小型电动车的驱动电路设计方案

1 小型电动车的驱动电路设计方案 1 绪 论 课题的目的和意义 用于国民经济的各个领域。 电动机一般分为交流电机和直流电机。相比较交流电动机，直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的场合。但直流电动机的换向是依靠换向器和电刷进行换流，在频繁的运转过程中，由于换向器和电刷的摩擦，一方面消耗电刷，使我们不得不定期检查和更换电刷，耗时耗力 :另一方面又产生电火花 、电磁干扰，影响附近的电气设备。针对这种情况，早在上个世纪 30年代就有人开始研究天漏目直流电动机。 1951年，美国 人首次成功的实现了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷，这标志着现代无刷直流电机的诞生卿 0世纪 60年代以后，电力电子技术和计算机技术的应用使电机的发展经历了持久的革命性的变化。作为机电一体化的产品，无刷直流电动机也得以发展，并开始进入初步的应用阶段。无刷直流电动机既具有普通直流电动机调速性能好的特点，又具有交流电动机结构简单、便于维护的特点。因此得到了一定范围内的初步应 用。 自 20 世 纪 70年代开始，稀土永磁材料的发展，使无刷直流电动机有了进一步的发展，但由于永磁材料的价格昂贵，研究开发重点只能在航空、航天领域用的电动机和要求高性能而价格不是主要因素的高科技领域。在进 入 80 年代后较低价格的钦铁硼永磁材料的出现，使无刷直流电机能够在化工、纺织以及家用电器等民用领域初显身手。 在 90年代后，随着电力半导体器件的飞速发展，如 外微处理器、集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性变化，这些开关器件在向高频化、智能化、大容 量化的方向发展伪，使无刷直流电 2 动机的很重要的一无刷直流电机控制系统的研究与实现个环节一逆变器的价格下降，使无刷直流电动机的成本进一步的下降，其控制技术更加成熟。目前稀土永磁材料开发技术的成熟和方兴未艾的电力电子技术的发展，使得无刷直流电动机正朝着高速化、高转矩、多功能化、低成本化的方向发展。 在加世纪 80年代前，无刷直流电动机由于昂贵的稀土价格和不太理想的运行性能限制了它的应用，大部分无刷直流电动机只局限于实验室阶段的应用和小功率在航空等个别领域的应用。 进入 9 0 年代后 ，稀土材料价格的下降和控制器性能的提高，使稀土永磁电机的开发和应用进入了一个新阶段。一方面，原有开发的成果在国防、工农业和日常生活等方面得到较好的应用 ;另一方面，正向较大功率傲高转速、高转矩、高功能化和微型化方向发展，扩展新的电机品种和应用领域。在上个世纪末，稀土永磁电机的单台容量已超过 1000高转速已超过 300000低转速低于 小电机外径只有 其它领域，如航空工业中美国制成驱动航天飞机升降副翼用的 9000r机，效率为 95%，仅重 有军事国防设备中的电传动装甲车辆、鱼雷大功率无刷直流电动机、稀土永磁无刷直流无齿电梯曳引机、稀土永磁无刷直流发电机等。微特电机的应用己经深入到各个领域，数量和品种都以相当快的速度发展着，每年全球都有数十亿台的需求量，其中以无刷直流电动机的增长最为迅速。据资料统计，近些年来，无刷直流电动机的应用每年以大约 15%的比例在增加问。在这样的增长中，一个不可逆转的趋势是无刷直流电动机正在很多场合取代着其它种类的电动机，根据有关专家估计无刷直流电动机的发展趋势有如下的四方面 :取代 直流有刷电动机，取代步进电动机，取代小型的异步电动机，电动车辆电动机口。表 1说明了无刷直流电动机应用的增长情况。 3 表 另外，在所有类型电机中，无刷直流电动机的损耗较小、效率较高。有资料做过对比分析，对于 但是同样容量的无刷直流电动机效率可达 要求的“创建节约型社会”的有着非常重要的意义。 因此，当前对无刷直流电动机及其控制器的研发对于十一五政府报告。 对于无刷直流电动机而言，几个 有待深入研究的问题有 :转矩脉动问题、换向角的最佳选取问题、无位置传感器的转子位置检测问题、控制算法问题、抗干扰问题。 自上世纪末起，无刷直流电动机的研究热潮逐渐形成。在国内，我国的无刷直流电动机的研究在小功率 (从几十瓦到几百瓦 )已经从科研转向生产，如西安微电机研究所研制的碑 425570海交大研制的卫早卜专用的无刷直流电动机，上海微电机研究所的无刷直流力矩电动机，还有浙江联宜电机厂生产的小功率的电动机的生产已经形成一定规模等，但大功率了田传速的无刷直流电动机的研究方面发 展不快，还未形成系列产品。 在国外 ,各国研究人员纷纷推出自己最新科研成果，其中美国的几 转子跟普通的无刷直流电动机一样，而其定子却和普通的有刷直流机的转子极为相似，并能以转子位置传感器及逻辑开关电路，使定子绕组依次换相。其优点是可在较大范围内自然换向 ,充分提高了电机体积的利用 率。再如 :美国的工 用定子电流谐波的最优权重的设计方法，通过电流调节器等装置有效减少了电磁转矩及齿槽引起的转矩波动 制成功了无齿槽的无刷直流电动机，其主要作用也是减少转矩波动，提高电机效率。 4 (1)为了更好的研究无刷直流电动机的控制系统，本文将完成以下工作 :(1) 以 8位单片机为核心开发一套小型无刷直流电机的控制器。包括驱动板和主电路。在此控制器中，要求有转速监测、过电流、过电压等保护，此控制器考虑到经济性能采用霍尔传感器反馈，功率开关器件采用 控制性能要求不高的情况下，此种方案经济实用。 (2) 用 8位单片机或 要求：转矩与输入电流呈线 性关系。此控制器采用编码器反馈，功率开关器件采用 且有完善的保护功能 :过流保护、过压、欠压保护、过热保护、缺相保护、短路保护等。 5 2 无刷直流电动机的结构、工作原理 无刷直流电动机是机电一体化产品，其与传统意义上的电机的区别在在于没有换向刷，用电子换向器来代替机械换向装置的电机，其定子绕组结构跟一般的感应电动机的区别不是很大，其主要组成部分包括 :电机本椒定子和转子 )、转子位置传感器、控制器 和逆变器件。具体示意图见图 图 无刷直流电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，其定子绕组一般为多相(三相、四相、五相不等 )，转子由永久磁钢按一定的极对数组成。图 相定子绕组与电子换向线路中相应的功率开关器件连接，在图 相、 构成 无 刷 直流电机转子的永久磁钥与永磁有刷电机中所使用的永久磁钥的作用相似，都是在 电机的气隙中建立足够的磁场。其不同之处在于，无刷直流电机中永久磁钢装在转子上，而有刷直流电机的磁钢装在定子上。永久磁钢目前多使用稀土永 6 磁材料，如钱铁硼 (衫钻 (。由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可近似分为正弦波和方波 (梯形波 )两种。因此，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势也有两种形式，一种为正弦波形，另一种为方波 (梯形波 )。习惯上将反电动势为正弦波电动机称为正弦型永磁同步电动机，而方波 (梯形波 )电动机在原理和控制方式上基本与直流电动机类似，故称为无刷直流电机 ( 位置传感器在无刷直流电动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号，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类很多，目前在无刷直流电动机常用的有电磁式位置传感器、光电式传感器、磁敏式位置传感器和旋转变压器等。电磁 式 位 置传感器是利用电磁效应来测量转子位置，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关电路等多种类型。它具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求小等优点，但这种传感器体积较大，信噪比较低，同时其输出波 形为交流，一般需要经整流、滤波方可使用。光 电式 位 置传感器是利用光电效应，由跟随电机转子一起旋转的遮光部分和固定不动的光源等部件组成，有绝对式编码器和增量式编码器之分。它具有定位精度高、价格便宜、易加工等特点，但对恶劣环境的适应能力较差，输出信号需加整形电路处理。磁敏式位置传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化而变化的原理制成。常见的类型有霍尔元件、磁敏电阻和磁敏二极管等。一般说来，它对环境适应能力较强，输出信号好，成本低廉，但精度不高。旋转 变 压 器一般用在多相电机的控制中，它可以输出多路位置信号，满足多相电机控制的要求，但安装不易，价格较昂贵，普通的三相无刷直流电动机很少用旋转变压器 . 在无刷直流电动机的控制中，最早用模拟电路及分离式元件组成的电路来控制电机，由于其控制电路复杂，且存在零点漂移现象，稳定性不强。因此，逐步被高级的数字控制方式所取代，这些高级的数控方式主要采用单片机或 7 近来随着电子器件工数字信号处理器是近年来迅猛发展的新一代数字微处理器，随着价格的大幅度下降，逐渐进入运动控制领域 以下简要介绍这几种控制芯 。 (l) 单片机控制与复杂 的模拟电路相比，单片机具有以下特点。 电路更简单，运算快，程序修改方便。模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子分立元件，使电路复杂 ;采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可以通过软件实现。微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。另外单片机灵活性和适应性强，微处理器的控制方式是由软件完成的，如果需要修改控制规律，一般不必改变芯片的硬件电路，只需修改程序即可，非常方便。 无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。 单片机有较强的控制功能、低廉的成本。人们在选择电动机控制器时，常常是在满足功能的需要的同时，优先选择成本低的控制器。因此，单片机往往成为优先选择的目标。从最近的统计数字也可以看出，世界上每年要有 25亿片各种单片机投入使用，单片机是目前世界使用量最大的微处理器。 近些年来 ，随着微电子技术的发展，新一代的功能更齐全、运算更快的单片机不断出现。 内部增加了很多模块，如 较和捕捉模块、 A/门狗、串行通讯接口、 D/部 大减少了单 片机的外围扩展和引脚，单片机的外形越来越小，但功能却大大增强。 由于采用了流水线技术，执行指令和提取指令可同时完成，因此，新一代的单片机比老一代的单片机速度快了数倍甚至几十倍以上。此外，采用了休眠省电工作方式、纳瓦技术及 得单片机的功耗降低，这对于移动设备中电动机控制是相当有意义的。例如可以有效提高诸如数码摄像机、笔记本、电脑等设备的不插电使用时间。 (2)制 数字信号处理器是近年来迅猛发展的新一代数字微处理器，随着价格的大幅 8 度下降，逐渐进入运动控制领域。美国 2000 系列、 些都是以 且还具有电动机控制所必需的外围功能。在电动机控制控制器种采用 但可以实现诸如矢量控制、直接转矩控制等控制算法，而且也为现代控制理论及智能控制理论的实现提供了硬件条件。 (3) 高性能专用集成芯片 随着 拟器件的集成度也越来越高，性能也越来越好。行业专用模拟芯片由于其价格低廉，定制方便，因此大量使用在一些对控制性能要求不是很高的 场合。这些芯片满足基本的电动机调速及控制功能，价格比起数字式芯片又具有一定优势，因此，低端市场很大。 逆变器件是换相的执行环节，从 20世纪 50年代普通的反向阻断型晶闸管研发出来后，随着电子技术和半导体制造工艺的发展，先后有 在逆变电路中，可供选择的器件有 :其中，电力电子电路由半控型 转为全控型，并在不同程度上克服了 而在中小功率领域中出现了 其输入特性却远逊于 为 开通增益很低，这对大功率器件控制电路的电磁干扰的消除、制作工艺和电能消耗都是沉重负担。此外，为了减低噪声，现代电源要求器件以超音频工作。但在硬开关环境中， 显然无法满足上述要求 :与此相反， 耗的功率极低 ;同时它又是一种高频器件，工作频率可达 100全能在超音频硬开关环境中工作。但 工作在欧姆区，导通电阻比较大，单管容量有限，一般只适用于电压较低、电流较小的小功率电路中。 输出特性和 9 开关容量则与 际上它是一种用 带来良好性能的同时， 前在小功率且工作电压较低的逆变控制器中，还是 (1) 有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。无刷直流电机的运行原理和有刷直流电机基本相同。 无刷直流电机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动与定子绕组连接的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，改变定子绕组的通 电状态，使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使一无刷直流电机运转转起来。 无刷直流电机控制器主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制一相的通断，每个绕组只通电 1/3的时间，另外 2/3时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所以我们采用三相全控式电路。 图 刷电机示意图 (2) 无刷直流电动是机电一体化的产品，示意图如图 三相无刷直流电动机全控式电路的运行方式中，导通方式有很多种，最常见的有两两导通方式 10 和三三导 通方式。因本文导通方式采用两两导通方式，所以从两两导通方式来说明无刷直流电动机的运行方式。下面 以 三 相两极无刷直流电动机为例来说明天漏业直流电动机运行原理，以无刷直流电动机的运行一周期六次换相为例。每个磁极把空间分为 6个空间，如图 图 间分布图 在控制器换相状态中，一共有 6个状态， 100、 110、 010、 011、 001、 101；0表示霍尔元件的低电平状态， 1表示霍尔元件的高电平状态。空间霍尔元件分布如图 2.4(a)所示。功率开关管导询须序为 6 环导通。 如图 2 示，三个霍尔元件传感器在空间的位置按相隔 120电角度来放置。当在图 2.4(a)中时，转子磁极在 0一 60电角度时，此时霍尔元件的反馈信号是 101， 愤信号是 1， 尔元件传感器反溃信号是 0、 0;在此情况下，导通的功率开关器件为 当转子磁极转到 60 120时，如图 2.(4)于 3H 霍尔元件传感器，由于转子磁极的 3的位置时， 馈信号就从 1变为 0，而 时反馈信号是 00时，导通的 开关管的触发信号 时 通的功率开关管就变为 图 a） 图 b） 当转子磁极转到 120 ，如图 2.4(c)所示，对于 尔元件传感器，由 11 于转子磁极的 2的位置时， 馈信号就从 0变为 1，而 反馈信号不变，此时反馈信号是 110:当反馈信号变为 110时，导通的 时 率开关管就对应的 通的功率开关管就变为 当转子磁极转到 180 - 240时，如图 2.(4)于 于转子磁极的 变为 0，而 反馈信号不变，此时反馈信号是 010;当反馈信号变为 010时，导通的 ， 时 通的功率开关管就变为 图 c） 图 d） 当转子磁极转到 240 ，如图 2.4(e)所示，对于 3于转子磁极的 3的位置时， 0变为 1，而 时反馈信号是 011:当反馈信号变为 011时，导通的 率开关管的触发信号 时 通的功率开关管就变为 当转子磁极转到 300360时，如图 2.4(f)所示，对于 于转子磁极的 5极到达 位置时， 馈信号就从 1变为 0，而 反馈信号不变，此时反馈信号是 001。当反馈信号变为 001时，导通的 就关闭， 同时 通的功率开关管就变为 图 e) 图 f) 12 当转子磁极又转到 360 0一 60时，如图 2一 4(a)所示，对于 于转子磁极的 变为1，而 时反馈信号是 01时，导通的 时 率开关管就对应的 发信号触发，导通的功率开关管就变为 此循环反复，霍尔元件传感器的导通顺序依此为 101 100 110 010 011 001 101，则其对应的功率开关管导通的顺序依此为 4Q Q 4 、 3 4Q。 如果是多极电机，霍尔元件传感器空间位置按照电角度来放置，即空间位置为相隔 120电角度，如 4极电机，空间相隔的角度为 60的机械角度 。 回路导通方式选择 在选定主回 路为三相桥式全控电路后，则三相 种是两两导通方式，一种是三三导通方式。 在两两导通时，每个时刻都有两个功率开关管导通，每隔 60电角度换相一次，每个功率开关管导通 120电角度。如果认定流入绕组的电流产生的力矩方向为正，则从另一个绕组流出的电流产生的力矩方向为负，则它们的合成力矩图如图 在三三导通时，每个时刻都有三个功率开关管导通，每隔 60电角度换相一次，每个功率开关管导通 180 电角度。如果认定流入绕组的电流产生的力矩方向为正，则从另一个绕组流出的 电流产生的力矩方向为负，则它们的合成力矩图如图 合成力矩为 图 a） 图 b） 13 3 基干专用芯片 接功率开关器件后，可用来控制三相、两相或四相无刷直流电机，还可以对有刷直流电机进行控制 ;配合 ，引入测速反 馈后，还可构成闭环速度调节控制器。 刷直流电动机控制专用集成电路，其主要组成部分包括 :转子位置传感器译码器电路，带温度补偿的内部基准电源，频率可设定的锯齿波振荡器，误差放大器，脉宽调制 (较器，输出驱动电路，欠电压封锁保护、芯片过热保护等故障输出，限流电路。 4脚 引脚功能具体见表 原理图见图 脚定义表 表 14 图 (l) 转子位置传感器译码电路 :该译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三路上侧驱动输出和下三路下侧驱动输出。它一般可接 入端 4、 5、 6引脚都设有提升电阻，输入电路与 槛电压为 集成电路适合于传感器相位差为 60、 120、 240、 300四种情况的三相无漏吐直流电动机 逻辑信号可产生 8种逻辑组合，其中， 00l、 010、 011、 100、 101、 110六种状态表示转子在 空间的六个位置。而 000和 111两种组合中，是无效组合。在这两种组合中，即三个信号线开路或对地短路状态，此时 14 脚将输出故障信号。 (2)制动信号 :当加到 23脚上的制动信号为高电平时，电动机进行布拗操作 侧三个驱动输出为高电平，外接逆变桥的下三路导通，使电动机三个绕组端对地短接，实现能耗制动。当加到 23脚上的信号是低电平时，经过一个非门 (3) 误差放大器 :该芯片内设有高性能、全辛隙的误差放大器。在作开环速度控制时，一般将增益为 1的电压跟随器，将 12脚、 13脚短接。 (4) 锯齿波震荡器 :内部震荡器震荡频率由外接定时元件口和衡决定。每个震荡周期由基准电压巧在 冲电，然后肠上电荷通过内部一晶体管迅速放电而形成锯齿波震荡信号。一般情况下，其震荡频率设定为 20 15 (5) 脉宽调制器 :由内部电路图可知，误差放大器与震荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制信号，控制三个下侧驱动输出。改变输出脉冲宽度，相当于改变开关管的导通时间，从而改变加到电动机绕组上的平均电压，电动机转速就发生改变。 (6)电流限制 :在内部原理图中， 100为电流限流基准。当 9脚 输入电压超过 100比较器翻转，使下端 使控制器关闭，以限制电流继续增加。 (7) 欠电压保护 :在三种情况下，关闭驱动输出，本芯片 典型值低于 基准电压不足 (典型值低于 以保证芯片内部全部工作正常和向下侧驱动输出提供足够的驱动电压。另外，欠电压没有锁存功能，电压恢复后，控制器会正常工作。在调试中，经常可以看见 是此原因。 (8) 故障信号输出 :14脚是故障输出信号脚，它是 夕港 当有不正常的位置传感器输入状态、过电流输入、欠电压、芯片过热、使能端为低电平时， 14脚则为低电平。 (9) 驱 动 输出 :1、 2、 24脚是 动上三路开关管，在实际应用中，需要外加上拉电阻，吸入电流能力为 500压为 40V:19、 20、 21 为下三路驱动输出，输出是推挽输出，内部带有 +12直接驱动下三路驱动开关管。 子测速器 利用三相无刷直流电动机转子位置传感器三个输出信号，经过 F/中， 1、 2、 3脚 是带有低压限位的施密特触发器输入的输入信号接收引脚。 5脚输出的信号，其直流分量与转速成正比 . 一般来说 6 地方，对于电动汽车等负荷变化较大的应用场合，最好使用单片机为主控的方案。 17 4 一款无刷直流电动机控制器设计方案 在此，我以一款 8位单片机为主控的 48 该方案电路图请参见附录。 方案主要分为两大部分， 率器件的输出驱动。 输入信号包括电压采样信号、电流反馈信号、过流中断信号、启动控制信号、刹车控制信号、电机位置信号等。输出主要为功率管控制信号及必要的指示信号等。 4 1 工作原理 (1) 电压采样信号：电源电压 4819和 到一个小于 5而获得当前实时得电源电压信号，可以实现欠压保护等功能。 (2) 电流反馈信号：电流反馈信号通过电流流过鏮铜丝 经过 获得当前电流大小，实现电流的最大限流控制。 (3)过流中断信号：鏮铜丝 电压超过设定值时， 知 须立即停止电流输出，从而保护 (4)启动控制信号：电机的启动和停止依赖于该信号的大小。其输入先经过5滤波 ,再输入到 其电压超过门限值时，电机便启动，低于门限值时电机便停止。 接控制电机的输出功率 。 (5)刹车控制信号：刹车信号分为高电平刹车和低电平刹车 ,低电平刹车输出经过 电平刹车经 电机运行期间，如果 低电平 )， 止电机。 18 (6)电机位置信号：电机位置信号共有三路，经由电阻 、 ,根据其组合控制三个 现电机相间的换流控制。 (7)功率管控制信 号：当电机运行时， 论如何，处于同一个桥臂的上下两个 则将导致 48 驱动电路由 分位三个桥臂 ,每个桥臂又分上下桥臂。上桥臂由高电平驱动，下桥臂由低电平驱动。 以 先， 经过 当 从而 151的删极 ,使其导通 ,此时 当 从而 将 1的删极电容和 1截止 ,停止输出。下管的驱动直接来自于 从而 152的删极 ,使其导通 ,此时 当 从而 将 2的删极电容和 2截止 ,停止输出。 其他两相工作原理分析与上一致。 (8)指示信 号：方案中还设有一个运行指示灯，其功能是指示当前系统地运行状态，以便我们