基于MC34937的無刷直流電機智能化驅動控制系統(tǒng)

趙鴻宇，扈宏杰，韓磊

（1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191；2.飛思卡爾半導體（中國）有限公司，天津300385）

基于MC34937的無刷直流電機智能化驅動控制系統(tǒng)

趙鴻宇1，扈宏杰1，韓磊2

（1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191；2.飛思卡爾半導體（中國）有限公司，天津300385）

MC34937是一款新型的場效應晶體管（FET）前置驅動器，專用于三相電機控制，具有穩(wěn)定的數(shù)字精度。介紹的基于MC34937的電動自行車無刷直流電機智能化驅動控制系統(tǒng)，提供了更靈活的軟、硬件方案，并大大降低了控制系統(tǒng)成本，具有較高的實用價值。實驗表明系統(tǒng)啟動及空載運行平穩(wěn)，突然加、減負載時電機轉速穩(wěn)定。

無刷直流電機；智能化；驅動系統(tǒng)；MC34937

無刷直流電機（BLDCM）既具有交流電機運行可靠的優(yōu)點，又具有傳統(tǒng)有刷直流電機優(yōu)越的調速性能。無刷直流電機憑借其構造簡單、運行可靠、調速性能好等優(yōu)點，被越來越多地應用在電動車領域。無刷直流電機驅動一般由專門的控制芯片來完成。放在電機中的霍耳位置傳感器把相應的換相信號傳入控制芯片中，控制功率開關根據(jù)控制芯片的控制來輪流驅動三相線圈，使電機按要求運行［1］。

電動自行車使用過程中不需要有很高的速度，但是需要頻繁加減速和啟動，所以電動車驅動控制系統(tǒng)需要有較高的瞬時功率以及功率密度。除了一般的驅動要求，理想的驅動方式應均勻加速、減速和啟動，在突然加、減負載時電機轉速穩(wěn)定。

傳統(tǒng)的控制芯片控制電機的方法相對單一，過流和過壓的保護性能存在缺陷，專用的三相門極驅動器，可實現(xiàn)智能化的驅動方式。MC34937是一款新型的工業(yè)級三相門極驅動器，集成了控制和保護直流三相電機所需的邏輯電路以及傳感、監(jiān)控和控制功能，非常適合用于分數(shù)和整數(shù)的電機控制。

1　智能化驅動系統(tǒng)控制策略

對于自行車電機控制系統(tǒng)，為了滿足無超調、抗負載擾動能力強、實時性和快速響應性好的要求，采用轉速環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)的控制策略。速度環(huán)為外環(huán)、電流環(huán)為內環(huán)，內環(huán)外環(huán)均采用PI調節(jié)，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結構Fig.1　Double closed loop control system structure

無刷直流電機轉速負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差，但不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流和轉矩。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求快速啟動、制動等，單閉環(huán)控制系統(tǒng)就難以滿足要求。為了改善無刷直流電機控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，就很有必要在速度負反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎上再引入電流負反饋環(huán)來控制系統(tǒng)動態(tài)過程的電流和轉矩。

根據(jù)電動車的控制特點，本系統(tǒng)采用的專用驅動芯片MC34937，不僅可以極大程度的簡化編程，提高控制性能，而且可以減輕單片機的工作負擔，更大程度的豐富控制器功能。在供電方面，由于蓄電池是電動車上唯一的電源，但是控制電路和三相逆變器所需的電壓是不同的。本文設計了1個電壓轉換電路，使36 V直流電壓轉化成5 V的直流電壓，同時滿足控制電路和三相逆變器的供電要求。

2　系統(tǒng)硬件組成

無刷直流電機具有三相定子繞組以及一個表面裝配有永磁體的轉子。無刷直流電機通常也被稱為電子換相電機，在轉子上沒有電刷，換相會在特定的轉子位置上以電子方式執(zhí)行［2］。定子磁路通常是由磁性鋼片制成，通過設定永久磁鐵的磁化方式和在轉子上的分布使得定子上的反電動勢為梯形波。無刷直流電機比直流電機更可靠，數(shù)字控制和電力電子電路取代了機械換相器的功能，并根據(jù)轉子位置驅動相應的電機繞組［3］。

系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示，分為以下幾個模塊：控制電路模塊、智能驅動模塊（MC34937單片機為前置驅動器的電路）、三相逆變器模塊、直流電源模塊。在直流電源的供電下，控制電路模塊通過MC34937驅動三相逆變器。設計PCB板時，使功率電路和控制電路兩部分盡量分開，保證互不干擾。

圖2　控制系統(tǒng)硬件組成Fig.2　The consist of control system hardware

2.1智能驅動模塊

MC34937智能驅動模塊通過6個直接輸入控制信號連接到5.0 V的單片機上，SPI端口用于器件設置以及異步復位、使能和中斷信號，如圖3所示，圖3中標出了主要管腳的連接方法。

圖3　MC34937模塊示意圖Fig.3　MC34937 module diagram

單片機通過控制MC34937來完成對無刷直流電機的操作，這樣做可以大大降低單片機的編程難度，使控制電機變得簡單方便。

MC34937是一款工業(yè)級三相門極驅動器，專門配置于三相電機控制，具有穩(wěn)定的數(shù)字精度，它便于配置無刷直流電機的電機驅動系統(tǒng)，MC34937的優(yōu)點主要有：1）電壓的工作范圍較寬，能支持12 V，24 V和48 V電機控制應用，保證電機即使在電壓發(fā)生變化的情況下也可以正常工作；2）外部FET的柵極驅動能力大于1.0 A，這樣可以降低RDS（ON）和提供充足的電流，來實現(xiàn)預期轉矩控制的電機；3）可以無故障的處理來自外部大功率FET的反向電荷注入，從而提高可靠性；4）用戶可以通過SPI端口設置死區(qū)時間來優(yōu)化電機性能；5）集成了控制和保護直流三相電機所需的邏輯電路以及傳感、監(jiān)控和控制功能，可以方便用戶檢測故障。

2.2三相逆變器模塊

三相逆變器模塊接受控制電路的要求，將直流母線電壓逆變?yōu)榻涣麟妷杭釉陔姍C的繞組上，從而使電機連續(xù)轉動。

無刷直流電機去掉了直流電機中的換相器，在定子上裝配上了電樞繞組，轉子上裝配永磁鐵?？刂齐娐凡捎萌嘈切卫@組全控橋電路，定子繞組U，V，W以星形方式連接，位置傳感器位于電機相繞組軸線，當位置傳感器即霍耳元件檢測到轉子位置時會反饋回控制電路，控制電路根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)，觸發(fā)導通MOSFET，使電機轉動［4］。

無刷直流電機在任意時刻會有兩相繞組導通，而第3相繞組會處于懸空狀態(tài)。功率管的觸發(fā)狀態(tài)有6種，每隔60°（電角度）換相1次，每次換相1個功率管，每1個功率管導通120°（電角度）。如圖4所示，設無刷直流電動機的開始導通Q1和Q6，電流從Q1管流入U相繞組，再從V繞組流出，經Q6回到電源。此狀態(tài)維持60°（電角度）后開始換相，功率管Q6關斷，而功率管Q2導通，此時導通相為V，W相。這樣每經過60°（電角度）就進行1次換相，各功率管的導通順序是Q6Q1，Q1Q2，Q2Q3，Q3Q4，Q4Q5，Q5Q6。

圖4　三相逆變器Fig.4　Three phase inverter

2.3直流電壓模塊

直流電壓模塊是整個控制系統(tǒng)的能量源泉，電動車上只有蓄電池作為電源，但是控制模塊和三相逆變器模塊需要的電壓是不同的。三相逆變器需要16 V到36 V的直流電壓作為母線電壓輸入，而控制電路需要5 V的直流電壓，所以設計了這個電壓轉換電路。

如圖5所示，圖5中VBAT為16 V到36 V直流電壓，在直流電壓模塊中，通過使用LM5007芯片，使36 V直流電壓轉化成5 V的直流電壓，為控制板和霍耳傳感器提供工作電壓。這種控制方法只需輸入16 V到36 V直流電壓，而不再需要單獨輸入5 V直流電壓，控制方法大大化簡。

圖5　直流電壓模塊示意圖Fig.5　DC voltage module diagram

2.4控制電路

控制電路使用的單片機為飛思卡爾的KE02Z64，該系列的單片機包含1組強大的模擬、通訊、定時和控制外設，具有低功耗、高穩(wěn)定性和高性價比。主要負責信號的接收和處理、控制策略的實現(xiàn)，是系統(tǒng)控制好壞的關鍵。電路圖如圖6所示。

圖6　控制電路模塊示意圖Fig.6　Control circuit module diagram

圖6中給出了主要管腳的連接方法，根據(jù)工作任務不同可分為以下2個模塊。

1）最小系統(tǒng)模塊。電源電路、時鐘振蕩電路、復位電路，這是微處理器能正常工作的前提。

2）功能模塊。濾波電路、AD轉換、SPI通信、處理位置傳感器輸入信號等功能。

3　系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由主程序和各中斷子系統(tǒng)組成。主程序先進行系統(tǒng)的初始化，然后判斷電動機的初始位置，等待中斷。中斷子程序負責計算電機的及時速度和檢測轉子位置等。程序框圖如圖7所示。

圖7　軟件框圖Fig.7　Software description

直流無刷電機一般希望使用在當負載變動時，速度可以穩(wěn)定于設定值而不會變動太大。所以本系統(tǒng)采用電流和速度閉環(huán)調速，運用PI整定，使電流和速度穩(wěn)定在一定范圍內。

在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，將轉速環(huán)作為外環(huán)，電流環(huán)作為內環(huán)。對于電流環(huán)來說，系統(tǒng)根據(jù)霍耳傳感器反饋的轉子位置信息，確定是哪一組的MOSFET導通，來進行電流換相。對于速度環(huán)，作用是使系統(tǒng)的轉速跟隨給定的變化，穩(wěn)態(tài)時消除靜差，抑制負載變化帶來的擾動，系統(tǒng)根據(jù)旋轉編碼器的信息得出轉速的大小，然后與之前設定的轉速相比較，通過PI整定得到1個輸出，這個輸出信號作為電流環(huán)的給定信號。系統(tǒng)檢測出實際電流大小，與給定信號相比較，通過PI整定最后得到PWM占空比的大小。

4　實驗結果

實驗電機采用歐碼（AUMA）無刷直流電動機，額定電壓36 V，額定功率350 W，材質為鋁合金；霍耳元件距離120°（電機1周共3個霍耳元件，每隔120°放置1個）；實驗直流電源采用SHUANGYE生產的電動車鋰電池，額定電壓36 V，容量12A·h，重量3.2 kg。

測試條件為電壓36 V，測試結果如圖8和圖9所示，圖8為空載50 s后，加恒轉矩8 N·m。圖9 為0～30 s空載，30～70 s加負載到8 N·m，最后減到4 N·m又加到8 N·m。

圖8　無刷直流電機加載實驗Fig.8　Brushless DC motor increasing load experiment

圖9　無刷直流電機改變負載實驗Fig.9　Brushless DC motor changing load experiment

從圖8、圖9中可以看出，采用上述控制方法，電機平穩(wěn)啟動，空載運行穩(wěn)定。突然加載和突然減小負載時，電機的轉速都能穩(wěn)定在設定轉速而不發(fā)生大的變化。電機轉速曲線響應較好，設計控制的策略達到了預期的效果。

5　結論

本文介紹了一種基于專用驅動芯片MC34937的電動自行車用無刷直流電機智能化驅動控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的控制芯片控制電機系統(tǒng)相比，提供了更靈活的軟、硬件方案，并大大降低了控制系統(tǒng)成本，具有較高的實用價值。實驗表明上述無刷直流電機系統(tǒng)的控制效果好，有較好的可行性。

［1］ 夏長亮.無刷直流電機控制系統(tǒng)［M］.北京：科學出版社，2009.

［2］ 劉剛，王志強，房建成.永磁無刷直流電機控制技術與應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［3］ 葉金虎.現(xiàn)代無刷直流永磁電動機的原理和設計［M］.北京：科學出版社，2007.

［4］ 張相軍，陳伯時.無刷直流電機控制系統(tǒng)中PWM調制方式對換相轉矩脈動的影響［J］.電機與控制學報，2003，7（2）：87-91.

Brushless Motor Intelligent Drive System Based on MC34937

ZHAO Hongyu1，HU Hongjie1，HAN Lei2
（1.School of Automation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China；2.Freescale Semiconductor，Tianjin 300385，China）

The MC34937 is a new field-effect transistor（FET）pre-driver designed to enable three-phase motor control configurations with stable digital accuracy.Presented an intelligent drive system of the brushless DC motor based on MC34937.This system provided a more flexible hardware and software solutions，and greatly reduced the cost of the control system and was of high practical value.Experiments show that the system is smooth and steady when it starts and idle runs，and the motor speed keeps stable with sudden add or subtraction of the load.

brushless DC moto（rBLDCM）；intelligent；drive system；MC34937

TM351

A

2015-09-15

趙鴻宇（1992-），女，碩士研究生在讀，Email：zhaohongyu1992@buaa.edu.cn