翻譯部分 外文原文 中文譯文 基于高壓無刷直流電機小型電動車的控制和結(jié)構(gòu) 摘要 無刷直流電機 (以下簡稱 BLDC)在低壓交通工具（如：助力自行車、電動車和本文所闡述的機動山板）領(lǐng)域已經(jīng)變得越來越重要。隨著技術(shù)飛速發(fā)展，高能電池如鋰聚合物電池的應(yīng)用因其高性價比、輕重量，已經(jīng)變得越來越普及。由于 BLDC 高能、輕重、低成本等優(yōu)勢 ,使得 BLDC 成為目標(biāo)內(nèi)燃機功率要求達(dá)到 7KW 的首選。本文中電動爬山車裝配專用電子控制器。電機通過內(nèi)置霍爾傳感器判別轉(zhuǎn)子位置。同時，還有很多其它傳感器用于監(jiān)測其它對電機運行環(huán)境起重要作用的一些變量，如電機相電流，電池電壓，電機溫度，晶體管溫度等。這套所闡述的系統(tǒng)通過幾個附加特征模塊，使得功能進一步提升，如： LCD 屏輸出，再生反電勢，定時超前，巡航，軟件啟動等。這些功能將在下文進行簡要闡述。 關(guān)鍵詞： 無刷直流電機控制器 ； 再生制動 ； 定時超前 ； 電動滑板 ； 霍爾傳感器。 一介紹 機動山板能幫助使用者進行極限登山運動，一般限于下坡 ，到平坦地區(qū)和上坡面。這給用戶更廣泛的登山位置選擇。 一種外轉(zhuǎn)子 BLDC 已經(jīng)被投入應(yīng)用。這種電機因其低速（ 130RPM/V），高轉(zhuǎn)矩特性，同時減少了傳動裝置而被青睞，一個比例為 3.8： 1 的傳動裝置被用來直鏈驅(qū)動。裝置配備功率為 6.5KW 的 Turnigy C80100-13 電機，該電機足夠用來驅(qū)動速度大約在 70km/h 的小型交通工具。然而，由于驅(qū)動裝置和電池電壓的原因使得登山車的速度限制在 50km/h 的水平。所以，增大了的輪動轉(zhuǎn)矩足夠保證裝置爬上險峻的山脈。 無霍爾傳感器的電機要求產(chǎn)生可測量的反電動勢傳遞給電機控制器，以便能夠確定轉(zhuǎn)子位置的，但因此不能提供換向平穩(wěn)啟動和低速。相反，一個裝有位置傳感器的 BLDC，能夠在任何速度下確定轉(zhuǎn)子位置。同時，在啟動過程中，可以順利換相。專用裝有傳感器的 BLDC 因此而產(chǎn)生的。 二電氣系統(tǒng)綜述 Silicon Laboratories 公司 的 C8051F020 混合信號現(xiàn)場可編程微控制器 ， 已被用來 根據(jù)來自不同 傳感器 的輸入信號 控制 驅(qū)動電路的 。 該控制器運行用 C 語言環(huán)境下的定制軟件。該軟件用來控制電動機控制器的運行 。圖 1 顯示功能塊的電機控制器。 該電動機控制器使用一個三相 H 橋驅(qū)動 電機。該電路的優(yōu)越性在于 它允許電機 四 象限運行 ，以及慣性 運動 。 如圖 2 所示 三相 H 橋 的原理圖。 圖 2.三 相逆變橋路 電機控制器應(yīng)滿足電機的特殊要求，能 夠供給 連續(xù) 5S 提供 48V 電壓下的130A 電流 ，并能夠 連續(xù)提供至少 40A 的電流。 H-橋的功率開關(guān)管選用 N 溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（ N-MOSFET 的）。它們的優(yōu)勢在于低成本及在兩個 MOSFET 并聯(lián)條件下的電流導(dǎo)通能力 1。為獲得 130A 的目標(biāo)電流 ，兩個N-MOSFET 的并聯(lián)使用組成 六個開關(guān)的三相 H 橋。 A.電機驅(qū)動電路 在微控制器和 MOSFET 之間使用柵極驅(qū)動器 IC 的原因有三： 1.將 3.2V 來自 單片機 的邏輯信號轉(zhuǎn)換為 低側(cè)晶體管 12V 信號，使得 MOSFET飽和。 2.提供一個電荷泵電路 ，用于驅(qū)動高側(cè)柵極 pin 腳 電壓 到 12V 以上 ，使得MOSFET 的飽和 。 3.為 三相 H 橋 提供直通可編程死區(qū)時間保護。 柵極驅(qū)動器 IC 和 MOSFET 的柵極之間 柵極電阻 是用來減緩晶體管的開關(guān)時間 。 這是為了減少通過電機繞組 2的電流變化率（ di / dt 的） 。當(dāng)晶體管接通或關(guān)斷時電機繞組會產(chǎn)生感應(yīng)電勢（自感），電勢的大小和通過繞組的電流變化率成正比。這個感應(yīng)電壓可能會導(dǎo)致晶體管體承受 電壓超過 VACS 等級，導(dǎo)致它們損壞。設(shè)計這些柵極電阻和 并聯(lián)的晶體管 在某種意義上 3可以減少電路振蕩 問題。圖 3 為 一個 在半橋路中能夠減小振蕩的 柵極電阻電路 的原理圖 。如果需要更多的晶體管并聯(lián) ，電路 可以 進行擴展 。 圖 3.柵極電阻的電路圖，以盡量減少 MOSFET 柵極振蕩 對于保護晶體管，僅僅減緩晶體管的開關(guān)時間是不夠的；母線電容器也被用于吸收尖峰電壓 2。 由于存在 非常高的電壓尖峰的頻率（約 50 MHz）。低等效串聯(lián)電阻（ ESR）電容是必需的。標(biāo)準(zhǔn)的電解電容的速度難以實現(xiàn) 吸收這種頻率的瞬態(tài)電壓 。 電機控制器的電路采用了霍爾效應(yīng)電流傳感器來測量電機的相電流。如果相電流超過設(shè)定的限制 ，電機控制器 切斷 電機 電源，以 防止電機繞組 和晶體管 由于電流超過最大額定值 而被損毀 ?；魻栃?yīng)電流傳感器的輸出是一個模擬信號， 它和流過導(dǎo)線的電流大小成比例。本應(yīng)用中還裝有一個雙向電流傳感器 ，以測量再生制動的電流。 電機控制器還使用 電壓傳感器電路 以測量電池的電壓。如果電壓低于規(guī)定的最小電池電壓，電機控 制器將切斷電機電源。它的作用非常重要，因為可以防止過分使 鋰離子聚合物電池組 放電， 永久地降低電池的容量 4。由于寬范圍的工作電壓，電動機控制器能夠在 （從 16V 到 70V） 電壓范圍內(nèi)運行。使用一個簡單的分壓器電路和 一個低通 RC 濾波器 代替 電平移位器 進行電壓檢測 。 溫度傳感器安裝在電機和 晶體管的散熱片 上 ， 如果任一 溫 度超過預(yù)設(shè)值，電機控制器切斷電機電源 。主板上的溫度傳感器 也可用于監(jiān)測微控制器的溫度 。同樣，如果微控制器過熱 ，電機控制器將切斷電源 。 B.再生制動 電機控制器集成了一個簡單的再生制動功能。 在平面或上坡 過程中的 再生能量很少 。 然而，由于再生制動是唯一一種能夠防止把動能簡單地轉(zhuǎn)換成熱能，使得晶體管散熱片和電機溫度升高的制動方法，所以被本設(shè)計采納 。 反電勢的實現(xiàn)，是借用一個升壓轉(zhuǎn)換電路將電機的反電動勢提高到一個比電池電壓更高的水平。 圖 4 給出一個基本的升壓轉(zhuǎn)換 電路 5。 圖 4.Boost 升壓轉(zhuǎn)換電路 該電路無需任何 額外的硬件實現(xiàn)。 使用三相 H 橋低側(cè)晶體管作為開關(guān)裝置、電機繞組作為電感，而高側(cè)反激二極管作為升壓轉(zhuǎn)換電路中的二極管。三條電路投入使用，每條對應(yīng)其中一相 。 通過改變低側(cè)晶體管 的 PWM 占空比來改變該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。隨著輸出電壓的增大，充電 電流增加，導(dǎo)致增加的制動力。 因此，通過讀取制動桿的位置并相應(yīng)地調(diào)整占空比來控制制動力 。 充電電流 必須保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，以防損壞電池組 。本應(yīng)用中使用的鋰離子聚合物電池組，最大充電電流為 20A。 通過計算 20A 的充電電流 能夠 提供足夠的制動力， 3s 內(nèi)能將速度從 30 公里 /小時降到 0。 C.定時超前 定時超前在有刷與無刷直流電機 6中均有應(yīng)用 。 有刷直流電機中，是通過機械地移動電刷 相對于電機繞組 的位置來實現(xiàn)。 BLDC 電機 中，是利用電子整流控制電機使得它比正常運行時提前 。 在理想的情況下，定時提前量（用電動旋轉(zhuǎn)的角度表示）可以從 零速時 0連續(xù)變化到最大速度下的電角度數(shù)。 這是可以 通過微控制器做到的，但它需要大量的處理過程 ，并需要專用的微控制器 7。大量的處理是必需的，因為 微控制器必須 通過電機的速度預(yù)測轉(zhuǎn)子的下一個位置時， 然后計算最后一個電機 位置換相和下一個換相提前角之間的延時。 有了這些信息，微控制器 在上一個 過渡 后一個計算好的時間 觸發(fā) 。 D.內(nèi)部位置傳感器 此應(yīng)用中，已采取了一種簡單的定時超前 ，兩套霍爾效應(yīng)傳感器已被安裝在電機 內(nèi)部。一組定位為中性定時，而另一組則位于 30 （電機旋轉(zhuǎn)） 偏離中性時間設(shè)定。第二組的霍爾 傳感器產(chǎn)生的信號 30超前或者 30滯后。通過電機在 SOORPM 條件下的最佳超前時間來確定超前電機角度， SORPM 運行環(huán)境在 42V電壓下的最高速。 此外，因為電機有一個 12 極定子，每極間隔 相差 30 。這意味著 無論是中性定時，還是超前定時的霍爾 傳感器，可以很方便地安裝在定子磁極之間的間隙 中。圖 5 分別示出中性 和 30超前電機位置傳感器的信號波形。前三個波形來自中性定時，后 三個 來自超前 定時設(shè)置 的 電機位置傳感器。這顯示了 超前定時超 前中性定時 30電角 。 圖 5. 中性和 30超前電機位置傳感器的信號波形 有了這個超前定時角度，它也可以從第二組霍爾傳感器反向產(chǎn)生超前 30的信號。這是因為超前 30和延遲 30在 相移 60（這是電機的位置轉(zhuǎn)換之間的間距） 條件下等價 。 這將導(dǎo)致 30延遲信號位置一直滯后于超前 30信號。通過產(chǎn)生這第三個信號，機動板很可能在正、反方向都使用 30超前定時。微控制器能夠更具電機速度在中性定時和超前定時間進行切換。該軟件利用遲滯，設(shè)定超前定時時，轉(zhuǎn)速 4800 轉(zhuǎn)；中性定時時，轉(zhuǎn)速 4700 轉(zhuǎn)。 三軟件設(shè)計 單片機使用 定制軟件 進行編程，以允許這種電機控制器擁有 唯一的附加功能。該軟件主要是基于中斷的，以提高計算效率和可靠性 。 每次微控制器讀取一個模擬輸入信號， 總共 8 個連續(xù)的讀數(shù)，并計算和使用這些讀數(shù)的平均值來設(shè)置新的變量 被讀取。這有助于進一步減少來自各種傳感器的模擬信號噪聲的影響。 距離測量是通過計算新的電機位置的數(shù)量。對于這個特殊的馬達(dá)， 在一個電氣旋轉(zhuǎn)周期轉(zhuǎn)子有 6 種不同位置方式和一個物理周期內(nèi) 7 次換相。 通過 車輪直徑 200mm 和 傳動比為 3.8:1，可以計算 當(dāng)電機位置達(dá)到 254 時，山板將前進 1 米。當(dāng)“新位置”計數(shù)器達(dá)到 254， 距離計數(shù)器就增加 1， “新位置”計數(shù)器復(fù)位到零。 速度測量是通過使用一個山板上的定時器測量連續(xù)兩個電機的時間間隔 。一個位置增量移動的距離是已知的，因此可以計算出速度。在高速行駛時，平均 每8 轉(zhuǎn)讀取一次 以提高精度。圖 6 示出了電機控制器的軟件的基本流程圖。 A軟啟動 軟啟動功能的目的是為了保護電機和電機驅(qū)動電路在啟動過程 被沖擊電流損壞。 這是必需的，因為當(dāng)電機在低速或靜止的， 幾乎沒有 反電動勢。 反電動勢阻止電壓施加到電機端子。因此，電源電壓和反電動勢電壓時，電機兩端承受的電壓有很大區(qū) 別 。沒有反電動勢， 電機承受很大的電壓 。電路中唯一的電阻 是導(dǎo)通 晶體管 電阻 （ 0.008 S2）， 9， 電機繞組（ 0.036 S2）， 還有 非常低 的導(dǎo)線電阻。因此， 當(dāng)電機處于靜止或以低速運行 ， 電流可以達(dá)到相當(dāng)大的水平。 當(dāng)電機運行時，軟啟動功能限制電動機兩端的電壓，可以用作速度控制 。這是通過設(shè)置在零速時允許的最大占空比為 5，而 在 1900 RPM 是加到 100。這個功能的實現(xiàn)的程序在主循環(huán)中，因此不會影響基于中斷 操作 的功能。 B巡航 巡航控制功能采用 PI 控制，使得速度保持 Motorboard 的 設(shè)定上 。設(shè)定點取為 激活手持遙控巡航開關(guān)那瞬間的 速度 。 PI 控制器的 PWM 占空比的變化，以確保當(dāng)小車爬山時，隨著負(fù)荷的變化，速度固定在設(shè)定點。當(dāng) 用戶應(yīng)用剎車，巡航控制功能被禁用。當(dāng)用戶停止使用制動器時，新的速度作為設(shè)定點。比例系數(shù)和積分系數(shù) 通過實驗獲取 。 四 .手持控制器 機動山板的用戶界面是一種手持式控制器。此 手持控制器中使用的無線遙控汽車 發(fā)射器的外殼為基礎(chǔ)。這個外殼被修改，剝出的電路板，切斷電池槽， 安裝一個 LCD 模塊 到它里面 。觸 發(fā)機制被保留，作為油門和剎車控制（拉回到觸發(fā)加速，推動制動）。這里利用了 兩個可變電阻器（旋轉(zhuǎn)式電位器 ）， 一個是用來設(shè)置控制器的最大占空比。 這個可以限制 Motorboard 的最大速 的功能是非常有用的，尤其是第一次用這個設(shè)備。其他可變電阻是用來循環(huán) 各種顯示在 LCD 模塊上 的 數(shù)據(jù)。電動機控制器所使用的有兩個開關(guān)，一個用來打開控制器開啟和關(guān)閉，另一種是用來作為巡航控制通 /斷開關(guān)。 Motorboard 和手持控制器 成品圖如 圖 7 所示。 液晶屏 只有足夠大能夠 顯示兩行 16 個字符 。為了顯示更多的數(shù)據(jù) ，手持設(shè)備上的一個可變電阻器可以讓用戶在屏幕上選擇，這里 有六個數(shù)據(jù)顯示： 1.主要數(shù)據(jù)畫面： 顯示當(dāng)前速度，行駛距離，電池 電壓和瞬時功率輸。 2 溫度畫面： 顯示晶體管，電動機的溫度微控制器，以及環(huán)境溫度 。 3 最大值屏幕： 顯示的最大速度達(dá)到最大電流消耗 在運行過程中，最大輸出功率 。 4 二級數(shù)據(jù)畫面： 顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速和瞬時 。 5 程序的 I / O 畫面： 顯示 用戶 設(shè)置的最大占空比，錯誤代碼，并從電機控制器程序 故障 代碼 。 6 調(diào)試畫面： 顯示瞬時占空比， 轉(zhuǎn)把輸出值 （用于設(shè)置 PWM 占空比的值），并且將晶閘管切換到當(dāng)前狀態(tài)。 五實驗結(jié)果 實驗結(jié)果表明：用卷尺測量時， 該板的距離測量對測量精確到 0.5。這種測量的分辨率使 軟件測量分辨率低至 4 毫米 。然而，在測量中，通過在引入不確定性直徑的車輪。因此，直徑 、氣壓 的變化 、 和騎手的質(zhì)量 都是不確定因素 。 實驗證明在 400 米田徑跑道繞場 一圈存在 1 米的誤差 。 也進行了實驗測試主板上的速度測量的準(zhǔn)確性。 把速度設(shè)定在 Motorboard在液晶屏上的 17 公里 /小時，并在這樣的速度舉行。然后 緊緊 粘貼 5 米卷尺。錄像被檢測 ，以確定行駛 5 米的距離所花費的時間。據(jù)計算，實際的運行速度為17.42 公里 /小時。 重復(fù)試驗設(shè)定 速度為 25 公里 /小時。此運行計算的實際速度為25.68 公里 /小時。 這些設(shè)