??? 摘? 要： 介紹了采用單電阻電流采樣方法對電機的三相電流進行重構(gòu)，并通過角度細分方法和PLL技術(shù)取得電機的實際位置角，從而進行矢量控制運算的電動自行車BLDC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用兩相調(diào)制的SVPWM方法，在提高母線電壓利用率的前提下降低了功率器件的開關(guān)損耗。相比目前在電動自行車控制領(lǐng)域所采用的兩兩通電的120°控制方式，本方法降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動，提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性。
??? 關(guān)鍵詞： 電動自行車；單電阻采樣；矢量控制；SVPWM；兩相調(diào)制；PLL
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??? 目前電動自行車控制器多采用兩兩通電的120°控制方式，在這種控制方式下電機的轉(zhuǎn)矩波動較大，有較大的機械噪聲。針對目前該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展概況，本文提出了采用矢量控制的180°正弦波控制方式。同時從系統(tǒng)的成本考慮，采用單電阻電流采樣方式，根據(jù)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)對電機的三相電流進行重構(gòu)，從而進行矢量控制運算。系統(tǒng)芯片采用NEC 78K0R/IC3系列芯片的μPD78F1213作為主控芯片，完成系統(tǒng)的各種采樣和控制運算工作。
??????????????????????????????????????? μPD78F1213介紹
?? ?μPD78F1213為NEC公司針對電動自行車控制所開發(fā)的78K0R/IC3系列芯片中的一款控制芯片，它在片上集成了電機控制功能的外圍電路，在很大程度上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。它具有如下特點：
?? ?(1)20 MHz內(nèi)部時鐘；
?? ?(2)外圍電路時鐘可達40 MHz；
?? ?(3)32 KB ROM，1.5 KB RAM；
?? ?(4)片上10位A/D轉(zhuǎn)換芯片，最快可達2.5 μs；
?? ?(5)6路PWM輸出端口，具備死區(qū)功能；
?? ?(6)片上乘法器；
?? ?(7)內(nèi)部集成運放和兩段式電流保護功能；
?? ?(8)定時器觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換；
?? ?(9)12路16位定時器陣列，可靈活配置；
?? ?(10)在線仿真和自編程功能。
?? ?該系列芯片不僅適用于電動自行車控制的開發(fā)，而且還可以用于包括空調(diào)、洗衣機等各種家用電器的電機控制開發(fā)。
??????????????????????????????????????????? 系統(tǒng)介紹
??????????????????????????????????????????????????? 總體結(jié)構(gòu)
?? ?基于μPD78F1213的E-BIKE控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電動自行車控制器中，速度的給定是通過轉(zhuǎn)把信號給定的模擬信號。在系統(tǒng)中采用A/D轉(zhuǎn)換電路進行速度給定的采樣。供電系統(tǒng)由48 V的蓄電池組供電，采用的電機為外轉(zhuǎn)子無刷直流電機，其主要性能指標如下：額定轉(zhuǎn)速為300 r/m，額定電壓為48 V，額定功率為350 W。同時系統(tǒng)中還包括了其他的外圍硬件電路。
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?????????????????????????????????????????????????? 硬件介紹
??? 系統(tǒng)硬件主要包括MCU控制電路、電源電路、功率電路以及分立驅(qū)動電路。MCU控制電路主要完成核心的控制功能，包括驅(qū)動信號的輸出以及A/D采樣和各種保護功能；電源電路把48 V的主電源變換為系統(tǒng)所需的5 V和15 V控制電源；功率電路由6個功率MOSFET構(gòu)成，采用NEC 2SK3435芯片，完成電機的功率驅(qū)動；分立驅(qū)動電路用于按照PWM輸出驅(qū)動6路功率MOSFET，完成對電機的控制，采用分立驅(qū)動電路可有效地降低系統(tǒng)的成本。
???????????????????????????????????????? SVPWM分析
??? 電壓空間矢量法（SVPWM）是從電動機的角度出發(fā),著眼于使電機獲得幅值恒定的圓形磁場。它以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機的理想圓形磁通軌跡為基準，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實際磁通去逼近基準磁通圓，從而達到較高的控制性能。與SPWM技術(shù)相比，SVPWM在電機的電流中產(chǎn)生的諧波較小并且提高了母線電壓的利用率。
?? ?實現(xiàn)SVPWM的方法有磁鏈圓軌跡法、電壓矢量合成法等。在這里采用了電壓矢量合成法，即采用2個非零矢量和1個零矢量合成一個等效的電壓矢量。
?? ?逆變器主回路(如圖2)的6個開關(guān)管T1～T6可以形成8個開關(guān)量，分別對應(yīng)8個空間矢量，以T1、T3和T5的開關(guān)狀態(tài)來表示：000～111，1表示導(dǎo)通，0表示截止；而T2、T4、T6的狀態(tài)與對應(yīng)的T1、T3和T5正好相反，其中6種狀態(tài)(001～110)為非零矢量，6種非零矢量輸出電壓，并在圖2三相逆變器主回路電機中形成6個工作磁鏈矢量,以6種不同工作矢量所形成的實際磁鏈來追蹤三相對稱正弦波供電時定子上的理想磁鏈圓,即可得到PWM調(diào)制時的等效基準磁鏈圓,矢量圖如圖3所示。當輸出電壓矢量Vout旋轉(zhuǎn)到某扇區(qū)時,由組成該扇區(qū)的兩個非零矢量Vx、Vx+60分別作用ta、tb時間，時間分解如圖3所示。為補償Vout的旋轉(zhuǎn)頻
率，插入零矢量V111或V000，時間為t0。
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?? ?Vout=ta/TVx+tb/TVx+60+t0/T(V111或V000)
?? ?Ｔ=ta+tb+t0
其中Ｔ為PWM周期。
??? 為了降低調(diào)制過程中的開關(guān)損耗，本系統(tǒng)采用了兩相調(diào)制的方法，即在兩個零矢量V111和V000中只采用V000作為調(diào)制中的零矢量，這樣在任何一個區(qū)間內(nèi)總有一相橋臂的下橋臂常通，而上橋臂常閉，從而降低了調(diào)制過程中的開關(guān)損耗。這種調(diào)制所形成的驅(qū)動波形如圖4所示。
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圖4 兩相調(diào)制SVPWM下的驅(qū)動波形
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?????????????????????????????????? 單電阻采樣方法及原理分析
??? 矢量控制方法需要檢測電機的三相電流，傳統(tǒng)的方法一般都采用電流傳感器或者霍爾器件與電機的相線耦合直接檢測相電流。為減少電流傳感器的數(shù)量并且降低系統(tǒng)成本，系統(tǒng)采用如圖5所示的電路檢測電機的直流母線電流。
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??? 在圖5的電流采樣電路中，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)的不同組合，可以得到相電流與母線電流的對應(yīng)關(guān)系。圖6為開關(guān)狀態(tài)下的電流對應(yīng)關(guān)系在①區(qū)間內(nèi)UVW的狀態(tài)為110，此時電流從U、V兩相上橋臂流入經(jīng)過W相流出，此時母線電流與W相電流大小相等，方向相反，即：iu=-idc。在②區(qū)間內(nèi)UVW的狀態(tài)為100，此時電流從U相上橋臂流入經(jīng)過V、W兩相的下橋臂流出，此時母線電流與U相電流大小相等，方向相同，即iu=idc。
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??? 同理可以得到在不同的開關(guān)狀態(tài)下的三相電流與母線電流的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。
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??? 根據(jù)表中所列的電流對應(yīng)關(guān)系，選擇通過定時器觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換就可以得到電機的三相電流值。
?? ?值得注意的是，當開關(guān)狀態(tài)持續(xù)的時間較短時，電流采樣的精度會變差，因此需要采用非對稱的PWM驅(qū)動波形來進行補償以提高采樣精度，會對系統(tǒng)的動態(tài)性能造成一定的影響。
??????????????????????????????????????? 系統(tǒng)控制原理
??? 矢量控制的原理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電機控制系統(tǒng)，本文不再對具體原理進行分析。下面根據(jù)系統(tǒng)的計算原理圖（如圖7）介紹系統(tǒng)的計算過程。
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??? 首先，根據(jù)檢測到的電動機轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，通過速度PI控制器計算出定子電流參考輸入。定子三相相電流通過檢測系統(tǒng)的母線電流按照電流重構(gòu)的方法得出。然后，用Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到定子兩相坐標系中，再使用Park變換將它們轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標系中。將d-q坐標系中的電流信號與它們的參考輸入Isq_ref和Isd_ref相比較，其中Isd_ref＝0。通過PI控制器獲得理想的控制量?？刂菩盘栐偻ㄟ^Park逆變器，送到PWM逆變器，從而得到控制定子三相對稱繞組的實際電流。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實際控制信號，從而構(gòu)成了一個完整的速度矢量控制系統(tǒng)。
??????????????????????????????????????? 系統(tǒng)角度細分方法
?? ?在BLDC中通常采用三個霍爾器件作為位置反饋信號。在這種情況下，每個360°區(qū)間內(nèi)共有6種位置狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)60°電角度。為進行矢量控制運算，需要對角度進行細分。
?? ?角度細分的方法如下：首先根據(jù)霍爾信號的觸發(fā)沿得到當前時間，再與上一次沿觸發(fā)的時間相減即可得到相鄰兩次沿觸發(fā)的周期。由于在實際系統(tǒng)中霍爾信號或者永磁體分布不均勻，因此采用如圖8中所示的方法計算霍爾中斷的周期，從而消除系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差。由上述可知：T=T1+T2+T3+T4+T5+T6，則：
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再根據(jù)計算周期時間即可以得到每一個中斷周期的角度實際值。
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??? 在實際計算過程中由于計時的誤差等因素會對實際角度的計算造成一定的偏差，在這種情況下，可采用PLL技術(shù)對計算所得到的Δθ進行補償以取得更準確的位置角。
??????????????????????????????????????????? 軟件流程
??? 系統(tǒng)軟件主要包括以下各個功能塊，分別實現(xiàn)不同的功能。HALL信號檢測模塊用以檢測三相霍爾信號的電平變化，得到霍爾中斷的周期，從而計算出電機的實際速度（作為速度反饋值）和Δθ的值(用以計算電角度)。電流檢測模塊用以檢測電機的母線電流，根據(jù)觸發(fā)A/D采樣時刻的開關(guān)狀態(tài)重構(gòu)出電機的三相電流以進行電流的旋轉(zhuǎn)變換。外圍功能模塊用以進行其他各種外圍的檢測和控制，包括各種保護功能等。定時中斷模塊為系統(tǒng)的核心模塊，完成系統(tǒng)的各種計算功能，包括速度環(huán)PID運算、矢量旋轉(zhuǎn)變換、電流環(huán)PI運算和SVPWM計算功能，其流程如圖9所示。
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??? 78K0R/IC3系列單片機是一種適合電機控制的專用驅(qū)動芯片，其實時處理能力強，運算速度快，且內(nèi)部集成了電機控制的部分外圍電路。本文根據(jù)電動自行車用無刷直流電機的控制要求設(shè)計了基于μPD78F1213的控制器，對電動自行車用無刷直流電機實現(xiàn)了180°正弦波控制。試驗表明：78K0R/IC3系列芯片在處理速度和外部資源上都充分滿足電機控制系統(tǒng)開發(fā)的需要，并且由于其內(nèi)在的高集成度降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性；在180°正弦波控制方式下，電機運行的轉(zhuǎn)矩波動減小，機械噪聲得到了很大的抑制，運行更加平穩(wěn)。
參考文獻
[1] 8-Bit Single-Chip Microcontrollers Introduction to Space Vector Modulation.NEC Corporation，2004.
[2] 78K0R/IC3 user′s manual.NEC Corporation，2008.
[3] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2003.
[4] 張琛.直流無刷電動機原理及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2004.