张春展
深圳市金丛智能科技有限公司
摘要：无刷直流电机由于具有工作效率高、调速性能优越等的优点，被广泛应用于车用驱动系统领域。基于此，本文将对电动汽车永磁无刷直流电机控制器设计做具体阐述，希望给行业内人士以借鉴和启发。
关键词：无刷直流电机;控制器;MC33035;电动汽车
引言
无刷直流电机不仅具有交流电机结构简单、运行可靠和维护方便的特点，还具有直流电机大启动转矩和调速范围宽的优点，被广泛应用于电动汽车和电动摩托车上。目前关于无刷直流电机控制器相关研究较多，但仍存在研究空间:一方面体现在大部分研究仅集中于电机本身的调速控制，未能与电动汽车整车要求相结合;另一方面，由于单片机数据处理能力有限，同时电动汽车处于较强的电磁干扰环境，因此在运行电机调速算法和换向逻辑等多任务调度时易出现死机及无响应情况。为此，本文设计一种MC33035为核心的无刷直流电机控制器(简称控制器)。在该控制器中MC33035负责电机驱动控制，dsPIC33FJ64GP706负责外围电路和控制算法的实现，这样不仅能减少单片机的任务调度频率，而且能有效地把驱动电路和控制电路隔开，提高控制器的稳定性和可靠性。最后将设计完成的控制器应用到自行研制的四轮独立驱动电动汽车上进行实际路况测试，其结果表明:该控制器运行稳定、安全性好、可靠性高，能较好地适应电动汽车大电磁干扰和颠簸路况的工作环境，具有重要的实际应用价值。
1基于MC33035的驱动电路设计
MC33035是为无刷直流电机设计的专用控制芯片，可实现霍尔位置角度为60°/300°或120°/240°的无刷直流电机驱动控制。在控制器中，转子位置信号接MC33035的4、5、6引脚，由译码电路转换为6路驱动信号输出，其中3路上桥驱动输出为1、2、24引脚，下桥驱动输出为19、20、21引脚。电机旋转方向由3引脚逻辑电平确定，启/停由7引脚逻辑电平确定。本文研究的电机额定电压为60V，峰值功率可到达2.0kW。为保证电机的工作稳定可靠，在设计驱动电路时不仅要考虑电机在额定功率下的稳定性能，还需考虑一定的过载能力。需要注意的是，MC33035输出的6路脉冲信号虽然可以直接驱动上下桥场效应管，但对场效应管有严格要求，上桥只能为P沟道型，下桥只能为N沟道型。由于市场上较大功率P沟道型较少，而且在同一驱动桥中，不同场效应管会有一定的热效应干扰;因此，为提高控制器的稳定性、减少热效应干扰，在设计控制器时将全部采用STP75NF75L场效应管构成三相全桥驱动，同时，对MC33035输出的上桥脉冲信号采用CD4049芯片进行反向处理以确保正确的驱动逻辑。考虑到单个STP75NF75L场效应管的漏源工作电压为75V，电流为75A，为进一步保证控制器工作稳定提高驱动功率，采用并联3个MOSFET的方式进行驱动。为确保MC33035输出的驱动信号能充分稳定地导通MOSFET，设计的MOSFET驱动电路模块。该模块的核心为美国IＲ公司生产的IＲ2110芯片。它兼有光耦隔离和电磁隔离的优点，采用独立的低端和高端输入通道;悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，dU/dt=50V/ns，15V以下静态功耗仅为116mW;输出的电源端电压范围为10～20V;逻辑电压范围为5～15V，可方便与TTL、CMOS电平相匹配;工作频率高达500kHz;开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns，图腾柱输出峰值电流为2A。IＲ2110在驱动场效应管时不能产生负偏压。在驱动桥式电路时，由于思密特效应的存在，在开通和关断时刻，寄生电容产生的位移电流容易在栅极上产生干扰。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆特别是在大功率情况下，关断电流较大，IＲ2110驱动输出阻抗较小，栅极灌入的位移电流会在驱动电压上叠加形成较严重的毛刺干扰。如果干扰超过场效应管的最小导通电压，将会造成桥臂瞬间短路。
2基于dsPIC33的通信电路和信号采集电路设计
2.1信号检测电路
电机在运行过程中，较大电流会导致MOSFET模块及驱动电机发热过快，因此，确保电机在正常温度下工作是保证电机可持续运行的前提。本文采用DS18B20作为温度检测传感器，其测量范围为－55～125℃，且具有抗干扰能力强、误差孝接口简单及可编程的优点。电机正常工作时最大电流不超过40A，因此，可在直流电压输入端接一个型号为HNC－50LAP的霍尔电流传感器。该霍尔电流传感器额定测量范围为0～50A，线性范围为0～75A，能输出与电流强度成正比的电压信号(0～2.5V)。电机转速信号的检测是实现速度闭环控制的前提。MC33039能把无刷直流电机的转子位置信号经过内部电路处理后，输出与实际电机转速成正比的电压信号。
2.2调速控制算法
优越的调速系统需具有调速范围较宽、系统静态误差较孝系统跟随性和抗扰动性能优良的特性。传统的PID控制器具有调整方便、结构简单以及参数整定与工程系数紧密连接的特点，被广泛应用于无刷直流电机调速系统［12］。需要注意的是，传统的PID控制算法在电机转速发生突变时，会引起偏差阶跃使得期望偏差E(k)增大，从而导致PID的输出P(k)出现急剧增加或减小，以至于超过控制量上、下限(Pmax－Pmin)，而实际控制量只能限制在(Pmax－Pmin)区间内。当出现这种情况时，由于控制量受到限制，偏差E(k)将持续很长时间保持较大值，从而使PID积分项不断积累出现饱和特性，而当系统进入饱和特性后，后续的积分环节不堪重负，使得系统的性能出现大幅度的下降。为此，在充分考虑无刷直流电机调速特性的情况下，采用改进后的变速积分PID算法。
3保护电路
由于电动汽车行驶工况复杂，电机在启动瞬间或堵转时，电流迅速增大，时间稍长则会有电机烧毁的风险．为了保护电机，应该增设保护电路，主要包括过流保护和短路保护．过流保护主要是防止电机母线电流过大．因为母线电流过大会影响电机的运转稳定与电机寿命，所以需要进行保护．过流保护电路和短路保护电路。短路保护主要是防止电路发生故障时，电流不经过负载，瞬间产生极大电流造成电机及电源等损坏，甚至火灾等更严重的结果。通过采样电路分压
结语
设计的直流无刷电机控制器包含了硬件电路的搭建以及软件流程的设计，通过软硬件的设计最终设计出纯电动汽车的控制器，通过双闭环的设计经调试后，该系统具有良好的性能，在转速上升和下降的时间均较短，能够满足车载控制器的需求。
参考文献
［1］王捷，艾红．无刷直流电机转速闭环控制系统设计［J］．自动化技术与应用，2017，36(09):22－26．
［2］杨阳，邱娜灵．基于DSP的PMSM无位置传感器控制系统实现［J］．信息与电脑:理论版，2017(11):121－124．
［3］李满，江剑．基于DSP的伺服电机驱动器的设计［J］．机械制造与自动化，2016，45(05):187－191．
［4］王秀君，胡协和，章永亮，等．带EPA的低压直流伺服驱动器的设计与研究［J］．计算机工程与应用，2010(19):58－70．
［5］李传明，崔更申，尹鹏，等．基于STM32F4的电机控制系统设计［J］．计算机测量与控制，2015，23(10):3370－3372．
论文作者:张春展
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：电机论文; 直流电机论文; 控制器论文; 电路论文; 电流论文; 信号论文; 电压论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;