CN107086827B - 一种电动车永磁直流无刷电机控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动车永磁直流无刷电机控制器及控制方法，包括控制单元、功率驱动单元、逆变单元和BLDCM、位置检测单元和信号输入单元。本发明对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生相应占空比的PWM脉宽调制信号，调节电机的转速；通过改变驱动时序实现电机自锁；实现过流、欠压、过压等故障保护功能。在保证电动车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源。该控制器硬件结构简单、成本低廉、功能完善和可靠性高，具有较高的应用和推广价值。

Description

一种电动车永磁直流无刷电机控制器及控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种电动车永磁直流无刷电机控制器及控制方法。

背景技术

燃油车辆所排放的废气造成的环境污染、行驶过程中造成的噪声污染以及日益严重的石油资源危机，都影响着人类的生存健康和社会可持续发展。随着现代社会经济的高速发展，环境和能源问题越来越受到人们的重视，人类的环保意识和健康意识也在不断增强，研制电动摩托车作为新的能源替代具有深远意义。

电动摩托车由车体、电机、蓄电池和控制器组成。电机是电动摩托车的心脏，目前电动摩托车电机通常采用永磁直流电机(轮毂电机)，节省了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电能转换效率，这将对使用车载有限能源的电动摩托车来讲，降低行驶电流，延长了续行里程。控制器是电动摩托车的驱动控制中心。

目前电动摩托车控制器主要分为两种：一种采用专用集成电路，这种方案可以降低成本，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种采用单片机等微处理器，这种方案可以非常方便地实现各种控制算法，提高系统控制的灵活性。

发明内容

本发明提供一种电动车永磁直流无刷电机控制器及控制方法，设计了一种以单片机为核心的电动车智能控制器，采用速度电流双闭环、PWM脉宽调制技术结合数字增量PI作为系统的控制策略。在硬件系统中，设计了以单片机为核心的主控制器，外围电路包括逆变电路、功率驱动电路、电流检测电路、霍尔位置检测电路、防盗报警电路等。在软件系统中，设计了转子位置检测程序、速度电流双闭环控制程序、A/D采样程序、PWM发生程序、驱动控制程序、电机自锁程序、过压欠压保护程序、过流保护程序等。该控制器硬件结构简单、成本低廉、功能完善和可靠性高，具有较高的应用和推广价值。

其技术方案如下：

一种电动车永磁直流无刷电机控制器，包括

(1)控制单元

主要功能是根据电机旋转方向和来自霍尔位置传感器的输出信号，将它们处理成功率驱动单元的三相全桥6组功率开关器件所要求的驱动顺序。另一个重要作用是根据信号输入单元送来的电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个综合上述各种信息的脉宽调制信号。

(2)功率驱动单元

功率驱动单元由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。

(3)逆变单元和BLDCM

三相全桥逆变单元由6组功率开关器件构成，为了满足功率要求,系统采用并联方式，即每个桥臂由多个功率MOS管并联构成。三个桥臂的中间节点分别作为永磁直流无刷电机(BLDCM)的三个相线的电路接口。

(4)位置检测单元

位置检测单元在无刷直流电机利用霍尔传感器测定转子磁极位置信息，为逻辑开关电路提供正确的换相时序，同时在控制单元中利用检测到的位置信息间接计算出电机的转速。

(5)信号输入单元

主要有电压检测、调速、电流检测、防盗自锁和刹车等输入信号电路。其中，电压检测电路对蓄电池的直流母线电压进行检测，通过控制单元完成过压和欠压的保护功能；调速是把霍尔转把电路的输出电压经过控制单元处理后，作为电机转速的设定值，与位置检测单元反馈的转速进行PI运算后得到电流的设定值；电流检测是对电机三相电流进行实时监测，分别得到瞬时电流、平均电流和过流脉冲，其中瞬时电流用于系统的峰值限流保护，平均电流作为反馈电流参与电流的PI运算，过流脉冲用于系统的过流保护。防盗自锁电路在电动车停放中检测到震动信号后，继电器电源控制电路立即接通主电源电路，控制单元立即控制自锁信号发生电路发出自锁信号控制电机自锁，并使用声音发生电路驱动喇叭报警。刹车电路将刹车信号通过高优先级的中断方式送入控制单元，经控制单元紧急处理后关闭系统的运行。

进一步优选，蓄电池为整个系统提供动力，其输出一部分经过电源单元变换后作为控制单元等模块的供电电源，另一部分直接作为逆变单元的直流母线电压。

一种电动车永磁直流无刷电机控制器的控制方法，包括以下步骤：电机正常运行时，控制器根据位置检测信号计算出当前的转速，与设定的转速信号的偏差值进行增量PI运算，得到电流的设定值；电流反馈信号经A/D接口送入控制器，经转换后得到电流的反馈值，设定值与该反馈值的偏差经过增量PI运算，得到电流调节器的输出，进而调节占空比控制功率管的通断状态，从而实现对电机的调速控制。

本发明的有益效果：

本发明对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生相应占空比的PWM脉宽调制信号，调节电机的转速；通过改变驱动时序实现电机自锁；实现过流、欠压、过压等故障保护功能。在保证电动车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源。该控制器硬件结构简单、成本低廉、功能完善和可靠性高，具有较高的应用和推广价值。

附图说明

图1为电动车永磁直流无刷电机控制器的组成框图；

图2为电动车永磁直流无刷电机控制器的控制方法流程图；

图3为逆变电路；

图4为功率驱动电路；

图5为电源电路；

图6为霍尔转把电路；

图7为刹车把输入电路；

图8为霍尔信号处理电路；

图9为电压检测电路；

图10为电流检测电路；

图11为自锁信号发生电路；

图12为继电器电源控制电路；

图13为声音发生电路；

图14为喇叭驱动电路；

图15为软件设计结构图；

图16为主程序流程图；

图17为A/D流程图；

图18为换向驱动流程图；

图19为转子位置检测流程图；

图20为双闭环控制流程图；

图21为PWM流程图；

图22为电机自锁流程图；

图23为过流保护流程图；

图24为欠压、过压保护流程图；

图25为巡航流程图；

图26为刹车流程图；

图27为系统测试波形，其中，图(a)是相邻两路霍尔信号，任意一路的脉宽为180°，且相位互差120°；图(b)是单片机输出的某一相的驱动信号，即逆变桥的驱动信号，其中一通道为电平控制信号，二通道为PWM控制信号；图(c)是相邻两相的电压波形，在其中一相施加电压时，另一项继续存在反电动势产生的衰减信号。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

电机控制器主要实现以下功能：对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生相应占空比的PWM脉宽调制信号，调节电机的转速；通过改变驱动时序实现电机自锁；实现过流、欠压、过压等故障保护功能。在保证电动车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源。

1、系统结构

1.1控制系统组成框图

无刷直流电机控制系统组成框图,如图1所示：

(1)控制单元

主要功能是根据电机旋转方向和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的6组功率开关器件所要求的驱动顺序,为了满足功率要求,系统采用并联方式(12个)。另一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。

(2)功率驱动单元

主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和功率开关驱动电路。功率开关驱动电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。

(3)位置检测单元

位置检测单元在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。

(4)信号输入单元

主要有电压采集、电流采集、调速、防盗自锁和刹车等输入信号电路。

1.2无刷直流电机控制策略

为使电动机在起动阶段能维持最大允许起动力矩，充分利用电动机的过载能力获得最快起动效果，并且系统可在稳态条件下实现转速无静差的理想效果，采用上述转速电流双闭环策略，结合数字控制的特点，系统设计了无刷电机数字运动控制系统总体结构。系统控制结构如图2所示。

电机正常运行时，控制器根据位置检测信号计算出当前的转速，与设定的转速信号的偏差值进行增量PI运算，得到电流的参考值；电流反馈信号经A/D接口送入控制器，经转换后得到电流的反馈值和参考值进行的偏差经过增量PI运算，得到电流调节器的输出，进而调节占空比控制功率管的通断状态，从而实现对电机的调速控制。

2、硬件设计

3.1逆变电路

系统采用三相全桥逆变电路来实现电枢绕组各相的通断。如图3所示，逆变电路由功率开关管V1-V12组成。逆变电路的控制采用PWM的半桥调制方式中的H_pwm-L_on调制方式来完成对无刷直流电机“两相导通三相六拍”方式的控制运行，即系统中上桥臂开关管采用PWM控制，下桥臂开关管常开。

在正负母线间接电容C来吸收MOSFET关断时产生的浪涌电压，电路在一定程度上能减小母线的尖峰电压，还可以有效防止电路板的引线引起的高频震荡。

2.2功率开关驱动电路

由于单片机的I/O端口输出输入电压不能直接驱动功率器件MOSFET，所以系统采用分立元件搭建一种高压高速的功率MOSFET驱动器。功率开关电路如图4所示。

以一相为例，自举电容C1A被+15V电源通过二极管D0A充电，并为功率开关电路的上桥臂的功率MOSFET的栅极提供电压。其中D0A保证自举电容C1A电荷大于+15V时，电路仍能产生自举作用。当需要打开上桥臂时，应使Q0A导通，使得C1A的阳极电荷通过R4A、D1A和R12A(R14A)加到V0A(V1A)的栅极上。Q1A负责匹配TTL控制电平与Q0A所需要的电平。而在关断V0A和V1A时，由于Q0A截止、D1A钳位。Q2A因基极被R3A拉低失去高电位而导通，快速泻放掉C2A上的电荷，V0A和V1A的栅源间寄生电容上的电荷也被快速泻放掉，从而保证了V0A和V1A快速关断。MOSFET栅极与驱动器的输出直接耦合时，驱动器输出会产生电压过冲，为削弱驱动器输出地过应力，在每只MOSFET上串联如图R12A、R14A和R13A、R15A两组电阻。C0A为降低噪音在电源与地线之间的去耦电容。

2.3电源电路

电动摩托车蓄电池电压是+48V，电动摩托车控制器包含许多部分，每个部分需要提供的电压不同，是一个强电，弱电，模拟地和数字地共存的高耦合系统，所以需要设计电源电路来进行电平转换。电源工作性能的好坏关系到整个控制系统的稳定，电源电路如图5所示。

2.6控制信号输入电路

2.6.1霍尔转把输入电路

霍尔转把输出与转动幅度成正比的模拟电压值，调速把输出电压范围为0.8-4.2V，该信号送到单片机的模数转换端口，单片机通过片内集成的A/D转换器将输入转化为数字量，运算后根据控制算法输出相应占空比的PWM信号，占空比的大小决定电机的转速,从而实现电机转速控制。霍尔转把输入电路如图6所示。

2.6.2刹车把输入电路

电动车标准要求电动车在刹车制动时，控制器应能自动切断对电机的供电。即：在捏刹车把时，将制动信号传给控制器，根据预设程序发出指令，立即切断栅极驱动电流，使功率截止，停止供电。因而，既保护了功率管本身，又保护了电机，也防止了电源的浪费。刹车把输入电路如图7所示。

2.5霍尔位置信号处理电路

霍尔位置检测电路主要有两个作用：一是检测电机定、转子的相对位置并提供驱动换相信号；二是通过检测某一路脉冲信号的个数，经软件计算后转换为速度信号，构成速度的反馈环节。霍尔传感器的输出采用阻容滤波电路滤除通电机运行过程中的噪声干扰，同时因为霍尔传感器是开漏输出，所以必须通过电阻接到电源进行上拉。霍尔信号处理电路如图8所示。

2.4信号采集电路

2.4.1电压检测电路

直流回路电压过大会造成功率管MOSFTE损坏，欠压则可能会使电机出现堵转。如果出现电源电压不足的情况，继续放电就会对电池的寿命造成严重损害，因此电路设计需要考虑欠压保护和过压保护。电压检测电路如图9所示。

2.4.2电流检测电路

为了实现转速环、电流环双闭环的无刷直流电机控制调速系统，需要对定子绕组的电流进行检测并加以控制。对于直流母线电流的检测不但为了实现零初始位置检测，更需要实时检测母线电流是否过流，是电流保护的重要环节。电流检测电路如图10所示。

2.7防盗自锁系统

2.7.1报警源信号电路

当电动摩托车处于锁车防盗模式时，若发生车体震动或轮胎发生转动，报警控制器将产生自锁触发信号触发单片机进入自锁中断执行防盗自锁动作。报警源信号电路如图11所示。

当车体发生震动时，震动传感器将震动量转化为电压值；轮胎转动信号输入端直接与电机相线相连，当轮胎转动时，其输入端电压将产生变化。由于车身震动和车轮旋转的转换后的电压幅值较小，所以采用LM358对其进行放大。

2.7.2继电器闭和控制电路

电动摩托车锁车，单片机处于断电状态。当锁车防盗模式后时，若发生体震动或车轮旋转，报警控制器继电器闭合接通蓄电池与单片机的供电系统。继电器闭和控制电路如图12所示。

2.7.3声音发生电路

当报警控制器接收到报警源输入信号时，编码处理输出不同频率的信号，经过功率放大电路输入喇叭，产生报警。声音发生电路如图13所示。

2.7.4喇叭驱动电路

由于单片机I/O口的驱动能力较弱,所以采用组合放大电路作为功率放大电路,以驱动喇叭报警。喇叭驱动电路如图14所示。

3、软件设计

硬件平台是系统运行基础，但系统功能的实现除了硬件平台的支持，还需要通过软件的设计来配合实现。高效、紧凑、模块化的软件流程设计不仅可以提高系统的可靠性，而且运行效率和可维护性也会得到相应的提高。

软件设计采用模块化思想，将整个控制系统的软件划分为两个部分，即主程序和中断服务程序，以利于软件设计、调试、修改和维护。

3.1主程序设计

主程序负责建立整个程序的一个运行框架，主要完成电机起动和系统初

始化任务。

3.2中断服务程序设计

中断服务程序是系统软件的核心部分，主要是为了保证无刷直流电机在工作的时候能够准确无误的获取转子位置信息，并进行转速环和电流环的调节，同时确定PWM信号相应的输出设置，以此来保证无刷直流电机工作过程中电子电枢绕组的正确换相。

3.2.1A/D采样

电池电压、转把输入和电流检测等均为模拟量输入，而单片机处理的是数字量，必须通过A/D将其转换为数字量。

3.2.2驱动控制程序

霍尔传感器将电机转子的位置信号采样后，直接送入单片机与上一时刻信号相比较。

3.2.3转子位置检测程序

转子位置检测程序对换向驱动程序非常重要，转子位置信息为转速估算程序、电流采样程序、PWM导通关断逻辑提供重要信息。为简化系统硬件，使用单片机内部定时器/计数器，捕获一路霍尔信号输出的相邻两次换相时间间隔，可计算出电机转速，设系统时钟16MHz，计数器经过128分频，转速计算公式如下：

在每个电角度周期，电机有6个位置状态，同时也有6个边沿捕捉动作；P—电机极对数；T_out—相邻两次换相时间间隔；

3.2.4双闭环控制程序

转速电流双闭环控制模块是系统软件设计的核心，包括转速外环调节器和电流内环调节器。转速调节器调节电机转速跟随转速把输入而变化，要求稳态性能好，适应性强，采用增量PI式控制策略；电流调节器使电机在最大允许电流下快速起动，减小过渡过程时间。转速外环调节器的输入为速度给定值和速度反馈值的偏差，通过速度增量PI运算，得到电流调节器的给定值；转速调节器的输出作为电流内环调节器得参考值，为和电流反馈值的偏差，通过电流增量PI运算后调节控制器输出相应占空比的PWM，从而实现无刷直流电机的调速。

3.2.5PWM程序

电机驱动控制算法要通过PWM波形控制功率开关管的导通与关断去实现。通过改变PWM波的占空比来调节输入到电机的电压实现单电机调速。因此，PWM波发生模块需要完成两大任务：①正确导通电机的定子相绕组，使定子绕组能提供持续的电磁转矩转动绕组；②根据系统的运行状态，调节PWM波的占空比，稳定电机在给定转速。

3.2.6防盗自锁程序

系统设计了电机自锁防盗功能，报警控制器接受并处理报警源信号，并提供电机自锁信号，触发单片机执行自锁动作。

3.2.9系统保护

为保障系统的运行安全，设有母线电压过压故障、母线电压欠压故障、过电流故障的检测。

(1)过流故障检测通过硬件电路检测方法实现，然后处理器通过I/O口读取过流故障信号判断有否过流故障发生。当检测到有过流故障发生的时候，系统停机，封锁PWM输出信号。系统的过流点设置为30A。

(2)欠压、过压保护

欠压保护是为了防止蓄电池过度放电而设计的。蓄电池过度放电将致使电池内阻增大，输出的电压也会相应的降低对电池的寿命将造成严重的损害。过压保护是为了防止蓄电池电压太高，损坏功率器件，对系统造成不必要的损失。

3.2.7巡航程序

如果电动摩托车行驶在平稳而且交通状况良好的地段，可以保持一个较平稳的速度行驶，但转把手柄需要保证处于同一个位置来实现定速。

3.2.8电子刹车程序

在电动摩托车的行驶过程中，难免会有意外情况的发生，这时刹车功能就变得尤为重要。电子刹车是通过刹车处理程序，给电机一个制动力，使电机内部产生间断性、周期性的电磁制动转矩，有效地防止了由于机械刹车时整车滑行的现象，提高了整车的可靠性和骑行者的安全性。

4、系统测试

系统上电前要检查检查电路板是否存在元件安装错误、焊接错误、短路和断路等情况，测试待机状态下的稳定性，其中主要测试各个芯片、功率开关器件和电压转换器件的工作状况，包括工作电压、温度等。

在保证硬件的可靠性后，测试软件模块的输出。首先测试PWM输出模块，利用示波器观察PWM模块输出的波形的周期和占空比是否正确。然后测试位置传感器的输入信号是否和处理器输出的PWM波形对应，同时功率开关器件的导通或关断应当与控制器的PWM波形逻辑保持相对应。

图27中，图(a)是相邻两路霍尔信号，任意一路的脉宽为180°，且相位互差120°；图(b)是单片机输出的某一相的驱动信号，即逆变桥的驱动信号，其中一通道为电平控制信号，二通道为PWM控制信号；图(c)是相邻两相的电压波形，在其中一相施加电压时，另一项继续存在反电动势产生的衰减信号。

在调试过程中，由于条件限制，在系统双闭环控制策略的调试中，给电机人工施加负载时，先调节转速外环的PI参数，然后调节电流内环的PI参数。负载增加导致系统的功率也随之增加，电源转换器件和功率开关器件等元器件的发热量会增加，但是不会出现个别器件严重发热的状况。调试过程中发热器件主要集中在功率开关器件MOS管上。所以在测试和运行情况下，有必要对功率开关器件MOSFET管加装散热片以辅助散热，降低工作环境温度。另外，由于电压稳压器件得发热量也比较大，所以也应该对其作散热处理。

经过反复测试，各项功能模块均工作正常，电机起动平稳、加速平滑，电机在额定转速范围内转速可调；能够实现52V过压和42V欠压保护；在运行过程中突加负载能够实现30A的过流保护；当转速把保持10s不变，电机即进入巡航状态；遇到突发状况需要立即停车时，能够实现柔性电子刹车；通过示波器对各功能模块的波形观察，能够说明电路设计可靠，系统工作正常。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种电动车永磁直流无刷电机控制器，其特征在于：包括控制单元、功率驱动单元、逆变单元和BLDCM、位置检测单元和信号输入单元；

所述控制单元主要功能是根据电机旋转方向和来自霍尔位置传感器的输出信号，将它们处理成三相全桥6组功率开关器件所要求的驱动顺序；另一个重要作用是根据信号输入单元送来的电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和运算后，借助内置的时钟信号产生一个综合上述各种信息的脉宽调制信号；

所述功率驱动单元由分立器件构成的，或者采用专门的集成模块的高性能驱动集成电路；

所述三相全桥逆变单元由6组功率开关器件构成，系统采用并联方式，即每个桥臂由多个功率MOS管并联构成，三个桥臂的中间节点分别作为永磁直流无刷电机BLDCM的三个相线的电路接口；

所述位置检测单元在无刷直流电机利用霍尔传感器测定转子磁极位置信息，为逻辑开关电路提供正确的换相时序，同时在控制单元中利用检测到的位置信息间接计算出电机的转速；

所述信号输入单元主要有电压检测、调速、电流检测、防盗自锁和刹车的输入信号电路；其中，电压检测电路对蓄电池的直流母线电压进行检测，通过控制单元完成过压和欠压的保护功能；调速是把霍尔转把电路的输出电压经过控制单元处理后，作为电机转速的设定值，与位置检测单元反馈的转速进行PI运算后得到电流的设定值；电流检测是对电机三相电流进行实时监测，分别得到瞬时电流、平均电流和过流脉冲，其中瞬时电流用于系统的峰值限流保护，平均电流作为反馈电流参与电流的PI运算，过流脉冲用于系统的过流保护；

防盗自锁电路在电动车停放中检测到震动信号后，继电器电源控制电路立即接通主电源电路，控制单元立即控制自锁信号发生电路发出自锁信号控制电机自锁，并使用声音发生电路驱动喇叭报警；刹车电路将刹车信号通过高优先级的中断方式送入控制单元，经控制单元紧急处理后关闭系统的运行；

所述蓄电池为整个系统提供动力，其输出一部分经过电源单元变换后作为控制单元的供电电源，另一部分直接作为逆变单元的直流母线电压；

所述电动车永磁直流无刷电机控制器的控制方法，包括以下步骤：电机正常运行时，控制器根据位置检测信号计算出当前的转速，与设定的转速信号的偏差值进行增量PI运算，得到电流的设定值；电流反馈信号经A/D接口送入控制器，经转换后得到电流的反馈值，设定值与该反馈值的偏差经过增量PI运算，得到电流调节器的输出，进而调节占空比控制功率管的通断状态，从而实现对电机的调速控制。