鄧方雄，汪 洋

(湖北科技學院，湖北 咸寧 437100)

無刷直流電機(brushless DCmotor)由于結(jié)構(gòu)簡單、出力大和良好的調(diào)速性能，在工業(yè)領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應用［1］．無刷直流電機的這個特性正好滿足電動汽車的運行需要，目前大功率車用無刷直流電機的使用還不是很普遍，但中小功率的無刷直流電機已經(jīng)廣泛應用于電動摩托車，小型旅游觀光車等功率需要較小的車型上．無刷直流電機的控制不像有刷直流電機控制簡單，無刷直流電機的控制驅(qū)動器大量使用了大功率的電力電子元件，這些大功率的電子元件需要可靠的控制才能夠穩(wěn)定地工作，同時還需要很完善的保護電路，保證控制驅(qū)動器在極端情況下也不易損壞．目前有很多的研究人員對無刷直流電機的驅(qū)動器進行了研究，設計了很多控制電路，控制軟件，產(chǎn)生了很多的控制算法．常用的有 PID控制算法，模糊控制算法等［2～3］．本文設計了一種額定電壓48V，額定功率5KW 的無刷直流電機控制驅(qū)動器，這個控制器采用模糊自適應控制算法，經(jīng)過試驗，達到了預期的效果．

1 驅(qū)動控制器硬件電路設計

1．1 驅(qū)動控制器總體設計

無刷直流電機驅(qū)動控制器的總體框圖如圖1所示，驅(qū)動控制器以PIC16F886微控制器為核心．PIC16F886是美國微芯公司生產(chǎn)的一種新型低價格高性能的微處理器，本控制器工作溫度范圍寬，抗干擾性能好，并自帶多路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和多個外部中斷源，具有10位分辨率的PWM驅(qū)動引腳，這些特性能夠滿足無刷直流電機驅(qū)動控制的處理精度和處理速度要求．

本控制系統(tǒng)驅(qū)動的無刷直流電機自身具有霍爾元件，能夠?qū)D(zhuǎn)子的位置進行檢測，霍爾元件輸出的信號還可以用于速度的檢測．本設計選用的無刷直流電機額定工作電壓為DC48V，額定功率為5KW．

圖1 驅(qū)動控制器總體框圖

1．2 系統(tǒng)供電電路

無刷直流電機驅(qū)動控制器的供電采用48V的鉛酸蓄電池組供電，控制系統(tǒng)需要15V的直流電源為功率場效應管驅(qū)動電路供電和5V直流電源為控制系統(tǒng)中的微控制器供電．本設計采用耐高壓的LM2576HV進行48V到15V的轉(zhuǎn)變，LM2576是一種開關(guān)型電源轉(zhuǎn)換芯片，能夠承受3A的額定電流，自身功耗極小，能夠滿足本控制系統(tǒng)的要求．由于以微控制器為主的電路功耗較小，所以采用線性穩(wěn)壓芯片LM7805將15V直流電源轉(zhuǎn)換為5V直流電源．供電電路如圖2所示．

圖2 系統(tǒng)供電電路

1．3 控制器核心電路

以PIC16F886微控制器為核心的控制電路如圖3所示．圖中運放選用型號為LM358，這片芯片中包含有兩個獨立的可以單電源供電的運放A和運放B．圖中運放A工作在比較器方式，反向輸入端為一個經(jīng)過分壓電阻獲得的穩(wěn)定電壓，同向輸入端為主電路中的電流反饋對應的電壓信號，當電流反饋值大于設定值后，運放輸出高電平，這個高電平會關(guān)閉功率場效應管的驅(qū)動電路，避免場效應管因過流而損壞．同時該信號還被微控制器的中斷接收，微控制器在接收到該信號后，會在程序內(nèi)關(guān)閉所有的輸出，并給出過流的報警信號．

圖3 驅(qū)動控制器核心電路

運放B工作在同向放大方式，經(jīng)主電路中電阻分流器反饋的電流信號經(jīng)過必要的濾波后進行放大，輸入到微處理器的引腳，經(jīng)過微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換后獲取的數(shù)字信號作為程序控制的依據(jù)．

圖中一個五腳接頭接收電機霍爾元件位置傳感器輸出的脈沖信號，微控制器根據(jù)脈沖頻率直接獲取無刷直流電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的位置信息．微控制器根據(jù)位置信息輸出相應的控制信號對主電路的開關(guān)管進行開關(guān)控制，控制信號波形如圖4所示．圖中微控制器輸出的共有六個信號，從圖中所示的波形可以看出，每個信號在一個周期中有1/3的時間輸出高電平，2/3的時間輸出低電平．LIN1，LIN2，LIN3都為場效應管組下橋臂的控制信號，這三個信號的相位依次相差120度電角度［4］．

HIN1和LIN1兩個信號分別接通到同一個橋臂的上下兩個場效應管組上，這兩個信號不能夠同時為高電平，避免因為兩個場效應管同時導通導致的同一個橋臂的導通短路．HIN2和LIN2，HIN3和LIN3的原理相同．實際中這六個信號按什么電平的形式出現(xiàn)，由直流電機轉(zhuǎn)子的位置決定，這個位置信號由霍爾元件傳感器獲得．

為了穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，提高調(diào)速的及時性，控制上橋臂開關(guān)管的信號采用脈寬調(diào)制，控制下橋臂的開關(guān)管不采用脈寬調(diào)制．工作過程中可以根據(jù)無刷直流電機位置傳感器反饋的位置信號，有規(guī)律的控制開關(guān)管的導通與關(guān)閉，實現(xiàn)無刷直流電機的正反轉(zhuǎn)．

圖4 微控制器控制波形

1．4 電機控制器主電路設計

圖5 驅(qū)動控制器主電路

圖5為微控制器的電機驅(qū)動主電路．圖中功率開關(guān)管采用功率場效應管組，場效應管具有通態(tài)電阻小，開關(guān)速度快的特點．根據(jù)電機的額定電壓和額定電流的大小，本設計中選用額定電壓100V，額定電流70A的場效應管，由于單個場效應管的額定電流不能夠滿足條件，所以只能夠采用多管并聯(lián)的方式來實現(xiàn)，本設計采用5只管并聯(lián)的方式來提高導電能力．驅(qū)動控制器中采用分流器對主電路中流過的電流進行采樣，本設計采用額定電流100A輸出電壓75mv的康銅分流器，由于分流器輸出的采樣信號比較微弱，所以經(jīng)過圖3所示的放大電路放大后輸送給微控制器和開關(guān)管驅(qū)動電路．

1．5 開關(guān)管驅(qū)動電路設計

功率場效應管的驅(qū)動電路的好壞直接決定了控制器的可靠性，本設計中采用功率開關(guān)管的專用驅(qū)動芯片IR2110S驅(qū)動．該芯片內(nèi)部集成了電壓自舉電路，大大簡化了驅(qū)動電路的設計．同時該芯片的SD引腳在接收到高電平信號后，關(guān)閉所有驅(qū)動信號［4］，這個特點保證了控制電路能夠及時準確的保護開關(guān)管．SD引腳連接圖3輸出的保護信號．開關(guān)管的驅(qū)動電路如圖6所示．

圖6 開關(guān)管驅(qū)動電路

2 驅(qū)動控制器控制軟件設計

本系統(tǒng)的控制全部由軟件實現(xiàn)，軟件主要完成的功能為電機的轉(zhuǎn)速、剎車、正反轉(zhuǎn)控制，飛車、欠壓、過流保護，還要實現(xiàn)控制器與儀表板的通信等．

2．1 軟件控制原理

為了保證無刷直流電機的穩(wěn)定工作，需要對無刷直流電機進行反饋控制［5～6］，本系統(tǒng)采用電流反饋的負反饋控制方式，控制方案如圖7所示，控制環(huán)給定值為設定電流，反饋值為無刷直流電機的實際電流，給定值與反饋值之間的差值進行PID調(diào)節(jié)后作為PWM的占空比值．采用電流負反饋可以保證電機在堵轉(zhuǎn)和低速運行時驅(qū)動電路元件的安全性．

圖7 無刷直流電機控制方框圖

2．2 程序控制流程

本控制軟件需要完成多個方面的控制，其中最主要的是完成功率場效應管的控制，即給出每個功率管的控制波形．由于PIC16F886控制芯片內(nèi)部帶有功能完備的PWM發(fā)生電路，控制軟件中只需要給出PWM的占空比即可，具體控制哪幾組開關(guān)管導通，這個需要根據(jù)無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置決定，相應的控制在中斷程序中實現(xiàn)，PID調(diào)節(jié)子程序主要是進行數(shù)值PID控制，計算得出需要的占空比值．

控制軟件在控制過程中，還要對蓄電池的電壓進行實時的監(jiān)測，當蓄電池的電壓低于一定的數(shù)值時，需要降低控制過程中的最大電流值，以達到保護蓄電池的目的．控制過程中，控制軟件還需要對電流過大的情況作出處理，當占空比設定為最小值后，還有較大的電流，這個時候就出現(xiàn)了過流，需要關(guān)斷所有的功率開關(guān)管，以保護電路．

控制過程中還需要對速度進行測量，速度的測量方法是計算一定時間內(nèi)，電機轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出脈沖的個數(shù)，如果脈沖個數(shù)多于電機正常轉(zhuǎn)速對應的個數(shù)的時候，說明電機已經(jīng)出現(xiàn)了超速的現(xiàn)象，需要關(guān)閉控制信號的輸出．

圖8 軟件控制流程圖

2．3 中斷程序設計

PIC16F886控制芯片具有多種中斷源，其中本控制軟件使用了RB口電平變化中斷，定時器0中斷，AD轉(zhuǎn)換中斷，串行口發(fā)送和接收中斷．本控制軟件中，所有的中斷源都設定到一個中斷優(yōu)先級，進入中斷系統(tǒng)后，軟件會按圖9所示的過程依次查詢相應的中斷標志位，查看中斷是否發(fā)生，如果中斷發(fā)生，就執(zhí)行相應的中斷子程序．

RB端口能夠測量端口電平的變化，當端口電平變化，說明無刷直流電機的轉(zhuǎn)子已經(jīng)轉(zhuǎn)到了一個新的位置，微處理器需要根據(jù)當前的位置，改變場效應管的導通狀態(tài)，如圖4所示．采用中斷處理的好處是能夠及時改變場效應管的導通狀態(tài)，否則，轉(zhuǎn)子磁場方向與定制磁場方向反向，定制電流變大，對場效應管產(chǎn)生沖擊，如果長時間接收這種沖擊，功率管很容易損壞．

圖9 中斷程序流程圖

3 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)論

表1 負載測試

從系統(tǒng)的調(diào)試數(shù)據(jù)來看，本控制器能夠按照預先的設定對電流對電機進行控制，在設定電流不變，負載不變的情況下，電機的轉(zhuǎn)速比較穩(wěn)定，這說明，軟件在進行PID控制的時候，控制時間和PID的參數(shù)選擇比較合適．

［1］夏長亮，郭培健，史婷娜，王明超．基于模糊遺傳算法的無刷直流電機自適應控［J］．中國電機工程學報，2005，(11)：129～133．

［2］陳強．無刷直流電機系統(tǒng)的仿真研究［J］．現(xiàn)代雷達，2011，(7)：56 ～60．

［3］魏海峰，李萍萍，劉國海，賈洪平．基于雙電流調(diào)節(jié)器的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩脈動抑制［J］．江蘇大學學報，2010，(6)：691 ～695．

［4］紀志成，沈艷霞，薛花．無刷直流電機自適應模糊控制的研究［J］．中國電機工程學報，2005，25(3)：104～108．

［5］張相軍，陳伯時．無刷直流電機控制系統(tǒng)中PWM調(diào)制方式對換相轉(zhuǎn)矩脈動的影響［J］．電機與控制學報，2003，7(8)：87 ～91．

［6］夏長亮，文德，王娟．基于自適應人工神經(jīng)網(wǎng)絡的無刷直流電機換相轉(zhuǎn)矩波動抑制新方法［J］．中國電機工程學報，2002，22(1)：54 ～57．