小尺寸低功耗电动车无刷电机控制器研究

陈群挺

摘要：介绍了小尺寸低功耗电动车无刷电机控制的实现，给出设计主要用到的单片机型号、前置驱动型号和功率管型号。经过实验证明：该无刷电机控制器设计良好、性能可靠，取得良好的设计效果。

关键词：无刷电机;电动车;DRV8308RHAR

一、课题研究的目的、意义

电动车在道路使用以及改善交通安全等问题上有着非常大的作用，能够容易实现管理智能化;此外电动车还具有能量来源简便、清洁无污染、能量效率高的特点。电动车拥有的这些优点使它成为现今世界各国的研究热点。在各种电动车系统中，电机齿轮和控制器技术处于关键地位。而传统的无刷电机控制器尺寸较大、功耗也较大，电动车控制器安装会占用一定的空间，为了合理优化车子的结构需要尽量节省空间;此外，控制器摆放的位置也受控制器大小的限制，如果能够缩小控制器尺寸则能节约车子宝贵的空间。在无刷电机控制器应用本身，也需要尽量缩小控制器尺寸，利于控制器安装。如果该项技术可以得到突破和有效推广，既可以解决目前电动车设计与制作上的需求，同时能成为一款新产品进行后续的产业化【1】。

电动车无刷电机控制技术发展非常迅速，控制器的设计从完全分立元件搭建而成的方案，到分立元件结合功率开关的方案，再到分立元件、专门驱动芯片和功率开关，目前广泛采用微控制器、驱动芯片和功率开关的方案。随着电子元器件发展，电动汽车无刷电机控制向小型化、低功耗、高效率发展【2】。

二、课题研究的基本内容

小尺寸低功耗电动车无刷电机控制器主要是采用高性能微处理器作为控制核心，将设定和反馈经芯片内部SPWM转换后，再经过控制算法实现控制其输出的目的。较传统的电动车无刷电机控制器实现简单的调速控制，小尺寸低功耗电动车无刷电机控制器有着更低的功耗，更小的尺寸，能够实现无刷电机驱动的节能，小尺寸便于安装。此外，小尺寸低功耗电动汽车无刷电机控制器带有无线通信接口，方便与其它终端设备通信，便于监控和实时调节。此外，小尺寸低功耗电动车无刷电机控制器能够无线连接至人机界面，也能方便直观地显示数据【3】。

设计以TI的具有低功耗功能的MSP430G2553IPW20单片机、无刷直流电机前置驱动DRV8308RHAR以及双路 60V的N通道NexFET功率金属氧化物半导体场效应晶体管CSD88537ND为关键器件构成的无刷电机控制器【4】。

前置驱动器DRV8308在控制具有传感器的无刷直流电机时，具有先进的功能和简单的输入接口。作为前置驱动器，它连接至栅极并可同时驱动6个外部N沟道MOSFET，可按要求配置驱动电流，范围从10毫安至130毫安，由此可以实现最佳开关特性。3个电机相位根据霍尔传感器输入进行换相。一旦电机达到稳定的速度，DRV8308只使用1个霍尔传感器，由此可以将因为传感器不匹配而引起的抖动降至最低。霍尔信号驱动定时可以提前或延迟0.1%的增量，以优化功率效率。可选180°换向模式通过电机驱动正弦电流，并将可听见的噪音和扭矩波动降至最低。峰值电机电流可以通过调整感应电阻的大小来控制。DRV8308实现了闭环速度控制，使电机在各种负载扭矩下以精确的转速旋转。系统将FG跟踪或霍尔传感器产生的电机速度与插脚CLKIN上的参考频率匹配。DRV8308还可以使用占空比命令从时钟或寄存器设置驱动电机开环。由于DRV8308可以处理和报告过流、过电压、欠压和过热等各种保护功能，极大增强了系统的鲁棒性【5】。

三、研究結果

（1）系统构成简单和可靠性高。与传统电动车无刷电机控制器相比，完成同一任务，小尺寸低功耗电动汽车无刷电机控制器的外围电路简单，小尺寸低功耗电动汽车无刷电机控制器使用非常少的模拟元器件，利用集成的驱动模块，解决了控制器小型化简单化的问题，同时由于减少元器件的数量，能够提高控制器生产的可靠性，进而也提高了控制器使用的可靠性。

（2）系统低功耗和高效率。传统的电动汽车无刷电机控制器采用方波形式的PWM进行变频逆变控制，如此带来的逆变交流电的各次谐波很多，导致电机的功耗很大。而小尺寸低功耗电动汽车无刷电机控制器采用SPWM波进行变频逆变控制，能够有效减少逆变交流电的各次谐波，由此可以降低控制器的功耗，从而提高系统工作效率。此外传统的微控制器并没有采用低功耗设计，虽然微控制器部分的功耗不高，但功能受限。而小尺寸低功耗电动汽车无刷电机控制器的微控制器采用低功耗的设计，则可以探索微控制器的电源与电机电源分开，如此即便是在动力电池故障的情况下，控制器也能够显示一些关键信息。

参考文献：

[1]李烨.永磁无刷电动机技术发展水平及应用前景[J].微电机，2001，34（1）：31-33.

[2]余永权，汪明慧，黄英.1 单片机在控制系统中的应用/：0 1 北京：电子工业出版社; 344+1

[3]王运丽，劳芳.96 单片机实现的直流电机H 型PWM调速控制器设计与实现[J].科技广场，2007，7（2）：196-197.

[4]张和.无刷电机控制器的设计[J].中小型电机，2001，28（6）：37-39.

[5]郑万宏. 更快构建起安全、可靠、高效的电动工具无刷电机控制器-德州仪器模拟电机预驱动产品系列DRV830X介绍.电动工具[J] .2014（增刊2）.