摘要：本文介紹了以電機(jī)控制專用芯片μPD78F0712為核心的E-BIKE用無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，主要闡述了PWM控制電路結(jié)構(gòu)及功率開關(guān)器件的選擇，驅(qū)動(dòng)電路，保護(hù)電路以及軟件設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：μPD78F0712；無刷直流電機(jī)；控制器；電動(dòng)自行車

引言

電動(dòng)自行車是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競爭力，而且能夠更方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其機(jī)電一體化的目標(biāo)，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

在許多對(duì)調(diào)速精度要求不高的應(yīng)用場合，無刷直流電機(jī)(BLDC )的調(diào)速方式主要通過開環(huán)PWM 調(diào)制來實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)通邏輯信號(hào)上疊加PWM 信號(hào)，通過外部給定PWM 的占空比來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化，硬件實(shí)現(xiàn)容易，成本較低。目前市場上電動(dòng)自行車的調(diào)速大多采用這種方式。

為提高E-BIKE(電動(dòng)自行車)用無刷直流電機(jī)的控制性能，本文提出了一種采用NEC公司的電機(jī)專用控制芯片μPD78F0712為核心的控制方案，并對(duì)電機(jī)的速度和電流進(jìn)行了閉環(huán)控制，目的在于提高其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性，優(yōu)化其控制性能。

μPD78F0712

μPD78F0712為NEC公司的8位電機(jī)控制專用驅(qū)動(dòng)芯片，其特點(diǎn)如下：最小指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá)0.1ms；外部時(shí)鐘頻率20MHz；片上高速晶振(8MHz)；32個(gè)8位通用寄存器；片上乘法/除法器；16K ROM，768 Bytes RAM；自編程功能；片上看門狗定時(shí)器；10位逆變器控制電路；4通道10位A/D轉(zhuǎn)換；15路IO端口；實(shí)時(shí)輸出端口。

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

基于μPD78F0712的無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

框圖中各個(gè)功能塊的作用如下：速度給定電路得到自行車手柄的模擬給定速度；驅(qū)動(dòng)電路把MCU的驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制功率管的導(dǎo)通狀態(tài)；功率電路實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換，控制電機(jī)的電流；電流反饋用于檢測電機(jī)電流；位置反饋用于檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置；無傳感器電路根據(jù)電機(jī)的反電動(dòng)勢確定轉(zhuǎn)子的位置。下面將具體介紹各個(gè)部分的電路和功能。

位置檢測電路

無刷直流電機(jī)采用三個(gè)空間相差120o的霍爾器件進(jìn)行位置檢測。其輸出波形如圖2所示。

圖2 霍爾器件的輸出信號(hào)

這三個(gè)信號(hào)經(jīng)過濾波處理后由單片機(jī)的三個(gè)外部中斷輸入引腳進(jìn)行處理，得到正確的轉(zhuǎn)子位置信息。由MCU根據(jù)確定的換相控制邏輯對(duì)電機(jī)進(jìn)行換相，得到連續(xù)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使得電機(jī)可以正確的連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)根據(jù)這三路信號(hào)的位置信息經(jīng)過微分計(jì)算可以得到電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)速度進(jìn)行濾波處理。位置采樣電路如圖3所示。

圖3 位置采樣電路

電壓檢測電路

電壓檢測電路的作用在于實(shí)時(shí)檢測蓄電池的輸出電壓，以防止在運(yùn)行過程中蓄電池因?yàn)檫^放電而受到損壞。通過對(duì)輸出電壓進(jìn)行電阻分壓并通過控制芯片的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在控制程序中實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)功能。

電流檢測電路

電流檢測電路用于檢測在運(yùn)行過程中的流過電機(jī)繞組和功率電路的電流的瞬時(shí)值，并進(jìn)行電流采樣用于系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制和過流保護(hù)。為降低系統(tǒng)的成本，根據(jù)無刷直流電機(jī)的兩兩通電的控制方式的工作原理，在三相功率驅(qū)動(dòng)電路的下橋臂與系統(tǒng)的地之間串入一個(gè)5毫歐的功率電阻，其兩端的電壓經(jīng)過放大后進(jìn)行電流采樣。

功率電路

功率電路如圖4所示，供電電壓為直流48V,采用三相橋式逆變電路，工作方式為兩兩通電，即在每個(gè)工作周期內(nèi)每隔60度換相一個(gè)功率管，每個(gè)功率管導(dǎo)通120度，同一橋臂的兩個(gè)MOSFET不需要添加死區(qū)時(shí)間。

圖4 功率電路

驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路一般包括兩種形式：采用專用驅(qū)動(dòng)芯片或用分立器件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。本系統(tǒng)中采用后一種方案，可以在保證可靠性的前提下降低系統(tǒng)的成本。由分立器件組成的一相橋臂的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

軟件控制策略

本系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)的全數(shù)字控制，其特點(diǎn)是是調(diào)試方便，控制策略改動(dòng)容易。速度環(huán)采用傳統(tǒng)的PI控制策略，電流環(huán)采用帶反電動(dòng)勢補(bǔ)償?shù)腜I控制方案。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化控制方案，從速度給定和位置采樣、速度計(jì)算、閉環(huán)調(diào)節(jié)以及其他的各種功能都通過MCU的控制軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示。

圖6 控制程序框圖

對(duì)電機(jī)的控制由軟件根據(jù)實(shí)際速度進(jìn)行電壓和電流的閉環(huán)計(jì)算后改變PWM輸出脈沖的占空比實(shí)現(xiàn)。PWM驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率為20KHz，最大限度的降低了系統(tǒng)的電磁噪聲。其中電流環(huán)的計(jì)算周期為100ms，速度環(huán)的計(jì)算周期為500ms。其控制原理結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 控制原理結(jié)構(gòu)

樣機(jī)測試及分析

根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用新日風(fēng)華6號(hào)作為試驗(yàn)樣機(jī)，其采用的無刷直流電機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)如下：

額定電壓：48V； 額定功率：240W;
額定轉(zhuǎn)矩：6N.m； 額定轉(zhuǎn)速：300rpm；
電機(jī)效率：≥80%；額定電流：7A。

在保證其他系統(tǒng)控制電路不變的情況下更換控制板后的樣機(jī)如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)樣機(jī)

根據(jù)電動(dòng)自行車的性能要求完成了如下各項(xiàng)功能試驗(yàn)，系統(tǒng)性能也得到了很大的提高。

·120o/60o電機(jī)切換功能
通過更改換相邏輯控制器完成了對(duì)兩種電機(jī)的切換控制。

·剎車斷電。

·電輔剎車和反充電
通過軟件可以控制剎車力的大小和反充電的電流。

·定速巡航功能。

·速度和電流閉環(huán)
進(jìn)行閉環(huán)控制提高了速度跟蹤的精度并且減小運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。

·堵轉(zhuǎn)保護(hù)
在堵轉(zhuǎn)的情況下起到保護(hù)功率電路的作用。

·欠壓保護(hù)
保護(hù)蓄電池以免過放電。

·其他一些輔助功能。

經(jīng)過系統(tǒng)試驗(yàn)證明，與當(dāng)前市場上的E-BIKE相比，該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了所有基本的控制功能，并在此基礎(chǔ)上增加了速度和電流閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

參考文獻(xiàn)：
1. μPD78F0712 Datasheet, NEC
2. 肖建云，基于C8051F313的新型電動(dòng)自行車調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電子產(chǎn)品世界，2008.3,113~114