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电动自行车的无刷直流电机控制设计 |
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作者：武汉理工大学 黄涛 马建国 |
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无刷直流电机(BLDCM)具有高速性能好、易于控制、无换相火花和励磁损耗、寿命长等诸多优点，故其应用范围遍及各个领域，有很好的市场前景。各大芯片公司推出了各式的无刷直流电机控制芯片，如STMmicore ectronics的ST72262和ST7MC、美国安森美公司开发的MC33035、日本三洋公司的LB1690等一些产品，还有利用带PWM的DSP通用芯片，经过多年的技术积累，这些控制技术已经很成熟。
采用此设计，电路工作稳定，相对专用芯片，成本比较低，信号流程清晰易懂，利于对无刷直流电机控制原理的理解。
无刷直流电机控制器的硬件设计
电机驱动部分设计
无刷直流电机用永磁体制成转子，用定子绕组换相来代替电刷换相，用霍尔元件传感转子位置信息。内置电机的3个霍尔元件会实时的输出确定的3个电压信号来表征转子位置信息，数字控制电路根据不同的电压信号，实现对驱动电路进行选择性导通，使线圈产生激励转子转动的磁力矩，在一个周期内，每个MOS管导通120°。
换流器中功率MOS管在此设计中用到其开关态工作原理，MOS管有三个极G(栅极)、S(源极)、D(漏极)，MOS管的一个重要参数是VT，称开启电压，当栅源电压VGS
要让电机转动起来，首先控制部就必须根据霍尔传感器感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器(inverter)中功率晶体管的顺序[1]，如图1：
图1驱动部分电路
inverter中之T1、T3、T5(这些称为上臂功率晶体管，可以是P型管也可是N型管)及T2、T4、T6(这些称为下臂功率晶体管，只用N型管)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以按同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管);要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。
电机译码和控制部分设计
电路分为译码电路部分、过流保护和调速电路部分，译码电路部分(如图2)保障电机连续运行，控制电路部分主要用来进行电机的调速和过流保护以及电池相关状态的显示。
图2电机译码部分设计原理图
“0”表示低电平，“1”表示高电平，电机一旦通电，利用初始位置的转矩启动以后，转动过程中霍尔信号从电机源源不断的经过译码电路产生相应的驱动信号来选择功率MOS管的导通和关断(即开关状态)，实现电机的连续运行[2]，见附表：附表霍尔信号与相应导通MOS管的关系
 考虑到电机连续安全的运行，防止在换相时交叉导通，若出现这样的情况，两管同时导通时，在两管上的电压降非常小，如同直接将电源加在导线上一样，瞬间产生45A以上的电流，MOS管必然会被烧毁，因此同一驱动桥的两MOS管不能同时导通，只能导通其中一只，在设计时，采用“互锁”方案，可以防止此种情况的发生。“互锁”的原理是当同一对驱动管中有一只导通时，另外一只“G”(栅极)电压一定是“0”(低电平)，在出现非正常情况而“G”电压应该为低，但实际是高电平时，可强制性的将其拉到低，实际应用中可以用一片74LS38来实现(74LS38——四2输入与非缓冲器(OC))。
另一种方式来实现，如图3所示的第一个MOS管为P型IGBT，第二个为N型IGBT。
图3防管子直通电路
采用此种设计的原因是保证此对MOS管不在同一时间导通而烧毁，在数字控制部分输出为低电平时，第一个MOS管导通,并且在遇到没有驱动信号，而TLP521输入为高电平时，不会出现意外导通的情况。
电机调速过流保护等功能部分电路设计
电机控制部分主要实现电机的调速和过流保护以及刹车的功能。调速是通过对霍尔信号进行采样，根据霍尔信号的频率变化得到表示电机速度的电压值，将这个电压输入到比较器，与调速电阻上的电压进行比较，来决定输出为高或者低电平，实现电机的加速和减速，原理图如图4。
图4电机调速原理图
为保证电机的安全运转，使其通过的电流不超过其最大承受值，所以在设计中必须对其进行保护，过流保护的原理是对下臂MOS管漏极电流进行采样，放大合理的倍数后，与参考电压进行比较，若取样电压超过安全值，比较器输出低电压，将MOS管截止，从而达到保护电机的作用，如图5。
图5过流保护原理图
刹车控制功能是将两个比较器的输出接一开关到地，这样，无论比较输出是高电平还是低电平，只要开关接通，均会将其电位直接拉低，截止导通的MOS管，达到刹车的目的。
图6电池状态显示电路
电池状态显示电路如图6，参考电压为12V，设置电池放电的限制电压为30V，经过分压电路后与参考电压进行比较，若输出为低电压时，则LED灭，表示电池需要充电了，反之输出为高，LED一直点亮，则不需要充电。
结语
无刷电机已经很广泛的用于日常生活中的各个领域，特别是近年来蓬勃发展的清洁、便利的电动自行车，本文中所提到的设计不仅适合电动自行车上无刷电机的驱动也适合更大功率的无刷电机驱动。采用分离元件控制方案，信号转变及信号流程非常清晰，便于日后维护。(end)
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(4/7/2007) |
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