呂中正 張?zhí)m紅 曹克強

(1.江蘇大學電氣信息工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.鹽城工學院電氣工程學院，江蘇 鹽城 224051；3.江蘇友和動力機械有限公司，江蘇 鹽城 224031)

近年來由于環(huán)境污染和能源危機加劇，電動汽車發(fā)展得到高度重視，車載蓄電池與電動汽車續(xù)行里程密切相關，為了增加電動汽車續(xù)行里程，產(chǎn)生了一種作為輔助電源的增程器。增程器主要由無刷直流電機、微控制器和發(fā)動機組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品[1－2]。隨著高性能永磁材料、電力電子技術、數(shù)字控制技術和傳感器等多種領域的發(fā)展，無刷直流電機得到廣泛應用[3－5]，相比于增程器用同步電機，增程器用無刷直流電機能耗低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)動慣量小等優(yōu)點得到更好的研究。

本文設計了完整的增程器用無刷直流電機的一體化控制方案，以STM32F051C8T6 為核心，通過速度環(huán)和電壓環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)控制，同時對起動/發(fā)電硬件電路進行設計。通過油門和風門，模擬在電動車運行時真實狀況。最后實驗驗證了增程器用無刷直流電機起動/發(fā)電控制設計的可靠性和穩(wěn)定性。

1 增程器用無刷直流電機控制系統(tǒng)

電動汽車增程器用無刷直流電機動力系統(tǒng)，如圖1 所示，由車載蓄電池、車載驅(qū)動控制器、增程器等組成。當車載蓄電池電量充足時，車載電池對智能控制器和車載電機供電，帶動主驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，使電動汽車正常行駛；當車載蓄電池電量不足時，增程器啟用，無刷直流電機作為起動/發(fā)電一體化電機進行控制，車載蓄電池提供的直流電經(jīng)逆變后，為電機提供交流電源，電機運行至電動狀態(tài)，從而拖動發(fā)動機從靜止開始加速旋轉(zhuǎn)。當發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到點火速度后自行旋轉(zhuǎn)后，無刷直流電機切換至發(fā)電狀態(tài)運行，向車載蓄電池充電，并為主驅(qū)動系統(tǒng)供電[6－7]。

圖1 電動汽車増程器用無刷電機動力系統(tǒng)圖

2 硬件電路設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

增程器主要由發(fā)動機、起動/發(fā)電一體化無刷直流電機、發(fā)動機油門風門步進電機、增程器智能控制器[6]組成。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，增程器智能控制器由主控核心電路、主功率電路、驅(qū)動電路、反電勢過零檢測電路、采樣電路和步進電機驅(qū)動電路組成。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控核心電路微控制器以STM32F051C8T6 為控制單元，采集母線電壓和電流信號以及對反電勢過零信號進行處理運算，實現(xiàn)電機電動時控制轉(zhuǎn)速，發(fā)電時控制輸出電壓。主功率電路由三相整流電路和三相逆變電路組成。當無刷直流電機電動運行時，微控制器向三相逆變器發(fā)出脈沖信號，控制三相逆變器工作，此時三相整流器起續(xù)流作用；當無刷直流電機發(fā)電運行時，向蓄電池充電，微控制器向三相逆變器發(fā)脈沖封鎖信號，三相整流器與逆變器體二極管共同構(gòu)成整流電路。發(fā)動機油門風門驅(qū)動電路對發(fā)電機進行控制調(diào)整。

2.2 主控核心電路[8]

硬件系統(tǒng)如圖3 所示，主控核心電路微控制器芯片為STM32F051C8T6，用于產(chǎn)生逆變驅(qū)動電路PWM 信號和步進電機驅(qū)動信號，檢測轉(zhuǎn)子位置，并處理電流電壓和環(huán)境溫度采樣的數(shù)據(jù)等。上橋臂Motor.A.H、Motor.B.H、Motor.C.H 和下橋臂Motor.A.L、Motor.B.L、Motor.C.L 的PWM 控制信號均由高級定時器TM1 產(chǎn)生，分別從PA8、PA9、PA10、PB13、PB14 和PB15 引腳輸出。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無刷直流電機采取反電勢過零法對轉(zhuǎn)子位置檢測，過零信號通過PB9、PB10 和PB11 輸入，由微控制器芯片內(nèi)置定時器TIM2 對換相時間檢測。主控芯片發(fā)出風門FanStepMotor.A～D 和油門驅(qū)動信號OilStepMotor.A～D，驅(qū)動兩個步進電機，對發(fā)動機進行控制。電流電壓和環(huán)境溫度采樣通過PA0、PA1和PA4 送達A/D 轉(zhuǎn)換器進入ADC＿IN0、ADC＿IN1和ADC＿IN4 通道，完成電流、電壓和環(huán)境溫度的檢測。

2.3 主功率電路

電動運行時，主功率電路三相逆變器將直流電逆變成交流電驅(qū)動無刷直流電機旋轉(zhuǎn)。通過主核心電路發(fā)出PWM 脈沖信號改變MOS 管的導通順序，調(diào)節(jié)電機旋轉(zhuǎn)；發(fā)電運行時，電機發(fā)出的交流電經(jīng)六個二極管組成的全橋電路進行整流，PWM 脈沖信號同樣由核心控制電路發(fā)出，通過改變上下橋臂的導通時間和關斷順序，輸出穩(wěn)定的電壓。

無刷直流電機整流/逆變電路如圖4 所示，實驗選取N 通道增強型功率場效應管HY3312。電路采用兩兩導通三相六狀態(tài)的PWM 波調(diào)制。MOSFET的柵極串聯(lián)10 Ω 的電阻來調(diào)整開關速度和消除柵極振蕩，由于MOSFET 柵源之間的阻抗很高，MOSFET 的漏源之間的電壓通過極間電容耦合到柵極發(fā)生突變，使得柵極產(chǎn)生很高的過沖電壓，柵極電荷急劇增加，致使MOSFET 誤導通，為了防止誤導通，柵極和源極之間并聯(lián)一個10 kΩ 電阻，以減小柵極驅(qū)動電路的阻抗，同時并聯(lián)一個10 nF 電容，利用密勒效應對頻率補償。SHUNT＋接電源采樣電路，對母線電流進行檢測，完成過流保護。

圖4 主功率電路

2.4 驅(qū)動電路設計[9]

驅(qū)動電路完成PWM 信號調(diào)理，進行信號放大處理，控制三相橋六個功率開關管的通斷。功率場效應管采用FD6288 集成驅(qū)動芯片，如圖5 所示，芯片引腳LIN1～LIN3 和HIN1～HIN3 為驅(qū)動電路的輸入端，引腳HO1～HO3 為開關管的驅(qū)動輸出信號端，LO1～LO3 相互獨立，連在三相全橋電路上下橋臂的MOS 管柵極前端。驅(qū)動電路輸入6 個引腳的驅(qū)動信號經(jīng)處理后變?yōu)? 路輸出脈沖信號，控制6 個MOSFET 開關管關斷。懸浮電源引腳VB1～VB3 分別與D1～D3 二極管相連，最終接到＋12 V 電源，與三個電容C17、C19、C22相連一起組成三路自舉升壓電路。

圖5 驅(qū)動電路

由于逆變電路的開關管每一對都是交替導通的，以HY1 和HY2 為例，當HY1 關斷HY2 導通時，此時12 V 電源通過二極管D1 給自舉電容C22充電。當HY1 導通HY2 關斷時，自舉電容放電，給HY1 提供導通電壓。自舉電路電壓等于輸入電壓與自舉電路升壓之和，從而保證FD6288 輸出穩(wěn)定的PWM 波驅(qū)動三相全橋高壓側(cè)的功率開關管。自舉升壓時[12]電容需要快速進行充放電，電容取值的大小對驅(qū)動性能產(chǎn)生影響，結(jié)合MOS 管工作特性自舉電容C17、C19和C22選取10 μF。

2.5 反電勢過零檢測電路

電機在經(jīng)過加速階段之后，達到一定的速度，需切換到速度控制階段，對轉(zhuǎn)子位置進行檢測，設計采用電壓比較器檢測反電勢過零點[10－11]，得到轉(zhuǎn)子位置信息。系統(tǒng)通過檢測非導通相的端電壓構(gòu)建虛擬中心點以獲取反電勢過零點，再估算電機換相信號。如圖6 所示，三相端電壓信號分別通過分壓濾波電路，與分壓點CMP A、CMP B、CMP C 構(gòu)建的虛擬中性點CMP N 一起送到LM339 比較器，輸出反電勢過零信號，送入微控制器的捕獲單元。電壓比較器的正輸入端接入電機端電壓，負輸入端接虛擬中性點，當正輸入端電壓高于負輸入端時，電壓比較器輸出高電平；當正輸入端電壓低于負輸入端時，電壓比較器輸出低電平，恰好反映反電勢過零點變化。整個電路中一共有三相電壓，需要三路比較，所以采用具有電輸入范圍大和內(nèi)部集成四路電壓比較器芯片LM339。

圖6 反電勢過零檢測電路

2.6 采樣電路

母線電流采樣電路如圖7(a)所示，采用的是串聯(lián)耐高溫康銅電阻的方法。電流信號經(jīng)過主功率電路30 mΩ 的采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)差動放大電路和濾波處理后電流SHUNT＋送達ADC 采樣端口。環(huán)境溫度采樣電路如圖7(b)所示，通過NTC電阻采集，將溫度轉(zhuǎn)換成信號輸送至STM32 中，需將固定的電壓經(jīng)過1 kΩ 的R40 高精度的電阻分壓接到NTC 電阻，然后將分壓值連接到STM32 的ADC 輸入口，傳遞溫度信息。母線電壓采樣電路如圖7(c)所示，由于STM32 輸入電平要求在3 V 以內(nèi)，而電動機電源電壓Udc為72 V，考慮電機換相產(chǎn)生的沖擊電壓可達到2 倍的母線電壓，采用TVS 管D5 抑制高壓脈沖，當電壓過大時將電壓拉低，當瞬時電壓超過電路正常工作電壓后，TVS 將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時電流一個超低阻抗的通路，其結(jié)果是瞬時電流通過TVS 被短路到GND，從而避開被保護器件。穩(wěn)定時，對電阻分壓后的值進行ADC采樣，實現(xiàn)動態(tài)母線電壓監(jiān)測。

圖7 采樣電路

2.7 步進電機驅(qū)動電路

油門風門步進電機驅(qū)動電路如圖8 所示，選用4相5 線步進電機[12]28YBJ48 控制油門Oil Black，風門Fan White 的開啟程度，通過控制油門和風門的開啟程度來調(diào)整發(fā)動機。風門步進電機用于發(fā)動機起動時，調(diào)節(jié)風門角度，增加混合氣體的濃度，使發(fā)動機順利起動。風門打開的角度和環(huán)境溫度有關，電機起動前，會檢測環(huán)境溫度，根據(jù)不同的環(huán)境溫度來調(diào)整風門打開角度。由于微控制器的I/O 口輸出電流有限，通常為20 mA～25 mA，不足以驅(qū)動該步進電機，因此需要外加驅(qū)動電路來驅(qū)動步進電機。

圖8 油門風門步進電機驅(qū)動電路

驅(qū)動芯片集成達林頓管芯片ULN2803A，該芯片具有8 個輸入單元的非門電路，每個單元對應著一個達林頓管，在關閉狀態(tài)下，可承受至少50 V 電壓，且每個達林頓管的峰值負載額定電流高達600 mA，足以驅(qū)動該步進電機。此外，實驗中還加入了駕駛員踩踏板這一動作轉(zhuǎn)換成模擬量反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)反饋的電壓來控制油門和風門開啟程度。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 起動控制策略

起動控制策略采用端電壓、反電勢過零檢測法來檢測轉(zhuǎn)子位置，該方法使用的前提是轉(zhuǎn)子有一定轉(zhuǎn)速，因為反電勢檢測是依賴電機電樞繞組切割轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的感應電勢，感應電勢與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速成正比，當轉(zhuǎn)子靜止或轉(zhuǎn)速較低時，電樞繞組反電勢為0，或是反電勢太小，使其無法檢測，因此無法使用反電勢過零檢測。所以在使用反電勢過零檢測前，應該使用其他方法將電機轉(zhuǎn)起來，并達到反電勢檢測的轉(zhuǎn)速要求。為了達到反電勢檢測的轉(zhuǎn)速要求，采取三段式起動方法包括轉(zhuǎn)子預定位、加速、外同步到自同步切換三個步驟。

(1)轉(zhuǎn)子預定位:主動控制電樞繞組并通電，將轉(zhuǎn)子定位到預定的位置，獲取轉(zhuǎn)子位置。具體操作方法為給定子繞組確定相序通電，并保持一定時間，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到相應的位置。

(2)加速:當確定轉(zhuǎn)子初始位置后，根據(jù)電機換相規(guī)律，按順序?qū)▋上嚯娐?。微控制器首先發(fā)出對應開關管的導通信號，電機開始旋轉(zhuǎn)，該導通方式保持一段時間后，再按序依次發(fā)出其他開關管的觸發(fā)信號，電機就能夠旋轉(zhuǎn)起來，再將換相的時間間隔逐漸縮短，同時逐漸增加定子繞組電壓，在電機不失步的前提下，電機轉(zhuǎn)速會逐漸提高。

(3)外同步到自同步的切換:切換是在電機轉(zhuǎn)速達到反電勢過零檢測要求后，通過反電勢檢測法獲取轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)電機的閉環(huán)運行，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息導通相應的開關管。

3.2 發(fā)電控制策略

發(fā)電控制策略PI 調(diào)節(jié)框圖如圖9 所示，采樣電路測得直流母線實際電壓，將實際電壓與目標電壓相比較，由電壓PI 調(diào)節(jié)器求出發(fā)動機的目標轉(zhuǎn)速，由反電勢過零檢測電路根據(jù)電機反電勢過零點頻率求得無刷直流電機實際轉(zhuǎn)速，也就是發(fā)動機實際轉(zhuǎn)速。將發(fā)動機的目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速相比較，由速度PI 調(diào)節(jié)器求出發(fā)動機油門角度，通過發(fā)動機油門步進電機調(diào)節(jié)發(fā)動機油門角度大小，從而調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速，無刷直流電機轉(zhuǎn)速和電壓同步得到調(diào)節(jié)，再由三相整流器將其整流后穩(wěn)定在車載蓄電池需要的電壓上。

圖9 雙PI 調(diào)節(jié)框圖

3.3 起動/發(fā)電轉(zhuǎn)換控制策略

無位置傳感器無刷直流電機起動/發(fā)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制框圖如圖10 所示。起動時開關S1接在起動電源上，無刷直流作電動機運行，控制器不斷捕獲無刷直流電機反電勢過零信息，并計算電機速度，由速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)當前轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。當電機加速到發(fā)動機的點火速度，開關S1切掉電源，無刷直流電機切換成發(fā)電狀態(tài)，由電壓調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器控制發(fā)電機發(fā)電性能。

圖10 起動/發(fā)電轉(zhuǎn)換控制框圖

3.4 實驗結(jié)果

增程器型號為YH170，額定電壓為72 V，額定功率為4 kW，增程器正常電動起動時相電流波形如圖11 所示，起動瞬間產(chǎn)生很大的電流，然后電流慢慢減小，拖動發(fā)動機，當發(fā)動機到達點火速度后，反過來拖動無刷直流電機發(fā)電，經(jīng)過1 s 后進入發(fā)電狀態(tài)。

圖11 起動成功的相電流波形

開始起動時0.2 s 電流為40 A，因為發(fā)動機點火相電流降低至5 A，此時，控制發(fā)生短暫的中斷，點火成功之后，會把油門調(diào)到一個高的位置，然后轉(zhuǎn)幾秒鐘，讓它到一個怠速狀態(tài)，導致電流又增大到15 A，最后逐漸穩(wěn)定在4 A，穩(wěn)定相電流波形如圖12 所示。

圖12 起動成功發(fā)出穩(wěn)定相電流波形

由于增程器起動瞬間產(chǎn)生很大的相電流使得電路保護裝置動作，導致增程器起動失敗。起動失敗的相電流波形如圖13 所示，經(jīng)過0.2 s 后相電流開始減小，由于無刷直流電機拖動速度達不到發(fā)動機的點火速度，此時無刷直流電機的狀態(tài)為電動起動，強拖發(fā)動機，電流保持在20 A 左右，使得發(fā)動機起動失敗。

圖13 起動失敗的相電流波形

直流母線電壓電流如圖14 所示，開始起動的時候消耗電流大，電壓減小，起動成功之后控制器不驅(qū)動它，油門調(diào)整角度，轉(zhuǎn)速增加，母線電壓回升，最后經(jīng)電壓和轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)后慢慢趨于穩(wěn)定。起動電動時直流母線電流為0，起動后，進入發(fā)電狀態(tài)，直流母線電流相反方向流動，呈現(xiàn)一個負方向的電流，對車載蓄電池穩(wěn)定充電。

圖14 直流母線電壓電流波形

4 結(jié)論

本文設計的增程器用無刷直流電機計的控制電路，完成了起動/發(fā)電的一體化控制，控制系統(tǒng)配有油門和風門控制電路，風門和油門的存在，使增程器更好地完成起動和電壓速度閉環(huán)調(diào)節(jié)。實驗驗證了以無刷直流電機為核心的增程器起動/發(fā)電一體化控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，響應迅速，可以滿足電動汽車充電要求，具有良好的發(fā)展前景。