無(wú)傳感器BLDC驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上電動(dòng)車使用的電機(jī)主要有三種：有刷電機(jī)、有位置傳感器無(wú)刷電機(jī)和無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)。使用有刷直流電機(jī)容易解決換相問(wèn)題，但是噪音大，而且碳刷容易磨損或損壞，這會(huì)增大維護(hù)、維修難度，增加使用成本；使用有傳感器無(wú)刷直流電機(jī)容易確定轉(zhuǎn)子位置，解決換相問(wèn)題，但卻增大了電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和安裝難度，也增加了成本，并且傳感器容易損壞，導(dǎo)致電機(jī)的使用壽命縮短；無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)換相雖然在技術(shù)上有難度，但在成本和壽命上更容易滿足消費(fèi)者需求。

綜合以上特點(diǎn)，本文討論的方案選擇了性價(jià)比較高的無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)，以HT46R6?為主控芯片，用反電勢(shì)法(back electromotive force)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常換相，軟硬結(jié)合，使電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，從而提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由MCU、直流無(wú)刷電機(jī)、LCD液晶顯示屏、鍵盤(pán)、電源、時(shí)鐘等模塊組成。其中MCU采用臺(tái)灣Holtek公司生產(chǎn)的HT46R6?微處理器，以它作為系統(tǒng)核心，連同一些外圍硬件，并配合軟件共同控制直流無(wú)刷電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)良性能。例如通過(guò)MCU指令控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、剎車或制動(dòng)等。根據(jù)電機(jī)所轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)量行程，并以數(shù)字形式呈現(xiàn)在液晶屏上，通過(guò)鍵盤(pán)操作方便查看行程以及其它系統(tǒng)信息。電源模塊主要用于在不需要顯示時(shí)切斷相應(yīng)部分電路，同時(shí)保存關(guān)鍵信息，以降低系統(tǒng)功耗。

 
圖1：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

由圖1可以看出，本驅(qū)動(dòng)控制器的主要功能大致分為三個(gè)部分：電機(jī)部分、行程計(jì)量以及LCD顯示，本文主要圍繞無(wú)傳感器電機(jī)的換相問(wèn)題展開(kāi)。

1. 反電勢(shì)換相原理

霍爾傳感器在電機(jī)中使用廣泛，帶位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)就是靠霍爾傳感器來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，以使定子各相繞組順序?qū)▽?shí)現(xiàn)換相；而無(wú)傳感器直流無(wú)刷機(jī)則是利用電子線路代替位置傳感器(圖2)，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，實(shí)現(xiàn)換相，下面以星形繞組為例進(jìn)一步說(shuō)明。

 
圖2：用電子線路代替?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)框圖。

電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中要經(jīng)過(guò)6次換相，每次換相時(shí)總有一相繞組未通電，此時(shí)可以在該相繞組端口檢測(cè)到繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)，反電勢(shì)在60°電角度內(nèi)是連續(xù)的。由于電機(jī)的規(guī)格、制造工藝有差異，導(dǎo)致相同電角度的反電勢(shì)值不同，如果要通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)的數(shù)值來(lái)確定轉(zhuǎn)子位置，難度非常大，因此必須找到該反電勢(shì)與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，才能確定轉(zhuǎn)子位置。由圖3可知，反電勢(shì)在60°的電角度過(guò)程中總有一次經(jīng)過(guò)坐標(biāo)橫軸(過(guò)零點(diǎn))，而此處的電角度和下一次換相點(diǎn)的電角度正好相差30°，故可通過(guò)檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí)30°換相。本設(shè)計(jì)是從被檢測(cè)相斷電開(kāi)始計(jì)時(shí)等待反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，再延時(shí)等待相應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)換相。

 
圖3：電機(jī)運(yùn)行時(shí)各相產(chǎn)生的反電勢(shì)示意圖。

以正向反電勢(shì)檢測(cè)為例，假設(shè)之前是CB通電，測(cè)A相反電勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，有過(guò)零點(diǎn)信號(hào)后等待相應(yīng)時(shí)間，由139譯碼器開(kāi)通A+，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉C+，就轉(zhuǎn)換成了AB通電；再測(cè)C相反電勢(shì)，用同樣的方法，開(kāi)通C-，自動(dòng)關(guān)閉B-，轉(zhuǎn)換成AC通電；再測(cè)B相反電勢(shì)，開(kāi)通B+，關(guān)閉A+，轉(zhuǎn)換成BC通電；再測(cè)A相反電勢(shì)，開(kāi)通A-，關(guān)閉C-，轉(zhuǎn)換成BA通電；接著測(cè)C相反電勢(shì)，開(kāi)通C+，關(guān)閉B+，轉(zhuǎn)換成CA通電；然后測(cè)B相反電勢(shì)，開(kāi)通B-，關(guān)閉A-，轉(zhuǎn)換成CB通電。經(jīng)過(guò)AB→AC→BC→BA→CA→CB六次換相實(shí)現(xiàn)直流無(wú)刷電機(jī)的連續(xù)正轉(zhuǎn)；同理，反電勢(shì)法經(jīng)過(guò)CA→BA→BC→AC→AB→CB六次換相可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)反轉(zhuǎn)。

2. 反電勢(shì)過(guò)零方案

在無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)模型推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，可以采用圖4所示的方法，對(duì)無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機(jī)不導(dǎo)通相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)進(jìn)行過(guò)零檢測(cè)。圖4中的電阻R 起分壓作用，可以看出進(jìn)入比較器LM339正端的A、B、C三相電壓與過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)相(參考相)電壓明顯成兩倍關(guān)系，對(duì)于星形電機(jī)繞組，零點(diǎn)是兩相通電電壓的一半，經(jīng)過(guò)電壓比較給出零點(diǎn)信號(hào)到單片機(jī)，收到信號(hào)后再在程序中進(jìn)行換相處理，以確保電機(jī)正常運(yùn)行。LM339的出端信號(hào)就是所謂的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，相當(dāng)于傳感器信號(hào)，實(shí)質(zhì)上是發(fā)出換相通知。

 
圖4：反電勢(shì)過(guò)零檢測(cè)電路。

3. 行程計(jì)量和液晶顯示原理

本設(shè)計(jì)中行程計(jì)量采用純軟件數(shù)據(jù)處理。由于電動(dòng)車電機(jī)轉(zhuǎn)子在外面，車上的輻條是固定在轉(zhuǎn)子上的，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈車輪就轉(zhuǎn)一周，所走過(guò)的路程就是車輪的周長(zhǎng)。這樣只要電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，采用內(nèi)部中斷，數(shù)據(jù)處理部分就做一次加法，通過(guò)累加的辦法存儲(chǔ)總路程數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。由于HT46R6?自帶LCD驅(qū)動(dòng)，因此只需將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果直接寫(xiě)入其RAM存儲(chǔ)區(qū)1，即可在液晶屏上顯示里程。其中數(shù)據(jù)處理部分的加法采用浮點(diǎn)數(shù)，這是因?yàn)镠T系列單片機(jī)不支持小數(shù)操作。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)部分：74HC139譯碼器的輸入端連接到單片機(jī)HT46R6?上，其使能控制位接HT46R6?的PWM1(即PD1口)，其它輸入接普通I/O，譯碼器的輸出直接驅(qū)動(dòng)IR2132，IR2132的輸入均是低電平有效，以產(chǎn)生輸出電平去驅(qū)動(dòng)MOS管P60N06的柵極，外加48V漏極電壓使MOS管導(dǎo)通，通過(guò)這種驅(qū)動(dòng)方法順序?qū)ǜ鱉OS管，以便給直流無(wú)刷電機(jī)連續(xù)供電。需注意的是當(dāng)IR2132高于8.9V的電壓時(shí)才能開(kāi)通，一般采用12V或15V作為驅(qū)動(dòng)，器件內(nèi)帶有欠電壓和過(guò)電流保護(hù)；當(dāng)電壓低于8.9V，IR2132自動(dòng)斷開(kāi)不工作，即沒(méi)有輸出，此時(shí)整個(gè)控制系統(tǒng)也就無(wú)法正常運(yùn)作。

反電勢(shì)部分：采用原理部分?jǐn)⑹龅倪^(guò)零方案，通過(guò)電阻取三相反電勢(shì)電壓，將其送往比較器LM339中每個(gè)比較器的正端，為減小干擾，正端輸入需加電容濾波，而負(fù)端(參考相)電壓采用48V電源的1/22。通過(guò)比較，若正端電壓高于負(fù)端，則LM339的出端信號(hào)為+5V；若正端電壓低于負(fù)端，則出端信號(hào)為0V，從而給出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，即傳感器信號(hào)。

LCD部分：本文中的設(shè)計(jì)采用兩行顯示的10位液晶屏與HT46R6?的SEG0-SEG19腳和4個(gè)COM腳相連，通過(guò)向內(nèi)部LCD存儲(chǔ)區(qū)寫(xiě)數(shù)即可在屏幕上顯示行程，自帶驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)易直觀且便于操作。選擇R型偏壓，則不需要連接外部電容或電阻，如果VDD大于VLCD引腳上的電壓，那么VMAX連接至VDD，否則連接到VLCD，這樣可以防止因電壓太強(qiáng)造成不該點(diǎn)亮的液晶段選信號(hào)點(diǎn)亮，避免亂碼的出現(xiàn)；若選擇C型偏壓，需在單片機(jī)的V1與V2之間連接0.1μF濾波電容，C1與C2之間也需要連接0.1μF充電泵電容。本文選擇的是R型偏壓，整體硬件原理見(jiàn)圖5。

 
圖5：驅(qū)動(dòng)控制器硬件結(jié)構(gòu)圖。

用HT-IDE3000的仿真效果極佳，制成PCB板如圖6、圖7所示，主控板和驅(qū)動(dòng)板之間用跳線連接，如果時(shí)間允許，通常將兩塊電路板合在一起，并附帶散熱片。

 
圖6：主控制板。

 
圖7：電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。

系統(tǒng)軟件流程

打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，程序上電運(yùn)行，系統(tǒng)進(jìn)入初始化。初始化程序主要對(duì)各控制口設(shè)定初值，包括I/O輸入輸出、A/D轉(zhuǎn)換、PWM控制和中斷處理等。初始化完畢，判斷控制開(kāi)關(guān)打到正向還是反向，在非巡航模式下，等待車用轉(zhuǎn)把(相當(dāng)于一個(gè)電位器)給定PWM值，開(kāi)始以低速同步起動(dòng)，若未給定PWM值，則一直停在程序初始部分，電機(jī)不運(yùn)行。

一旦電機(jī)同步起動(dòng)穩(wěn)定后，就會(huì)有反電勢(shì)產(chǎn)生，立即跳入反電勢(shì)運(yùn)行階段。在這一階段，可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行加速或減速，根據(jù)A/D采集電位器電壓給定PWM值，平滑調(diào)速，無(wú)抖動(dòng)。眾所周知，車用轉(zhuǎn)把是彈簧做的，松手會(huì)回彈，如果不加控制，電機(jī)就會(huì)立即停轉(zhuǎn)，為解決這一問(wèn)題，控制器加入了巡航功能，即PWM值給到一定程度，只要開(kāi)關(guān)指向巡航，電機(jī)就以那一時(shí)刻采到的轉(zhuǎn)速固定運(yùn)行，即使轉(zhuǎn)把回彈，電機(jī)仍以固定轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以在巡航模式下，調(diào)速不起作用，當(dāng)取消巡航模式，則又回到PWM隨時(shí)改變的狀態(tài)。

在電機(jī)正常運(yùn)行的同時(shí)，記錄換相次數(shù)。根據(jù)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)不同有異，本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的電機(jī)換一次向才轉(zhuǎn)過(guò)10°，所以換36次向才轉(zhuǎn)過(guò)一圈，即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的順序?qū)ㄒh(huán)6次。此時(shí)，執(zhí)行一次內(nèi)部中斷，程序跳入行程計(jì)量部分，累加一次車輪的周長(zhǎng)。

當(dāng)浮點(diǎn)數(shù)累加完畢，由鍵盤(pán)察看判斷。若需要察看，立即跳入LCD部分，將累加完的總和轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)，此處以km為單位，保留一位小數(shù)。再調(diào)用LCD顯示子程序，并使用查表的辦法將轉(zhuǎn)換結(jié)果寫(xiě)入HT46R6?單片機(jī)的RAM存儲(chǔ)區(qū)1，即可在液晶屏上顯示里程，然后中斷返回到主程序。若不需要察看行程，則累加完畢就直接返回主程序。

 
圖8：系統(tǒng)程序流程圖。

注意，本文中控制器的主程序中，正反轉(zhuǎn)兩部分程序完全對(duì)稱，只不過(guò)正轉(zhuǎn)計(jì)量行程，而反轉(zhuǎn)沒(méi)有，其它細(xì)節(jié)處理上沒(méi)有差別。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示，其中反電勢(shì)模塊流程見(jiàn)圖9。

 
圖9：反電勢(shì)程序流程圖。

本文小結(jié)

實(shí)驗(yàn)證明，本驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案具有可行性。反電勢(shì)檢測(cè)換相很正常，無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)平滑，有巡航功能；剎車及時(shí)，制動(dòng)柔和，完全能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)無(wú)傳感器直流無(wú)刷電機(jī)的基本控制。行程計(jì)量采用浮點(diǎn)數(shù)累加，結(jié)果在LCD上顯示，簡(jiǎn)易直觀。該控制器成本低廉，操作簡(jiǎn)單，可靠性高。本設(shè)計(jì)雖在BLDC反電勢(shì)控制上取得一些進(jìn)步，但功能仍需完善，IR2132要通過(guò)電阻分流設(shè)定過(guò)流值，遇到異常情況，根據(jù)過(guò)流值大小判斷是否切斷電路；因電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，反電勢(shì)值小，經(jīng)比較器可能得不到換相信號(hào)，若將該參考端固定電壓做成可變的，可增大調(diào)速范圍。