何躍軍

（深圳職業(yè)技術學院機電學院，廣東深圳518055）

一種電動車用電機驅動控制器的設計

何躍軍

（深圳職業(yè)技術學院機電學院，廣東深圳518055）

介紹了一種電機驅動控制器的設計方案．該控制器控制對象為功率在1～5 kW范圍內(nèi)的無刷電動機，適用于多種中型電動車的驅動控制.與采用傳統(tǒng)的直流電機或異步電機驅動控制器相比，本驅動控制器采用無刷電機作為驅動電機，具有能流密度高、使用壽命長、調(diào)速范圍寬、維護成本低等優(yōu)點．驅動控制器采用正弦波空間矢量控制（SVPWM）策略，既保留有同步電機矢量控制策略的動力性能好、轉矩脈動低等優(yōu)點，又省略了矢量控制所必須需的轉子編碼器，因而控制方式更為簡潔、可靠，且成本低．驅動控制器以Microchip公司的DSPIC33FJ32MC204控制芯片作為控制核心，使用大功率MOSFET作為開關管，分立式驅動電路驅動，具有驅動信號硬件互鎖、過流、欠壓、過壓、過熱等多重保護功能．

電動車；無刷直流電機；驅動；控制系統(tǒng)；正弦波控制

目前市場上銷售的電動巡邏車、高爾夫球車、觀光車等中型電動車絕大部分采樣技術成熟的有刷電機或異步電機．而無刷直流電機，由于其具有能流密度高、使用壽命長、調(diào)速范圍寬、維護成本低等優(yōu)點，正逐步受到電動車制造廠商的關注和用戶的歡迎．對于其控制核心——無刷電機驅動控制器，目前一般都是采用方波驅動方式，其特點是價格便宜，但轉矩脈動大，控制精度低，動力性能較差；而控制器采用同步電機矢量控制方式，雖然能極大地降低轉矩脈動，提高動力性能，但控制復雜，且需要在轉子上安裝價格較為昂貴的編碼盤，由此帶來制造成本的上升，不易被廣大低端用戶接受．基于此，本控制器設計采用簡易正弦波驅動控制方式[1-3]，與方波控制方式相比，成本相差不大，但由于能較大程度地降低電磁轉矩脈動，因而所控電機的動力性能要優(yōu)越許多，且簡潔、可靠。

1 系統(tǒng)總體構成

本電動車控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示．驅動控制系統(tǒng)具有啟動平穩(wěn)、有力，加速快等特點，能執(zhí)行無極調(diào)速，定速巡航，倒車等多種操作，具有驅動信號硬件互鎖、過流、欠壓、過壓、過熱等多種保護功能．

本驅動控制系統(tǒng)控制對象為浙江尤耐特電機公司生產(chǎn)的無刷直流電動機，型號為BLT3/6-2500/72，適用于電動巡邏車、高爾夫球車、觀光車等中型電動車輛的驅動控制，本無刷電機主要參數(shù)見表1.

控制系統(tǒng)主電路為三相H橋結構形式，功率開關管則采用是的大功率MOSFET．系統(tǒng)利用相位差120度的3個霍爾傳感器，進行位置信號的檢測．控制電路以美國Microchip公司的DSPIC33FJ32MC204為控制核心，該芯片既有單片機具有的使用便捷、價格便宜等特點，又內(nèi)嵌有DSP內(nèi)核，極大地提高了其數(shù)據(jù)處理能力，因而很適合無刷電機控制

表1 系統(tǒng)電動車用無刷電機參數(shù)表

系統(tǒng)控制板由主控芯DSPIC33FJ32MC204及其外圍電路、功率驅動電路、霍爾位置檢測電路、直流母線電流檢測與過流保護電路、剎車電路、驅動器溫度檢測電路、蓄電池電壓檢測電路等構成．同時，控制板還留有485接口，便于與電動車其他設備進行通信，以擴展功能．

圖1 電動車驅動控制系統(tǒng)原理框圖

2 控制電路設計

2.1驅動控制電路

由于本系統(tǒng)為低壓蓄電池大電流供電系統(tǒng)，而市場現(xiàn)有的集成功率驅動模塊均不能滿足其功率要求，因此設計中，主電路采用分立元件構成，每路開關管均采用4個同規(guī)格的N溝道絕緣柵型功率MOSFET管并聯(lián)方式，為減少大電流帶來的開關元件的發(fā)熱、寄生電感和電容、分布電感等影響，系統(tǒng)在設計上采用了“鋁基覆銅板”的散熱方式[4]，從而使系統(tǒng)的可靠性和散熱性同時得到了提高．

系統(tǒng)驅動電路原理如圖2，采用鉛酸蓄電池（供電電壓為VCC=72V），為驅動器以及電機提供能量，此電壓經(jīng)過輔助開關電源DC/DC變換，產(chǎn)生VCC1=15V的MOSFET管柵極電壓，用于主開關管（MOSFET）的開通控制．該驅動電路還具有硬件死區(qū)保護功能，如當上管驅動信號BH為高電平時，上管導通；而此時，在下MOS管驅動電路中，Q21，Q20導通，因而下MOS管 MB15被截止，從而實現(xiàn)上下MOS管驅動信號的硬件互鎖，提高了驅動電路的可靠性．

2.2電流檢測電路

系統(tǒng)電流檢測電路如圖3所示，其目的是實時監(jiān)測控制器母線電流大小．母線電流在電阻R25上的采樣電壓Vi，經(jīng)過LM358變換后，送至主控芯片的A/D輸入口進行A/D轉換．由于系統(tǒng)采用SVPWM控制，采樣電流頻率與PWM脈沖頻率相同，因而采樣電流疊加了眾多高次諧波分量，且相位上滯后，影響采樣效果．為此，系統(tǒng)在設計中，采用了由R24和C11組成的一階濾波環(huán)節(jié)先行濾波后，再送入控制器主控芯片DSPIC，效果較好．

圖2 系統(tǒng)驅動電路原理圖

圖3 電流檢測與過流保護電路

2.3過流保護電路

在電動車驅動控制系統(tǒng)里，過流保護十分關鍵，為此本設計采用了軟、硬件雙重過流保護功能．電流檢測電路如檢測出電流過大，則主控芯片立即響應，通過軟件，關閉芯片PWM輸出口信號，開啟軟件保護，以保護系統(tǒng)免受損害．

系統(tǒng)硬件過流保護電路如圖3，系統(tǒng)采樣電流為母線電流，以康銅絲作為采樣電阻．系統(tǒng)硬件過流保護原理如下：

當采樣電阻R25電流過大時，比較器LM358輸出高電平，控制三極管Q30基極導通，Q30集電極輸出低電平過流信號，該信號通過與門，直接封鎖驅動電路六路PWM信號，使得電機停轉，從而達到硬件保護的目的．

3 控制系統(tǒng)軟件設計

3.1軟件設計概述

系統(tǒng)控制軟件采用MPLABCC30語言和匯編語言混合編寫，具有模塊化設計、可讀性好、維護方便等特點．考慮到電機控制對快速性和實時性要求較高，采樣周期應盡可能得短，同時綜合考慮抑制諧波、降低損耗的需要，主控芯片工作頻率選取為20 MHz，而載波頻率取為20 kHz，以使噪聲頻率避開人體聽覺范圍．上下MOS開關管死區(qū)時間設定為2μs．

為減少軟件時間開銷，程序在轉速計算、轉子相角增量和正波幅值計算時，都調(diào)用了匯編語言的“乘”(_builtin_muuluu)、“除”(_builtin_divud())函數(shù)形式，從而減小了計算量．

本系統(tǒng)控制軟件，目前已獲得國家計算機軟件著作權授權，軟件名稱：電動車PWM控制系統(tǒng)軟件，登記號：2013SR041481．

3.2控制軟件設計原理

控制系統(tǒng)軟件設計原理為：駕駛員通過腳踏電子油門，產(chǎn)生0-5V的速度給定信號，送入主控芯片DSPIC后，經(jīng)過 A/D轉換，產(chǎn)生速度給定值．DSPIC根據(jù)三相霍爾傳感器輸入信號，計算出電機當前轉速值和電機轉子當前區(qū)間值．速度給定值與當前速度值之差，經(jīng)過PID算法，即可確定正弦波的幅值大?。赊D子當前區(qū)間值和速度值，即可算出電機PWM周期中的轉子相位角的增加量、正弦波當前相位和轉子的實時相位．由正弦波當前相位、正弦波的幅值，這兩個參數(shù)，主控芯片通過矢量控制算法，即產(chǎn)生SVPWM信號波，控制電機運行．

3.3程序設計介紹

控制軟件系統(tǒng)主要由主程序和中斷服務子程序兩部分組成．

3.3.1 主程序

主程序在進行完控制參數(shù)、各個端口、各個相關中斷的初始化后，打開相應的中斷，然后進入死循環(huán)，等待啟停命令和轉向命令，并隨時響應各相關中斷．主程序流程圖如圖4．

3.3.2 中斷服務子程序

中斷服務子程序主要包括定時器T1中斷子程序、輸入捕捉IC1，IC2，和IC7中斷子程序、電子油門A/D轉換中斷子程序及MCPWM 中斷子程序等．其中，3個IC捕捉中斷作用在于實時捕捉3個霍爾位置傳感器發(fā)出的位置信號，并結合無刷電動機的旋轉方向，得出電機將要進入的扇區(qū)的大小值，而MCPWM中斷，則主要進行SVM矢量計算，本文重點介紹A/D中斷和T1中斷．

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

3.3.2.1 A/D中斷子程序

A/D中斷子程序，其作用是定時對電子油門速度給定電壓、母線電流、蓄電池電壓、驅動器溫度等模擬量進行循環(huán)采樣，并完成以下工作：

1）計算當前速度期望值．

2）根據(jù)采樣得出的母線電流值，判斷是否進行過流保護．

3）根據(jù)采樣的蓄電池供電電壓值，判斷是否進行過壓、欠壓保護．

4）根據(jù)采樣的驅動器溫度值，判斷是否進行過熱保護．

3.3.2.2 定時器T1中斷子程序

在軟件中，通過設置T1初始化子程序，每1ms產(chǎn)生一次T1中斷．中斷服務子程序流程圖如圖5所示，其主要功能闡明如下：

1）根據(jù)IC2捕獲中斷記錄的相鄰霍爾信號脈沖計數(shù)值，計算出電機正弦波電流周期和實時轉速．

圖5 T1中斷子程序流程圖

2）確定當前PWM周期內(nèi)，轉子相位角的增量角．

3）通過轉速PID控制算法命令SpeedPIDControl( )，確定正弦波向量的幅值．

此外，在T1中斷程序，還利用變量motorstalledcounter 作計數(shù)器（此計數(shù)器在IC1，IC2和IC7捕獲中斷中，將其值清零），如果其值大于12（即達到12ms），代表電機的速度過慢，電機則需要執(zhí)行強制換向命令ForceCommutation()；如果其值大于120（即達到120ms），則表明電機遇到了堵轉，需馬上執(zhí)行停機命令StopMotor()，實現(xiàn)電機的堵轉保護．在T1中斷子程序中，電機轉速計算過程說明如下：

根據(jù)已知條件，系統(tǒng)時鐘設定為20M；捕捉模式設置為每個上升沿和下降沿都開始捕捉；捕捉定時器時基采用定時器T3；且進行64分頻，設每個相鄰跳變的時間間隔為tΔ，電機極對數(shù)p=3，電機相電流頻率為f，則電機轉速（r/min）表達式可推導為：

4 實驗結果

本文對電機控制器進行了相關實驗，電機控制器樣機實物如圖6所示，控制對象——無刷電機的相關參數(shù)如下：

電機功率：3kW；供電電源：蓄電池；供電電壓：72V；電機接法：星型接法；額定/峰值扭矩：11.46/52N*M．

圖6 電動車控制器實物圖

圖7 電機實測加速曲線

電機帶額定負載實測啟動加速曲線如圖7所示．經(jīng)測試，電機控制器運行時，可使電機達到一個較高的調(diào)速范圍，調(diào)速范圍151～2498 r/min；控制器通過SVPWM+PID控制算法的調(diào)節(jié)作用，能使電機轉速誤差控制到6r/min范圍之內(nèi)，在穩(wěn)定性、啟動性能等方面均達到了預期效果，在同類驅動器產(chǎn)品中，具有較強的價格優(yōu)勢和競爭力．

[1]邱建琪，沈涔徽，林瑞光．永磁無刷直流電機轉矩脈動抑制的SVPWM控制[J]．中小型電機，2003，30（2）：27-33．

[2]尚重陽，普清明，付騫．基于DSPIC30F6010的BLDCM正弦波電流驅動實現(xiàn)[J]．微電機，2009，42（2）：48-53．

[3]高春俠，張磊，張加勝．一種新型電壓空間矢量PWM控制技術研究[J]．節(jié)能技術，2008，26（147）：45-49．

[4]楊克濤，傅仁利．絕緣金屬鋁基板的制備及介電性能研究[J]．山東陶瓷，2006，29（6）：3-6．

Design of Electric Vehicle Drive Controller

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

The paper introduces a design scheme of a motor drive controller, which is applied to the power in the range of 1-5kW BLDC. It is suitable for driving control of medium-sized electric vehicles. Compared with traditional drive controller of dc motor or asynchronous motor, the drive controller of BLDC features high energy density, long service life, wide speed range and low maintenance cost. By adopting SVPWM strategy, it not only retains the advantages of good dynamic performance, low torque ripple of synchronous motor vector control, but also eliminates the rotor encoder, making it simpler, more reliable and cost-effective. The controller adopts the Microchip Company’s DSPIC33FJ32MC204 chip as the control core, uses high power MOSFET as switch and split vertical drive circuit, taking on precaution functions against interlock, overcurrent, overvoltage, undervoltage and overheating of signal hardware.

electric vehicle; brushless DC motor; drive; control system; SVPWM

TM921

A

1672-0318（2014）01-0011-05

2013-09-04

*項目來源：深圳職業(yè)技術學院校重點科研資助項目（編號2210K3020010）

何躍軍（1970-），男，湖南長沙人，副教授，主要研究方向：電氣傳動與電力電子技術．