鐘曉偉，宋蟄存，許剛
(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)
摘要：根據(jù)以無刷直流電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)自行車工作原理，設(shè)計(jì)了一種以ATmegal6單片機(jī)為控制核心的電動(dòng)自行車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)詳細(xì)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。在MATLAB／Simulink環(huán)境下仿真得出適當(dāng)?shù)乃俣拳h(huán)與電流環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)值。與傳統(tǒng)的專用模擬控制器相比，具有更大的靈活性、可靠性，容易實(shí)現(xiàn)附加功能和全數(shù)字化控制。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；無刷直流電機(jī)；控制系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TM 302：TM 33文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6540(2011)01-0020-05
0 引 言
無刷直流電機(jī)(BrushIess Dc M0tor，BLDCM)是隨著新型電力電子器件和永磁材料的發(fā)展而成熟起來的一種新型電機(jī)，它屬于同步電機(jī)的范疇，既具有交流電機(jī)運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。電動(dòng)自行車用電機(jī)已由早期的傳統(tǒng)直流電機(jī)發(fā)展到BLDCM階段，BLDCM控制系統(tǒng)一般有兩種形式：復(fù)雜的純模擬器件構(gòu)成的控制器和以微控制器為核心的數(shù)字式控制器，數(shù)字式控制器使電動(dòng)自行車控制器設(shè)計(jì)更靈活，功能更豐富，因而得到廣泛應(yīng)用。
1 電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
電動(dòng)自行車由車體、電驅(qū)動(dòng)裝置(電機(jī))、可充電電池、充電器和控制系統(tǒng)五大部分組成。由蓄電池提供電源，電動(dòng)機(jī)接通電源后，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，由電動(dòng)機(jī)發(fā)出動(dòng)力，傳給驅(qū)動(dòng)輪而產(chǎn)生牽引力，使車輪旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。在控制器上連接一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以控制控制器輸送給電動(dòng)機(jī)的電壓，通過變換電機(jī)繞組電壓來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制電動(dòng)自行車車速。BLDCM主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路(逆變器)三部分組成。以BLDCM為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
電動(dòng)自行車用無刷電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：以單片機(jī)為核心的主控模塊，轉(zhuǎn)把、閘把輸入電路；電機(jī)換向驅(qū)動(dòng)電路；相電流、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路。
單片機(jī)作為主控芯片，其主要功能是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的電機(jī)控制算法，包括傳統(tǒng)的PID控制，以及近年來針對(duì)無刷電機(jī)非線性、強(qiáng)耦合特性而提出的模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；BLDCM沒有電刷和換向器，實(shí)現(xiàn)電子換向要依靠轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸入為電機(jī)提供止確的換向時(shí)序，控制逆變電路中功率開關(guān)管的通斷，使電機(jī)繞組按一定時(shí)序通斷產(chǎn)牛旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。控制器可通過采樣轉(zhuǎn)子位置傳感器的固定時(shí)間內(nèi)電平翻轉(zhuǎn)次數(shù)，經(jīng)過適當(dāng)運(yùn)算可計(jì)算出電機(jī)速度反饋輸入；BLDCM具有和一般直流電動(dòng)機(jī)基本相同的調(diào)速特性，只要改變電機(jī)的輸入電壓或勵(lì)磁電流的大小，就可以方便地進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，因此控制器多采用自帶脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)輸出功能的Mcu；實(shí)際運(yùn)行過程中由于負(fù)載變化可能導(dǎo)致電機(jī)繞組過流，電流檢測(cè)可作為控制器中斷輸入，發(fā)生過流時(shí)封鎖逆變電橋功率開關(guān)管，避免損壞電機(jī)，也可作為雙閉環(huán)電流內(nèi)環(huán)的電流反饋環(huán)節(jié)使用。
2 BLDCM控制策略
BLDCM轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但不能完全按照需要來控制動(dòng)態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩，兇而在對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求不高的場(chǎng)合可以采用。如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如要求快速起動(dòng)、制動(dòng)等，單閉環(huán)控制系統(tǒng)就難以滿足要求：為了改善BLDcM控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，就很有必要在速度負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上再引入電流負(fù)反饋環(huán)來控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩。
對(duì)于自行車電機(jī)控制系統(tǒng)，為了滿足無超調(diào)、抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性和快速響應(yīng)性好的要求，采用轉(zhuǎn)速環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制策略。電流內(nèi)環(huán)采用經(jīng)典H調(diào)節(jié)，速度外環(huán)采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1主控模塊
ATmegal6是低功耗、高性能8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間使得ATmegal的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)16 MIPS/16 MHz。AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。ATmagal6單片機(jī)自帶8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，4通道PwM，由于電動(dòng)自行車轉(zhuǎn)把、電機(jī)相電流輸入都是模擬量，非常適合用作電動(dòng)自行車控制器。
基于ATmegal6單片機(jī)的電動(dòng)自行車用BLDcM控制器主控模塊如圖3所示，單片機(jī)片外接Li主要包括：電池電量檢測(cè)輸入接PAO口；轉(zhuǎn)把調(diào)速模擬輸入量接PAl口，閘把數(shù)字量輸入接PB0口；附加功能輸入包括防盜、EABS、巡航；三個(gè)霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器輸入Ha、Hb、Hc；電流模擬量輸入接單片機(jī)的PA2口，過流保護(hù)中斷請(qǐng)求連接單片機(jī)的INTO；逆變電路中功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)輸出,上橋臂三個(gè)開關(guān)管PWM控制，下橋三個(gè)開關(guān)管常開，實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)電子換向及無級(jí)調(diào)速。
3.2信號(hào)輸入處理電路
3.21霍爾信號(hào)輸入與報(bào)警電路
轉(zhuǎn)子位囂檢測(cè)電路在系統(tǒng)中的作用有兩個(gè): ①檢測(cè)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置為逆變電路提供正確的換相信號(hào)；②通過檢測(cè)某路霍爾脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，計(jì)算后轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)，構(gòu)成速度反饋環(huán)節(jié)，霍爾信號(hào)輸入處理及報(bào)警電路如圖4所示。
3.2.2轉(zhuǎn)把調(diào)速與閘把剎車輸入電路
市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)自行車的轉(zhuǎn)把為霍爾轉(zhuǎn)把，霍爾轉(zhuǎn)把輸出與轉(zhuǎn)動(dòng)幅度成正比的模擬電壓值，送到單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換端口，單片機(jī)通過片內(nèi)集成的A/D轉(zhuǎn)換器將輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，運(yùn)算后根據(jù)控制算法輸出占空比合適的PWM信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。
閘把信號(hào)是電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的制動(dòng)信號(hào)。電動(dòng)自行車閘把的位置傳感元件一般為開關(guān)型霍爾感應(yīng)元件(分剎車低電位和剎車高電位兩種)。電子低電位閘把的剎車信號(hào)是常高電位，當(dāng)剎車時(shí)，閘把內(nèi)部的霍爾元件信號(hào)翻轉(zhuǎn)，其信號(hào)變成低電位。電子高電位閘把的剎車信號(hào)是常低電位，當(dāng)剎車時(shí)，閘把內(nèi)部的霍爾元件信號(hào)翻轉(zhuǎn)，其信號(hào)變成高電位。該控制器兼容低電平與高電平剎車輸入。轉(zhuǎn)把與閘把輸入電路如圖4所示。
3．2．3電流檢測(cè)電路
對(duì)于三相六狀態(tài)BLDCM，任一時(shí)刻只有兩相繞組導(dǎo)通，電流從一相繞組流進(jìn)，從另一相繞組流出，電流大小與直流側(cè)電流大小相等。在直流側(cè)串聯(lián)一個(gè)采樣電阻即可檢測(cè)導(dǎo)通相的相電流。
LM324(U1A)構(gòu)成一個(gè)電壓比較器，把檢測(cè)的電流信號(hào)與已知電壓比較，得到過流輸出信號(hào)，過流時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)觸發(fā)單片機(jī)中斷，及時(shí)關(guān)斷功率開關(guān)管。內(nèi)部電流環(huán)電流通過一個(gè)由LM324(U2A)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相比例放大電路來獲得，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)化為與電流成正比的電壓信號(hào)送人單片機(jī)PA2口。
3．3 輸出驅(qū)動(dòng)電路
3.3.1 IR2130驅(qū)動(dòng)電路
IR2130是MOS、IGBT功率器件專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，通過其內(nèi)部自舉電路，能同時(shí)驅(qū)動(dòng)橋式電路中低壓側(cè)和高壓側(cè)的功率元件。IR2130具有6路輸入信號(hào)和6路輸出信號(hào)，且只需一個(gè)供電電源即可驅(qū)動(dòng)三相橋式逆變電路的6個(gè)功率開關(guān)器件，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路更加簡(jiǎn)單可靠。IR2130引腳如圖5所示，高壓側(cè)通道的輸出驅(qū)動(dòng)電源是通過自舉技術(shù)獲得的，高壓側(cè)的柵極電荷由自舉電容C7,C8,C9提供。自舉電容在器件斷態(tài)時(shí)通過自舉二極管被12 V充電，且為了防止自舉電容兩端電壓放電，3個(gè)自舉二極管D4,D5,D6應(yīng)選用高頻快恢復(fù)二極管。
單片機(jī)根據(jù)霍爾傳感器輸人信號(hào)經(jīng)內(nèi)部邏輯處理輸出6個(gè)控制信號(hào)，分別送到IR2130的2～7管腳，經(jīng)IR2130內(nèi)部處理產(chǎn)生6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)逆變電橋中6個(gè)功率MOsFET管。通過電阻Rs檢測(cè)到的電流信號(hào)分別送給IR2130的9腳(過電流信號(hào)檢測(cè)輸入端)和13腳(放大器同相輸入端)。當(dāng)外電路發(fā)生過流或直通時(shí)，引腳9端電壓高于0.5 V時(shí)，內(nèi)部保護(hù)電路使IR2130輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)全為低電平，6只功率管全部截止，起到保護(hù)作用。
3 .3．2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
BLDCM的三相六狀態(tài)控制方式是每次使逆變電橋中兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，每隔60°電角度改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個(gè)開關(guān)管：，ATmegal6單片機(jī)僅四路PwM輸出，不可能對(duì)6只功率開關(guān)管進(jìn)行PwM控制。因此采用HPWM-LON控制方式，即上橋臂開關(guān)管進(jìn)行PWM控制，下橋臂開關(guān)管保持常開。BLDCM的A相繞組驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。
4 調(diào)節(jié)器參數(shù)確定
以兩相同時(shí)導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析BLDcM的數(shù)學(xué)模型�？紤]理想情況：三相繞組完全對(duì)稱，且在定子內(nèi)表面均勻連續(xù)分布；氣隙磁場(chǎng)為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)分布對(duì)稱；磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗；忽略電樞反應(yīng)、齒槽及換向的影響。得到BLDCM的轉(zhuǎn)速傳遞函數(shù)為
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，C語言編程。電動(dòng)自行車BLDCM控制系統(tǒng)的軟件主要
實(shí)現(xiàn)BLDCM轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)、轉(zhuǎn)速的計(jì)算、電流與轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、PWM信號(hào)的生成及故障信號(hào)的處理等功能。岡此，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括初始化子程序，霍爾信號(hào)采集子程序，閘把、轉(zhuǎn)把輸入信號(hào)采集，速度環(huán)、電流環(huán)運(yùn)算子程序，中斷服務(wù)子程序等。主程序流程圖如圖8所示。
6 結(jié) 語
以ATmegal6單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車用BLDCM控制器，具有比傳統(tǒng)純模擬控制器更好的控制效果，更易實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能化控制、增加附加功能。功率器件專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2130使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路得以簡(jiǎn)化，減少了外圍元件，提高了控制器可靠性。
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