何躍軍

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東深圳518055）

一種電動(dòng)車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

何躍軍

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，廣東深圳518055）

介紹了一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)方案．該控制器控制對(duì)象為功率在1～5 kW范圍內(nèi)的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，適用于多種中型電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)控制.與采用傳統(tǒng)的直流電機(jī)或異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器相比，本驅(qū)動(dòng)控制器采用無(wú)刷電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，具有能流密度高、使用壽命長(zhǎng)、調(diào)速范圍寬、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)．驅(qū)動(dòng)控制器采用正弦波空間矢量控制（SVPWM）策略，既保留有同步電機(jī)矢量控制策略的動(dòng)力性能好、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)低等優(yōu)點(diǎn)，又省略了矢量控制所必須需的轉(zhuǎn)子編碼器，因而控制方式更為簡(jiǎn)潔、可靠，且成本低．驅(qū)動(dòng)控制器以Microchip公司的DSPIC33FJ32MC204控制芯片作為控制核心，使用大功率MOSFET作為開(kāi)關(guān)管，分立式驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，具有驅(qū)動(dòng)信號(hào)硬件互鎖、過(guò)流、欠壓、過(guò)壓、過(guò)熱等多重保護(hù)功能．

電動(dòng)車；無(wú)刷直流電機(jī)；驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)；正弦波控制

目前市場(chǎng)上銷售的電動(dòng)巡邏車、高爾夫球車、觀光車等中型電動(dòng)車絕大部分采樣技術(shù)成熟的有刷電機(jī)或異步電機(jī)．而無(wú)刷直流電機(jī)，由于其具有能流密度高、使用壽命長(zhǎng)、調(diào)速范圍寬、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，正逐步受到電動(dòng)車制造廠商的關(guān)注和用戶的歡迎．對(duì)于其控制核心——無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，目前一般都是采用方波驅(qū)動(dòng)方式，其特點(diǎn)是價(jià)格便宜，但轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，控制精度低，動(dòng)力性能較差；而控制器采用同步電機(jī)矢量控制方式，雖然能極大地降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高動(dòng)力性能，但控制復(fù)雜，且需要在轉(zhuǎn)子上安裝價(jià)格較為昂貴的編碼盤，由此帶來(lái)制造成本的上升，不易被廣大低端用戶接受．基于此，本控制器設(shè)計(jì)采用簡(jiǎn)易正弦波驅(qū)動(dòng)控制方式[1-3]，與方波控制方式相比，成本相差不大，但由于能較大程度地降低電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，因而所控電機(jī)的動(dòng)力性能要優(yōu)越許多，且簡(jiǎn)潔、可靠。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本電動(dòng)車控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示．驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有啟動(dòng)平穩(wěn)、有力，加速快等特點(diǎn)，能執(zhí)行無(wú)極調(diào)速，定速巡航，倒車等多種操作，具有驅(qū)動(dòng)信號(hào)硬件互鎖、過(guò)流、欠壓、過(guò)壓、過(guò)熱等多種保護(hù)功能．

本驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制對(duì)象為浙江尤耐特電機(jī)公司生產(chǎn)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為BLT3/6-2500/72，適用于電動(dòng)巡邏車、高爾夫球車、觀光車等中型電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)控制，本無(wú)刷電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1.

控制系統(tǒng)主電路為三相H橋結(jié)構(gòu)形式，功率開(kāi)關(guān)管則采用是的大功率MOSFET．系統(tǒng)利用相位差120度的3個(gè)霍爾傳感器，進(jìn)行位置信號(hào)的檢測(cè)．控制電路以美國(guó)Microchip公司的DSPIC33FJ32MC204為控制核心，該芯片既有單片機(jī)具有的使用便捷、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，又內(nèi)嵌有DSP內(nèi)核，極大地提高了其數(shù)據(jù)處理能力，因而很適合無(wú)刷電機(jī)控制

表1 系統(tǒng)電動(dòng)車用無(wú)刷電機(jī)參數(shù)表

系統(tǒng)控制板由主控芯DSPIC33FJ32MC204及其外圍電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、霍爾位置檢測(cè)電路、直流母線電流檢測(cè)與過(guò)流保護(hù)電路、剎車電路、驅(qū)動(dòng)器溫度檢測(cè)電路、蓄電池電壓檢測(cè)電路等構(gòu)成．同時(shí)，控制板還留有485接口，便于與電動(dòng)車其他設(shè)備進(jìn)行通信，以擴(kuò)展功能．

圖1 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖

2 控制電路設(shè)計(jì)

2.1驅(qū)動(dòng)控制電路

由于本系統(tǒng)為低壓蓄電池大電流供電系統(tǒng)，而市場(chǎng)現(xiàn)有的集成功率驅(qū)動(dòng)模塊均不能滿足其功率要求，因此設(shè)計(jì)中，主電路采用分立元件構(gòu)成，每路開(kāi)關(guān)管均采用4個(gè)同規(guī)格的N溝道絕緣柵型功率MOSFET管并聯(lián)方式，為減少大電流帶來(lái)的開(kāi)關(guān)元件的發(fā)熱、寄生電感和電容、分布電感等影響，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上采用了“鋁基覆銅板”的散熱方式[4]，從而使系統(tǒng)的可靠性和散熱性同時(shí)得到了提高．

系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路原理如圖2，采用鉛酸蓄電池（供電電壓為VCC=72V），為驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)提供能量，此電壓經(jīng)過(guò)輔助開(kāi)關(guān)電源DC/DC變換，產(chǎn)生VCC1=15V的MOSFET管柵極電壓，用于主開(kāi)關(guān)管（MOSFET）的開(kāi)通控制．該驅(qū)動(dòng)電路還具有硬件死區(qū)保護(hù)功能，如當(dāng)上管驅(qū)動(dòng)信號(hào)BH為高電平時(shí)，上管導(dǎo)通；而此時(shí)，在下MOS管驅(qū)動(dòng)電路中，Q21，Q20導(dǎo)通，因而下MOS管 MB15被截止，從而實(shí)現(xiàn)上下MOS管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的硬件互鎖，提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性．

2.2電流檢測(cè)電路

系統(tǒng)電流檢測(cè)電路如圖3所示，其目的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制器母線電流大?。妇€電流在電阻R25上的采樣電壓Vi，經(jīng)過(guò)LM358變換后，送至主控芯片的A/D輸入口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換．由于系統(tǒng)采用SVPWM控制，采樣電流頻率與PWM脈沖頻率相同，因而采樣電流疊加了眾多高次諧波分量，且相位上滯后，影響采樣效果．為此，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，采用了由R24和C11組成的一階濾波環(huán)節(jié)先行濾波后，再送入控制器主控芯片DSPIC，效果較好．

圖2 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

圖3 電流檢測(cè)與過(guò)流保護(hù)電路

2.3過(guò)流保護(hù)電路

在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)里，過(guò)流保護(hù)十分關(guān)鍵，為此本設(shè)計(jì)采用了軟、硬件雙重過(guò)流保護(hù)功能．電流檢測(cè)電路如檢測(cè)出電流過(guò)大，則主控芯片立即響應(yīng)，通過(guò)軟件，關(guān)閉芯片PWM輸出口信號(hào)，開(kāi)啟軟件保護(hù)，以保護(hù)系統(tǒng)免受損害．

系統(tǒng)硬件過(guò)流保護(hù)電路如圖3，系統(tǒng)采樣電流為母線電流，以康銅絲作為采樣電阻．系統(tǒng)硬件過(guò)流保護(hù)原理如下：

當(dāng)采樣電阻R25電流過(guò)大時(shí)，比較器LM358輸出高電平，控制三極管Q30基極導(dǎo)通，Q30集電極輸出低電平過(guò)流信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)與門，直接封鎖驅(qū)動(dòng)電路六路PWM信號(hào)，使得電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而達(dá)到硬件保護(hù)的目的．

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件設(shè)計(jì)概述

系統(tǒng)控制軟件采用MPLABCC30語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編寫，具有模塊化設(shè)計(jì)、可讀性好、維護(hù)方便等特點(diǎn)．考慮到電機(jī)控制對(duì)快速性和實(shí)時(shí)性要求較高，采樣周期應(yīng)盡可能得短，同時(shí)綜合考慮抑制諧波、降低損耗的需要，主控芯片工作頻率選取為20 MHz，而載波頻率取為20 kHz，以使噪聲頻率避開(kāi)人體聽(tīng)覺(jué)范圍．上下MOS開(kāi)關(guān)管死區(qū)時(shí)間設(shè)定為2μs．

為減少軟件時(shí)間開(kāi)銷，程序在轉(zhuǎn)速計(jì)算、轉(zhuǎn)子相角增量和正波幅值計(jì)算時(shí)，都調(diào)用了匯編語(yǔ)言的“乘”(_builtin_muuluu)、“除”(_builtin_divud())函數(shù)形式，從而減小了計(jì)算量．

本系統(tǒng)控制軟件，目前已獲得國(guó)家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)授權(quán)，軟件名稱：電動(dòng)車PWM控制系統(tǒng)軟件，登記號(hào)：2013SR041481．

3.2控制軟件設(shè)計(jì)原理

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理為：駕駛員通過(guò)腳踏電子油門，產(chǎn)生0-5V的速度給定信號(hào)，送入主控芯片DSPIC后，經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生速度給定值．DSPIC根據(jù)三相霍爾傳感器輸入信號(hào)，計(jì)算出電機(jī)當(dāng)前轉(zhuǎn)速值和電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前區(qū)間值．速度給定值與當(dāng)前速度值之差，經(jīng)過(guò)PID算法，即可確定正弦波的幅值大小．由轉(zhuǎn)子當(dāng)前區(qū)間值和速度值，即可算出電機(jī)PWM周期中的轉(zhuǎn)子相位角的增加量、正弦波當(dāng)前相位和轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)相位．由正弦波當(dāng)前相位、正弦波的幅值，這兩個(gè)參數(shù)，主控芯片通過(guò)矢量控制算法，即產(chǎn)生SVPWM信號(hào)波，控制電機(jī)運(yùn)行．

3.3程序設(shè)計(jì)介紹

控制軟件系統(tǒng)主要由主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分組成．

3.3.1 主程序

主程序在進(jìn)行完控制參數(shù)、各個(gè)端口、各個(gè)相關(guān)中斷的初始化后，打開(kāi)相應(yīng)的中斷，然后進(jìn)入死循環(huán)，等待啟停命令和轉(zhuǎn)向命令，并隨時(shí)響應(yīng)各相關(guān)中斷．主程序流程圖如圖4．

3.3.2 中斷服務(wù)子程序

中斷服務(wù)子程序主要包括定時(shí)器T1中斷子程序、輸入捕捉IC1，IC2，和IC7中斷子程序、電子油門A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序及MCPWM 中斷子程序等．其中，3個(gè)IC捕捉中斷作用在于實(shí)時(shí)捕捉3個(gè)霍爾位置傳感器發(fā)出的位置信號(hào)，并結(jié)合無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，得出電機(jī)將要進(jìn)入的扇區(qū)的大小值，而MCPWM中斷，則主要進(jìn)行SVM矢量計(jì)算，本文重點(diǎn)介紹A/D中斷和T1中斷．

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.3.2.1 A/D中斷子程序

A/D中斷子程序，其作用是定時(shí)對(duì)電子油門速度給定電壓、母線電流、蓄電池電壓、驅(qū)動(dòng)器溫度等模擬量進(jìn)行循環(huán)采樣，并完成以下工作：

1）計(jì)算當(dāng)前速度期望值．

2）根據(jù)采樣得出的母線電流值，判斷是否進(jìn)行過(guò)流保護(hù)．

3）根據(jù)采樣的蓄電池供電電壓值，判斷是否進(jìn)行過(guò)壓、欠壓保護(hù)．

4）根據(jù)采樣的驅(qū)動(dòng)器溫度值，判斷是否進(jìn)行過(guò)熱保護(hù)．

3.3.2.2 定時(shí)器T1中斷子程序

在軟件中，通過(guò)設(shè)置T1初始化子程序，每1ms產(chǎn)生一次T1中斷．中斷服務(wù)子程序流程圖如圖5所示，其主要功能闡明如下：

1）根據(jù)IC2捕獲中斷記錄的相鄰霍爾信號(hào)脈沖計(jì)數(shù)值，計(jì)算出電機(jī)正弦波電流周期和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速．

圖5 T1中斷子程序流程圖

2）確定當(dāng)前PWM周期內(nèi)，轉(zhuǎn)子相位角的增量角．

3）通過(guò)轉(zhuǎn)速PID控制算法命令SpeedPIDControl( )，確定正弦波向量的幅值．

此外，在T1中斷程序，還利用變量motorstalledcounter 作計(jì)數(shù)器（此計(jì)數(shù)器在IC1，IC2和IC7捕獲中斷中，將其值清零），如果其值大于12（即達(dá)到12ms），代表電機(jī)的速度過(guò)慢，電機(jī)則需要執(zhí)行強(qiáng)制換向命令ForceCommutation()；如果其值大于120（即達(dá)到120ms），則表明電機(jī)遇到了堵轉(zhuǎn)，需馬上執(zhí)行停機(jī)命令StopMotor()，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)．在T1中斷子程序中，電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算過(guò)程說(shuō)明如下：

根據(jù)已知條件，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)定為20M；捕捉模式設(shè)置為每個(gè)上升沿和下降沿都開(kāi)始捕捉；捕捉定時(shí)器時(shí)基采用定時(shí)器T3；且進(jìn)行64分頻，設(shè)每個(gè)相鄰跳變的時(shí)間間隔為tΔ，電機(jī)極對(duì)數(shù)p=3，電機(jī)相電流頻率為f，則電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）表達(dá)式可推導(dǎo)為：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，電機(jī)控制器樣機(jī)實(shí)物如圖6所示，控制對(duì)象——無(wú)刷電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下：

電機(jī)功率：3kW；供電電源：蓄電池；供電電壓：72V；電機(jī)接法：星型接法；額定/峰值扭矩：11.46/52N*M．

圖6 電動(dòng)車控制器實(shí)物圖

圖7 電機(jī)實(shí)測(cè)加速曲線

電機(jī)帶額定負(fù)載實(shí)測(cè)啟動(dòng)加速曲線如圖7所示．經(jīng)測(cè)試，電機(jī)控制器運(yùn)行時(shí)，可使電機(jī)達(dá)到一個(gè)較高的調(diào)速范圍，調(diào)速范圍151～2498 r/min；控制器通過(guò)SVPWM+PID控制算法的調(diào)節(jié)作用，能使電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差控制到6r/min范圍之內(nèi)，在穩(wěn)定性、啟動(dòng)性能等方面均達(dá)到了預(yù)期效果，在同類驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品中，具有較強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力．

[1]邱建琪，沈涔徽，林瑞光．永磁無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制的SVPWM控制[J]．中小型電機(jī)，2003，30（2）：27-33．

[2]尚重陽(yáng)，普清明，付騫．基于DSPIC30F6010的BLDCM正弦波電流驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[J]．微電機(jī)，2009，42（2）：48-53．

[3]高春俠，張磊，張加勝．一種新型電壓空間矢量PWM控制技術(shù)研究[J]．節(jié)能技術(shù)，2008，26（147）：45-49．

[4]楊克濤，傅仁利．絕緣金屬鋁基板的制備及介電性能研究[J]．山東陶瓷，2006，29（6）：3-6．

Design of Electric Vehicle Drive Controller

HE Yuejun
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

The paper introduces a design scheme of a motor drive controller, which is applied to the power in the range of 1-5kW BLDC. It is suitable for driving control of medium-sized electric vehicles. Compared with traditional drive controller of dc motor or asynchronous motor, the drive controller of BLDC features high energy density, long service life, wide speed range and low maintenance cost. By adopting SVPWM strategy, it not only retains the advantages of good dynamic performance, low torque ripple of synchronous motor vector control, but also eliminates the rotor encoder, making it simpler, more reliable and cost-effective. The controller adopts the Microchip Company’s DSPIC33FJ32MC204 chip as the control core, uses high power MOSFET as switch and split vertical drive circuit, taking on precaution functions against interlock, overcurrent, overvoltage, undervoltage and overheating of signal hardware.

electric vehicle; brushless DC motor; drive; control system; SVPWM

TM921

A

1672-0318（2014）01-0011-05

2013-09-04

*項(xiàng)目來(lái)源：深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目（編號(hào)2210K3020010）

何躍軍（1970-），男，湖南長(zhǎng)沙人，副教授，主要研究方向：電氣傳動(dòng)與電力電子技術(shù)．