一種電動車永磁直流無刷電機控制器及控制方法與流程
2023-12-01 09:04:21 1
本發明屬於電力電子技術領域，涉及一種電動車永磁直流無刷電機控制器及控制方法。
背景技術：
燃油車輛所排放的廢氣造成的環境汙染、行駛過程中造成的噪聲汙染以及日益嚴重的石油資源危機，都影響著人類的生存健康和社會可持續發展。隨著現代社會經濟的高速發展，環境和能源問題越來越受到人們的重視，人類的環保意識和健康意識也在不斷增強，研製電動摩託車作為新的能源替代具有深遠意義。
電動摩託車由車體、電機、蓄電池和控制器組成。電機是電動摩託車的心臟，目前電動摩託車電機通常採用永磁直流電機(輪轂電機)，節省了激磁線圈工作時消耗的電能，提高了電能轉換效率，這將對使用車載有限能源的電動摩託車來講，降低行駛電流，延長了續行裡程。控制器是電動摩託車的驅動控制中心。
目前電動摩託車控制器主要分為兩種：一種採用專用集成電路，這種方案可以降低成本，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種採用單片機等微處理器，這種方案可以非常方便地實現各種控制算法，提高系統控制的靈活性。
技術實現要素：
本發明提供一種電動車永磁直流無刷電機控制器及控制方法，設計了一種以單片機為核心的電動車智能控制器，採用速度電流雙閉環、pwm脈寬調製技術結合數字增量pi作為系統的控制策略。在硬體系統中，設計了以單片機為核心的主控制器，外圍電路包括逆變電路、功率驅動電路、電流檢測電路、霍爾位置檢測電路、防盜報警電路等。在軟體系統中，設計了轉子位置檢測程序、速度電流雙閉環控制程序、a/d採樣程序、pwm發生程序、驅動控制程序、電機自鎖程序、過壓欠壓保護程序、過流保護程序等。該控制器硬體結構簡單、成本低廉、功能完善和可靠性高，具有較高的應用和推廣價值。
其技術方案如下：
一種電動車永磁直流無刷電機控制器，包括
(1)控制單元
主要功能是根據電機旋轉方向和來自霍爾位置傳感器的輸出信號，將它們處理成功率驅動單元的三相全橋6組功率開關器件所要求的驅動順序。另一個重要作用是根據信號輸入單元送來的電壓、電流和轉速等反饋模擬信號，以及隨機發出的制動信號，經過ad變換和必要的運算後，藉助內置的時鐘信號產生一個綜合上述各種信息的脈寬調製信號。
(2)功率驅動單元
功率驅動單元由分立器件構成的，也可以採用專門的集成模塊等高性能驅動集成電路。
(3)逆變單元和bldcm
三相全橋逆變單元由6組功率開關器件構成，為了滿足功率要求,系統採用並聯方式，即每個橋臂由多個功率mos管並聯構成。三個橋臂的中間節點分別作為永磁直流無刷電機(bldcm)的三個相線的電路接口。
(4)位置檢測單元
位置檢測單元在無刷直流電機利用霍爾傳感器測定轉子磁極位置信息，為邏輯開關電路提供正確的換相時序，同時在控制單元中利用檢測到的位置信息間接計算出電機的轉速。
(5)信號輸入單元
主要有電壓檢測、調速、電流檢測、防盜自鎖和剎車等輸入信號電路。其中，電壓檢測電路對蓄電池的直流母線電壓進行檢測，通過控制單元完成過壓和欠壓的保護功能；調速是把霍爾轉把電路的輸出電壓經過控制單元處理後，作為電機轉速的設定值，與位置檢測單元反饋的轉速進行pi運算後得到電流的設定值；電流檢測是對電機三相電流進行實時監測，分別得到瞬時電流、平均電流和過流脈衝，其中瞬時電流用於系統的峰值限流保護，平均電流作為反饋電流參與電流的pi運算，過流脈衝用於系統的過流保護。防盜自鎖電路在電動車停放中檢測到震動信號後，繼電器電源控制電路立即接通主電源電路，控制單元立即控制自鎖信號發生電路發出自鎖信號控制電機自鎖，並使用聲音發生電路驅動喇叭報警。剎車電路將剎車信號通過高優先級的中斷方式送入控制單元，經控制單元緊急處理後關閉系統的運行。
進一步優選，蓄電池為整個系統提供動力，其輸出一部分經過電源單元變換後作為控制單元等模塊的供電電源，另一部分直接作為逆變單元的直流母線電壓。
一種電動車永磁直流無刷電機控制器的控制方法，包括以下步驟：電機正常運行時，控制器根據位置檢測信號計算出當前的轉速，與設定的轉速信號的偏差值進行增量pi運算，得到電流的設定值；電流反饋信號經a/d接口送入控制器，經轉換後得到電流的反饋值，設定值與該反饋值的偏差經過增量pi運算，得到電流調節器的輸出，進而調節佔空比控制功率管的通斷狀態，從而實現對電機的調速控制。
本發明的有益效果：
本發明對各種輸入信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各種控制信號；產生相應佔空比的pwm脈寬調製信號，調節電機的轉速；通過改變驅動時序實現電機自鎖；實現過流、欠壓、過壓等故障保護功能。在保證電動車正常工作的前提下，提高電機和蓄電池的效率、節省能源。該控制器硬體結構簡單、成本低廉、功能完善和可靠性高，具有較高的應用和推廣價值。
附圖說明
圖1為電動車永磁直流無刷電機控制器的組成框圖；
圖2為電動車永磁直流無刷電機控制器的控制方法流程圖；
圖3為逆變電路；
圖4為功率驅動電路；
圖5為電源電路；
圖6為霍爾轉把電路；
圖7為剎車把輸入電路；
圖8為霍爾信號處理電路；
圖9為電壓檢測電路；
圖10為電流檢測電路；
圖11為自鎖信號發生電路；
圖12為繼電器電源控制電路；
圖13為聲音發生電路；
圖14為喇叭驅動電路；
圖15為軟體設計結構圖；
圖16為主程序流程圖；
圖17為a/d流程圖；
圖18為換向驅動流程圖；
圖19為轉子位置檢測流程圖；
圖20為雙閉環控制流程圖；
圖21為pwm流程圖；
圖22為電機自鎖流程圖；
圖23為過流保護流程圖；
圖24為欠壓、過壓保護流程圖；
圖25為巡航流程圖；
圖26為剎車流程圖；
圖27為系統測試波形，其中，圖(a)是相鄰兩路霍爾信號，任意一路的脈寬為180°，且相位互差120°；圖(b)是單片機輸出的某一相的驅動信號，即逆變橋的驅動信號，其中一通道為電平控制信號，二通道為pwm控制信號；圖(c)是相鄰兩相的電壓波形，在其中一相施加電壓時，另一項繼續存在反電動勢產生的衰減信號。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明的技術方案作進一步詳細地說明。
電機控制器主要實現以下功能：對各種輸入信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各種控制信號；產生相應佔空比的pwm脈寬調製信號，調節電機的轉速；通過改變驅動時序實現電機自鎖；實現過流、欠壓、過壓等故障保護功能。在保證電動車正常工作的前提下，提高電機和蓄電池的效率、節省能源。
1、系統結構
1.1控制系統組成框圖
無刷直流電機控制系統組成框圖,如圖1所示：
(1)控制單元
主要功能是根據電機旋轉方向和來自霍爾轉子位置傳感器的三個輸出信號，將它們處理成功率驅動單元的6組功率開關器件所要求的驅動順序,為了滿足功率要求,系統採用並聯方式(12個)。另一個重要作用是根據電壓、電流和轉速等反饋模擬信號，以及隨機發出的制動信號，經過ad變換和必要的運算後，藉助內置的時鐘信號產生一個帶有上述各種信息的脈寬調製信號。
(2)功率驅動單元
主要包括功率開關器件組成的三相全橋逆變電路和功率開關驅動電路。功率開關驅動電路由分立器件構成的，也可以採用專門的集成模塊等高性能驅動集成電路。
(3)位置檢測單元
位置檢測單元在無刷直流電機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息。
(4)信號輸入單元
主要有電壓採集、電流採集、調速、防盜自鎖和剎車等輸入信號電路。
1.2無刷直流電機控制策略
為使電動機在起動階段能維持最大允許起動力矩，充分利用電動機的過載能力獲得最快起動效果，並且系統可在穩態條件下實現轉速無靜差的理想效果，採用上述轉速電流雙閉環策略，結合數字控制的特點，系統設計了無刷電機數字運動控制系統總體結構。系統控制結構如圖2所示。
電機正常運行時，控制器根據位置檢測信號計算出當前的轉速，與設定的轉速信號的偏差值進行增量pi運算，得到電流的參考值；電流反饋信號經a/d接口送入控制器，經轉換後得到電流的反饋值和參考值進行的偏差經過增量pi運算，得到電流調節器的輸出，進而調節佔空比控制功率管的通斷狀態，從而實現對電機的調速控制。
2、硬體設計
3.1逆變電路
系統採用三相全橋逆變電路來實現電樞繞組各相的通斷。如圖3所示，逆變電路由功率開關管v1-v12組成。逆變電路的控制採用pwm的半橋調製方式中的h_pwm-l_on調製方式來完成對無刷直流電機「兩相導通三相六拍」方式的控制運行，即系統中上橋臂開關管採用pwm控制，下橋臂開關管常開。
在正負母線間接電容c來吸收mosfet關斷時產生的浪湧電壓，電路在一定程度上能減小母線的尖峰電壓，還可以有效防止電路板的引線引起的高頻震蕩。
2.2功率開關驅動電路
由於單片機的i/o埠輸出輸入電壓不能直接驅動功率器件mosfet，所以系統採用分立元件搭建一種高壓高速的功率mosfet驅動器。功率開關電路如圖4所示。
以一相為例，自舉電容c1a被+15v電源通過二極體d0a充電，並為功率開關電路的上橋臂的功率mosfet的柵極提供電壓。其中d0a保證自舉電容c1a電荷大於+15v時，電路仍能產生自舉作用。當需要打開上橋臂時，應使q0a導通，使得c1a的陽極電荷通過r4a、d1a和r12a(r14a)加到v0a(v1a)的柵極上。q1a負責匹配ttl控制電平與q0a所需要的電平。而在關斷v0a和v1a時，由於q0a截止、d1a鉗位。q2a因基極被r3a拉低失去高電位而導通，快速瀉放掉c2a上的電荷，v0a和v1a的柵源間寄生電容上的電荷也被快速瀉放掉，從而保證了v0a和v1a快速關斷。mosfet柵極與驅動器的輸出直接耦合時，驅動器輸出會產生電壓過衝，為削弱驅動器輸出地過應力，在每隻mosfet上串聯如圖r12a、r14a和r13a、r15a兩組電阻。c0a為降低噪音在電源與地線之間的去耦電容。
2.3電源電路
電動摩託車蓄電池電壓是+48v，電動摩託車控制器包含許多部分，每個部分需要提供的電壓不同，是一個強電，弱電，模擬地和數字地共存的高耦合系統，所以需要設計電源電路來進行電平轉換。電源工作性能的好壞關係到整個控制系統的穩定，電源電路如圖5所示。
2.6控制信號輸入電路
2.6.1霍爾轉把輸入電路
霍爾轉把輸出與轉動幅度成正比的模擬電壓值，調速把輸出電壓範圍為0.8-4.2v，該信號送到單片機的模數轉換埠，單片機通過片內集成的a/d轉換器將輸入轉化為數字量，運算後根據控制算法輸出相應佔空比的pwm信號，佔空比的大小決定電機的轉速,從而實現電機轉速控制。霍爾轉把輸入電路如圖6所示。
2.6.2剎車把輸入電路
電動車標準要求電動車在剎車制動時，控制器應能自動切斷對電機的供電。即：在捏剎車把時，將制動信號傳給控制器，根據預設程序發出指令，立即切斷柵極驅動電流，使功率截止，停止供電。因而，既保護了功率管本身，又保護了電機，也防止了電源的浪費。剎車把輸入電路如圖7所示。
2.5霍爾位置信號處理電路
霍爾位置檢測電路主要有兩個作用：一是檢測電機定、轉子的相對位置並提供驅動換相信號；二是通過檢測某一路脈衝信號的個數，經軟體計算後轉換為速度信號，構成速度的反饋環節。霍爾傳感器的輸出採用阻容濾波電路濾除通電機運行過程中的噪聲幹擾，同時因為霍爾傳感器是開漏輸出，所以必須通過電阻接到電源進行上拉。霍爾信號處理電路如圖8所示。
2.4信號採集電路
2.4.1電壓檢測電路
直流迴路電壓過大會造成功率管mosfte損壞，欠壓則可能會使電機出現堵轉。如果出現電源電壓不足的情況，繼續放電就會對電池的壽命造成嚴重損害，因此電路設計需要考慮欠壓保護和過壓保護。電壓檢測電路如圖9所示。
2.4.2電流檢測電路
為了實現轉速環、電流環雙閉環的無刷直流電機控制調速系統，需要對定子繞組的電流進行檢測並加以控制。對於直流母線電流的檢測不但為了實現零初始位置檢測，更需要實時檢測母線電流是否過流，是電流保護的重要環節。電流檢測電路如圖10所示。
2.7防盜自鎖系統
2.7.1報警源信號電路
當電動摩託車處於鎖車防盜模式時，若發生車體震動或輪胎發生轉動，報警控制器將產生自鎖觸發信號觸發單片機進入自鎖中斷執行防盜自鎖動作。報警源信號電路如圖11所示。
當車體發生震動時，震動傳感器將震動量轉化為電壓值；輪胎轉動信號輸入端直接與電機相線相連，當輪胎轉動時，其輸入端電壓將產生變化。由於車身震動和車輪旋轉的轉換後的電壓幅值較小，所以採用lm358對其進行放大。
2.7.2繼電器閉和控制電路
電動摩託車鎖車，單片機處於斷電狀態。當鎖車防盜模式後時，若發生體震動或車輪旋轉，報警控制器繼電器閉合接通蓄電池與單片機的供電系統。繼電器閉和控制電路如圖12所示。
2.7.3聲音發生電路
當報警控制器接收到報警源輸入信號時，編碼處理輸出不同頻率的信號，經過功率放大電路輸入喇叭，產生報警。聲音發生電路如圖13所示。
2.7.4喇叭驅動電路
由於單片機i/o口的驅動能力較弱,所以採用組合放大電路作為功率放大電路,以驅動喇叭報警。喇叭驅動電路如圖14所示。
3、軟體設計
硬體平臺是系統運行基礎，但系統功能的實現除了硬體平臺的支持，還需要通過軟體的設計來配合實現。高效、緊湊、模塊化的軟體流程設計不僅可以提高系統的可靠性，而且運行效率和可維護性也會得到相應的提高。
軟體設計採用模塊化思想，將整個控制系統的軟體劃分為兩個部分，即主程序和中斷服務程序，以利於軟體設計、調試、修改和維護。
3.1主程序設計
主程序負責建立整個程序的一個運行框架，主要完成電機起動和系統初
始化任務。
3.2中斷服務程序設計
中斷服務程序是系統軟體的核心部分，主要是為了保證無刷直流電機在工作的時候能夠準確無誤的獲取轉子位置信息，並進行轉速環和電流環的調節，同時確定pwm信號相應的輸出設置，以此來保證無刷直流電機工作過程中電子電樞繞組的正確換相。
3.2.1a/d採樣
電池電壓、轉把輸入和電流檢測等均為模擬量輸入，而單片機處理的是數字量，必須通過a/d將其轉換為數字量。
3.2.2驅動控制程序
霍爾傳感器將電機轉子的位置信號採樣後，直接送入單片機與上一時刻信號相比較。
3.2.3轉子位置檢測程序
轉子位置檢測程序對換向驅動程序非常重要，轉子位置信息為轉速估算程序、電流採樣程序、pwm導通關斷邏輯提供重要信息。為簡化系統硬體，使用單片機內部定時器/計數器，捕獲一路霍爾信號輸出的相鄰兩次換相時間間隔，可計算出電機轉速，設系統時鐘16mhz，計數器經過128分頻，轉速計算公式如下：
在每個電角度周期，電機有6個位置狀態，同時也有6個邊沿捕捉動作；p—電機極對數；tout—相鄰兩次換相時間間隔；
3.2.4雙閉環控制程序
轉速電流雙閉環控制模塊是系統軟體設計的核心，包括轉速外環調節器和電流內環調節器。轉速調節器調節電機轉速跟隨轉速把輸入而變化，要求穩態性能好，適應性強，採用增量pi式控制策略；電流調節器使電機在最大允許電流下快速起動，減小過渡過程時間。轉速外環調節器的輸入為速度給定值和速度反饋值的偏差，通過速度增量pi運算，得到電流調節器的給定值；轉速調節器的輸出作為電流內環調節器得參考值，為和電流反饋值的偏差，通過電流增量pi運算後調節控制器輸出相應佔空比的pwm，從而實現無刷直流電機的調速。
3.2.5pwm程序
電機驅動控制算法要通過pwm波形控制功率開關管的導通與關斷去實現。通過改變pwm波的佔空比來調節輸入到電機的電壓實現單電機調速。因此，pwm波發生模塊需要完成兩大任務：①正確導通電機的定子相繞組，使定子繞組能提供持續的電磁轉矩轉動繞組；②根據系統的運行狀態，調節pwm波的佔空比，穩定電機在給定轉速。
3.2.6防盜自鎖程序
系統設計了電機自鎖防盜功能，報警控制器接受並處理報警源信號，並提供電機自鎖信號，觸發單片機執行自鎖動作。
3.2.9系統保護
為保障系統的運行安全，設有母線電壓過壓故障、母線電壓欠壓故障、過電流故障的檢測。
(1)過流故障檢測通過硬體電路檢測方法實現，然後處理器通過i/o口讀取過流故障信號判斷有否過流故障發生。當檢測到有過流故障發生的時候，系統停機，封鎖pwm輸出信號。系統的過流點設置為30a。
(2)欠壓、過壓保護
欠壓保護是為了防止蓄電池過度放電而設計的。蓄電池過度放電將致使電池內阻增大，輸出的電壓也會相應的降低對電池的壽命將造成嚴重的損害。過壓保護是為了防止蓄電池電壓太高，損壞功率器件，對系統造成不必要的損失。
3.2.7巡航程序
如果電動摩託車行駛在平穩而且交通狀況良好的地段，可以保持一個較平穩的速度行駛，但轉把手柄需要保證處於同一個位置來實現定速。
3.2.8電子剎車程序
在電動摩託車的行駛過程中，難免會有意外情況的發生，這時剎車功能就變得尤為重要。電子剎車是通過剎車處理程序，給電機一個制動力，使電機內部產生間斷性、周期性的電磁製動轉矩，有效地防止了由於機械剎車時整車滑行的現象，提高了整車的可靠性和騎行者的安全性。
4、系統測試
系統上電前要檢查檢查電路板是否存在元件安裝錯誤、焊接錯誤、短路和斷路等情況，測試待機狀態下的穩定性，其中主要測試各個晶片、功率開關器件和電壓轉換器件的工作狀況，包括工作電壓、溫度等。
在保證硬體的可靠性後，測試軟體模塊的輸出。首先測試pwm輸出模塊，利用示波器觀察pwm模塊輸出的波形的周期和佔空比是否正確。然後測試位置傳感器的輸入信號是否和處理器輸出的pwm波形對應，同時功率開關器件的導通或關斷應當與控制器的pwm波形邏輯保持相對應。
圖27中，圖(a)是相鄰兩路霍爾信號，任意一路的脈寬為180°，且相位互差120°；圖(b)是單片機輸出的某一相的驅動信號，即逆變橋的驅動信號，其中一通道為電平控制信號，二通道為pwm控制信號；圖(c)是相鄰兩相的電壓波形，在其中一相施加電壓時，另一項繼續存在反電動勢產生的衰減信號。
在調試過程中，由於條件限制，在系統雙閉環控制策略的調試中，給電機人工施加負載時，先調節轉速外環的pi參數，然後調節電流內環的pi參數。負載增加導致系統的功率也隨之增加，電源轉換器件和功率開關器件等元器件的發熱量會增加，但是不會出現個別器件嚴重發熱的狀況。調試過程中發熱器件主要集中在功率開關器件mos管上。所以在測試和運行情況下，有必要對功率開關器件mosfet管加裝散熱片以輔助散熱，降低工作環境溫度。另外，由於電壓穩壓器件得發熱量也比較大，所以也應該對其作散熱處理。
經過反覆測試，各項功能模塊均工作正常，電機起動平穩、加速平滑，電機在額定轉速範圍內轉速可調；能夠實現52v過壓和42v欠壓保護；在運行過程中突加負載能夠實現30a的過流保護；當轉速把保持10s不變，電機即進入巡航狀態；遇到突發狀況需要立即停車時，能夠實現柔性電子剎車；通過示波器對各功能模塊的波形觀察，能夠說明電路設計可靠，系統工作正常。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，本發明的保護範圍不限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術範圍內，可顯而易見地得到的技術方案的簡單變化或等效替換均落入本發明的保護範圍內。