基于AVR的純電動車無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)

劉明崗 ， 陳鹿民

（1.鄭州輕工業(yè)學院 河南 鄭州 450002；2.河南機電職業(yè)學院 河南 新鄭 451191）

電動汽車作為一種新能源綠色交通工具，具有零污染、高效率、低噪音特點。動力系統(tǒng)作為解決電動汽車基本性能的重要因素，是電動汽車的關鍵問題之一[1]。目前，國外純電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)技術成熟，研發(fā)與生產(chǎn)制造積極性高，研制方式多樣，驅(qū)動控制器的研制趨于標準化；而國內(nèi)純電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)庫不完善，產(chǎn)品過度依賴于二次開發(fā)，不利于產(chǎn)業(yè)化，可靠性與穩(wěn)定性差，驅(qū)動控制器通用性、復用性差[2]。根據(jù)開發(fā)電動汽車的要求和市場調(diào)研的結果，我們開發(fā)出了一套基于AVR芯片的永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有電路簡單、性能安全、成本低等優(yōu)點，有利于純電動汽車產(chǎn)業(yè)化。

1 系統(tǒng)總體設計

以我院與某新能源汽車公司開發(fā)的純電動汽車為載體，結合控制系統(tǒng)的具體參數(shù)要求，對無刷直流電機的控制原理進行了詳細分析，依據(jù)無刷直流電機特性，針對電動汽車的控制需求，進行了無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計。技術指標如下：系統(tǒng)正常工作電壓72 V，最低工作電壓65 V，最大工作電流180 A，最大輸出功率18 kW。

1.1 硬件部分

硬件部分以MEGA48單片機作為控制芯片，逆變器由6個MOSFET管組成。通過微控制單元電路、逆變器驅(qū)動電路等電路模塊的設計，實現(xiàn)了電機的智能控制以及欠壓保護、過流保護、堵轉(zhuǎn)保護等保護功能，可靠的對電動車電機和電池進行保護，確保電動汽車使用及安全。

本控制器根據(jù)項目參數(shù)要求應具有如下功能：

1）具有電動、自動巡航兩種工作模式:在電動模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動汽車腳踏板所給電壓，正常加電運轉(zhuǎn)；自動巡航模式下，無需踩住踏板，電動汽車能夠按照設定速度運行；兩種種工作模式可通過模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。

2）當系統(tǒng)出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進入自檢模式并顯示錯誤。

3）能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護、過流保護、堵轉(zhuǎn)保護。

4）能夠?qū)崟r顯示電動車的狀態(tài)。

根據(jù)上述功能，所設計的系統(tǒng)硬件框圖。如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of the hardware system

1.2 三相全橋逆變電路和驅(qū)動電路

逆變電路和驅(qū)動電路是主控芯片與被控電機之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的運行質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組。功率場效應晶體管具有開關速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關電路中得到了廣泛的應用[3]。

在本控制系統(tǒng)中就采用了MOSFET組成的逆變器變換電路。半橋逆變器的控制比較復雜，需要六組控制信號，電機三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制[4，5]。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進行控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設計采用全橋逆變電路來控制各相位的導通，如圖2所示。

本設計中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價格較貴，而且其內(nèi)阻比N溝道的MOSFET管大，損耗也大。因此，當前的無刷控制器一般都采用兩個N溝道MOSFET管組成逆變器的一相[6]。

圖2 MOSFET驅(qū)動逆變電路Fig.2 Circuit of the MOSFET inverter

1.3 頂端、底端驅(qū)動電路

如圖2所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動電路無法直接與TTL器件匹配，因此在電路中通過LM339用來間接匹配電壓，匹配后的LM339輸出端 （＜a相2腳、b相1腳、c相14腳）電平分別為12 V的有效狀態(tài)或大于25 V的無效狀態(tài)。

當某相頂端驅(qū)動電路有效時，場效應器件VF1（或VF3，V F5）的柵極電壓不低于46 V，才能保證場效應管的充分導通.導通后，X1（或X2，X3電壓與電池電壓相同）。由于MOSFET管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過正負20 V。柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過大。本設計中，頂端驅(qū)動電路中的15 V穩(wěn)壓二極管DZ2，DZ4和DZ6為保護二極管。漏源間也要加保護電路以防止開關過程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位.當電機意外突然停轉(zhuǎn)時，電機繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機時，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。

底端電壓驅(qū)動電路采用NE555內(nèi)部推挽電路，利用單片機產(chǎn)生的PWM信號調(diào)制底端驅(qū)動信號，調(diào)制后的信號通過電阻藕合至底端驅(qū)動場效應管柵極，控制場效應管導通狀態(tài)[7]。因為底端驅(qū)動電路中NE555功耗較大，因此需要為U8，U9和U10配上霍爾電容C37，C39和C43。底端電壓驅(qū)動電路中R22，R30，R38為串聯(lián)柵電阻，是場效應管底端驅(qū)動保護電路，可消去由MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應而生的高頻振蕩。

以A相為例，頂端驅(qū)動，當LM339的2口輸出為低時，12腳正端接地，使得Ql基極電壓為22 V＞Ql開通，電流流過R19，電流方向為左正右負 （從而保證Ql開通時Q2關斷），VF1柵極電壓為50 V左右，源極電壓為36 V左右，VF1開通；當LM339的2口輸出為高時，Ql關斷，這時VF1截止。Q2與R18，R19，C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動，當經(jīng)過邏輯保護的A相底端控制信號ABTM輸入為1時，經(jīng)過底端驅(qū)動電路產(chǎn)生12 V有效信號，使得VF2導通。同時，單片機輸出的PWM信號送到NE555的RST端，對底端控制信號進行調(diào)制。

1.4 電源電路

驅(qū)動電路的電源部分包含兩部分電路:一部分是將電池電源36 V，通過三端穩(wěn)壓器LM7915產(chǎn)生相對電源電壓的－15 V電壓，即36 V－15 V=21 V，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū)動電壓；另一部分是通過三端穩(wěn)壓器LM7812產(chǎn)生的+12 V電壓，用于頂端驅(qū)動匹配和底端驅(qū)動電路。如圖3所示，電源電路中，根據(jù)各個部分的電流，合理的選擇分流電阻R14和R45的阻值和功率，減小直接流過三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱量，提高電路穩(wěn)定性[8－9]。

1.5 振蕩倍壓和硬件保護電路

1）硬件保護電路

為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設計了純硬件制動保護電路，如圖4所示。制動電路通過控制振蕩電路的RST端的電平狀態(tài)，間接控制頂端驅(qū)動電路導通所需電壓源.通過LM339的保護功能，當系統(tǒng)正常工作時，測試點1處的電壓通過上拉電阻，電平為12 V，經(jīng)過22 V穩(wěn)壓二極管，測試點2處的電平在34 V左右，振蕩電路正常工作；當系統(tǒng)過流時，純硬件的保護電路U5反向輸入端的電壓將高于正向輸入端參考電壓，U5內(nèi)部的三極管導通，測試點1處電平約0.7 V，測試點2處電壓為21 V左右，RST有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅(qū)動電路將不再輸出驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)硬件制動穩(wěn)定性。R47和C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導峰緣，增強系統(tǒng)。

圖3 電源電路Fig.3 Circuit of the power supply

圖4 振蕩倍壓電路和純硬件保護電路Fig.4 Doubling circuit of oscillating voltage and protection circuit of the pure hardware

2）振蕩倍壓電路

如圖4所示，NE555的電源接+36 V電壓，地端接+21 V電壓。NE555和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的振蕩頻率約為4～5 kHz，振蕩信號從NE555的3腳輸后，通過陶瓷電容C23和C24、二極管D3和D4構成的倍壓電路，將輸出電壓提升到50 V左右，送到MOS管的柵極。NE555的RST腳能夠控制振蕩電路的起停。

倍壓電路的工作原理是:當NE555的3腳為GND電壓（+21 V）時，電源36 V通過二極管D4給電容C24充電，如果時間常數(shù)合適，C24上的電壓近似等于36 V－21 V=15 V，方向為左負右正:當 NE555的 3腳為高時，電容 C24左側(cè)為36 V，右側(cè)為36 V+15 V=51 V，因為二極管D4反偏截止，產(chǎn)生的51 V電壓就通過二極管D3給C23，C25充電，這樣經(jīng)過若干周期的反復充電，電容C25上的電壓就升到后部驅(qū)動所需要的51 V恒定電壓。

1.6 軟件部分

在軟件方面利用高級語言，采用模塊化編程和結構化編程。實現(xiàn)了信號的采集及處理，實現(xiàn)了電動自行車的電動和自動巡航兩種三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢功能，且利用數(shù)字PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調(diào)制。所設計的系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 Work flowchart of the system

2 結束語

文中所設計的基于AVR單片機的無刷直流電機控制器具有硬件結構簡單、保護功能完善、軟件采用模塊化設計易于用戶二次開發(fā)等特點。經(jīng)過在龍瑞新能源汽車公司試制車輛上使用，得到的主要參數(shù)為：0~20 km/h加速時間為8 s，最大爬坡度為30°，續(xù)航里程提高20%，達到了龍瑞新能源汽車公司驅(qū)動控制系統(tǒng)開發(fā)的功能和性能要求。

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