电动自行车用无刷直流电机控制系统设计

2011-06-02钟晓伟宋蛰存东北林业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150040

电机与控制应用 2011年1期

钟晓伟，宋蛰存，许刚(东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

无刷直流电机(Brushless DC Motor，BLDCM)是随着新型电力电子器件和永磁材料的发展而成熟起来的一种新型电机，它属于同步电机的范畴，既具有交流电机运行可靠的优点，又具有传统有刷直流电机优越的调速性能，因此具有广泛的应用前景。电动自行车用电机已由早期的传统直流电机发展到BLDCM阶段，BLDCM控制系统一般有两种形式:复杂的纯模拟器件构成的控制器和以微控制器为核心的数字式控制器，数字式控制器使电动自行车控制器设计更灵活，功能更丰富，因而得到广泛应用［1-2］。

1 电动自行车控制系统结构

电动自行车由车体、电驱动装置(电机)、可充电电池、充电器和控制系统五大部分组成。由蓄电池提供电源，电动机接通电源后，产生旋转磁场，由电动机发出动力，传给驱动轮而产生牵引力，使车轮旋转前进。在控制器上连接一个转动手柄，转动手柄可以控制控制器输送给电动机的电压，通过变换电机绕组电压来控制电动机的转速，从而控制电动自行车车速。BLDCM主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路(逆变器)三部分组成［2］。以BLDCM为驱动电机的电动自行车控制系统结构如图1所示。

图1 电动自行车控制系统结构图

电动自行车用无刷电机控制系统主要包括以下几个部分:以单片机为核心的主控模块，转把、闸把输入电路;电机换向驱动电路;相电流、转子位置检测电路［3］。

单片机作为主控芯片，其主要功能是实现复杂的电机控制算法，包括传统的PID控制，以及近年来针对无刷电机非线性、强耦合特性而提出的模糊控制和神经网络控制;BLDCM没有电刷和换向器，实现电子换向要依靠转子位置传感器的输入为电机提供正确的换向时序，控制逆变电路中功率开关管的通断，使电机绕组按一定时序通断产生旋转磁场，驱动电机不断旋转。控制器可通过采样转子位置传感器的固定时间内电平翻转次数，经过适当运算可计算出电机速度反馈输入;BLDCM具有和一般直流电动机基本相同的调速特性，只要改变电机的输入电压或励磁电流的大小，就可以方便地进行无级调速，因此控制器多采用自带脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)输出功能的MCU;实际运行过程中由于负载变化可能导致电机绕组过流，电流检测可作为控制器中断输入，发生过流时封锁逆变电桥功率开关管，避免损坏电机，也可作为双闭环电流内环的电流反馈环节使用。

2 BLDCM控制策略

BLDCM转速负反馈单闭环控制系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，但不能完全按照需要来控制动态过程的电流和转矩，因而在对动态性能要求不高的场合可以采用。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起动、制动等，单闭环控制系统就难以满足要求。为了改善BLDCM控制系统的动态特性，就很有必要在速度负反馈单闭环控制系统的基础上再引入电流负反馈环来控制系统动态过程的电流和转矩。对于自行车电机控制系统，为了满足无超调、抗负载扰动能力强、实时性和快速响应性好的要求，采用转速环、电流环双闭环控制策略。电流内环采用经典PI调节，速度外环采用传统的PID调节器，双闭环控制系统结构如图2所示［4］。

图2 BLDCM双闭环控制系统结构图

3 控制系统硬件设计

3.1 主控模块

ATmega16是低功耗、高性能8位CMOS微控制器。由于其先进的精简指令集以及单时钟周期指令执行时间使得ATmega1的数据吞吐率高达16 MIPS/16 MHz。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。ATmaga16单片机自带8路10位模数转换器，4通道PWM，由于电动自行车转把、电机相电流输入都是模拟量，非常适合用作电动自行车控制器［5］。

基于ATmega16单片机的电动自行车用BLDCM控制器主控模块如图3所示，单片机片外接口主要包括:电池电量检测输入接PA0口;转把调速模拟输入量接PA1口，闸把数字量输入接PB0口;附加功能输入包括防盗、EABS、巡航;三个霍尔转子位置传感器输入Ha、Hb、Hc;电流模拟量输入接单片机的PA2口，过流保护中断请求连接单片机的INT0;逆变电路中功率开关管驱动输出，上桥臂三个开关管PWM控制，下桥三个开关管常开，实现无刷电机电子换向及无级调速。

图3 主控模块

3.2

信号输入处理电路

3.2.1 霍尔信号输入与报警电路

转子位置检测电路在系统中的作用有两个:①检测电机定、转子的相对位置为逆变电路提供正确的换相信号;②通过检测某路霍尔脉冲信号的个数，计算后转换为速度信号，构成速度反馈环节［4］，霍尔信号输入处理及报警电路如图4所示。

图4 信号处理及报警电路

3.2.2 转把调速与闸把刹车输入电路

市场上大多数电动自行车的转把为霍尔转把，霍尔转把输出与转动幅度成正比的模拟电压值，送到单片机的模数转换端口，单片机通过片内集成的A/D转换器将输入转化为数字量，运算后根据控制算法输出占空比合适的PWM信号，从而实现电机转速控制。

闸把信号是电机停止转动的制动信号。电动自行车闸把的位置传感元件一般为开关型霍尔感应元件(分刹车低电位和刹车高电位两种)。电子低电位闸把的刹车信号是常高电位，当刹车时，闸把内部的霍尔元件信号翻转，其信号变成低电位。电子高电位闸把的刹车信号是常低电位，当刹车时，闸把内部的霍尔元件信号翻转，其信号变成高电位。该控制器兼容低电平与高电平刹车输入。转把与闸把输入电路如图4所示。

3.2.3 电流检测电路

对于三相六状态BLDCM，任一时刻只有两相绕组导通，电流从一相绕组流进，从另一相绕组流出，电流大小与直流侧电流大小相等。在直流侧串联一个采样电阻即可检测导通相的相电流［2］。

LM324(U1A)构成一个电压比较器，把检测的电流信号与已知电压比较，得到过流输出信号，过流时比较器翻转触发单片机中断，及时关断功率开关管。内部电流环电流通过一个由LM324(U2A)运算放大器构成的同相比例放大电路来获得，经放大后转化为与电流成正比的电压信号送入单片机PA2口。

3.3 输出驱动电路

3.3.1 IR2130驱动电路

IR2130是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过其内部自举电路，能同时驱动桥式电路中低压侧和高压侧的功率元件。IR2130具有6路输入信号和6路输出信号，且只需一个供电电源即可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，使整个驱动电路更加简单可靠。IR2130引脚如图5所示，高压侧通道的输出驱动电源是通过自举技术获得的，高压侧的栅极电荷由自举电容C7、C8、C9提供。自举电容在器件断态时通过自举二极管被12 V充电，且为了防止自举电容两端电压放电，3个自举二极管D4、D5、D6应选用高频快恢复二极管［6］。

图5 IR2130驱动电路

单片机根据霍尔传感器输入信号经内部逻辑处理输出6个控制信号，分别送到IR2130的2～7管脚，经IR2130内部处理产生6路驱动信号分别驱动逆变电桥中6个功率MOSFET管。通过电阻RS检测到的电流信号分别送给IR2130的9脚(过电流信号检测输入端)和13脚(放大器同相输入端)。当外电路发生过流或直通时，引脚9端电压高于0.5 V时，内部保护电路使IR2130输出驱动信号全为低电平，6只功率管全部截止，起到保护作用。

3.3.2 驱动电路设计

BLDCM的三相六状态控制方式是每次使逆变电桥中两个开关管同时导通，每隔60°电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管。ATmega16单片机仅四路PWM输出，不可能对6只功率开关管进行PWM控制。因此采用HPWM-LON控制方式，即上桥臂开关管进行PWM控制，下桥臂开关管保持常开。BLDCM的A相绕组驱动电路如图6所示［6］。

图6 单相绕组驱动连接图

4 调节器参数确定

以两相同时导通星形三相六状态为例，分析

BLDCM的数学模型。考虑理想情况:三相绕组完全对称，且在定子内表面均匀连续分布;气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布对称;磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗;忽略电枢反应、齿槽及换向的影响。得到BLDCM的转速传递函数为［7］

式中:L——三相定子自感;

R——每相定子绕组电阻;

KT——电磁转矩常数;

Ke——反电动势常数;

KD——转动部分阻尼系数;

J——转动惯量。

由式(1)可知转速大小与绕组电压成正比。

根据系统的数学模型，采用样机参数如下:额定电压U=36 V，额定转速为1 500 r/min，相电阻R=1 Ω，定子相绕组自感L=0.02 H，互感 M=－0.006 mH，转动惯量 J=0.005 kg·m2，极对数为2。反电势系数 Ke=0.072 v/rad·s－1。在MATLAB/Simulink图形化建模环境下，利用系统仿真基本模块搭建了控制器的仿真模型。仿真结果如图7所示。其中速度PID调节器三个参数取值为 kp=14，ki=6.7，kd=1.4。电流 PI调节器两个参数取值为kp=4.9，ki=3.4。

5 系统软件设计

图7 系统仿真波形

控制系统软件设计采用模块化思想，C语言编程。电动自行车BLDCM控制系统的软件主要实现BLDCM转子位置的检测、转速的计算、电流与转速的调节、PWM信号的生成及故障信号的处理等功能［8］。因此，系统软件设计主要包括初始化子程序，霍尔信号采集子程序，闸把、转把输入信号采集，速度环、电流环运算子程序，中断服务子程序等。主程序流程图如图8所示。