衡量其整機性能的重要指標(biāo)。

目前，國內(nèi)電動車無刷直流電機控制器設(shè)計大都采用通用微控制器（Micro Control Unit，MCU）和外圍分立元件，導(dǎo)致控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試很復(fù)雜，并占用較大的電路板面積，與控制器內(nèi)嵌至電機內(nèi)部的發(fā)展方向相違背。本設(shè)計采用基于MIPS架構(gòu)32位MCU作為主控芯片，通過對電動車控制器軟硬件的改進，設(shè)計并實現(xiàn)了一個性能穩(wěn)定、效率高、集成化的無刷直流電機控制器系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理

M3微控制器是上海某微電子公司研發(fā)的一款高度集成32位可配置的嵌入式處理器，內(nèi)置32位CPU、RAM、可編程Flash，支持MIPS-I指令集編程。內(nèi)含可編程多功能 I/O、Time0/1/2、UART0/1、SPI、內(nèi)置OP和比較器的電機控制單元與一個8通道16-bit通用ADC。該系列處理器與傳統(tǒng)單片機的最大區(qū)別在于其內(nèi)部集成了運算放大器模擬模塊和6路帶死區(qū)控制PWM數(shù)字模塊，用戶可以根據(jù)不同設(shè)計要求，調(diào)用相應(yīng)模塊，實現(xiàn)所需控制功能。該微處理器的另一特點是數(shù)據(jù)和指令均為32位，方便開發(fā)者編程，功能強大并適應(yīng)非常復(fù)雜的實時控制系統(tǒng)，大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，有效降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費用，同時增強了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

M3處理器作為電機控制的核心主控芯片，其控制方式如下：M3處理器實時讀取無刷電機轉(zhuǎn)子位置傳感器上的脈沖信號，判斷當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，輸出相應(yīng)6路PWM信號控制功率MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，進而驅(qū)動無刷直流電機旋轉(zhuǎn)[1]。電機正常工作時，霍爾位置傳感器發(fā)出位置信號，M3處理器接收到位置信號后，計算出當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，與電機預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速比較，利用PID算法產(chǎn)生合適占空比的PWM控制信號調(diào)節(jié)電機達到所需的控制狀態(tài)。同時實時檢測流過功率管的電流，進行電流環(huán)控制和過電流檢測。電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，M3處理器負(fù)責(zé)處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令。

圖1 電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 各功能部分硬件設(shè)計與優(yōu)化

2.1 功率管驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化

一般功率MOSFET的柵極驅(qū)動電壓VGS為10～15 V，且在開關(guān)態(tài)中，需要較大的電流驅(qū)動，否則上升下降時間會變得很慢，影響驅(qū)動效率。從MCU出來的數(shù)字信號是不能達到要求的，需要設(shè)計外圍電路加大驅(qū)動能力[2]。傳統(tǒng)無刷直流電機的驅(qū)動電路包括信號處理電路和功率開關(guān)電路，完全采用分立元件構(gòu)成，嚴(yán)重限制了控制器性能和增加了面積[3]。

本文采用無錫某公司研發(fā)的MOSFET驅(qū)動芯片PN7006，其功率驅(qū)動管采用N溝道的功率MOSFET，驅(qū)動電路如圖2所示。驅(qū)動控制電路為功率MOS管的開關(guān)提供足夠的電壓和電流，M3處理器輸出的上下橋臂PWM控制信號，經(jīng)過功率管驅(qū)動電路變換，就可以有足夠功率驅(qū)動無刷電機。

圖2 功率管驅(qū)動電路

但是驅(qū)動電路中的震蕩現(xiàn)象必須考慮。同一橋臂上的兩個功率MOSFET在開通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中，由于較高的dv/dt，柵極驅(qū)動信號會產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致功率MOSFET產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗[4]。當(dāng)上管開通時，會在下管柵極產(chǎn)生阻尼衰減振蕩信號。更嚴(yán)重的是若振蕩的幅值達到功率MOSFET的門限電壓，下管將開通，而上管正處于開通狀態(tài)，此時將造成上下功率管的直通現(xiàn)象，損壞功率管。

開通時間是影響驅(qū)動信號振蕩幅值的主要因素，二者成反比關(guān)系。適當(dāng)延長器件的開通時間，即可很大程度上減小振幅。因此在功率MOSFET的柵極前加一個緩沖電阻R1、R2，增加器件的開通時間，減少驅(qū)動信號振蕩幅值。緩沖電阻的阻值要設(shè)置適當(dāng)，因為過大的電阻會引起更長的開通和關(guān)斷時間，不但與減小死區(qū)時間的要求相違背，而且還會增加功率MOSFET的開關(guān)損耗，因此要根據(jù)電流容量和電壓的額定值以及開關(guān)頻率選擇合適的緩沖阻值[5]。圖2中緩沖電阻R1、R2，其阻值一般在50Ω左右。在功率MOSFET的柵源極間并聯(lián)電容C3、C4以延長柵極電容的充電時間，降低電壓變化率，消除不同MOS管由工藝不同導(dǎo)致Cgs不同的隱患。緩沖電路參數(shù)通常的選取原則為：

式中：f為功率MOSFET的工作頻率。

2.2 電流檢測和過流保護電路優(yōu)化

為向雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的PI電流控制器反饋流過電機繞組的相電流和過電流保護，當(dāng)三相全橋逆變電路驅(qū)動無刷直流電機系統(tǒng)時，只要檢測通過功率管的電流即可。常用無刷直流電機的電流測量方法有：電阻法、電流霍爾傳感器、電流互感器[6，7]。在滿足精度要求條件下，電流霍爾傳感器和電流互感器相對于電阻成本更高，并且電流霍爾傳感器和電流互感器安裝更為復(fù)雜。本文采用相對簡便的電阻法檢測電機電流。

M3微處理器內(nèi)部集成4個運算放大器，只需外接少量分立元件即可實現(xiàn)電流檢測和過電流保護功能，如圖3所示。通過檢測康銅絲電阻上電壓的大小即可得知流過電機繞組的電流，本系統(tǒng)的控制器所用康銅絲阻值為10mΩ，假設(shè)無刷直流電機允許流過的最大電流為20A，則康銅絲上最大電壓為0.2V。由于主控制器芯片M3的模數(shù)轉(zhuǎn)換接口對小于0.2V的電壓較難檢測，因此需要對康銅絲上產(chǎn)生的壓降進行放大和電壓轉(zhuǎn)換，之后通過M3微處理器片內(nèi)寄存器設(shè)置即可直接接入16位ADC模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

由 R7、R8、R10組成過流保護電路，OP1 的同相輸入端電壓為：

帶入相關(guān)參數(shù)后，計算得到U+=0.227V。可以得出當(dāng)康銅絲上的電壓小于0.227V時，UOC輸出為高電平；反之，翻轉(zhuǎn)輸出低電平，代表此時發(fā)生過電流，PWM輸出不使能，此時相應(yīng)的過流標(biāo)志位會被設(shè)置為1。

由 R6、R9、R11、R12和 OP2 組成的電流檢測電路，其中R11、R12組成負(fù)反饋電路對康銅絲上的電壓進行放大，放大倍數(shù)為11。假設(shè)流過電機的電流為10A，則康銅絲上的電壓為0.1V，OP2的正向輸入電壓為0.1887V，輸出端電壓2.01V。對于主控制芯片M3的模擬轉(zhuǎn)換模塊，OP2輸出電壓更容易檢測。

圖3 電流檢測和過流保護電路

2.3 位置檢測電路

在無刷電機中，一般采用3個開關(guān)型霍爾傳感器測量轉(zhuǎn)子的位置，由其輸出的3位二進制編碼控制逆變器中6個功率管的導(dǎo)通實現(xiàn)換相。但是考慮到成本控制和霍爾信號容易損壞等不利因素，無霍爾無刷直流電機得到了應(yīng)用和發(fā)展。在M3微處理器中，內(nèi)部集成的3路比較器也支持通過檢測反電動勢信號得知當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置。

目前根據(jù)檢測原理的不同，轉(zhuǎn)子位置檢測的方法主要包括反電動勢法、電感法、磁鏈法以及人工智能法等[8]。在眾多方法中，反電動勢法是目前應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最成熟的一種。本文結(jié)合M3微處理器內(nèi)部集成的3路比較器，設(shè)計了端電壓檢測電路，如圖4所示。反電動勢過零檢測法是通過檢測非導(dǎo)通相繞組的端電壓，通過讀取三個運算放大器輸出信號來獲得反電動勢過零點，進而為無刷直流電機換相提供正確的換相信息。

本文采取在星型電阻連接結(jié)構(gòu)來等效電機繞組獲得反電動勢的同時，在三相電阻等效電路上分別并聯(lián)了一組由三極管控制的電阻分壓開關(guān)電路來控制反電動勢的幅值。增加的PWM控制的電阻分壓開關(guān)電路可以隨著轉(zhuǎn)速的增加減小采樣電阻阻值，從而可以避免反電動勢幅值高于過零比較器的供電電壓，防止損壞過零檢測電路[9]。

圖4 改進型無霍爾位置檢測電路

3 系統(tǒng)測試

依前所述方案制作了實驗樣品及控制器電路。

本實驗采用Y型連接的三相無刷直流輪轂一體式電機，額定工作電壓為48V，額定電流為15A?？刂破鲗嵨锶鐖D5所示。該系統(tǒng)包含電源電路、三相功率逆變驅(qū)動電路、以M3微處理器為核心的系統(tǒng)板、反電動勢檢測電路、位置檢測電路、電源檢測等關(guān)鍵電路。M3微處理器通過接收上位機命令，結(jié)合轉(zhuǎn)子位置輸出PWM信號給功率驅(qū)動電路，最后通過控制MOSFET的開通和關(guān)斷，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。M3微處理器的片內(nèi)16位ADC模塊實時讀取電流信號，CCU6模塊是專門用于電機PWM控制的單元，可以輸出帶死區(qū)控制6路PWM信號直接控制三相全橋逆變電路。

實驗過程中采用H_PWM-L_ON調(diào)制方式[10]，PWM調(diào)制頻率為16kHz。電動車在不同負(fù)載的情況下，均可成功啟動，無錯位和失步現(xiàn)象。電動車正常運行時的換相波形如圖6所示，從圖中可以看出，電機換相準(zhǔn)確、平穩(wěn)，達到了設(shè)計目的。圖7為上橋臂MOSFET進行PWM時的波形，可以看出，柵極電壓是浮置在源極電壓上，壓差為15V，上升下降沿也較為理想。上下功率MOSFET的柵極波形有明顯的死區(qū)時間，保證了兩開關(guān)管不會同時導(dǎo)通，該電路改進非常有效的優(yōu)化了驅(qū)動電機性能。

圖5 電動控制器實物

圖6 相電壓信號波形

圖7 PWM信號與MOS管開啟信號波形

4 結(jié)語

針對電動車控制器通用8位微處理器開發(fā)性能受限問題，提出一種以M3微處理器為核心的電動車控制器方案。根據(jù)該設(shè)計方案，充分利用M3微處理器片內(nèi)資源，設(shè)計并改進了市場上控制器的功率管驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)把速采樣電路、位置檢測電路等。實驗結(jié)果表明：32位MIPS處理器M3能很好應(yīng)用于電動車領(lǐng)域，部分模塊電路的集成化有效提高了電動車控制器的性能，減少了電動車控制器體積，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。