摘 要： 介紹了電動自行車所用的無刷直流電機" title="無刷直流電機">無刷直流電機的工作原理及控制方案，提出了采用可編程片上系統(tǒng)CY8C24423與分立元件組成驅(qū)動電路來實現(xiàn)的控制系統(tǒng)方案，并探討了通過PWM斬波補償換相期間的脈動電流來解決無刷電機" title="無刷電機">無刷電機起動過程中由于轉(zhuǎn)矩脈動" title="轉(zhuǎn)矩脈動">轉(zhuǎn)矩脈動引起的噪音及抖動。
關鍵詞： 無刷直流電機? 轉(zhuǎn)矩脈動? 可編程片上系統(tǒng)? PWM
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無刷電機啟動和爬坡力矩大，高效率工作點的區(qū)間寬，由于采用電子換向取代機械換向，減小了電機磨損引起的不可靠性，維護容易，因此，在電動車行業(yè)中已被廣泛應用[1]。
無刷電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能直接影響著整個系統(tǒng)的可靠性、安全性及效率。本文設計了以可編程片上系統(tǒng)（PSoC）CY8C24423為主控芯片的控制器，給出了功率開關管的驅(qū)動電路原理圖，并對無刷電機起動過程中的轉(zhuǎn)矩脈動進行了分析探討，提出了簡單有效的解決辦法，對于推動電動自行車行業(yè)的技術進步具有積極的意義。
1 無刷直流電機的工作原理
如圖1所示，無刷直流電機由電機本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和功率電子開關電路三部分組成[2]。
本系統(tǒng)所用的樣機是星形連接的三相電機，額定電壓36V，額定功率250W，內(nèi)部霍爾傳感器相位差為120°，采用兩相導通" title="導通">導通、六狀態(tài)工作的橋式全控電路進行控制。工作時，控制器根據(jù)霍爾傳感器感應到的電機轉(zhuǎn)子當前所在位置，依照定子繞線決定開啟(或關閉)功率晶體管的順序，從而使電流依序流經(jīng)電機線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此使電機順時或逆時轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制器又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，以獲得電動機連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩。
2 無刷電機控制系統(tǒng)
2.1 控制系統(tǒng)總體設計
本系統(tǒng)的總體控制原理如圖2所示。單片機接收電動車轉(zhuǎn)把給定的速度信號，并根據(jù)電流、速度反饋調(diào)整輸出的PWM信號的占空比，控制電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無刷電機內(nèi)部的霍爾元件的輸出信號經(jīng)過位置信號檢測電路，將電機轉(zhuǎn)子的當前位置反饋給單片機，單片機根據(jù)此反饋信號計算出電機的轉(zhuǎn)速同時輸出對應的換相信號。驅(qū)動電路根據(jù)單片機的輸出指令控制三相橋功率開關電路上下功率管" title="功率管">功率管的導通順序和導通時間，從而實現(xiàn)對無刷電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。
2.2 可編程片上系統(tǒng)（PSoC）
PSoC（Programmable System on Chip）是美國Cypress MicroSystems公司推出的新一代功能強大的8位可配置的嵌入式單片機[3]。該系列單片機與傳統(tǒng)單片機的根本區(qū)別在于其內(nèi)部集成了數(shù)字模塊和模擬模塊，用戶可以根據(jù)不同設計要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設計，其內(nèi)部所包含的用戶模塊如圖3所示。使用該類芯片可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，適應非常復雜的實時控制需求，大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)開發(fā)的復雜性和費用，同時增強了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。
2.3 驅(qū)動電路
本文采用三相逆變橋功率管開關電路驅(qū)動無刷電機，上下橋臂均選用N溝道MOSFET，這是因為P溝道FET的通態(tài)電阻比N溝道FET的要大，較高的通態(tài)電阻將使開關速度下降，損耗增加，效率降低，可靠性降低，全部使用N溝道FET做功率開關具有更高的效率[4]。
本系統(tǒng)選用ST Microelectronics公司生產(chǎn)的N溝道增強型功率管STP60NF06，它的最大漏源極電壓VDSS=60V，飽和導通時的漏源極之間的電阻RDS（on）<0.016Ω，允許通過的最大漏極電流ID=60A。為了提高系統(tǒng)的效率，減小MOSFET的功率損耗，應使功率開關工作時的通態(tài)電阻最小，即滿足VGS≥10V。三相橋上下橋臂功率管驅(qū)動電路如圖4所示。
由于上橋臂的N溝道FET導通后，其源極對地電壓VS=E，為了維持其飽和導通，滿足VGS≥10V，需要提供其柵極驅(qū)動的輔助電源，如圖5所示。利用單片機內(nèi)部的計數(shù)器產(chǎn)生占空比為50%、頻率為50kHz的方波信號，通過三極管經(jīng)電容耦合到二極管網(wǎng)絡，整流出所需的直流電壓，使G點電壓約為48V，E點為電源電壓36V。
2.4 斬波調(diào)壓信號（PWM）
本系統(tǒng)使用的單片機內(nèi)部有PWM模塊，通過改變脈沖寬度寄存器或脈沖周期寄存器的值，就可以改變輸出的PWM占空比，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。相對于“雙斬”PWM調(diào)制方式，采用“單斬”PWM調(diào)制方式可以減小功率管的開關損耗，并且當PWM占空比相同時，后者電磁轉(zhuǎn)矩大[5]。因此，本系統(tǒng)采用“單斬”PWM調(diào)制方式對三相逆變橋的下橋臂功率管進行調(diào)制。正常工作時，根據(jù)單片機內(nèi)部的AD采樣電動車手把信號，改變脈沖寬度寄存器的值，控制PWM輸出的脈沖寬度。為了使電機起動有力，同時避免大電流對電機及控制器造成損壞，本系統(tǒng)采用數(shù)字式限流起動方式，通過比較反饋電流與設定電流的大小逐級調(diào)整PWM占空比，使電機始終以最大電流起動。
2.5 電機起動控制
無刷直流電機工作時，由于自身及控制系統(tǒng)的影響，使其輸出轉(zhuǎn)矩含有脈動成分，這種轉(zhuǎn)矩的波動很大程度上是由于電流換相造成的，影響了整個驅(qū)動系統(tǒng)的性能，在實際使用中，會造成電機的抖動并產(chǎn)生震動噪音，因此，已有許多方法用以抑制換相轉(zhuǎn)矩脈動[6-8]。對于電動自行車，目前還沒有對轉(zhuǎn)矩脈動提出客觀的抑制標準，主要是依靠人的騎行感覺來評測。通過騎行實驗，發(fā)現(xiàn)電動自行車在起動過程中震動噪音大，抖動比較明顯，也就是說，在這段時間內(nèi)電機轉(zhuǎn)矩脈動較大。如何在不增加成本的情況下較好地抑制換相轉(zhuǎn)矩波動就成為設計控制器的關鍵。本文提出通過PWM斬波補償換相期間的脈動電流，具體方法為：經(jīng)過采樣電阻提取反映主回路中電流幅值的電壓量，濾除高頻成分，送給單片機，單片機根據(jù)其脈動范圍的大小來調(diào)節(jié)換相期間PWM信號的占空比，加快換相過程，減小換相電流脈動，待換相完成后，返回正常控制狀態(tài)。該方法簡單易實現(xiàn)，經(jīng)過實際使用，電機起動過程中的噪音及抖動得到明顯抑制，電機在低、高速下無明顯的震動噪音。
3 測試結果
采用額定電壓36V，額定功率250W的電機作為樣機，對該控制器進行測試，得到如圖6所示的電機各特性曲線。
從圖中可以看出，電機的效率在很大轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都能夠保持在60%以上，達到額定輸出功率時，其效率接近80%。在電機加載的過程中，隨著負載轉(zhuǎn)矩的增大，電流逐漸增大，但是在達到限流值(14A)后，電流不再隨著轉(zhuǎn)矩的增加而增加，而是能夠穩(wěn)定在限流點附近。這樣在實際使用過程中，控制器和電機不會因回路中的過大電流而損壞，即實現(xiàn)了限流保護。從圖6可以看出，本控制器的作用效果還是比較理想的。
經(jīng)過大量的實踐測試，本控制器動態(tài)性能好，運行平穩(wěn)。為了滿足市場的需要，本控制器還具有欠壓保護、堵轉(zhuǎn)保護、過溫保護以及定速巡航、1:1助力、速度顯示等功能。
本文討論了電動自行車用無刷電機的控制方案，采用了Cypress公司推出的可編程片上系統(tǒng)芯片CY8C24423作為系統(tǒng)的主控芯片，提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)開發(fā)的復雜性。電機的驅(qū)動電路采用分立元件實現(xiàn)，大大降低了產(chǎn)品的成本。提出了一種簡單實用的解決無刷電機換相轉(zhuǎn)矩脈動的方法。經(jīng)過實驗，該系統(tǒng)的一致性、可靠性良好，運行效率高，故障率小，已成功應用于電動自行車的控制。
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