外文翻译---基于高压无刷直流电机小型电动车的控制和结构

翻译部分 外文原文 中文译文 基于高压无刷直流电机小型电动车的控制和结构 摘要 无刷直流电机 (以下简称 BLDC)在低压交通工具（如：助力自行车、电动车和本文所阐述的机动山板）领域已经变得越来越重要。随着技术飞速发展，高能电池如锂聚合物电池的应用因其高性价比、轻重量，已经变得越来越普及。由于 BLDC 高能、轻重、低成本等优势 ,使得 BLDC 成为目标内燃机功率要求达到 7KW 的首选。本文中电动爬山车装配专用电子控制器。电机通过内置霍尔传感器判别转子位置。同时，还有很多其它传感器用于监测其它对电机运行环境起重要作用的一些变量，如电机相电流，电池电压，电机温度，晶体管温度等。这套所阐述的系统通过几个附加特征模块，使得功能进一步提升，如： LCD 屏输出，再生反电势，定时超前，巡航，软件启动等。这些功能将在下文进行简要阐述。 关键词： 无刷直流电机控制器 ； 再生制动 ； 定时超前 ； 电动滑板 ； 霍尔传感器。 一介绍 机动山板能帮助使用者进行极限登山运动，一般限于下坡 ，到平坦地区和上坡面。这给用户更广泛的登山位置选择。 一种外转子 BLDC 已经被投入应用。这种电机因其低速（ 130RPM/V），高转矩特性，同时减少了传动装置而被青睐，一个比例为 3.8： 1 的传动装置被用来直链驱动。装置配备功率为 6.5KW 的 Turnigy C80100-13 电机，该电机足够用来驱动速度大约在 70km/h 的小型交通工具。然而，由于驱动装置和电池电压的原因使得登山车的速度限制在 50km/h 的水平。所以，增大了的轮动转矩足够保证装置爬上险峻的山脉。 无霍尔传感器的电机要求产生可测量的反电动势传递给电机控制器，以便能够确定转子位置的，但因此不能提供换向平稳启动和低速。相反，一个装有位置传感器的 BLDC，能够在任何速度下确定转子位置。同时，在启动过程中，可以顺利换相。专用装有传感器的 BLDC 因此而产生的。 二电气系统综述 Silicon Laboratories 公司 的 C8051F020 混合信号现场可编程微控制器 ， 已被用来 根据来自不同 传感器 的输入信号 控制 驱动电路的 。 该控制器运行用 C 语言环境下的定制软件。该软件用来控制电动机控制器的运行 。图 1 显示功能块的电机控制器。 该电动机控制器使用一个三相 H 桥驱动 电机。该电路的优越性在于 它允许电机 四 象限运行 ，以及惯性 运动 。 如图 2 所示 三相 H 桥 的原理图。 图 2.三 相逆变桥路 电机控制器应满足电机的特殊要求，能 够供给 连续 5S 提供 48V 电压下的130A 电流 ，并能够 连续提供至少 40A 的电流。 H-桥的功率开关管选用 N 沟道金属氧化物半导体场效应晶体管（ N-MOSFET 的）。它们的优势在于低成本及在两个 MOSFET 并联条件下的电流导通能力 1。为获得 130A 的目标电流 ，两个N-MOSFET 的并联使用组成 六个开关的三相 H 桥。 A.电机驱动电路 在微控制器和 MOSFET 之间使用栅极驱动器 IC 的原因有三： 1.将 3.2V 来自 单片机 的逻辑信号转换为 低侧晶体管 12V 信号，使得 MOSFET饱和。 2.提供一个电荷泵电路 ，用于驱动高侧栅极 pin 脚 电压 到 12V 以上 ，使得MOSFET 的饱和 。 3.为 三相 H 桥 提供直通可编程死区时间保护。 栅极驱动器 IC 和 MOSFET 的栅极之间 栅极电阻 是用来减缓晶体管的开关时间 。 这是为了减少通过电机绕组 2的电流变化率（ di / dt 的） 。当晶体管接通或关断时电机绕组会产生感应电势（自感），电势的大小和通过绕组的电流变化率成正比。这个感应电压可能会导致晶体管体承受 电压超过 VACS 等级，导致它们损坏。设计这些栅极电阻和 并联的晶体管 在某种意义上 3可以减少电路振荡 问题。图 3 为 一个 在半桥路中能够减小振荡的 栅极电阻电路 的原理图 。如果需要更多的晶体管并联 ，电路 可以 进行扩展 。 图 3.栅极电阻的电路图，以尽量减少 MOSFET 栅极振荡 对于保护晶体管，仅仅减缓晶体管的开关时间是不够的；母线电容器也被用于吸收尖峰电压 2。 由于存在 非常高的电压尖峰的频率（约 50 MHz）。低等效串联电阻（ ESR）电容是必需的。标准的电解电容的速度难以实现 吸收这种频率的瞬态电压 。 电机控制器的电路采用了霍尔效应电流传感器来测量电机的相电流。如果相电流超过设定的限制 ，电机控制器 切断 电机 电源，以 防止电机绕组 和晶体管 由于电流超过最大额定值 而被损毁 。霍尔效应电流传感器的输出是一个模拟信号， 它和流过导线的电流大小成比例。本应用中还装有一个双向电流传感器 ，以测量再生制动的电流。 电机控制器还使用 电压传感器电路 以测量电池的电压。如果电压低于规定的最小电池电压，电机控 制器将切断电机电源。它的作用非常重要，因为可以防止过分使 锂离子聚合物电池组 放电， 永久地降低电池的容量 4。由于宽范围的工作电压，电动机控制器能够在 （从 16V 到 70V） 电压范围内运行。使用一个简单的分压器电路和 一个低通 RC 滤波器 代替 电平移位器 进行电压检测 。 温度传感器安装在电机和 晶体管的散热片 上 ， 如果任一 温 度超过预设值，电机控制器切断电机电源 。主板上的温度传感器 也可用于监测微控制器的温度 。同样，如果微控制器过热 ，电机控制器将切断电源 。 B.再生制动 电机控制器集成了一个简单的再生制动功能。 在平面或上坡 过程中的 再生能量很少 。 然而，由于再生制动是唯一一种能够防止把动能简单地转换成热能，使得晶体管散热片和电机温度升高的制动方法，所以被本设计采纳 。 反电势的实现，是借用一个升压转换电路将电机的反电动势提高到一个比电池电压更高的水平。 图 4 给出一个基本的升压转换 电路 5。 图 4.Boost 升压转换电路 该电路无需任何 额外的硬件实现。 使用三相 H 桥低侧晶体管作为开关装置、电机绕组作为电感，而高侧反激二极管作为升压转换电路中的二极管。三条电路投入使用，每条对应其中一相 。 通过改变低侧晶体管 的 PWM 占空比来改变该升压转换器的输出电压。随着输出电压的增大，充电 电流增加，导致增加的制动力。 因此，通过读取制动杆的位置并相应地调整占空比来控制制动力 。 充电电流 必须保持在规定的范围内，以防损坏电池组 。本应用中使用的锂离子聚合物电池组，最大充电电流为 20A。 通过计算 20A 的充电电流 能够 提供足够的制动力， 3s 内能将速度从 30 公里 /小时降到 0。 C.定时超前 定时超前在有刷与无刷直流电机 6中均有应用 。 有刷直流电机中，是通过机械地移动电刷 相对于电机绕组 的位置来实现。 BLDC 电机 中，是利用电子整流控制电机使得它比正常运行时提前 。 在理想的情况下，定时提前量（用电动旋转的角度表示）可以从 零速时 0连续变化到最大速度下的电角度数。 这是可以 通过微控制器做到的，但它需要大量的处理过程 ，并需要专用的微控制器 7。大量的处理是必需的，因为 微控制器必须 通过电机的速度预测转子的下一个位置时， 然后计算最后一个电机 位置换相和下一个换相提前角之间的延时。 有了这些信息，微控制器 在上一个 过渡 后一个计算好的时间 触发 。 D.内部位置传感器 此应用中，已采取了一种简单的定时超前 ，两套霍尔效应传感器已被安装在电机 内部。一组定位为中性定时，而另一组则位于 30 （电机旋转） 偏离中性时间设定。第二组的霍尔 传感器产生的信号 30超前或者 30滞后。通过电机在 SOORPM 条件下的最佳超前时间来确定超前电机角度， SORPM 运行环境在 42V电压下的最高速。 此外，因为电机有一个 12 极定子，每极间隔 相差 30 。这意味着 无论是中性定时，还是超前定时的霍尔 传感器，可以很方便地安装在定子磁极之间的间隙 中。图 5 分别示出中性 和 30超前电机位置传感器的信号波形。前三个波形来自中性定时，后 三个 来自超前 定时设置 的 电机位置传感器。这显示了 超前定时超 前中性定时 30电角 。 图 5. 中性和 30超前电机位置传感器的信号波形 有了这个超前定时角度，它也可以从第二组霍尔传感器反向产生超前 30的信号。这是因为超前 30和延迟 30在 相移 60（这是电机的位置转换之间的间距） 条件下等价 。 这将导致 30延迟信号位置一直滞后于超前 30信号。通过产生这第三个信号，机动板很可能在正、反方向都使用 30超前定时。微控制器能够更具电机速度在中性定时和超前定时间进行切换。该软件利用迟滞，设定超前定时时，转速 4800 转；中性定时时，转速 4700 转。 三软件设计 单片机使用 定制软件 进行编程，以允许这种电机控制器拥有 唯一的附加功能。该软件主要是基于中断的，以提高计算效率和可靠性 。 每次微控制器读取一个模拟输入信号， 总共 8 个连续的读数，并计算和使用这些读数的平均值来设置新的变量 被读取。这有助于进一步减少来自各种传感器的模拟信号噪声的影响。 距离测量是通过计算新的电机位置的数量。对于这个特殊的马达， 在一个电气旋转周期转子有 6 种不同位置方式和一个物理周期内 7 次换相。 通过 车轮直径 200mm 和 传动比为 3.8:1，可以计算 当电机位置达到 254 时，山板将前进 1 米。当“新位置”计数器达到 254， 距离计数器就增加 1， “新位置”计数器复位到零。 速度测量是通过使用一个山板上的定时器测量连续两个电机的时间间隔 。一个位置增量移动的距离是已知的，因此可以计算出速度。在高速行驶时，平均 每8 转读取一次 以提高精度。图 6 示出了电机控制器的软件的基本流程图。 A软启动 软启动功能的目的是为了保护电机和电机驱动电路在启动过程 被冲击电流损坏。 这是必需的，因为当电机在低速或静止的， 几乎没有 反电动势。 反电动势阻止电压施加到电机端子。因此，电源电压和反电动势电压时，电机两端承受的电压有很大区 别 。没有反电动势， 电机承受很大的电压 。电路中唯一的电阻 是导通 晶体管 电阻 （ 0.008 S2）， 9， 电机绕组（ 0.036 S2）， 还有 非常低 的导线电阻。因此， 当电机处于静止或以低速运行 ， 电流可以达到相当大的水平。 当电机运行时，软启动功能限制电动机两端的电压，可以用作速度控制 。这是通过设置在零速时允许的最大占空比为 5，而 在 1900 RPM 是加到 100。这个功能的实现的程序在主循环中，因此不会影响基于中断 操作 的功能。 B巡航 巡航控制功能采用 PI 控制，使得速度保持 Motorboard 的 设定上 。设定点取为 激活手持遥控巡航开关那瞬间的 速度 。 PI 控制器的 PWM 占空比的变化，以确保当小车爬山时，随着负荷的变化，速度固定在设定点。当 用户应用刹车，巡航控制功能被禁用。当用户停止使用制动器时，新的速度作为设定点。比例系数和积分系数 通过实验获取 。 四 .手持控制器 机动山板的用户界面是一种手持式控制器。此 手持控制器中使用的无线遥控汽车 发射器的外壳为基础。这个外壳被修改，剥出的电路板，切断电池槽， 安装一个 LCD 模块 到它里面 。触 发机制被保留，作为油门和刹车控制（拉回到触发加速，推动制动）。这里利用了 两个可变电阻器（旋转式电位器 ）， 一个是用来设置控制器的最大占空比。 这个可以限制 Motorboard 的最大速 的功能是非常有用的，尤其是第一次用这个设备。其他可变电阻是用来循环 各种显示在 LCD 模块上 的 数据。电动机控制器所使用的有两个开关，一个用来打开控制器开启和关闭，另一种是用来作为巡航控制通 /断开关。 Motorboard 和手持控制器 成品图如 图 7 所示。 液晶屏 只有足够大能够 显示两行 16 个字符 。为了显示更多的数据 ，手持设备上的一个可变电阻器可以让用户在屏幕上选择，这里 有六个数据显示： 1.主要数据画面： 显示当前速度，行驶距离，电池 电压和瞬时功率输。 2 温度画面： 显示晶体管，电动机的温度微控制器，以及环境温度 。 3 最大值屏幕： 显示的最大速度达到最大电流消耗 在运行过程中，最大输出功率 。 4 二级数据画面： 显示当前转速，电机转速和瞬时 。 5 程序的 I / O 画面： 显示 用户 设置的最大占空比，错误代码，并从电机控制器程序 故障 代码 。 6 调试画面： 显示瞬时占空比， 转把输出值 （用于设置 PWM 占空比的值），并且将晶闸管切换到当前状态。 五实验结果 实验结果表明：用卷尺测量时， 该板的距离测量对测量精确到 0.5。这种测量的分辨率使 软件测量分辨率低至 4 毫米 。然而，在测量中，通过在引入不确定性直径的车轮。因此，直径 、气压 的变化 、 和骑手的质量 都是不确定因素 。 实验证明在 400 米田径跑道绕场 一圈存在 1 米的误差 。 也进行了实验测试主板上的速度测量的准确性。 把速度设定在 Motorboard在液晶屏上的 17 公里 /小时，并在这样的速度举行。然后 紧紧 粘贴 5 米卷尺。录像被检测 ，以确定行驶 5 米的距离所花费的时间。据计算，实际的运行速度为17.42 公里 /小时。 重复试验设定 速度为 25 公里 /小时。此运行计算的实际速度为25.68 公里 /小时。 这些设