摘要

以無刷直流電動機為基礎(chǔ)，介紹了一種基于高效DC/D C 電源模塊的電動車控制系統(tǒng)。討論了無刷直流電動機的組成和基本工作原理，設(shè)計了包括電源電壓轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動及功率主電路及保護電路在內(nèi)的硬件控制電路，并編寫了相應(yīng)的軟件控制系統(tǒng)。

近年來隨著綠色出行的倡導(dǎo)，電動車開始走入人們的視野。電動車有望采用無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。由于現(xiàn)在的無刷直流電動機控制器的電源還沒有完全做到模塊化電源，而使其在電源的變更性上有很大的欠缺，而電源模塊具有設(shè)計電路簡單，開發(fā)周期短，變更性強，技術(shù)要求低，質(zhì)優(yōu)可靠，用途廣泛等優(yōu)點而被廣泛提倡使用。

因此將高效的電源模塊使用在電動車上具有重要的工程實際意義。

1 無刷直流電機簡介

1 . 1 無刷直流電動機組成

無刷直流電動機是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它是由電動機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機系統(tǒng)或自控式變頻同步電動機，其組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。位置檢測器檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置信號，控制器對轉(zhuǎn)子位置信號進行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號，開關(guān)信號以一定的順序觸發(fā)逆變器的功率開關(guān)器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動機定子各相繞組，使電機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。

1 . 2 無刷直流電機的基本工作原理

無刷直流電機的工作原理圖如圖2 所示。無刷直流電機本體的電樞繞組為三相星形連接，位置傳感器與電機本體同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后控制逆變器的功率管開關(guān)，使電機的各相繞組按一定的順序工作。其中，有一種常用工作方式為兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)方式，即轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)60℃電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。

2 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2 . 1 輔助電源電壓轉(zhuǎn)換電路

在實際控制器中，驅(qū)動芯片IR2103需要15V ，單片機、LM358、74LS0 8 需要5V 的電源供電。而電動車的電池為48V 直流電，所以要將48V 變?yōu)?5V 和5V ，這就需要電壓轉(zhuǎn)換電路。在這部分采用了高效的DC/DC電源模塊，來提供穩(wěn)定的電壓，具體電路圖如圖3 所示。

2 . 2 驅(qū)動及功率主電路

主功率逆變電路如圖4 所示。主電路為三相全橋結(jié)構(gòu)，因為三相是完全一致的，圖中只畫了一相。無刷直流電動機以“兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)”方式運行，即每一狀態(tài)中有兩相繞組導(dǎo)通，電機每轉(zhuǎn)過一周有六種磁勢狀態(tài)，這六種磁勢狀態(tài)互差6 0 度電角度，形成跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場。由于單片機輸出的換相信號電流不足以驅(qū)動MOSFET，所以需要另加驅(qū)動。驅(qū)動芯片選擇IR2103。

2 . 3 保護電路

無刷直流電動機控制系統(tǒng)中，保護電路占據(jù)著很重要的地位，主要作用是保護控制系統(tǒng)的核心部件單片機免受高電壓、過電流沖擊，同時也保護電機的驅(qū)動電路免受損壞。整個系統(tǒng)的保護電路主要有兩個部分:過流保護電路、欠電壓保護電路。

電流檢測及過流保護電路如圖5 所示：使用LM3 5 8 的兩個運算放大器，一個作隔離放大用，另一個作比較輸出用。LM3 5 8 的腳7 是過流信號，此信號與PWM信號相與，然后，再與各相的驅(qū)動信號相與，用來驅(qū)動IR2 1 0 3芯片的兩個輸入引腳。

電壓檢測電路及欠壓保護是通過電阻分壓和軟件編程實現(xiàn)的，如圖6 所示。

電動車由蓄電池提供48 V 的直流電。如果電壓小于42 V ，則算作欠壓。欠壓保護電路的作用是，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)計值(42V )時，把輸出限定在某一安全值的范圍內(nèi)，或使輸出電壓關(guān)閉，從而達到保護電源模塊和用電設(shè)備的雙重功效。

3 軟件設(shè)計系統(tǒng)

主程序要完成系統(tǒng)的初始化，中斷設(shè)置，變量初始化和電機的軟起動過程。為了在初始化的過程中，防止中斷的意外到來，應(yīng)在主程序的開始處先關(guān)閉中斷，完成初始化后，再打開中斷。完成軟起動后，主程序進入一個查詢操作的循環(huán)過程，程序不斷地查詢判斷換相更新標志是否為真，若為真則調(diào)用換相服務(wù)子程序以給電機相應(yīng)定子繞組通電;若為假則等待換相更新標志在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷子程序中置為真，主流程圖如圖7 所示。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合一臺無刷直流電機，以高效DC/DC電源模塊為核心，獨立設(shè)計簡單穩(wěn)定的電源電路。針對系統(tǒng)的控制策略設(shè)計了相應(yīng)的控制電路及功率變換電路，系統(tǒng)控制與保護等功能采用主控單片機集中處理，增加了系統(tǒng)的可靠性。