電動汽車用無刷直流電機控制器設(shè)計

舒 雄1,，杜榮華，柴 健，舒剛?cè)A，李亞中

(1.廣東科技學(xué)院機械與電子工程系, 廣東 東莞 523083；2.長沙理工大學(xué)智能交通與車路協(xié)同技術(shù)研究所，湖南 長沙 410004)

·新能源汽車與低碳運輸·

電動汽車用無刷直流電機控制器設(shè)計

舒 雄1,2，杜榮華2，柴 健2，舒剛?cè)A2，李亞中2

(1.廣東科技學(xué)院機械與電子工程系, 廣東 東莞 523083；2.長沙理工大學(xué)智能交通與車路協(xié)同技術(shù)研究所，湖南 長沙 410004)

針對四輪獨立驅(qū)動電動汽車所用電機須調(diào)速性好、可靠性高的特點，從工程應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計一種以dsPIC及MC33035為核心的無刷直流電機控制器。闡述控制方案及工作原理，給出了硬件電路組成和調(diào)速方法。把該控制器運用到自行研制的四輪獨立驅(qū)動電動汽車上進行測試，其結(jié)果表明，該控制器不僅具有響應(yīng)速度快、調(diào)速性能好和穩(wěn)定性高的特點，而且開發(fā)成本低，具有廣泛的應(yīng)用價值。

無刷直流電機；控制器；MC33035；電動汽車

無刷直流電機不僅具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠和維護方便的特點，還具有直流電機大啟動轉(zhuǎn)矩和調(diào)速范圍寬的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電動汽車和電動摩托車上[1]。目前關(guān)于無刷直流電機控制器相關(guān)研究[2-11]較多，但仍存在研究空間：一方面體現(xiàn)在大部分研究僅集中于電機本身的調(diào)速控制，未能與電動汽車整車要求相結(jié)合；另一方面，由于單片機數(shù)據(jù)處理能力有限，同時電動汽車處于較強的電磁干擾環(huán)境，因此在運行電機調(diào)速算法和換向邏輯等多任務(wù)調(diào)度時易出現(xiàn)死機及無響應(yīng)情況。為此，本文設(shè)計一種以dsPIC33FJ64GP706和MC33035為核心的無刷直流電機控制器(簡稱控制器)。在該控制器中MC33035負責(zé)電機驅(qū)動控制，dsPIC33FJ64GP706負責(zé)外圍電路和控制算法的實現(xiàn)，這樣不僅能減少單片機的任務(wù)調(diào)度頻率，而且能有效地把驅(qū)動電路和控制電路隔開，提高控制器的穩(wěn)定性和可靠性。最后將設(shè)計完成的控制器應(yīng)用到自行研制的四輪獨立驅(qū)動電動汽車上進行實際路況測試，其結(jié)果表明：該控制器運行穩(wěn)定、安全性好、可靠性高，能較好地適應(yīng)電動汽車大電磁干擾和顛簸路況的工作環(huán)境，具有重要的實際應(yīng)用價值。

1 無刷直流電機工作原理及控制方案

本文以自行設(shè)計制造的四輪獨立驅(qū)動電動汽車所采用的無刷直流電機為研究對象，該電機為三相Y型，3個霍爾元件在空間相隔120°對稱放置，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 無刷直流電機(BLDCM)參數(shù)

為使電機正常工作，定子電樞各相繞組應(yīng)不斷換向通電，這樣才能使定子磁場隨轉(zhuǎn)子位置不斷變化，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。為保證驅(qū)動電機穩(wěn)定可靠的運行，設(shè)計如圖1所示的控制方案， dsPIC33FJ64GP706負責(zé)外部信號的處理以及控制決策運算，MC33035負責(zé)編譯霍爾位置信號并輸出6路脈沖信號，控制功率管順序?qū)?，P75NF75場效應(yīng)管構(gòu)成電機換向橋，IR2110芯片構(gòu)成P75NF75場效應(yīng)管的柵極驅(qū)動電路，ACS758構(gòu)成電流檢測電路，DS18B20構(gòu)成溫度檢測電路，MC33039通過對霍爾位置信號檢測輸出與電機速度成正比的電壓信號。

圖1 控制方案圖

2 基于MC33035的驅(qū)動電路設(shè)計

MC33035是為無刷直流電機設(shè)計的專用控制芯片，可實現(xiàn)霍爾位置角度為 60°/300°或 120°/240°的無刷直流電機驅(qū)動控制。芯片各引腳功能如圖2所示，在控制器中，轉(zhuǎn)子位置信號接MC33035的4、5、6引腳，由譯碼電路轉(zhuǎn)換為6路驅(qū)動信號輸出，其中3路上橋驅(qū)動輸出為1、2、24引腳，下橋驅(qū)動輸出為19、20、21引腳。電機旋轉(zhuǎn)方向由3引腳邏輯電平確定，啟/停由7引腳邏輯電平確定。

圖2 MC33035引腳功能圖

本文研究的電機額定電壓為60 V，峰值功率可到達2.0 kW。為保證電機的工作穩(wěn)定可靠，在設(shè)計驅(qū)動電路時不僅要考慮電機在額定功率下的穩(wěn)定性能，還需考慮一定的過載能力。需要注意的是，MC33035輸出的6路脈沖信號雖然可以直接驅(qū)動上下橋場效應(yīng)管，但對場效應(yīng)管有嚴格要求，上橋只能為P溝道型，下橋只能為N溝道型。由于市場上較大功率P溝道型較少，而且在同一驅(qū)動橋中，不同場效應(yīng)管會有一定的熱效應(yīng)干擾；因此，為提高控制器的穩(wěn)定性、減少熱效應(yīng)干擾，在設(shè)計控制器時將全部采用STP75NF75L場效應(yīng)管構(gòu)成三相全橋驅(qū)動，同時，對MC33035輸出的上橋脈沖信號采用CD4049芯片進行反向處理以確保正確的驅(qū)動邏輯。考慮到單個STP75NF75L場效應(yīng)管的漏源工作電壓為75 V，電流為75 A，為進一步保證控制器工作穩(wěn)定提高驅(qū)動功率，采用并聯(lián)3個MOSFET的方式進行驅(qū)動，如圖3所示。

為確保MC33035輸出的驅(qū)動信號能充分穩(wěn)定地導(dǎo)通MOSFET，設(shè)計如圖4所示的MOSFET驅(qū)動電路模塊。該模塊的核心為美國IR公司生產(chǎn)的IR2110芯片。它兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點，采用獨立的低端和高端輸入通道；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500 V，dU/dt=50 V/ns，15 V以下靜態(tài)功耗僅為116 mW；輸出的電源端電壓范圍為10～20 V；邏輯電壓范圍為5～15 V，可方便與TTL、CMOS電平相匹配；工作頻率高達500 kHz；開通、關(guān)斷延遲小，分別為120 ns和94 ns，圖騰柱輸出峰值電流為2 A。IR2110在驅(qū)動場效應(yīng)管時不能產(chǎn)生負偏壓。在驅(qū)動橋式電路時，由于思密特效應(yīng)的存在，在開通和關(guān)斷時刻，寄生電容產(chǎn)生的位移電流容易在柵極上產(chǎn)生干擾。特別是在大功率情況下，關(guān)斷電流較大，IR2110驅(qū)動輸出阻抗較小，柵極灌入的位移電流會在驅(qū)動電壓上疊加形成較嚴重的毛刺干擾。如果干擾超過場效應(yīng)管的最小導(dǎo)通電壓，將會造成橋臂瞬間短路。為此，本文設(shè)計柵極電平鉗位電路，如圖4所示。它不僅解決了IR2110不能產(chǎn)生負偏壓可能造成橋臂短路現(xiàn)象，而且能提高電路的抗干擾能力。在該電路圖中D9、D12、D14及D18為穩(wěn)壓二極管，D6、D8及D16為快速關(guān)斷二極管。D6與C15構(gòu)成自舉電路，可滿足在極短的時間內(nèi)向柵級提供足夠的柵電荷；上下橋柵極驅(qū)動回路中串聯(lián)的電阻(R14、R16)能有效地抑制功率管快速開通和關(guān)斷引起的毛刺干擾。需要注意的是，當串聯(lián)的電阻過小時會達不到效果，過大時會降低柵極驅(qū)動能量造成導(dǎo)通延時，通過計算，該處的電阻取20 Ω。二極管(D8、D16)可避免在關(guān)斷期間造成的大電流使串聯(lián)電阻(R14、R16)產(chǎn)生大的壓降。當上橋關(guān)斷下橋?qū)〞r，穩(wěn)壓二極管D12及電容C17可使上橋場效應(yīng)管產(chǎn)生-5 V的偏壓，使上橋徹底關(guān)斷，避免橋臂短路現(xiàn)象產(chǎn)生。

圖3 無刷直流電機驅(qū)動橋

圖4 驅(qū)動電路

3 基于dsPIC33的通信電路和信號采集電路設(shè)計

dsPIC33FJ64GP706是由美國微芯公司生產(chǎn)的數(shù)字信號處理器，它集成了單片機的控制功能以及數(shù)字信號處理器(DSP)的數(shù)據(jù)吞吐能力，芯片內(nèi)部的CAN通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換及中斷控制等，可方便實現(xiàn)控制器所需的功能。

3.1 CAN通信硬件電路

為方便實現(xiàn)控制器與整車通信，設(shè)計圖5所示的CAN通信硬件電路。圖中：CAN總線保護器(NUP2105LT1G)能有效地使CAN通信免受EMI和ESD的影響，同時還能吸收瞬態(tài)電壓事件的能量，有效提高CAN網(wǎng)絡(luò)在嚴酷的電動汽車環(huán)境下的可靠性；共模濾波器(ZJYS81R5)對信號進行過濾、去噪，使CAN信號收發(fā)芯片SN65HVD230接收到的CAN信號更加穩(wěn)定可靠；ISO7221芯片對收發(fā)芯片的信號進行電氣隔離后，通過CANRX引腳與CANTX引腳將信號接入dsPIC33FJ64GP706芯片。

圖5 CAN通信硬件電路

3.2信號檢測電路

電機在運行過程中，較大電流會導(dǎo)致MOSFET模塊及驅(qū)動電機發(fā)熱過快，因此，確保電機在正常溫度下工作是保證電機可持續(xù)運行的前提。本文采用DS18B20作為溫度檢測傳感器，其測量范圍為-55～125 ℃，且具有抗干擾能力強、誤差小、接口簡單及可編程的優(yōu)點。

由表1計算可知，電機正常工作時最大電流不超過40 A，因此，可在直流電壓輸入端接一個型號為HNC-50LAP的霍爾電流傳感器。該霍爾電流傳感器額定測量范圍為0～50 A，線性范圍為0～75 A，能輸出與電流強度成正比的電壓信號(0～2.5 V)。

電機轉(zhuǎn)速信號的檢測是實現(xiàn)速度閉環(huán)控制的前提。MC33039能把無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)過內(nèi)部電路處理后，輸出與實際電機轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號，其電路如圖6所示。

圖6 速度檢測電路

將上述檢測到的溫度信號、電流信號和轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過dsPIC33FJ64GP706處理后，相應(yīng)的信號通過CAN通信電路傳輸?shù)秸嚳刂破骰騼x表盤供使用，當出現(xiàn)過流、過/欠壓或高溫時，能輸出警示信息同時做出對應(yīng)的保護動作。

4 調(diào)速控制算法

優(yōu)越的調(diào)速系統(tǒng)需具有調(diào)速范圍較寬、系統(tǒng)靜態(tài)誤差較小、系統(tǒng)跟隨性和抗擾動性能優(yōu)良的特性。傳統(tǒng)的PID控制器具有調(diào)整方便、結(jié)構(gòu)簡單以及參數(shù)整定與工程系數(shù)緊密連接的特點，被廣泛應(yīng)用于無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)[12]。需要注意的是，傳統(tǒng)的PID控制算法在電機轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時，會引起偏差階躍使得期望偏差E(k)增大，從而導(dǎo)致PID的輸出P(k)出現(xiàn)急劇增加或減小，以至于超過控制量上、下限(Pmax-Pmin)，而實際控制量只能限制在(Pmax-Pmin)區(qū)間內(nèi)。當出現(xiàn)這種情況時，由于控制量受到限制，偏差E(k)將持續(xù)很長時間保持較大值，從而使PID積分項不斷積累出現(xiàn)飽和特性，而當系統(tǒng)進入飽和特性后，后續(xù)的積分環(huán)節(jié)不堪重負，使得系統(tǒng)的性能出現(xiàn)大幅度的下降。為此，在充分考慮無刷直流電機調(diào)速特性的情況下，采用改進后的變速積分PID算法。其思路是通過改變累加速度使其與偏差大小相適應(yīng)，偏差大時減弱積分作用，偏差小時加強積分作用，其表達式為

(1)

式中的非線性函數(shù)f[E(k)]可表示為

(2)

f[E(k)]的值在0～1區(qū)間變化，當偏差大于A+B時，表明已進入飽和區(qū)，此時令f[E(k)]=0,不再進行積分的累加；E(k)≤A+B時，f[E(k)]隨偏差的減小而增大，直至偏差小于B后, 累加速度達到最大值1。整個調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速閉環(huán)和電流閉環(huán)組成，如圖7所示。在啟動和低速的情況下，電流閉環(huán)起主要作用，可減少系統(tǒng)過渡時間，提高系統(tǒng)響應(yīng)；當?shù)竭_給定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速環(huán)起主要作用，電流閉環(huán)跟隨速度環(huán)的給定輸出，保證轉(zhuǎn)速恒定。 在工程實踐中需多次改變A、B值進行比較分析，得到一個合適值。

圖7 無刷直流電機調(diào)速原理圖

5 實驗測試

將研制好的控制器應(yīng)用到自行設(shè)計制造的四輪獨立驅(qū)動試驗車(iECar)進行測試。下橋的輸出邏輯及上橋通過CD4049反向后的輸出邏輯與理論換向真值表相同，如表2所示。通過數(shù)字示波器分別測試了電動汽車在實驗路段，約15 km/h運行時相電壓波形和線電壓波形，如圖8、9所示，以及大約40 km/h運行時相電壓波形和線電壓波形，如圖10、圖11所示?？梢钥闯?，控制器運行穩(wěn)定可靠，電子換向正常。為進一步驗證控制器的穩(wěn)定與可靠性，對試驗車進行了實際城市路況測試，其結(jié)果表明：該控制器運行穩(wěn)定、可靠，響應(yīng)速度較快，調(diào)速性能穩(wěn)定，CAN通信正常，能滿足四輪獨立驅(qū)動電動汽車所用的無刷直流輪轂電機驅(qū)動控制要求。

表2 三相六步換向真值表

圖8 車速為15 km/h電機相電壓波形

圖9 車速為15 km/h電機線電壓波形

圖10 車速為40 km/h電機相電壓波形

圖11 車速為40 km/h電機線電壓波形

6 結(jié)束語

本文以自主研制的四輪獨立驅(qū)動電動汽車所用的無刷直流輪轂電機為研究對象，充分考慮電動汽車對驅(qū)動器的功能要求，從實際工程應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計了一種以dsPIC和MC33035為核心的無刷直流電機控制器，給出了硬件電路設(shè)計方法及相關(guān)參數(shù)，給出了改進的調(diào)速算法。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的無刷直流電機控制器運行穩(wěn)定、可靠，響應(yīng)速度較快，調(diào)速性能穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。該設(shè)計方案不僅具有重要的實用價值，還可為電動汽車電機控制器的設(shè)計提供參考。

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(編校：饒莉)

ControllerDesignforDCBrushlessMotorofElectricVehicle

SHU Xiong1,2, DU Rong-hua2,CHAI Jian2,SHU Gang-hua2,LI Ya-zhong2

(1.DepartmentofMechanical&ElectricalEngineering,GuangdongUniversityofScience&Technology,Dongguan523083China；2.InstituteofIntelligentTrafficandCooperativeVehicle-InfrastructureSystems，ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410004China)

Based on dsPIC and MC33035, a kind of controller is designed for brushless dc motor with good speed regulating and high reliability, which is used in electric car with four-wheel independent drive. The control plan and operating principle are outlined, and the corresponding hardware circuit structure and speed regulation method are introduced. The controller was applied to test self-developed electric car with four-wheel independent drive. The results indicate that the controller have characteristics of fast response, good speed control performance and high stability with low cost and extensive application.

brushless DC motor; controller; MC33035; electric vehicle

2014-02-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(11272067)；湖南省教育廳重點項目(10A003)。

舒雄(1987—)，男，碩士，主要研究方向為純電動汽車及電機控制技術(shù)。E-mail：shuxong510@163.com

TM33

：A

：1673-159X(2015)02-0058-6

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.02.012