趙鴻宇，扈宏杰，韓磊

（1.北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191；2.飛思卡爾半導(dǎo)體（中國(guó)）有限公司，天津300385）

基于MC34937的無(wú)刷直流電機(jī)智能化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

趙鴻宇1，扈宏杰1，韓磊2

（1.北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京100191；2.飛思卡爾半導(dǎo)體（中國(guó)）有限公司，天津300385）

MC34937是一款新型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）前置驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)用于三相電機(jī)控制，具有穩(wěn)定的數(shù)字精度。介紹的基于MC34937的電動(dòng)自行車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)智能化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，提供了更靈活的軟、硬件方案，并大大降低了控制系統(tǒng)成本，具有較高的實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)啟動(dòng)及空載運(yùn)行平穩(wěn)，突然加、減負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

無(wú)刷直流電機(jī)；智能化；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；MC34937

無(wú)刷直流電機(jī)（BLDCM）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。無(wú)刷直流電機(jī)憑借其構(gòu)造簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、調(diào)速性能好等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多地應(yīng)用在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般由專(zhuān)門(mén)的控制芯片來(lái)完成。放在電機(jī)中的霍耳位置傳感器把相應(yīng)的換相信號(hào)傳入控制芯片中，控制功率開(kāi)關(guān)根據(jù)控制芯片的控制來(lái)輪流驅(qū)動(dòng)三相線圈，使電機(jī)按要求運(yùn)行［1］。

電動(dòng)自行車(chē)使用過(guò)程中不需要有很高的速度，但是需要頻繁加減速和啟動(dòng)，所以電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)需要有較高的瞬時(shí)功率以及功率密度。除了一般的驅(qū)動(dòng)要求，理想的驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)均勻加速、減速和啟動(dòng)，在突然加、減負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的控制芯片控制電機(jī)的方法相對(duì)單一，過(guò)流和過(guò)壓的保護(hù)性能存在缺陷，專(zhuān)用的三相門(mén)極驅(qū)動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)智能化的驅(qū)動(dòng)方式。MC34937是一款新型的工業(yè)級(jí)三相門(mén)極驅(qū)動(dòng)器，集成了控制和保護(hù)直流三相電機(jī)所需的邏輯電路以及傳感、監(jiān)控和控制功能，非常適合用于分?jǐn)?shù)和整數(shù)的電機(jī)控制。

1　智能化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略

對(duì)于自行車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)，為了滿足無(wú)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)的控制策略。速度環(huán)為外環(huán)、電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)外環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Double closed loop control system structure

無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，但不能完全按照需要來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)矩。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟動(dòng)、制動(dòng)等，單閉環(huán)控制系統(tǒng)就難以滿足要求。為了改善無(wú)刷直流電機(jī)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(lái)控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)電動(dòng)車(chē)的控制特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片MC34937，不僅可以極大程度的簡(jiǎn)化編程，提高控制性能，而且可以減輕單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，更大程度的豐富控制器功能。在供電方面，由于蓄電池是電動(dòng)車(chē)上唯一的電源，但是控制電路和三相逆變器所需的電壓是不同的。本文設(shè)計(jì)了1個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路，使36 V直流電壓轉(zhuǎn)化成5 V的直流電壓，同時(shí)滿足控制電路和三相逆變器的供電要求。

2　系統(tǒng)硬件組成

無(wú)刷直流電機(jī)具有三相定子繞組以及一個(gè)表面裝配有永磁體的轉(zhuǎn)子。無(wú)刷直流電機(jī)通常也被稱為電子換相電機(jī)，在轉(zhuǎn)子上沒(méi)有電刷，換相會(huì)在特定的轉(zhuǎn)子位置上以電子方式執(zhí)行［2］。定子磁路通常是由磁性鋼片制成，通過(guò)設(shè)定永久磁鐵的磁化方式和在轉(zhuǎn)子上的分布使得定子上的反電動(dòng)勢(shì)為梯形波。無(wú)刷直流電機(jī)比直流電機(jī)更可靠，數(shù)字控制和電力電子電路取代了機(jī)械換相器的功能，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)繞組［3］。

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，分為以下幾個(gè)模塊：控制電路模塊、智能驅(qū)動(dòng)模塊（MC34937單片機(jī)為前置驅(qū)動(dòng)器的電路）、三相逆變器模塊、直流電源模塊。在直流電源的供電下，控制電路模塊通過(guò)MC34937驅(qū)動(dòng)三相逆變器。設(shè)計(jì)PCB板時(shí)，使功率電路和控制電路兩部分盡量分開(kāi)，保證互不干擾。

圖2　控制系統(tǒng)硬件組成Fig.2　The consist of control system hardware

2.1智能驅(qū)動(dòng)模塊

MC34937智能驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)6個(gè)直接輸入控制信號(hào)連接到5.0 V的單片機(jī)上，SPI端口用于器件設(shè)置以及異步復(fù)位、使能和中斷信號(hào)，如圖3所示，圖3中標(biāo)出了主要管腳的連接方法。

圖3　MC34937模塊示意圖Fig.3　MC34937 module diagram

單片機(jī)通過(guò)控制MC34937來(lái)完成對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的操作，這樣做可以大大降低單片機(jī)的編程難度，使控制電機(jī)變得簡(jiǎn)單方便。

MC34937是一款工業(yè)級(jí)三相門(mén)極驅(qū)動(dòng)器，專(zhuān)門(mén)配置于三相電機(jī)控制，具有穩(wěn)定的數(shù)字精度，它便于配置無(wú)刷直流電機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，MC34937的優(yōu)點(diǎn)主要有：1）電壓的工作范圍較寬，能支持12 V，24 V和48 V電機(jī)控制應(yīng)用，保證電機(jī)即使在電壓發(fā)生變化的情況下也可以正常工作；2）外部FET的柵極驅(qū)動(dòng)能力大于1.0 A，這樣可以降低RDS（ON）和提供充足的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期轉(zhuǎn)矩控制的電機(jī)；3）可以無(wú)故障的處理來(lái)自外部大功率FET的反向電荷注入，從而提高可靠性；4）用戶可以通過(guò)SPI端口設(shè)置死區(qū)時(shí)間來(lái)優(yōu)化電機(jī)性能；5）集成了控制和保護(hù)直流三相電機(jī)所需的邏輯電路以及傳感、監(jiān)控和控制功能，可以方便用戶檢測(cè)故障。

2.2三相逆變器模塊

三相逆變器模塊接受控制電路的要求，將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟妷杭釉陔姍C(jī)的繞組上，從而使電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

無(wú)刷直流電機(jī)去掉了直流電機(jī)中的換相器，在定子上裝配上了電樞繞組，轉(zhuǎn)子上裝配永磁鐵?？刂齐娐凡捎萌嘈切卫@組全控橋電路，定子繞組U，V，W以星形方式連接，位置傳感器位于電機(jī)相繞組軸線，當(dāng)位置傳感器即霍耳元件檢測(cè)到轉(zhuǎn)子位置時(shí)會(huì)反饋回控制電路，控制電路根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)，觸發(fā)導(dǎo)通MOSFET，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)［4］。

無(wú)刷直流電機(jī)在任意時(shí)刻會(huì)有兩相繞組導(dǎo)通，而第3相繞組會(huì)處于懸空狀態(tài)。功率管的觸發(fā)狀態(tài)有6種，每隔60°（電角度）換相1次，每次換相1個(gè)功率管，每1個(gè)功率管導(dǎo)通120°（電角度）。如圖4所示，設(shè)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的開(kāi)始導(dǎo)通Q1和Q6，電流從Q1管流入U(xiǎn)相繞組，再?gòu)腣繞組流出，經(jīng)Q6回到電源。此狀態(tài)維持60°（電角度）后開(kāi)始換相，功率管Q6關(guān)斷，而功率管Q2導(dǎo)通，此時(shí)導(dǎo)通相為V，W相。這樣每經(jīng)過(guò)60°（電角度）就進(jìn)行1次換相，各功率管的導(dǎo)通順序是Q6Q1，Q1Q2，Q2Q3，Q3Q4，Q4Q5，Q5Q6。

圖4　三相逆變器Fig.4　Three phase inverter

2.3直流電壓模塊

直流電壓模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的能量源泉，電動(dòng)車(chē)上只有蓄電池作為電源，但是控制模塊和三相逆變器模塊需要的電壓是不同的。三相逆變器需要16 V到36 V的直流電壓作為母線電壓輸入，而控制電路需要5 V的直流電壓，所以設(shè)計(jì)了這個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路。

如圖5所示，圖5中VBAT為16 V到36 V直流電壓，在直流電壓模塊中，通過(guò)使用LM5007芯片，使36 V直流電壓轉(zhuǎn)化成5 V的直流電壓，為控制板和霍耳傳感器提供工作電壓。這種控制方法只需輸入16 V到36 V直流電壓，而不再需要單獨(dú)輸入5 V直流電壓，控制方法大大化簡(jiǎn)。

圖5　直流電壓模塊示意圖Fig.5　DC voltage module diagram

2.4控制電路

控制電路使用的單片機(jī)為飛思卡爾的KE02Z64，該系列的單片機(jī)包含1組強(qiáng)大的模擬、通訊、定時(shí)和控制外設(shè)，具有低功耗、高穩(wěn)定性和高性價(jià)比。主要負(fù)責(zé)信號(hào)的接收和處理、控制策略的實(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)控制好壞的關(guān)鍵。電路圖如圖6所示。

圖6　控制電路模塊示意圖Fig.6　Control circuit module diagram

圖6中給出了主要管腳的連接方法，根據(jù)工作任務(wù)不同可分為以下2個(gè)模塊。

1）最小系統(tǒng)模塊。電源電路、時(shí)鐘振蕩電路、復(fù)位電路，這是微處理器能正常工作的前提。

2）功能模塊。濾波電路、AD轉(zhuǎn)換、SPI通信、處理位置傳感器輸入信號(hào)等功能。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由主程序和各中斷子系統(tǒng)組成。主程序先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后判斷電動(dòng)機(jī)的初始位置，等待中斷。中斷子程序負(fù)責(zé)計(jì)算電機(jī)的及時(shí)速度和檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置等。程序框圖如圖7所示。

圖7　軟件框圖Fig.7　Software description

直流無(wú)刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)變動(dòng)太大。所以本系統(tǒng)采用電流和速度閉環(huán)調(diào)速，運(yùn)用PI整定，使電流和速度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。

在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將轉(zhuǎn)速環(huán)作為外環(huán)，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)。對(duì)于電流環(huán)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)根據(jù)霍耳傳感器反饋的轉(zhuǎn)子位置信息，確定是哪一組的MOSFET導(dǎo)通，來(lái)進(jìn)行電流換相。對(duì)于速度環(huán)，作用是使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速跟隨給定的變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)消除靜差，抑制負(fù)載變化帶來(lái)的擾動(dòng)，系統(tǒng)根據(jù)旋轉(zhuǎn)編碼器的信息得出轉(zhuǎn)速的大小，然后與之前設(shè)定的轉(zhuǎn)速相比較，通過(guò)PI整定得到1個(gè)輸出，這個(gè)輸出信號(hào)作為電流環(huán)的給定信號(hào)。系統(tǒng)檢測(cè)出實(shí)際電流大小，與給定信號(hào)相比較，通過(guò)PI整定最后得到PWM占空比的大小。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)電機(jī)采用歐碼（AUMA）無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，額定電壓36 V，額定功率350 W，材質(zhì)為鋁合金；霍耳元件距離120°（電機(jī)1周共3個(gè)霍耳元件，每隔120°放置1個(gè)）；實(shí)驗(yàn)直流電源采用SHUANGYE生產(chǎn)的電動(dòng)車(chē)鋰電池，額定電壓36 V，容量12A·h，重量3.2 kg。

測(cè)試條件為電壓36 V，測(cè)試結(jié)果如圖8和圖9所示，圖8為空載50 s后，加恒轉(zhuǎn)矩8 N·m。圖9 為0～30 s空載，30～70 s加負(fù)載到8 N·m，最后減到4 N·m又加到8 N·m。

圖8　無(wú)刷直流電機(jī)加載實(shí)驗(yàn)Fig.8　Brushless DC motor increasing load experiment

圖9　無(wú)刷直流電機(jī)改變負(fù)載實(shí)驗(yàn)Fig.9　Brushless DC motor changing load experiment

從圖8、圖9中可以看出，采用上述控制方法，電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，空載運(yùn)行穩(wěn)定。突然加載和突然減小負(fù)載時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速都能穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速而不發(fā)生大的變化。電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線響應(yīng)較好，設(shè)計(jì)控制的策略達(dá)到了預(yù)期的效果。

5　結(jié)論

本文介紹了一種基于專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片MC34937的電動(dòng)自行車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)智能化驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的控制芯片控制電機(jī)系統(tǒng)相比，提供了更靈活的軟、硬件方案，并大大降低了控制系統(tǒng)成本，具有較高的實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)表明上述無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的控制效果好，有較好的可行性。

［1］ 夏長(zhǎng)亮.無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］ 劉剛，王志強(qiáng)，房建成.永磁無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［3］ 葉金虎.現(xiàn)代無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的原理和設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［4］ 張相軍，陳伯時(shí).無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中PWM調(diào)制方式對(duì)換相轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的影響［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2003，7（2）：87-91.

Brushless Motor Intelligent Drive System Based on MC34937

ZHAO Hongyu1，HU Hongjie1，HAN Lei2
（1.School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Freescale Semiconductor，Tianjin 300385，China）

The MC34937 is a new field-effect transistor（FET）pre-driver designed to enable three-phase motor control configurations with stable digital accuracy.Presented an intelligent drive system of the brushless DC motor based on MC34937.This system provided a more flexible hardware and software solutions，and greatly reduced the cost of the control system and was of high practical value.Experiments show that the system is smooth and steady when it starts and idle runs，and the motor speed keeps stable with sudden add or subtraction of the load.

brushless DC moto（rBLDCM）；intelligent；drive system；MC34937

TM351

A

2015-09-15

趙鴻宇（1992-），女，碩士研究生在讀，Email：zhaohongyu1992@buaa.edu.cn