鐘曉偉， 宋蟄存， 許 剛(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

無刷直流電機(jī)(Brushless DC Motor，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(jī)，它屬于同步電機(jī)的范疇，既具有交流電機(jī)運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。電動(dòng)自行車用電機(jī)已由早期的傳統(tǒng)直流電機(jī)發(fā)展到BLDCM階段，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，數(shù)字式控制器使電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)更靈活，功能更豐富，因而得到廣泛應(yīng)用［1-2］。

1 電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)自行車由車體、電驅(qū)動(dòng)裝置(電機(jī))、可充電電池、充電器和控制系統(tǒng)五大部分組成。由蓄電池提供電源，電動(dòng)機(jī)接通電源后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由電動(dòng)機(jī)發(fā)出動(dòng)力，傳給驅(qū)動(dòng)輪而產(chǎn)生牽引力，使車輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。在控制器上連接一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以控制控制器輸送給電動(dòng)機(jī)的電壓，通過變換電機(jī)繞組電壓來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制電動(dòng)自行車車速。BLDCM主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路(逆變器)三部分組成［2］。以BLDCM為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電動(dòng)自行車用無刷電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:以單片機(jī)為核心的主控模塊，轉(zhuǎn)把、閘把輸入電路;電機(jī)換向驅(qū)動(dòng)電路;相電流、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路［3］。

單片機(jī)作為主控芯片，其主要功能是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電機(jī)控制算法，包括傳統(tǒng)的PID控制，以及近年來針對(duì)無刷電機(jī)非線性、強(qiáng)耦合特性而提出的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制;BLDCM沒有電刷和換向器，實(shí)現(xiàn)電子換向要依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸入為電機(jī)提供正確的換向時(shí)序，控制逆變電路中功率開關(guān)管的通斷，使電機(jī)繞組按一定時(shí)序通斷產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)?？刂破骺赏ㄟ^采樣轉(zhuǎn)子位置傳感器的固定時(shí)間內(nèi)電平翻轉(zhuǎn)次數(shù)，經(jīng)過適當(dāng)運(yùn)算可計(jì)算出電機(jī)速度反饋輸入;BLDCM具有和一般直流電動(dòng)機(jī)基本相同的調(diào)速特性，只要改變電機(jī)的輸入電壓或勵(lì)磁電流的大小，就可以方便地進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，因此控制器多采用自帶脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)輸出功能的MCU;實(shí)際運(yùn)行過程中由于負(fù)載變化可能導(dǎo)致電機(jī)繞組過流，電流檢測(cè)可作為控制器中斷輸入，發(fā)生過流時(shí)封鎖逆變電橋功率開關(guān)管，避免損壞電機(jī)，也可作為雙閉環(huán)電流內(nèi)環(huán)的電流反饋環(huán)節(jié)使用。

2 BLDCM控制策略

BLDCM轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩，因而在對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合可以采用。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起動(dòng)、制動(dòng)等，單閉環(huán)控制系統(tǒng)就難以滿足要求。為了改善BLDCM控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就很有必要在速度負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入電流負(fù)反饋環(huán)來控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩。對(duì)于自行車電機(jī)控制系統(tǒng)，為了滿足無超調(diào)、抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)性好的要求，采用轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制策略。電流內(nèi)環(huán)采用經(jīng)典PI調(diào)節(jié)，速度外環(huán)采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示［4］。

圖2 BLDCM雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

ATmega16是低功耗、高性能8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的精簡指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間使得ATmega1的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)16 MIPS/16 MHz。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。ATmaga16單片機(jī)自帶8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，4通道PWM，由于電動(dòng)自行車轉(zhuǎn)把、電機(jī)相電流輸入都是模擬量，非常適合用作電動(dòng)自行車控制器［5］。

基于ATmega16單片機(jī)的電動(dòng)自行車用BLDCM控制器主控模塊如圖3所示，單片機(jī)片外接口主要包括:電池電量檢測(cè)輸入接PA0口;轉(zhuǎn)把調(diào)速模擬輸入量接PA1口，閘把數(shù)字量輸入接PB0口;附加功能輸入包括防盜、EABS、巡航;三個(gè)霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器輸入Ha、Hb、Hc;電流模擬量輸入接單片機(jī)的PA2口，過流保護(hù)中斷請(qǐng)求連接單片機(jī)的INT0;逆變電路中功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)輸出，上橋臂三個(gè)開關(guān)管PWM控制，下橋三個(gè)開關(guān)管常開，實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)電子換向及無級(jí)調(diào)速。

圖3 主控模塊

3.2

信號(hào)輸入處理電路

3.2.1 霍爾信號(hào)輸入與報(bào)警電路

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路在系統(tǒng)中的作用有兩個(gè):①檢測(cè)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置為逆變電路提供正確的換相信號(hào);②通過檢測(cè)某路霍爾脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，計(jì)算后轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)，構(gòu)成速度反饋環(huán)節(jié)［4］，霍爾信號(hào)輸入處理及報(bào)警電路如圖4所示。

圖4 信號(hào)處理及報(bào)警電路

3.2.2 轉(zhuǎn)把調(diào)速與閘把剎車輸入電路

市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)自行車的轉(zhuǎn)把為霍爾轉(zhuǎn)把，霍爾轉(zhuǎn)把輸出與轉(zhuǎn)動(dòng)幅度成正比的模擬電壓值，送到單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，單片機(jī)通過片內(nèi)集成的A/D轉(zhuǎn)換器將輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，運(yùn)算后根據(jù)控制算法輸出占空比合適的PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

閘把信號(hào)是電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)信號(hào)。電動(dòng)自行車閘把的位置傳感元件一般為開關(guān)型霍爾感應(yīng)元件(分剎車低電位和剎車高電位兩種)。電子低電位閘把的剎車信號(hào)是常高電位，當(dāng)剎車時(shí)，閘把內(nèi)部的霍爾元件信號(hào)翻轉(zhuǎn)，其信號(hào)變成低電位。電子高電位閘把的剎車信號(hào)是常低電位，當(dāng)剎車時(shí)，閘把內(nèi)部的霍爾元件信號(hào)翻轉(zhuǎn)，其信號(hào)變成高電位。該控制器兼容低電平與高電平剎車輸入。轉(zhuǎn)把與閘把輸入電路如圖4所示。

3.2.3 電流檢測(cè)電路

對(duì)于三相六狀態(tài)BLDCM，任一時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，電流從一相繞組流進(jìn)，從另一相繞組流出，電流大小與直流側(cè)電流大小相等。在直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)采樣電阻即可檢測(cè)導(dǎo)通相的相電流［2］。

LM324(U1A)構(gòu)成一個(gè)電壓比較器，把檢測(cè)的電流信號(hào)與已知電壓比較，得到過流輸出信號(hào)，過流時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)觸發(fā)單片機(jī)中斷，及時(shí)關(guān)斷功率開關(guān)管。內(nèi)部電流環(huán)電流通過一個(gè)由LM324(U2A)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相比例放大電路來獲得，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)化為與電流成正比的電壓信號(hào)送入單片機(jī)PA2口。

3.3 輸出驅(qū)動(dòng)電路

3.3.1 IR2130驅(qū)動(dòng)電路

IR2130是MOS、IGBT功率器件專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，通過其內(nèi)部自舉電路，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)和高壓側(cè)的功率元件。IR2130具有6路輸入信號(hào)和6路輸出信號(hào)，且只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開關(guān)器件，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路更加簡單可靠。IR2130引腳如圖5所示，高壓側(cè)通道的輸出驅(qū)動(dòng)電源是通過自舉技術(shù)獲得的，高壓側(cè)的柵極電荷由自舉電容C7、C8、C9提供。自舉電容在器件斷態(tài)時(shí)通過自舉二極管被12 V充電，且為了防止自舉電容兩端電壓放電，3個(gè)自舉二極管D4、D5、D6應(yīng)選用高頻快恢復(fù)二極管［6］。

圖5 IR2130驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)根據(jù)霍爾傳感器輸入信號(hào)經(jīng)內(nèi)部邏輯處理輸出6個(gè)控制信號(hào)，分別送到IR2130的2～7管腳，經(jīng)IR2130內(nèi)部處理產(chǎn)生6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)逆變電橋中6個(gè)功率MOSFET管。通過電阻RS檢測(cè)到的電流信號(hào)分別送給IR2130的9腳(過電流信號(hào)檢測(cè)輸入端)和13腳(放大器同相輸入端)。當(dāng)外電路發(fā)生過流或直通時(shí)，引腳9端電壓高于0.5 V時(shí)，內(nèi)部保護(hù)電路使IR2130輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，6只功率管全部截止，起到保護(hù)作用。

3.3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

BLDCM的三相六狀態(tài)控制方式是每次使逆變電橋中兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，每隔60°電角度改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個(gè)開關(guān)管。ATmega16單片機(jī)僅四路PWM輸出，不可能對(duì)6只功率開關(guān)管進(jìn)行PWM控制。因此采用HPWM-LON控制方式，即上橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM控制，下橋臂開關(guān)管保持常開。BLDCM的A相繞組驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示［6］。

圖6 單相繞組驅(qū)動(dòng)連接圖

4 調(diào)節(jié)器參數(shù)確定

以兩相同時(shí)導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析

BLDCM的數(shù)學(xué)模型。考慮理想情況:三相繞組完全對(duì)稱，且在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布;氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布對(duì)稱;磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗;忽略電樞反應(yīng)、齒槽及換向的影響。得到BLDCM的轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)為［7］

式中:L——三相定子自感;

R——每相定子繞組電阻;

KT——電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù);

Ke——反電動(dòng)勢(shì)常數(shù);

KD——轉(zhuǎn)動(dòng)部分阻尼系數(shù);

J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

由式(1)可知轉(zhuǎn)速大小與繞組電壓成正比。

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用樣機(jī)參數(shù)如下:額定電壓U=36 V，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，相電阻R=1 Ω，定子相繞組自感L=0.02 H，互感 M=－0.006 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J=0.005 kg·m2，極對(duì)數(shù)為2。反電勢(shì)系數(shù) Ke=0.072 v/rad·s－1。在MATLAB/Simulink圖形化建模環(huán)境下，利用系統(tǒng)仿真基本模塊搭建了控制器的仿真模型。仿真結(jié)果如圖7所示。其中速度PID調(diào)節(jié)器三個(gè)參數(shù)取值為 kp=14，ki=6.7，kd=1.4。電流 PI調(diào)節(jié)器兩個(gè)參數(shù)取值為kp=4.9，ki=3.4。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖7 系統(tǒng)仿真波形

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，C語言編程。電動(dòng)自行車BLDCM控制系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)BLDCM轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)、轉(zhuǎn)速的計(jì)算、電流與轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、PWM信號(hào)的生成及故障信號(hào)的處理等功能［8］。因此，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化子程序，霍爾信號(hào)采集子程序，閘把、轉(zhuǎn)把輸入信號(hào)采集，速度環(huán)、電流環(huán)運(yùn)算子程序，中斷服務(wù)子程序等。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

6 結(jié)語

以ATmega16單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車用BLDCM控制器，具有比傳統(tǒng)純模擬控制器更好的控制效果，更易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能化控制、增加附加功能。功率器件專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路得以簡化，減少了外圍元件，提高了控制器可靠性。

［1］王小明.電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002.

［2］張強(qiáng)，吳紅星.基于單片機(jī)的電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［3］李胤昌，鄭日榮.基于PIC單片機(jī)的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(8):136-138.

［4］尹衍辰，范瑜.基于DSC的永磁無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2005，38(2):25-28.

［5］楊正忠，耿德根.AVR單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)指南及實(shí)例精解［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［6］謝運(yùn)祥，歐陽森.電力電子單片機(jī)控制技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［7］張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［8］董學(xué)明，范承志.電動(dòng)自行車用智能型無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器［J］.微電機(jī)，2006，39(2):97-99.