【導(dǎo)讀】傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低，噪音大，而無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種用電子換相裝置代替機(jī)械換相裝置的新型直流電動(dòng)機(jī)，沒(méi)有激磁損耗，熱阻較小，散熱容易，具有效率高、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)換向火花等優(yōu)點(diǎn)，是高速電機(jī)的一個(gè)重要發(fā)展方向。本文介紹一種以st7fmc1k2為核心的無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。
通常無(wú)刷直流電機(jī)采用電子或機(jī)電式位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子位置信息，然而有些傳感器的分辨率低或運(yùn)行特性不好，有的對(duì)環(huán)境條件如震動(dòng)，潮濕和溫度變化很敏感，使性能下降，系統(tǒng)可靠性和精確性降低。傳感器還大大增加了電氣連接線數(shù)目，增加干擾，增大體積和成本。因此，在小型輕載條件下，無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)成為理想的選擇并具有廣泛的發(fā)展前景。采用無(wú)傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的電動(dòng)摩托車作為綠色環(huán)保交通工具具有操作簡(jiǎn)單、騎乘舒適、維護(hù)方便、污染小和噪聲低等優(yōu)
電動(dòng)摩托車的控制器結(jié)構(gòu)、工作原理及電機(jī)控制部分硬件設(shè)計(jì)
電動(dòng)摩托車的控制器結(jié)構(gòu)與工作原理
電動(dòng)摩托車的控制器具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、參數(shù)顯示和電池管理等基本功能。電動(dòng)摩托車通過(guò)控制器采集在各種情況下的參數(shù)，控制電機(jī)運(yùn)行，調(diào)節(jié)車速度，提高電機(jī)和電池的效率，保障騎乘者和他人的人身安全。能量管理系統(tǒng)對(duì)電池實(shí)施有效的管理，監(jiān)督和控制電池的充放電過(guò)程，使電池處于良好的工作狀態(tài)，保證電池的有效使用壽命。其總體機(jī)構(gòu)如圖1。
原主控制芯片st7fmc1k2作為控制核心，向驅(qū)動(dòng)電路傳遞pwm信號(hào)以驅(qū)動(dòng)電機(jī);通過(guò)i/o口向面板顯示電路傳遞時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)。單片機(jī)從驅(qū)動(dòng)電路部分獲取反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)信號(hào)并進(jìn)行處理以及時(shí)對(duì)電機(jī)換相;同時(shí)從驅(qū)動(dòng)電路獲取電流采樣信號(hào)，以進(jìn)行過(guò)流保護(hù);從電池電量檢測(cè)電路獲取電壓信號(hào)以進(jìn)行欠壓保護(hù)。轉(zhuǎn)把信號(hào)用于改變電壓以改變pwm的占空比來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，剎車信號(hào)用于緊急情況時(shí)及時(shí)停止電機(jī)的運(yùn)行。
st7fmc1k2芯片的介紹［1］
目前市場(chǎng)上有很多無(wú)刷電機(jī)專用控制芯片，大部分廠商采用motorola的mc33035控制，它具有無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的基本功能。本設(shè)計(jì)綜合考慮性價(jià)比等因素采用意法公司的st7fmc1k2作為主控芯片，可以實(shí)現(xiàn)全部功能并能夠滿足所需求的控制精度。具體特點(diǎn)有：8k的flash和384字節(jié)的ram，配有l(wèi)vd、看門狗、高抗噪電磁兼容電路，10位多通道a/d轉(zhuǎn)換器、sci，spi、i2c、usb和帶pwm功能的定時(shí)器，它的最大特點(diǎn)是內(nèi)置了增強(qiáng)型的專用mtc，見圖2，含有一個(gè)pwm管理單元，可通過(guò)軟件設(shè)置不同的pwm方式，內(nèi)置的運(yùn)算放大器和比較器可以對(duì)電機(jī)繞組電流采樣信號(hào)進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)兩種不同的驅(qū)動(dòng)模式：電壓模式和電流模式。電流模式以定子繞組中的電流為直接控制對(duì)象，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的pwm占空比和外部rc電路改變電流設(shè)定的參考值，可以精確地跟蹤定子繞組中的電流，實(shí)現(xiàn)輸出力矩的直接控制。這樣就降低處理器成本、減少外圍器件數(shù)量、減少pcb板尺寸、優(yōu)化系統(tǒng)縮短開發(fā)周期。
無(wú)刷直流電機(jī)控制部分硬件設(shè)計(jì)
無(wú)刷直流電機(jī)控制部分是整個(gè)控制器的核心，其設(shè)計(jì)的好壞將影響整個(gè)系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)的主要電路圖如圖3所示。為了獲得可調(diào)的方波電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用pwm脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的交流電壓作為電機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速。逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路是主控芯片與被控電機(jī)之間的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。mosfet具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，本控制系統(tǒng)采用三組獨(dú)立控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)的mosfet組成的全橋逆變器變換電路。驅(qū)動(dòng)芯片采用八腳的ir2103，mosfet采用stp75nf75，里面自帶有續(xù)流二極管，這樣也減小了pcb的體積。采用過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)法檢測(cè)反電勢(shì)［3］［4］，每個(gè)過(guò)零點(diǎn)都超前下個(gè)換相點(diǎn)30°電角度，只要測(cè)出未道導(dǎo)通相的過(guò)零時(shí)刻再進(jìn)行30°電角度延時(shí)即可實(shí)現(xiàn)換相，反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)送入mcia，mcib，mcic進(jìn)行處理以對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行換相。
無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件用c語(yǔ)言設(shè)計(jì)而成，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程，即將程序分解成若干個(gè)小模塊，各個(gè)模塊保持相對(duì)的獨(dú)立性，只靠少量的出入口參數(shù)聯(lián)系這樣使程序的調(diào)試、修改、維護(hù)都比較方便;各個(gè)模塊利用嚴(yán)格的轉(zhuǎn)移和調(diào)用語(yǔ)句組成一個(gè)嚴(yán)密的整體。主要實(shí)現(xiàn)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的位置檢測(cè)、轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、pwm信號(hào)的產(chǎn)生等功能。由主程序、子程序和中斷服務(wù)程序組成。
主程序設(shè)計(jì)
主程序主要實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)的定時(shí)器、i/o口、相關(guān)外圍設(shè)備等系統(tǒng)的初始化;看門狗初始化;st7mc1k2的中斷優(yōu)先級(jí)的設(shè)置;idle、start、run、brake和stop五種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及其各自所做出的相應(yīng)處理程序。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并進(jìn)行相應(yīng)的中斷處理以后將進(jìn)入主循環(huán)，主循環(huán)包括鍵掃描、i/o口處理、電機(jī)啟動(dòng)、五種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及其電壓電流模式的轉(zhuǎn)換等，流程圖見圖4：
子程序設(shè)計(jì)
子程序模塊包括i/o口初始化子程序、定時(shí)器a子程序、外圍設(shè)備初始化子程序、看門狗初始化和刷新子程序、a/d轉(zhuǎn)換子程序、電機(jī)預(yù)定位子程序、運(yùn)放設(shè)置子程序、閉環(huán)調(diào)節(jié)子程序、周期轉(zhuǎn)頻率子程序等。各模塊相對(duì)獨(dú)立又通過(guò)一定的參數(shù)出入口聯(lián)系。
中斷程序
中斷程序包括定時(shí)器a的中斷處理程序、換相和消磁中斷處理程序、速率更新中斷處理程序、過(guò)零檢測(cè)中斷處理程序等。此無(wú)刷直流電機(jī)采用典型的六步控制方式來(lái)進(jìn)行控制，這部分程序嵌入到換相與中斷處理程序中去，六步控制的相關(guān)寄存器設(shè)置見圖5所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析
采用上述理論，這里采用austere48v無(wú)刷直流電機(jī)，啟動(dòng)最大電流18a，正常運(yùn)行時(shí)10-15a，結(jié)合相關(guān)硬件和軟件設(shè)計(jì)，已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)摩托車上無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在電源電壓一定的情況下，隨著控制信號(hào)pwm波占空比不斷增大，電動(dòng)機(jī)上的平均電壓隨之變大，速度亦相應(yīng)上升。圖6為整個(gè)過(guò)程的相電流波形，圖7為正常運(yùn)行時(shí)的相電壓波形。圖6中過(guò)程可以分析如下：電機(jī)采用三步啟動(dòng)方式，先進(jìn)行轉(zhuǎn)子預(yù)定位，然后同步加速，加速到一定階段后可以檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)檢測(cè)到兩個(gè)反電動(dòng)勢(shì)后進(jìn)入自動(dòng)切換模式，此時(shí)先用電流模式，然后切換到電壓模式由轉(zhuǎn)把控制占空比以控制電機(jī)速度。
結(jié)語(yǔ)
作為有著廣泛市場(chǎng)前景和巨大社會(huì)效益的新型綠色交通工具，電動(dòng)摩托車日益受到各生產(chǎn)廠家、研究機(jī)構(gòu)、廣大消費(fèi)者的喜愛。本文介紹了以意法公司生產(chǎn)的st7fmc1k2專用電機(jī)控制芯片設(shè)計(jì)了一套無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此設(shè)計(jì)到達(dá)了很好的控制效果，同時(shí)它簡(jiǎn)化了系統(tǒng)線路，減小控制器體積，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，增長(zhǎng)了壽命，加強(qiáng)了靈活性和可靠性，具有好的市場(chǎng)推廣價(jià)值。
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