一种基于主从控制方式的永磁无刷直流电机驱动控制系统的设计*

何跃军

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

一种基于主从控制方式的永磁无刷直流电机驱动控制系统的设计*

何跃军

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

介绍一种基于主从控制方式、采用无刷直流电动机驱动、中型电动车驱动控制器的设计方案，以及驱动系统的总体构成、主电路与驱动电路的设计原理、参数设计方法和主、从控制板通信原理．阐述了系统母线电流检测电路、蓄电池电压检测电路的设计原理，以及系统母线电流保护电路、蓄电池电压保护电路、启动加速预警保护等多种保护电路的设计方法．试验表明，该驱动控制系统制造成本低、调速控制性能好，保护措施完善，达到了设计目的．

无刷直流电动机；主从控制；设计原理；驱动器

永磁无刷直流电动机具有转矩大、效率高、维护性好等优点[1]，用于电动车的驱动．我国是稀土永磁大国和汽车保有量大国，开展基于无刷直流电机驱动的电动车控制系统的研究，具有十分重要的现实意义．对于电动车的核心——驱动控制器，其设计与一般工业用电机驱动器的设计相比，有其独到之处．一般电机驱动器在设计上，强调对电机额定工作点及附近效率的优化，而电动车由于自身的特点，在设计过程中，则强调使电机在较大调速范围内，均能保持较高的效率，以便充分利用蓄电池的能量，提高其续航里程．此外，快速响应性、强大的爬坡能力、制动性能，特别是可靠性，也是电动车驱动器在设计上需要考虑的问题．此外，随着电动车功能的不断加强，其驱动控制器设计也变得更加复杂，单一的微处理器，难以满足控制要求．基于此，本文根据电动车驱动控制的特点，设计一种采用主、从控制方式控制电动车驱动控制系统，并对常规电动车驱动控制器保护方式进行了改进．

1 驱动器总体设计

电动车驱动器硬件原理框图如图1所示，该电动车采用后桥驱动、鼓刹制动方式，其后桥主驱动电机采用三相、功率为3 kW、72 V蓄电池供电、有位置传感器的永磁无刷直流电机．该电机运行时，通过减速器将功率传递给后轮，控制器设计上，则采用主、从控制结构，简易正弦波控制模式驱动[2，3]，具有转矩脉动小，噪声低，运行平稳等特点．主控制板（主机），主要完成SVPWM控制算法的运算，主开关管的驱动，霍尔位置信号的检测与调理、母线电流的检测与保护等关键性工作．其控制核心采用美国微芯公司生产的DSPIC33FJ32MC204芯片（即DSPIC），该款微处理器类似单片机，控制灵活、价格便宜，但由于内嵌有DSP内核，因而具有极高的运算速度，很适合电机的控制．

图1 电动车驱动器硬件原理框图

主机控制软件使用MPLABC C30编程环境，为提高系统的实时性，速度的实时计算等模块，直接采用了汇编语言编写．主控芯片工作频率（FCY）的选择，从降低损耗，抑制高次谐波的角度，定为16MHz，而载波频率（FPWM）取为20kHz，以避开人体听觉敏感区． 从控制板（从机），采用微芯公司的PIC单片机，型号PIC16F1506，在整个控制系统中，起辅助控制作用，主要进行转速、温度、报警代码值的实时显示，以及驱动器与电机温度、速度档位的检测与报警．

从机板晶振采用单片机内部振荡器，频率为FOSC=8M．主、从机之间的通信采用RS-485串行接口、半双工工作方式、双绞线传输、波特率9600bps，数据位8位，停止位1位，无奇偶校验位．控制系统485通信接口电路如图2所示．其中MAX485(U7)输入连接主机，U6输入连接从机．

图2 RS-485通信接口电路

由于485接口采用了平衡发送和差分接收方式[4]，因而具有很强的共模干扰抑制能力，有效传输距离可达1200 m，完全满足电动车控制系统数据传输的要求．另外，485接口，在总线上理论上可连接128个收发器，这样控制器在今后改进过程中，仅利用单一的RS-485接口，即可方便地建立起多点控制网络，进一步增强系统的控制功能．

2 驱动电路设计

本控制系统的主电路采用三相（U、V、W）对称的H桥结构，为简化起见，本文以U相为例，阐明其三相驱动电路工作原理．控制系统U相主电路原理图如图3所示，主电路采用铅酸蓄电池供电，供电电压 VCC=72V．对于主功率管，目前业内一般采用IGBT，但由于IGBT工作时，集电极和射极之间会产生2V的压降，这在蓄电池供电的低压系统中，将极大地影响电机的出力．为此系统选择了开关速度快，通态电阻小的 MOSFET管，但一般MOSFET管的容量有限，因此设计上采用 4个MOSFET管（型号 IRFP4568）并联方式取代单管（图3仅画出了两管，其余省略）．为改善驱动电路的散热性能，同时降低干扰，主要是分布电容的影响，主电路采用了铝基覆铜板的结构形式[5]，实际应用中，取得了理想的效果．

图3 驱动器U相主电路原理图

无刷电机功率管多采用分立元件驱动方式或专用功率智能集成模块（IPM）方式驱动．分立元件驱动方式，控制灵活，能根据控制对象的特点，灵活改变元件参数，但控制电路复杂，容易出现干扰；而IPM集成功率模块，集功率管，驱动、保护电路于一体，驱动性能好，但造价昂贵，不利于今后产品化，为此本系统主功率采用IR公司生产的功率管专用驱动芯片 IR2181与附加电路，构成专用驱动电路，对MOS管进行驱动，U相驱动电路如图4所示．IR2181芯片特点是可靠性较高，DSPIC发出U相上MOS管驱动信号UH，经放大变为 U_HO信号，最大驱动电流可达1.9A；而DSPIC发出的U相下MOS管驱动信号，经放大变为U_LO，最大驱动电流为2.3A，可以满足本系统驱动的要求．

在图4中MOSFET管驱动电路中，电阻R1、R3等用于防止 MOS管驱动过程中高频寄生振荡，电路实际取值22欧；由于MOS管属于低泄漏功率管，因而电阻R2、R4等作为MOS管截止时，输入电容的泄放电路电阻，实际取值为10K．而二极管D1、D2等则用于驱动信号的快速恢复．

电解电容C10作为为自举电容，是驱动电路是控制上MOS管导通的关键．当控制核心DSPIC发出的U相SPWM上管驱动信号UH，经过驱动放大，变为U_HO，而使得上MOS管MC1等导通后，其源极电压随之上升到电池电压 VCC（72V），由于系统启动前，按控制算法，通过控制程序，先行驱动U相的下MOS管MC2导通，因而自举电容 C10已按路径（VCC1-D16-C10-R1-R2-MC2-R10-地）进行了充电，其充电电压维持在15V左右．因而加在上桥主 MOS管的 MC1栅极的电压也随之提升为72V+15V，从而 MC1得以继续维持导通状态．在参数设计时，自举电解电容C10的取值与MB1栅极静态电流和累积电荷有关，应取足够大（本设计取值经过调试取为4.7µs），以保证当上桥MOS管栅极驱动信号U_HO为高电平时，能有足够的稳定电压和电荷以维持栅极的导通．

图4 驱动器U相驱动电路原理图

二极管D16具有反向电流阻止功能，设计时，应选用快速恢复二极管，且反向漏电流应尽量小，用以防止上MOSFET管导通后，电容C15上的高压电流回馈烧坏IR2181的辅助供电电源VCC1，保障系统安全．

3 系统检测与保护电路的设计

电动车运行过程中，安全性尤其重要，驱动器在启动、制动以及爬坡时，可能会产生过流现象．电动车长时工作，还可能发生过热现象，尤其是无刷电机，温度升高还易导致电机出现去磁效应，因此驱动系统保护措施十分关键．本控制系统保护措施主要有: ①过流保护；②蓄电池过压与欠压保护；③电机堵转保护；④电机与控制器的过热保护；⑤防冲车保护．系统一旦检测到保护信号，即封锁PWM信号，以保护系统不受损害．

3.1 电流检测与过流保护设计

一般说来，在控制系统中，硬件保护，速度快，但往往会导致控制电路复杂，而软件保护电路简单，容易受到干扰以及软件反应速度慢的影响，不够及时．为可靠期起见，对于电流保护，本设计采用了软硬件双重保护功能．系统电流检测电路如图5所示．

图5 电流检测电路

采样电流为母线电流，以并联的康铜丝，作为采样电阻，采样电流通过采样电阻R10转化为电压信号Vi后分成两路，一路通过比较器，与电流保护设定值进行比较，如高于设定值，则比较器发出下降沿信号，送入DSPIC端口，封锁主开关管驱动信号，实现硬件保护．另一路用于电流的检测，由于控制系统采用SVPWM控制方式，这样采样电流的频率含有很多高次谐波，为方便DSPIC处理，另一路电流采样信号，经过运算放大器IC8放大后，再经过巴特沃斯二阶低通滤波器，滤去高次谐波后，送入DSPIC，再进行A/D等工作．

3.2 蓄电池电压的检测设计

蓄电池电压检测的目的是保护蓄电池，以防止电动车过放电，损坏电池．蓄电池电压检测电路如图6所示，电路利用电阻R35、R36分压电路对蓄电池进行电压采样，然后利用窗口电压比较器，通过调节电阻R38（用于设置欠压保护限值），R40（用于设置过压保护限值）大小，来实施电压过压或欠压保护．如采样电阻R36上的电压超过过压保护限值或低于欠压保护限值，则比较器 L358都输出下降沿信号，送入控制器DSPIC，引发蓄电池电压保护中断．

3.3 加速预警保护与防冲车保护设计

控制系统启动过程如图7所示．在电动机启动瞬间，转速实际值为 0，而转速给定值由电动车的电子油门发出，过高的电子油门给定值会造成主控芯片DSPIC发出的转速给定值很大，若在启动状态就开始采用转速PID调节，势必造成巨大的启动电流，损害系统．另外，如启动瞬间，突然加速也会使驾驶者舒适感下降．在实际操作过程中，当驾驶员在猛踩电子油门，进行急速加速时，往往会导致过流保．但从驾驶习惯考虑，驾驶员猛踩电子油门加速又不可避免，为此本系统软件上，设计了电子油门加速预警保护．由于电动车电动转矩与SVPWM波的幅值成正比，因此程序基于实际情况，制成了对应不同转速段的SVPWM波幅值极限对照表．当驾驶员脚踏电子油门加速时，程序查表，分别对SVPWM波的幅值进行限幅，从而既保证电动车在快速加速中，既能以大转矩运行, 快速响应，又不至于引发过电流保护，而影响正常的运行．

图6 蓄电池电压检测电路

图7 系统启动过程流程图

由于惯性的缘故，人脑一般对电动车速度的反应，不太敏感，因此系统在设计时，程序对电子油门的给定电压的A/D检测，每隔60 ms进行一次，不影响启动和加速的舒适感．另外，系统还设置了冲车保护，即电动车启动时，控制系统首先检测电子油门是否处于零点，以防止电机突然加速启动．

4 试验结果

本电动车驱动控制器实物图如图8所示，相关试验数据如下：无刷电动机功率：3kW；额定/峰值扭矩：11.5/52N*M；铅酸蓄电池供电电压72V；控制器采用SVPWM方式驱动，载波频率16 kHz，上下管死区时间 2μs．经检测，电机调速范围为：152~3003r/min，速度调节误差范围在0.68%以内，满足设计要求．

图8 驱动控制器实物图

[1] 谭建成．永磁无刷直流电机技术[M]．北京：机械工业出版社，2011．

[2] 邹继斌，徐永向，于成龙．正弦波无刷直流电机的新型转子位置控制方式[J]．中国电机工程学报，2002，22（12）：47-49．

[3] 马瑞卿，李颖，刘冠志．基于 DSPIC30F2010的无刷直流电动机正弦波驱动系统设计[J]．微特电机，2010（8）：11-13．

[4] 李泉溪．单片机原理与应用实例仿真[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2012．

[5] 杨克涛，傅仁利．绝缘金属铝基板的制备及介电性能研究[J]．山东陶瓷，2006，29（6）：3-6．

Drive Control System Design of PM BLDC Based on Master-slave Control Mode

HE Yuejun

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

The paper focuses on a design scheme of a drive control system of PM BLDC based on the main-slave mode for medium-sized electric vehicle. The overall drive system includes the main circuit and drive circuit design principle, design method of circuit parameters and the principle of communication between master and slave control board. It elaborates on the design principle of current detection circuit of system bus, the battery voltage detection circuit, the design method of protection circuit of system bus current and battery voltage, early warning protection of starting and accelerating and other protection circuit .The test shows that the drive control system is characterized by low production cost, good speed control and perfect protective measures, thus achieving the desired objectives.

BLDC; main-slave control; design principle; driver

TM33

A

1672-0318（2014）05-0008-05

10.13899/j.cnki.szptxb.2014·05, 002

2014-03-09

*项目来源：深圳职业技术学院校重点资助项目《电动车驱动控制系统的研制》（2210K3020010）

何跃军（1970-），男，湖南长沙人，副教授，主要研究方向：电气自动化．