單片機(jī)在電動(dòng)高爾夫球車(chē)永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

引言

　　二十一世紀(jì)的頭一個(gè)十年就快悄悄過(guò)去了，但人們所熱望的電氣交通時(shí)代卻并沒(méi)有如期而至。在諸多由政府主導(dǎo)、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)積極參與的電動(dòng)車(chē)計(jì)劃如PNGV、Freedom CAR 、PREDIT111在轟隆的引擎聲中落幕時(shí)人們開(kāi)始意識(shí)到：傳統(tǒng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的巨大慣性和強(qiáng)大生命力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了他們的想象，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)還只能停泊在實(shí)驗(yàn)室。

　　現(xiàn)在，純電動(dòng)汽車(chē)的應(yīng)用研究轉(zhuǎn)向了以公交車(chē)為主的定點(diǎn)、定向運(yùn)行車(chē)輛和社區(qū)用車(chē)及特定用途的微型車(chē)。這類(lèi)車(chē)輛具有一些共同的特點(diǎn)，比如都是由機(jī)構(gòu)管理，在特定區(qū)域運(yùn)行，車(chē)速不高。我們可以針對(duì)這些特點(diǎn)對(duì)車(chē)輛的設(shè)計(jì)和管理進(jìn)行優(yōu)化，以降低成本和提高性能，抗衡傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)型汽車(chē)，還有一點(diǎn)就是創(chuàng)建節(jié)能和環(huán)保形象，這對(duì)機(jī)構(gòu)和企業(yè)來(lái)說(shuō)是重要的[1]。
　　
項(xiàng)目和系統(tǒng)介紹

　　高爾夫球車(chē)屬于一種特定用途的微型車(chē)，它在高爾夫球場(chǎng)地上運(yùn)行，駕乘者目的不同以及場(chǎng)地的路況降低了對(duì)車(chē)輛續(xù)駛里程但對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性能卻提出了相對(duì)較高的要求。眾所周知，高爾夫場(chǎng)地高低起伏，這要求高爾夫球車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有優(yōu)良的過(guò)載性能；車(chē)速不高，意味著高爾夫球車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)不需要很寬的調(diào)速范圍。要滿(mǎn)足這些要求，使用永磁無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）顯得再好不過(guò)：在很大負(fù)載范圍內(nèi)，BLDC都能獲得極高的效率，只要它的轉(zhuǎn)速仍然在基速以下。再者，它堅(jiān)固，運(yùn)行可靠，調(diào)速簡(jiǎn)單，而且若能改善位置傳感器件的可靠性，它在整個(gè)運(yùn)行壽期內(nèi)免維護(hù)，這使它的吸引力更為出眾[2]。

　　我們考察了多種同類(lèi)型（雙座）電動(dòng)高爾夫球車(chē)，它們都采用傳統(tǒng)直流電機(jī)，多采用他勵(lì)方式，電機(jī)的額定功率從2～3kW不等，均裝備鉛酸型蓄電池，最大容量有150AH，名義續(xù)駛歷程為150km，在改裝前對(duì)我們的原型車(chē)輛進(jìn)行了測(cè)試，其最高效率不超過(guò)70%。但有一個(gè)很重要的共同點(diǎn)：他們的動(dòng)力電壓等級(jí)均為48V，這個(gè)值的確定也許是來(lái)源于通信電源系統(tǒng)，也許是考慮到安全電壓的要求，但無(wú)論如何這已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。它制約我們整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建立。
　　
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)

　　既然BLDC有很多優(yōu)點(diǎn)，人們當(dāng)然有理由將其應(yīng)用到高爾夫球車(chē)這類(lèi)微型車(chē)當(dāng)中去，但為什么世面上現(xiàn)有的電動(dòng)高爾夫球車(chē)均采用傳統(tǒng)直流電機(jī)呢？答案或許很多，有兩點(diǎn)卻始終跑不掉，那就是成本和可靠性。先說(shuō)成本，具有相近參數(shù)的BLDC比傳統(tǒng)直流電機(jī)價(jià)格高，主要是永磁體貴，不過(guò)現(xiàn)在永磁體的價(jià)格呈下降的趨勢(shì)[3]；他勵(lì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求主電路為三個(gè)橋臂，但有兩個(gè)橋臂位于勵(lì)磁回路，容量較小，而B(niǎo)LDC的驅(qū)動(dòng)要求主電路為三相橋式驅(qū)動(dòng)電路，它們身上均流過(guò)電樞電流，這大大增加了功率開(kāi)關(guān)器件的投入。再說(shuō)可靠性，采用霍爾位置傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以指導(dǎo)功率器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q相，成本低，檢測(cè)電路簡(jiǎn)單，但可靠性低[4]。當(dāng)然，即便采用其他類(lèi)型的傳感器可靠性也高不到哪去，個(gè)人認(rèn)為這跟傳統(tǒng)直流電機(jī)的電刷和換向器一樣讓人頭痛。這些問(wèn)題怎么解決，以及一些其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都具有的共性問(wèn)題，我在下面的內(nèi)容中進(jìn)行闡述。

較低的電壓等級(jí)帶來(lái)應(yīng)對(duì)大電流的挑戰(zhàn)

　　在設(shè)計(jì)的最大功率下功率開(kāi)關(guān)器件處理的電流峰值將達(dá)到100A。大電流將對(duì)因器件布置所帶來(lái)的寄生參數(shù)、分布電感等問(wèn)題提出嚴(yán)苛的要求，當(dāng)然還有散熱。同等情況下，BLDC的驅(qū)動(dòng)需要更多的功率開(kāi)關(guān)器件，但我們?nèi)匀幌Ｍ懿辉黾涌刂破鞯捏w積。由于成本所限，不可能采用性能優(yōu)良但價(jià)格昂貴的集成或智能功率器件（IPM），唯一可能的是盡力改善散熱條件以減少功率MOSFET的數(shù)量。在這里我們引進(jìn)了一種稱(chēng)為“鋁基覆銅板”的散熱方式[5]，靈感來(lái)源于IPM，在這類(lèi)功率器件中，功率晶元甚至沒(méi)有進(jìn)行封裝就直接表面貼裝在鋁基板上。接著我們還發(fā)現(xiàn)它在高強(qiáng)度LED光源、汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)等場(chǎng)合也多有應(yīng)用。通過(guò)采用該散熱方式，我們成功將原本七個(gè)一組并聯(lián)減少到三個(gè)一組并聯(lián)，效果讓人欣喜。采用表面貼裝的方式，功率開(kāi)關(guān)器件的引腳寄生電感也可大大縮小，可謂一舉兩得。

　　關(guān)于多管并聯(lián)的均流問(wèn)題，利用最差狀態(tài)[6][7]（Worst Case）方法對(duì)多管并聯(lián)的穩(wěn)態(tài)均流問(wèn)題進(jìn)行分析，我們以此來(lái)確定多管并聯(lián)時(shí)所采取的降額因子；但影響動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題的因素過(guò)多，不便分析，從統(tǒng)計(jì)角度來(lái)分析多參數(shù)的影響是一個(gè)值得思考的方向。

力矩控制策略帶來(lái)“閉環(huán)失效”問(wèn)題

　　采用力矩控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)高爾夫球車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，優(yōu)點(diǎn)有很多諸如起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)迅速、限流效果好等。但力矩控制策略帶來(lái)“閉環(huán)失效[8]”問(wèn)題：由于設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一倍的過(guò)載能力，當(dāng)負(fù)載力矩始終無(wú)法達(dá)到油門(mén)踏板給定力矩時(shí)，油門(mén)踏板踏位處于負(fù)載力矩值與最大給定力矩值之間的任何變動(dòng)不會(huì)對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)造成絲毫的改變。這與傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)相異。

　　在大量的實(shí)際調(diào)試中，我們小組總結(jié)出了一種行之有效的方法：這個(gè)思路非常簡(jiǎn)單，即讓油門(mén)踏板踏位不僅對(duì)應(yīng)力矩的給定量，還將與電機(jī)繞組最大給定線(xiàn)電壓相對(duì)應(yīng)。此時(shí)，油門(mén)踏板踏位的任何改變必然導(dǎo)致最大給定線(xiàn)電壓的改變也必然將改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這可以從無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速特性得出。這里我稱(chēng)其為“最大力矩控制策略”。對(duì)應(yīng)不同類(lèi)型的電機(jī)，該策略可能要做必要的調(diào)整。

簡(jiǎn)單而新穎的無(wú)位置傳感策略

　　在全速度范圍內(nèi)尋找一種可靠的低成本的無(wú)位置傳感器位置獲取策略顯得非常重要。得益于永磁無(wú)刷直流電機(jī)的工作特性——只需要離散的位置信號(hào)，以及相繞組之間的互感耦合效應(yīng)，我們研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)之為“間接電感法”的無(wú)位置傳感器算法。通過(guò)分析我們發(fā)現(xiàn)在互感耦合效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致PWM調(diào)制的有效和無(wú)效期間相端電壓的差與轉(zhuǎn)子位置成一固定的關(guān)系。理論上分析，只要電壓傳感器件的精度達(dá)到要求，都可以得到可靠的位置信息。在低速范圍內(nèi)，這種方法顯得更為有效，可以有效彌補(bǔ)反電動(dòng)勢(shì)法的不足以獲得全速度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置信息。由于進(jìn)度上的關(guān)系，該方法在本設(shè)計(jì)中沒(méi)有體現(xiàn)，目前該策略的算法實(shí)現(xiàn)還在有條不紊的進(jìn)行。
　
Microchip芯片的特點(diǎn)及其在項(xiàng)目中的應(yīng)用

　　主控制芯片是控制系統(tǒng)的核心，它提供給逆變器驅(qū)動(dòng)信號(hào)、對(duì)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)進(jìn)行處理、實(shí)時(shí)采樣轉(zhuǎn)換電流等模擬信號(hào)、采集位置信號(hào)、通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入輸出接收外部信息或者對(duì)外部進(jìn)行控制、通過(guò)CAN總線(xiàn)與外部其它系統(tǒng)交換信息、對(duì)各種信息進(jìn)行分析處理、協(xié)調(diào)各部分的工作等。

　　本設(shè)計(jì)所描述的電動(dòng)高爾夫球車(chē)永磁無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的主控制芯片dsPIC30F4011即來(lái)自Microchip公司，它專(zhuān)為電機(jī)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)。dsPIC30F芯片被稱(chēng)為具有DSP功能的MCU，既具有控制功能強(qiáng)，而又有DSP的數(shù)字信號(hào)處理強(qiáng)的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使它比一般的DSP硬件開(kāi)發(fā)電路更簡(jiǎn)單更便宜，而比同檔的單片機(jī)更能適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理的要求。在控制器的設(shè)計(jì)中，主要使用了芯片的如下外圍模塊資源[9]：

　?、?電機(jī)控制PWM模塊（MCPWM）：PWM工作于中間對(duì)齊方式，調(diào)制頻率選擇為10kHz，文獻(xiàn)[4]認(rèn)為該頻率可使能量密度、噪聲及電磁干擾同時(shí)達(dá)到最優(yōu)；輸出配置為獨(dú)立模式，且利用特殊事件觸發(fā)器SEVTCMP使A/D采樣在占空比有效的中間時(shí)刻同步，該時(shí)刻被認(rèn)為具有最小的地線(xiàn)耦合干擾，有望獲得準(zhǔn)確的模擬量值；

　?、?8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換通道（AD）：用來(lái)在每個(gè)PWM周期中同時(shí)對(duì)母線(xiàn)電壓、兩組油門(mén)給定、兩組剎車(chē)模擬量信號(hào)、兩相電流、鋁基板溫度8個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣，且采樣與PWM時(shí)基同步；

　?、?電平變化中斷（CN）：來(lái)自電機(jī)霍爾傳感器的位置信號(hào)發(fā)生電平變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生電平變化中斷，在電平變化中斷服務(wù)子程序中，實(shí)施電機(jī)換相、辨別電機(jī)轉(zhuǎn)向以及計(jì)算轉(zhuǎn)速；

　?、?定時(shí)器4（TMR4）：定時(shí)器4工作于周期計(jì)數(shù)模式，以記錄相鄰兩個(gè)電周期發(fā)生的間隔，用來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速；

　?、?控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）模塊：將關(guān)于電機(jī)和車(chē)輛的部分信息通過(guò)CAN通信送至上位儀表(液晶顯示器)，并可接受來(lái)上位儀表的指令(觸摸屏)。

　　即便是初學(xué)者，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)Microchip的開(kāi)發(fā)平臺(tái)極易上手，他的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完全免費(fèi)，也有一些價(jià)格低廉的在線(xiàn)調(diào)試工具如ICD2，當(dāng)然要進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，還需要一塊目標(biāo)板。再加上RISC的采用，你會(huì)發(fā)現(xiàn)即便采用匯編語(yǔ)言編程也一樣輕松，當(dāng)然我在設(shè)計(jì)中采用的還是C語(yǔ)言，某些需要高質(zhì)量目標(biāo)代碼的地方采用了嵌入行內(nèi)匯編的這種混合編程方式以達(dá)到代碼質(zhì)量和效率的平衡。

　　Microchip的技術(shù)支持非常出色，網(wǎng)絡(luò)資源相當(dāng)豐富，特別在電機(jī)控制領(lǐng)域，種類(lèi)齊全而且更新速度快，且其中相當(dāng)多的一部分應(yīng)用筆記有對(duì)應(yīng)的中文版本，這對(duì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)是一筆寶貴的財(cái)富，在設(shè)計(jì)之前很好的掌握它們可以起到事半功倍的效果。但有一點(diǎn)瑕疵的是我發(fā)現(xiàn)不同技術(shù)支持工程師編寫(xiě)的應(yīng)用筆記或示例中的源代碼風(fēng)格迥異，有一些注釋也不是很規(guī)范，還是統(tǒng)一一下的好。

圖 1產(chǎn)品選型指南

　　我們以圖 1來(lái)示意Microchip豐富的產(chǎn)品線(xiàn)，包括有8、16、32位MCU和DSC，模擬器件和接口產(chǎn)品、存儲(chǔ)器及射頻器件等。在各個(gè)產(chǎn)品系列中都有非常優(yōu)秀的產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)中，除了主控制芯片采用了Microchip的dsPIC30F4011，還使用了CAN網(wǎng)絡(luò)的總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器MCP2551和軌到軌運(yùn)放MCP604。利用CAN來(lái)與上位液晶顯示儀表通信，向其傳送車(chē)輛的狀態(tài)信息并可以接受該儀表的指令以改變控制參數(shù)或響應(yīng)控制指令；MCP604構(gòu)成了模擬量檢測(cè)、有源濾波單元的主體；系統(tǒng)中的過(guò)溫和過(guò)流硬件保護(hù)信號(hào)也是來(lái)自于MCP604內(nèi)部運(yùn)放構(gòu)成的比較器的輸出，這些輸出信號(hào)通過(guò)線(xiàn)或連接至dsPIC30F4011的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳（FLTA）。對(duì)于MOSFET的驅(qū)動(dòng)器件，我們?cè)欢葴?zhǔn)備采用TC4431，但它只是一個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器，這就需要獨(dú)立的電源為高端的驅(qū)動(dòng)器件供電。為了降低成本，我們只設(shè)計(jì)了一路15V電源，最終選擇了IR公司的IR2181，利用自舉電容為其高端MOSFET驅(qū)動(dòng)器件供電。當(dāng)然，Microchip的電源管理器件也非常好用，且網(wǎng)站上有完整的電源管理方案，在下一步的設(shè)計(jì)中，計(jì)劃完善驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)，以提高車(chē)輛的續(xù)駛里程和延長(zhǎng)電池使用壽命。
　　
競(jìng)賽中的收獲和體會(huì)

　　在提交了參賽作品之后，我如釋重負(fù)?；叵脒@半年來(lái)在實(shí)驗(yàn)室?jiàn)^斗的日日夜夜，心中感慨良多：向我的隊(duì)友們表示衷心感謝，我們是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，每個(gè)人都是成功的關(guān)鍵，非常幸運(yùn)的是我的隊(duì)友們都非常優(yōu)秀而且和我有著共同的信念，沒(méi)有他們的努力是不可能取得任何成績(jī)的；參與到一個(gè)項(xiàng)目中去，完整介入其整個(gè)過(guò)程對(duì)一個(gè)電子工程師的成長(zhǎng)非常必要。從立項(xiàng)、可行性研究、方案的初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、原型系統(tǒng)的試制到實(shí)驗(yàn)調(diào)試，我的學(xué)習(xí)能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力、溝通和協(xié)調(diào)能力有了長(zhǎng)足的進(jìn)步；感謝Microchip公司和電子產(chǎn)品世界給我們提供“Microchip 16位嵌入式控制設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)賽”這樣一個(gè)平臺(tái)：來(lái)自全國(guó)各地的工程師和電子愛(ài)好者們可以通過(guò)這個(gè)平臺(tái)交流靈感和創(chuàng)意、分享成果和成功的喜悅！衷心感謝，祝大賽越辦越好，規(guī)模越辦越大，如果還有機(jī)會(huì)，希望能和來(lái)自世界各地的電子愛(ài)好者們同臺(tái)競(jìng)技，共襄盛舉！