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一款實用的電動自行車控制器設(shè)計方案

電子設(shè)計 ? 來源:互聯(lián)網(wǎng) ? 作者:佚名 ? 2017-12-30 07:08 ? 次閱讀

方波驅(qū)動的無刷直流電機(jī)由于力矩大,運行可靠,在電動車控制器中廣泛應(yīng)用,方波驅(qū)動最大的缺點在于換相時的電流突變引起的轉(zhuǎn)矩脈動,導(dǎo)致噪聲較大,但好的控制策略可以大大改善換相噪聲。電動車控制器設(shè)計的難點在于電流控制,本文就電動車控制器設(shè)計的一些關(guān)鍵地方加以描述。

1.概述

電動自行車上使用的電機(jī)普遍采用永磁直流電機(jī)。所謂永磁電機(jī),是指電機(jī)線圈采用永磁體激磁,不采用線圈激磁的方式。這樣就省去了激磁線圈工作時消耗的電能,提高了電機(jī)機(jī)電轉(zhuǎn)換效率,這對使用車載有限能源的電動車來講,可以降低行駛電流,延長續(xù)行里程。

永磁直流電機(jī)按照電機(jī)的通電形式來分,可分為有刷電機(jī)和無刷電機(jī)兩大類,有刷電機(jī)由于采用機(jī)械換相裝置導(dǎo)致可靠性和壽命降低,因此逐漸退出電動車市場。

無刷電機(jī)又可分為有傳感器和無傳感器兩類,對于無位置傳感器的無刷電機(jī),必須要先將車用腳蹬起來,等電機(jī)具有一定的旋轉(zhuǎn)速度以后,控制器才能識別到無刷電機(jī)的相位,然后控制器才能對電機(jī)供電。由于無位置傳感器無刷電機(jī)不能實現(xiàn)零速度啟動,所以現(xiàn)在生產(chǎn)的電動車上用得較少。目前電動車行業(yè)內(nèi)使用的無刷電機(jī),普遍采用有位置傳感器無刷電機(jī)。

有位置傳感器永磁直流無刷電機(jī)按照內(nèi)部傳感器的安裝位置不同,又可分為60度電機(jī)和120度電機(jī)。在120°的霍爾信號中,不可能出現(xiàn)二進(jìn)制000和111的編碼,所以在一定程度上避免了因霍爾零件故障而導(dǎo)致的誤操作。因為霍爾組件是開漏輸出,高電平依靠電路上的上拉電阻提供,一旦霍爾零件斷電,霍爾信號輸出就是111.一旦霍爾零件短路,霍爾信號輸出就是000,而60°的霍爾信號在正常工作時這兩種信號均會出現(xiàn),所以一定程度上影響了軟件判斷故障的準(zhǔn)確率。因此目前市面馬達(dá)已經(jīng)逐漸舍棄60°相位的霍爾排列。

2.永磁直流電機(jī)基本原理

2.1.主回路電路

o4YBAFpGBd-AVk9_AABC2ha8BZE814.jpg

圖1

圖中ABC表示電機(jī)的3相繞組,采用星形接法,V1~V6表示功率場效應(yīng)管,如果將V1~V6用如下的時序波形驅(qū)動,則3相繞組會按照AB-AC-BC-BA-CA-CB順序通電(AB表示電流由A相流向B相),產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)的磁場,牽引外轉(zhuǎn)子(永磁體)旋轉(zhuǎn)。

導(dǎo)通順序

o4YBAFpGBd-ARqF8AABHp61sGxI667.jpg

圖2

3.電動車控制器功能要求

*功能性要求:1.電子換相2.無級調(diào)速3.剎車斷電4.附加功能A.限速B. 1+1助力C. EBS柔性電磁剎車D.定速巡航E.其它功能(消除換相噪音,倒車等)

*安全性要求:1.限流驅(qū)動2.過流保護(hù)3.堵轉(zhuǎn)保護(hù)4.電池欠壓保護(hù)5.降低溫升6.附加功能(防盜鎖死,溫升限制等)

7.附加故障檢測功能從上面的要求來看,功能性要求和安全性要求的前三項用專用控制芯片用加上適當(dāng)?shù)耐鈬娐肪浑y解決,代表芯片是摩托羅拉的MC33035,早期的控制器方案均用該集成塊解決。但后來隨著競爭加劇,很多廠商都增加了不少附加功能,一些附加功能用硬件來實現(xiàn)就比較困難,所以使用單片機(jī)來做控制的控制器迅速取代了純硬件的專用控制芯片。

但是硬件控制和軟件控制有很大的區(qū)別,硬件控制的反應(yīng)速度僅僅受限于邏輯門的開關(guān)速度,而軟件的運行則需要指令執(zhí)行時間。要使軟件跟得上電機(jī)控制的需求,就必須要求軟件在最短的時間內(nèi)能夠正確處理換相,電流限制等各種復(fù)雜動作,這就涉及到一個對外部信號的采樣頻率,采樣時機(jī),信號的內(nèi)部處理判斷及處理結(jié)果的輸出,還有一些抗干擾措施等,這些都是軟件設(shè)計中需要仔細(xì)考慮的東西。

在本方案中,我們采用了一顆集成PWM發(fā)生器的8位單片機(jī)SH79F081,采用優(yōu)化的單機(jī)器周期8051內(nèi)核,內(nèi)置16k Flash存儲器,兼容傳統(tǒng)8051所有硬件資源,采用JTAG仿真方式,內(nèi)置16.6MHz振蕩器,同時擴(kuò)展了如下功能:*雙DPTR指針。16位x 8乘法器和16位/8除法器。

* 3通道帶死區(qū)控制PWM,6路輸出,輸出極性可設(shè),提供周期溢出功能*集成故障檢測功能,可瞬時關(guān)閉PWM輸出。

*提供硬件抗干擾措施。

*集成高速10bit ADC. *提供Flash自編程功能,可以模擬用做EEROM,方便存儲參數(shù)。

這顆IC由于CPU運行速度和AD采樣速度都很快,PWM功能強大,硬件抗干擾功能多,非常適合作電動車控制器。

4.軟件實現(xiàn)

下面我們挑選對控制器性能和安全比較重要的功能來討論編程中應(yīng)該注意的問題。

4.1.減小換相噪聲

上文已提過,無刷直流電動機(jī)方波驅(qū)動最大的缺點是換相時電流不能持續(xù),導(dǎo)致有轉(zhuǎn)矩脈動,因此衡量控制器好壞很大程度上是取決于換相是否能做好。

在電動車剛剛起步的時候我們會發(fā)現(xiàn)換相時電機(jī)會發(fā)出很大的突突聲,這是由于電機(jī)起步時電流比較大,而電機(jī)是個感性負(fù)載,換相后由于電機(jī)線圈電流不會一下增大到換相前的水平,這樣就造成換相前后電流反差非常大,從而導(dǎo)致牽引力的急劇變化,這種變化便會引起電機(jī)強烈振動,這種振動噪聲不能完全消除,但可以采取一些措施減小噪聲方法1:在換相后的一段時間使PWM脈沖占空比達(dá)到100%來使電流增長快一點,從而減輕振動噪聲。需要提醒的是在這個過程中我們需要隨時監(jiān)測電流變化,電流一達(dá)到換相前的水平就可以恢復(fù)換相前的PWM占空比。

方法2:延遲關(guān)閉換相MOS管,方波驅(qū)動直流無刷電機(jī)是6步驅(qū)動,定子勵磁每隔60度電角度跳躍一次,保證定子磁動勢方向和轉(zhuǎn)子磁動勢方向夾角在60°到120°之間運行,因為夾角在90°時轉(zhuǎn)動力矩最大,夾角為0°或180°時沒有轉(zhuǎn)矩,現(xiàn)假設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn),AB導(dǎo)通要切換到AC導(dǎo)通,此時AB繞組通電產(chǎn)生的定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角為60°,如果正常切換到AC導(dǎo)通,則AC繞組通電后,定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢夾角變?yōu)?20°,由于切換到AC通電后電流要從0開始爬升,因此此時定子磁勢幅值很小,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩降低,但如果此時不關(guān)閉B,同時將下橋C打開,則定子磁勢和轉(zhuǎn)子磁勢的夾角變?yōu)?0°,而且由于AB相電流基本沒有變化,而C相電流還很小,因此換相前后轉(zhuǎn)矩變化很小,但要注意,等C相電流爬升后要將B相關(guān)閉,否則3相導(dǎo)通的合成力矩比2相導(dǎo)通力矩大,也會發(fā)生轉(zhuǎn)矩波動。

4.2.電子剎車:

電子剎車其實是將電動機(jī)當(dāng)做發(fā)電機(jī)機(jī)運行,因此會產(chǎn)生電磁制動轉(zhuǎn)矩,檢測到電子剎車信號后,cpu將上三路PWM關(guān)閉,將下三路同時打開,占空比設(shè)為某一固定值,這樣,電機(jī)相當(dāng)于工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài),給蓄電池充電,充電電流和下三路占空比有關(guān),占空比越大,則充電電流越大,剎車制動能力越強,由于目前電動車上裝配的電子剎車都是開關(guān)信號,使用者無法調(diào)整剎車力矩,完全由控制器決定,不過由電動機(jī)的特性,即使占空比固定,電子剎車時轉(zhuǎn)速越高,發(fā)電機(jī)感生電壓越高,回饋充電能力越強,剎車力矩越大,當(dāng)然,最好是裝配線性剎車傳感器,使用者會更方便。

4.3.恒流驅(qū)動

電流信號經(jīng)康銅絲采樣之后分兩路,一路送至放大器,一路送至比較器。放大器用來實時放大電流信號,放大倍數(shù)大約6.5倍,放大后的信號提供給單片機(jī)進(jìn)行AD采樣轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換所得數(shù)字用來控制電流不超過我們所允許的值。另一路信號送至比較器,當(dāng)電流突然由于某種原因大大超過允許值,比如一只MOSFET擊穿或誤導(dǎo)通時,比較器翻轉(zhuǎn)送出低電平,送給79F081的FLT引腳,無需單片機(jī)執(zhí)行程序,IC硬件會自動關(guān)閉PWM輸出,從而保護(hù)MOSFET避免更大傷害。

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