外文翻譯---基于高壓無刷直流電機小型電動車的控制和結構

1、<p><b>　　翻譯部分</b></p><p><b>　　外文原文</b></p><p><b>　　中文譯文</b></p><p>　　基于高壓無刷直流電機小型電動車的控制和結構</p><p>　　摘要——無刷直流電機(以下簡稱BLDC)在低壓交通工具

2、（如：助力自行車、電動車和本文所闡述的機動山板）領域已經變得越來越重要。隨著技術飛速發(fā)展，高能電池如鋰聚合物電池的應用因其高性價比、輕重量，已經變得越來越普及。由于BLDC高能、輕重、低成本等優(yōu)勢,使得BLDC成為目標內燃機功率要求達到7KW的首選。本文中電動爬山車裝配專用電子控制器。電機通過內置霍爾傳感器判別轉子位置。同時，還有很多其它傳感器用于監(jiān)測其它對電機運行環(huán)境起重要作用的一些變量，如電機相電流，電池電壓，電機溫度，晶體管溫度等

3、。這套所闡述的系統(tǒng)通過幾個附加特征模塊，使得功能進一步提升，如：LCD屏輸出，再生反電勢，定時超前，巡航，軟件啟動等。這些功能將在下文進行簡要闡述。</p><p>　　關鍵詞：無刷直流電機控制器；再生制動；定時超前；電動滑板；霍爾傳感器。</p><p><b>　　一．介紹</b></p><p>　　機動山板能幫助使用者進行極限登山運動，

4、一般限于下坡，到平坦地區(qū)和上坡面。這給用戶更廣泛的登山位置選擇。</p><p>　　一種外轉子BLDC已經被投入應用。這種電機因其低速（130RPM/V），高轉矩特性，同時減少了傳動裝置而被青睞，一個比例為3.8：1的傳動裝置被用來直鏈驅動。裝置配備功率為6.5KW的Turnigy C80100-13電機，該電機足夠用來驅動速度大約在70km/h的小型交通工具。然而，由于驅動裝置和電池電壓的原因使得登山車的速度

5、限制在50km/h的水平。所以，增大了的輪動轉矩足夠保證裝置爬上險峻的山脈。</p><p>　　無霍爾傳感器的電機要求產生可測量的反電動勢傳遞給電機控制器，以便能夠確定轉子位置的，但因此不能提供換向平穩(wěn)啟動和低速。相反，一個裝有位置傳感器的BLDC，能夠在任何速度下確定轉子位置。同時，在啟動過程中，可以順利換相。專用裝有傳感器的BLDC因此而產生的。</p><p><b>　

6、　二．電氣系統(tǒng)綜述</b></p><p>　　Silicon Laboratories公司的C8051F020混合信號現(xiàn)場可編程微控制器，已被用來根據(jù)來自不同傳感器的輸入信號控制驅動電路的。該控制器運行用C語言環(huán)境下的定制軟件。該軟件用來控制電動機控制器的運行。圖1顯示功能塊的電機控制器。</p><p>　　該電動機控制器使用一個三相H橋驅動電機。該電路的優(yōu)越性在于它允許電

7、機四象限運行，以及慣性運動。如圖2所示三相H橋的原理圖。</p><p><b>　　圖2.三相逆變橋路</b></p><p>　　電機控制器應滿足電機的特殊要求，能夠供給連續(xù)5S提供48V電壓下的130A電流，并能夠連續(xù)提供至少40A的電流。H-橋的功率開關管選用N溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管（N-MOSFET的）。它們的優(yōu)勢在于低成本及在兩個MOSFET并聯(lián)

8、條件下的電流導通能力[1]。為獲得130A的目標電流，兩個N-MOSFET的并聯(lián)使用組成六個開關的三相H橋。</p><p><b>　　A.電機驅動電路</b></p><p>　　在微控制器和MOSFET之間使用柵極驅動器IC的原因有三：</p><p>　　1.將3.2V來自單片機的邏輯信號轉換為低側晶體管12V信號，使得MOSFET飽和

9、。</p><p>　　2.提供一個電荷泵電路，用于驅動高側柵極pin腳電壓到12V以上，使得MOSFET的飽和。</p><p>　　3.為三相H橋提供直通可編程死區(qū)時間保護。</p><p>　　柵極驅動器IC和MOSFET的柵極之間柵極電阻是用來減緩晶體管的開關時間。這是為了減少通過電機繞組[2]的電流變化率（di / dt的）。當晶體管接通或關斷時電機繞組會

10、產生感應電勢（自感），電勢的大小和通過繞組的電流變化率成正比。這個感應電壓可能會導致晶體管體承受電壓超過VACS等級，導致它們損壞。設計這些柵極電阻和并聯(lián)的晶體管在某種意義上[3]可以減少電路振蕩問題。圖3為一個在半橋路中能夠減小振蕩的柵極電阻電路的原理圖。如果需要更多的晶體管并聯(lián)，電路可以進行擴展。</p><p>　　圖3.柵極電阻的電路圖，以盡量減少MOSFET柵極振蕩</p><p&g

11、t;　　對于保護晶體管，僅僅減緩晶體管的開關時間是不夠的；母線電容器也被用于吸收尖峰電壓[2]。由于存在非常高的電壓尖峰的頻率（約50 MHz）。低等效串聯(lián)電阻（ESR）電容是必需的。標準的電解電容的速度難以實現(xiàn)吸收這種頻率的瞬態(tài)電壓。</p><p>　　電機控制器的電路采用了霍爾效應電流傳感器來測量電機的相電流。如果相電流超過設定的限制，電機控制器切斷電機電源，以防止電機繞組和晶體管由于電流超過最大額定值而被

12、損毀?；魻栃娏鱾鞲衅鞯妮敵鍪且粋€模擬信號，它和流過導線的電流大小成比例。本應用中還裝有一個雙向電流傳感器，以測量再生制動的電流。</p><p>　　電機控制器還使用電壓傳感器電路以測量電池的電壓。如果電壓低于規(guī)定的最小電池電壓，電機控制器將切斷電機電源。它的作用非常重要，因為可以防止過分使鋰離子聚合物電池組放電，永久地降低電池的容量[4]。由于寬范圍的工作電壓，電動機控制器能夠在（從16V到70V）電壓范圍

13、內運行。使用一個簡單的分壓器電路和一個低通RC濾波器代替電平移位器進行電壓檢測。</p><p>　　溫度傳感器安裝在電機和晶體管的散熱片上，如果任一溫度超過預設值，電機控制器切斷電機電源。主板上的溫度傳感器也可用于監(jiān)測微控制器的溫度。同樣，如果微控制器過熱，電機控制器將切斷電源。</p><p><b>　　B.再生制動</b></p><p&g

14、t;　　電機控制器集成了一個簡單的再生制動功能。在平面或上坡過程中的再生能量很少。然而，由于再生制動是唯一一種能夠防止把動能簡單地轉換成熱能，使得晶體管散熱片和電機溫度升高的制動方法，所以被本設計采納。</p><p>　　反電勢的實現(xiàn)，是借用一個升壓轉換電路將電機的反電動勢提高到一個比電池電壓更高的水平。圖4給出一個基本的升壓轉換電路[5]。</p><p>　　圖4.Boost升壓轉換

15、電路</p><p>　　該電路無需任何額外的硬件實現(xiàn)。使用三相H橋低側晶體管作為開關裝置、電機繞組作為電感，而高側反激二極管作為升壓轉換電路中的二極管。三條電路投入使用，每條對應其中一相。</p><p>　　通過改變低側晶體管的PWM占空比來改變該升壓轉換器的輸出電壓。隨著輸出電壓的增大，充電電流增加，導致增加的制動力。因此，通過讀取制動桿的位置并相應地調整占空比來控制制動力。<

16、/p><p>　　充電電流必須保持在規(guī)定的范圍內，以防損壞電池組。本應用中使用的鋰離子聚合物電池組，最大充電電流為20A。通過計算20A的充電電流能夠提供足夠的制動力，3s內能將速度從30公里/小時降到0。 </p><p><b>　　C.定時超前</b></p><p>　　定時超前在有刷與無刷直流電機[6]中均有應用。有刷直流電機中，是通過機

17、械地移動電刷相對于電機繞組的位置來實現(xiàn)。BLDC電機中，是利用電子整流控制電機使得它比正常運行時提前。</p><p>　　在理想的情況下，定時提前量（用電動旋轉的角度表示）可以從零速時0°連續(xù)變化到最大速度下的電角度數(shù)。這是可以通過微控制器做到的，但它需要大量的處理過程，并需要專用的微控制器[7]。大量的處理是必需的，因為微控制器必須通過電機的速度預測轉子的下一個位置時，然后計算最后一個電機位置換相和

18、下一個換相提前角之間的延時。有了這些信息，微控制器在上一個過渡后一個計算好的時間觸發(fā)。</p><p><b>　　D.內部位置傳感器</b></p><p>　　此應用中，已采取了一種簡單的定時超前，兩套霍爾效應傳感器已被安裝在電機內部。一組定位為中性定時，而另一組則位于30°（電機旋轉）偏離中性時間設定。第二組的霍爾傳感器產生的信號30°超前或

19、者30°滯后。通過電機在SOORPM條件下的最佳超前時間來確定超前電機角度，SORPM運行環(huán)境在42V電壓下的最高速。此外，因為電機有一個12極定子，每極間隔相差30°。這意味著無論是中性定時，還是超前定時的霍爾傳感器，可以很方便地安裝在定子磁極之間的間隙中。圖5分別示出中性和30°超前電機位置傳感器的信號波形。前三個波形來自中性定時，后三個來自超前定時設置的電機位置傳感器。這顯示了超前定時超前中性定時30

20、°電角。</p><p>　　圖5. 中性和30°超前電機位置傳感器的信號波形</p><p>　　有了這個超前定時角度，它也可以從第二組霍爾傳感器反向產生超前30°的信號。這是因為超前30°和延遲30°在相移60°（這是電機的位置轉換之間的間距）條件下等價。這將導致30°延遲信號位置一直滯后于超前30°信號。

21、通過產生這第三個信號，機動板很可能在正、反方向都使用30°超前定時。微控制器能夠更具電機速度在中性定時和超前定時間進行切換。該軟件利用遲滯，設定超前定時時，轉速4800轉；中性定時時，轉速4700轉。</p><p><b>　　三．軟件設計</b></p><p>　　單片機使用定制軟件進行編程，以允許這種電機控制器擁有唯一的附加功能。該軟件主要是基于中斷

22、的，以提高計算效率和可靠性。</p><p>　　每次微控制器讀取一個模擬輸入信號，總共8個連續(xù)的讀數(shù)，并計算和使用這些讀數(shù)的平均值來設置新的變量被讀取。這有助于進一步減少來自各種傳感器的模擬信號噪聲的影響。</p><p>　　距離測量是通過計算新的電機位置的數(shù)量。對于這個特殊的馬達，在一個電氣旋轉周期轉子有6種不同位置方式和一個物理周期內7次換相。</p><p&g

23、t;　　通過車輪直徑200mm和傳動比為3.8:1，可以計算當電機位置達到254時，山板將前進1米。當“新位置”計數(shù)器達到254，距離計數(shù)器就增加1，“新位置”計數(shù)器復位到零。</p><p>　　速度測量是通過使用一個山板上的定時器測量連續(xù)兩個電機的時間間隔。一個位置增量移動的距離是已知的，因此可以計算出速度。在高速行駛時，平均每8轉讀取一次以提高精度。圖6示出了電機控制器的軟件的基本流程圖。</p>

24、;<p><b>　　A．軟啟動</b></p><p>　　軟啟動功能的目的是為了保護電機和電機驅動電路在啟動過程被沖擊電流損壞。這是必需的，因為當電機在低速或靜止的，幾乎沒有反電動勢。反電動勢阻止電壓施加到電機端子。因此，電源電壓和反電動勢電壓時，電機兩端承受的電壓有很大區(qū)別。沒有反電動勢，電機承受很大的電壓。電路中唯一的電阻是導通晶體管電阻（0.008 S2），[9]，電

25、機繞組（0.036 S2），還有非常低的導線電阻。因此，當電機處于靜止或以低速運行，電流可以達到相當大的水平。</p><p>　　當電機運行時，軟啟動功能限制電動機兩端的電壓，可以用作速度控制。這是通過設置在零速時允許的最大占空比為5％，而在1900 RPM是加到100％。這個功能的實現(xiàn)的程序在主循環(huán)中，因此不會影響基于中斷操作的功能。</p><p><b>　　B．巡航&l

26、t;/b></p><p>　　巡航控制功能采用PI控制，使得速度保持Motorboard的設定上。設定點取為激活手持遙控巡航開關那瞬間的速度。PI控制器的PWM占空比的變化，以確保當小車爬山時，隨著負荷的變化，速度固定在設定點。當用戶應用剎車，巡航控制功能被禁用。當用戶停止使用制動器時，新的速度作為設定點。比例系數(shù)和積分系數(shù)通過實驗獲取。</p><p><b>　　四.

27、手持控制器</b></p><p>　　機動山板的用戶界面是一種手持式控制器。此手持控制器中使用的無線遙控汽車發(fā)射器的外殼為基礎。這個外殼被修改，剝出的電路板，切斷電池槽，安裝一個LCD模塊到它里面。觸發(fā)機制被保留，作為油門和剎車控制（拉回到觸發(fā)加速，推動制動）。這里利用了兩個可變電阻器（旋轉式電位器），一個是用來設置控制器的最大占空比。這個可以限制Motorboard的最大速的功能是非常有用的，尤其

28、是第一次用這個設備。其他可變電阻是用來循環(huán)各種顯示在LCD模塊上的數(shù)據(jù)。電動機控制器所使用的有兩個開關，一個用來打開控制器開啟和關閉，另一種是用來作為巡航控制通/斷開關。Motorboard和手持控制器成品圖如圖7所示。</p><p>　　液晶屏只有足夠大能夠顯示兩行16個字符。為了顯示更多的數(shù)據(jù)，手持設備上的一個可變電阻器可以讓用戶在屏幕上選擇，這里有六個數(shù)據(jù)顯示：</p><p>&

29、lt;b>　　1.主要數(shù)據(jù)畫面：</b></p><p>　　顯示當前速度，行駛距離，電池電壓和瞬時功率輸。</p><p><b>　　2．溫度畫面：</b></p><p>　　顯示晶體管，電動機的溫度微控制器，以及環(huán)境溫度。</p><p><b>　　3．最大值屏幕：</b>

30、;</p><p>　　顯示的最大速度達到最大電流消耗 在運行過程中，最大輸出功率。</p><p><b>　　4．二級數(shù)據(jù)畫面：</b></p><p>　　顯示當前轉速，電機轉速和瞬時。</p><p>　　5．程序的I / O畫面：</p><p>　　顯示用戶設置的最大占空比，

31、錯誤代碼，并從電機控制器程序故障代碼。</p><p><b>　　6．調試畫面：</b></p><p>　　顯示瞬時占空比，轉把輸出值（用于設置PWM占空比的值），并且將晶閘管切換到當前狀態(tài)。</p><p><b>　　五．實驗結果</b></p><p>　　實驗結果表明：用卷尺測量時，該板

32、的距離測量對測量精確到0.5％。這種測量的分辨率使軟件測量分辨率低至4毫米。然而，在測量中，通過在引入不確定性直徑的車輪。因此，直徑、氣壓的變化、和騎手的質量都是不確定因素。 實驗證明在400米田徑跑道繞場一圈存在1米的誤差。</p><p>　　也進行了實驗測試主板上的速度測量的準確性。把速度設定在Motorboard在液晶屏上的17公里/小時，并在這樣的速度舉行。然后緊緊粘貼5米卷尺。錄像被檢測，以

33、確定行駛5米的距離所花費的時間。據(jù)計算，實際的運行速度為17.42公里/小時。重復試驗設定速度為25公里/小時。此運行計算的實際速度為25.68公里/小時。這些設定結果比實際速度稍低，但它在25公里/小時的速度下誤差在1公里/小時以內。</p><p><b>　　六．結論和發(fā)展</b></p><p>　　作為一個原型，還有很大提升空間。其中一個領域就是基于位置傳感