摘要

以無刷直流電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，介紹了一種基于高效DC/D C 電源模塊的電動(dòng)車控制系統(tǒng)。討論了無刷直流電動(dòng)機(jī)的組成和基本工作原理，設(shè)計(jì)了包括電源電壓轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)及功率主電路及保護(hù)電路在內(nèi)的硬件控制電路，并編寫了相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)。

近年來隨著綠色出行的倡導(dǎo)，電動(dòng)車開始走入人們的視野。電動(dòng)車有望采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。由于現(xiàn)在的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的電源還沒有完全做到模塊化電源，而使其在電源的變更性上有很大的欠缺，而電源模塊具有設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，開發(fā)周期短，變更性強(qiáng)，技術(shù)要求低，質(zhì)優(yōu)可靠，用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛提倡使用。

因此將高效的電源模塊使用在電動(dòng)車上具有重要的工程實(shí)際意義。

1 無刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介

1 . 1 無刷直流電動(dòng)機(jī)組成

無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)，其組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)，控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)，開關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器的功率開關(guān)器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組，使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。

1 . 2 無刷直流電機(jī)的基本工作原理

無刷直流電機(jī)的工作原理圖如圖2 所示。無刷直流電機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接，位置傳感器與電機(jī)本體同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率管開關(guān)，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。其中，有一種常用工作方式為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式，即轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)60℃電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。

2 控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2 . 1 輔助電源電壓轉(zhuǎn)換電路

在實(shí)際控制器中，驅(qū)動(dòng)芯片IR2103需要15V ，單片機(jī)、LM358、74LS0 8 需要5V 的電源供電。而電動(dòng)車的電池為48V 直流電，所以要將48V 變?yōu)?5V 和5V ，這就需要電壓轉(zhuǎn)換電路。在這部分采用了高效的DC/DC電源模塊，來提供穩(wěn)定的電壓，具體電路圖如圖3 所示。

2 . 2 驅(qū)動(dòng)及功率主電路

主功率逆變電路如圖4 所示。主電路為三相全橋結(jié)構(gòu)，因?yàn)槿嗍峭耆恢碌模瑘D中只畫了一相。無刷直流電動(dòng)機(jī)以“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”方式運(yùn)行，即每一狀態(tài)中有兩相繞組導(dǎo)通，電機(jī)每轉(zhuǎn)過一周有六種磁勢(shì)狀態(tài)，這六種磁勢(shì)狀態(tài)互差6 0 度電角度，形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于單片機(jī)輸出的換相信號(hào)電流不足以驅(qū)動(dòng)MOSFET，所以需要另加驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)芯片選擇IR2103。

2 . 3 保護(hù)電路

無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中，保護(hù)電路占據(jù)著很重要的地位，主要作用是保護(hù)控制系統(tǒng)的核心部件單片機(jī)免受高電壓、過電流沖擊，同時(shí)也保護(hù)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路免受損壞。整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)電路主要有兩個(gè)部分:過流保護(hù)電路、欠電壓保護(hù)電路。

電流檢測(cè)及過流保護(hù)電路如圖5 所示：使用LM3 5 8 的兩個(gè)運(yùn)算放大器，一個(gè)作隔離放大用，另一個(gè)作比較輸出用。LM3 5 8 的腳7 是過流信號(hào)，此信號(hào)與PWM信號(hào)相與，然后，再與各相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相與，用來驅(qū)動(dòng)IR2 1 0 3芯片的兩個(gè)輸入引腳。

電壓檢測(cè)電路及欠壓保護(hù)是通過電阻分壓和軟件編程實(shí)現(xiàn)的，如圖6 所示。

電動(dòng)車由蓄電池提供48 V 的直流電。如果電壓小于42 V ，則算作欠壓。欠壓保護(hù)電路的作用是，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)計(jì)值(42V )時(shí)，把輸出限定在某一安全值的范圍內(nèi)，或使輸出電壓關(guān)閉，從而達(dá)到保護(hù)電源模塊和用電設(shè)備的雙重功效。

3 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)

主程序要完成系統(tǒng)的初始化，中斷設(shè)置，變量初始化和電機(jī)的軟起動(dòng)過程。為了在初始化的過程中，防止中斷的意外到來，應(yīng)在主程序的開始處先關(guān)閉中斷，完成初始化后，再打開中斷。完成軟起動(dòng)后，主程序進(jìn)入一個(gè)查詢操作的循環(huán)過程，程序不斷地查詢判斷換相更新標(biāo)志是否為真，若為真則調(diào)用換相服務(wù)子程序以給電機(jī)相應(yīng)定子繞組通電;若為假則等待換相更新標(biāo)志在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷子程序中置為真，主流程圖如圖7 所示。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合一臺(tái)無刷直流電機(jī)，以高效DC/DC電源模塊為核心，獨(dú)立設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單穩(wěn)定的電源電路。針對(duì)系統(tǒng)的控制策略設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制電路及功率變換電路，系統(tǒng)控制與保護(hù)等功能采用主控單片機(jī)集中處理，增加了系統(tǒng)的可靠性。