劉明崗 ， 陳鹿民

（1.鄭州輕工業(yè)學院 河南 鄭州 450002；2.河南機電職業(yè)學院 河南 新鄭 451191）

電動汽車作為一種新能源綠色交通工具，具有零污染、高效率、低噪音特點。動力系統(tǒng)作為解決電動汽車基本性能的重要因素，是電動汽車的關(guān)鍵問題之一[1]。目前，國外純電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)技術(shù)成熟，研發(fā)與生產(chǎn)制造積極性高，研制方式多樣，驅(qū)動控制器的研制趨于標準化；而國內(nèi)純電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫不完善，產(chǎn)品過度依賴于二次開發(fā)，不利于產(chǎn)業(yè)化，可靠性與穩(wěn)定性差，驅(qū)動控制器通用性、復(fù)用性差[2]。根據(jù)開發(fā)電動汽車的要求和市場調(diào)研的結(jié)果，我們開發(fā)出了一套基于AVR芯片的永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有電路簡單、性能安全、成本低等優(yōu)點，有利于純電動汽車產(chǎn)業(yè)化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

以我院與某新能源汽車公司開發(fā)的純電動汽車為載體，結(jié)合控制系統(tǒng)的具體參數(shù)要求，對無刷直流電機的控制原理進行了詳細分析，依據(jù)無刷直流電機特性，針對電動汽車的控制需求，進行了無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計。技術(shù)指標如下：系統(tǒng)正常工作電壓72 V，最低工作電壓65 V，最大工作電流180 A，最大輸出功率18 kW。

1.1 硬件部分

硬件部分以MEGA48單片機作為控制芯片，逆變器由6個MOSFET管組成。通過微控制單元電路、逆變器驅(qū)動電路等電路模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了電機的智能控制以及欠壓保護、過流保護、堵轉(zhuǎn)保護等保護功能，可靠的對電動車電機和電池進行保護，確保電動汽車使用及安全。

本控制器根據(jù)項目參數(shù)要求應(yīng)具有如下功能：

1）具有電動、自動巡航兩種工作模式:在電動模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動汽車腳踏板所給電壓，正常加電運轉(zhuǎn)；自動巡航模式下，無需踩住踏板，電動汽車能夠按照設(shè)定速度運行；兩種種工作模式可通過模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。

2）當系統(tǒng)出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進入自檢模式并顯示錯誤。

3）能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護、過流保護、堵轉(zhuǎn)保護。

4）能夠?qū)崟r顯示電動車的狀態(tài)。

根據(jù)上述功能，所設(shè)計的系統(tǒng)硬件框圖。如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of the hardware system

1.2 三相全橋逆變電路和驅(qū)動電路

逆變電路和驅(qū)動電路是主控芯片與被控電機之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的運行質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組。功率場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。

在本控制系統(tǒng)中就采用了MOSFET組成的逆變器變換電路。半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號，電機三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制[4，5]。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進行控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設(shè)計采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通，如圖2所示。

本設(shè)計中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價格較貴，而且其內(nèi)阻比N溝道的MOSFET管大，損耗也大。因此，當前的無刷控制器一般都采用兩個N溝道MOSFET管組成逆變器的一相[6]。

圖2 MOSFET驅(qū)動逆變電路Fig.2 Circuit of the MOSFET inverter

1.3 頂端、底端驅(qū)動電路

如圖2所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動電路無法直接與TTL器件匹配，因此在電路中通過LM339用來間接匹配電壓，匹配后的LM339輸出端 （＜a相2腳、b相1腳、c相14腳）電平分別為12 V的有效狀態(tài)或大于25 V的無效狀態(tài)。

當某相頂端驅(qū)動電路有效時，場效應(yīng)器件VF1（或VF3，V F5）的柵極電壓不低于46 V，才能保證場效應(yīng)管的充分導(dǎo)通.導(dǎo)通后，X1（或X2，X3電壓與電池電壓相同）。由于MOSFET管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過正負20 V。柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過大。本設(shè)計中，頂端驅(qū)動電路中的15 V穩(wěn)壓二極管DZ2，DZ4和DZ6為保護二極管。漏源間也要加保護電路以防止開關(guān)過程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位.當電機意外突然停轉(zhuǎn)時，電機繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機時，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。

底端電壓驅(qū)動電路采用NE555內(nèi)部推挽電路，利用單片機產(chǎn)生的PWM信號調(diào)制底端驅(qū)動信號，調(diào)制后的信號通過電阻藕合至底端驅(qū)動場效應(yīng)管柵極，控制場效應(yīng)管導(dǎo)通狀態(tài)[7]。因為底端驅(qū)動電路中NE555功耗較大，因此需要為U8，U9和U10配上霍爾電容C37，C39和C43。底端電壓驅(qū)動電路中R22，R30，R38為串聯(lián)柵電阻，是場效應(yīng)管底端驅(qū)動保護電路，可消去由MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應(yīng)而生的高頻振蕩。

以A相為例，頂端驅(qū)動，當LM339的2口輸出為低時，12腳正端接地，使得Ql基極電壓為22 V＞Ql開通，電流流過R19，電流方向為左正右負 （從而保證Ql開通時Q2關(guān)斷），VF1柵極電壓為50 V左右，源極電壓為36 V左右，VF1開通；當LM339的2口輸出為高時，Ql關(guān)斷，這時VF1截止。Q2與R18，R19，C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動，當經(jīng)過邏輯保護的A相底端控制信號ABTM輸入為1時，經(jīng)過底端驅(qū)動電路產(chǎn)生12 V有效信號，使得VF2導(dǎo)通。同時，單片機輸出的PWM信號送到NE555的RST端，對底端控制信號進行調(diào)制。

1.4 電源電路

驅(qū)動電路的電源部分包含兩部分電路:一部分是將電池電源36 V，通過三端穩(wěn)壓器LM7915產(chǎn)生相對電源電壓的－15 V電壓，即36 V－15 V=21 V，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū)動電壓；另一部分是通過三端穩(wěn)壓器LM7812產(chǎn)生的+12 V電壓，用于頂端驅(qū)動匹配和底端驅(qū)動電路。如圖3所示，電源電路中，根據(jù)各個部分的電流，合理的選擇分流電阻R14和R45的阻值和功率，減小直接流過三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱量，提高電路穩(wěn)定性[8－9]。

1.5 振蕩倍壓和硬件保護電路

1）硬件保護電路

為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計了純硬件制動保護電路，如圖4所示。制動電路通過控制振蕩電路的RST端的電平狀態(tài)，間接控制頂端驅(qū)動電路導(dǎo)通所需電壓源.通過LM339的保護功能，當系統(tǒng)正常工作時，測試點1處的電壓通過上拉電阻，電平為12 V，經(jīng)過22 V穩(wěn)壓二極管，測試點2處的電平在34 V左右，振蕩電路正常工作；當系統(tǒng)過流時，純硬件的保護電路U5反向輸入端的電壓將高于正向輸入端參考電壓，U5內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，測試點1處電平約0.7 V，測試點2處電壓為21 V左右，RST有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅(qū)動電路將不再輸出驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)硬件制動穩(wěn)定性。R47和C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導(dǎo)峰緣，增強系統(tǒng)。

圖3 電源電路Fig.3 Circuit of the power supply

圖4 振蕩倍壓電路和純硬件保護電路Fig.4 Doubling circuit of oscillating voltage and protection circuit of the pure hardware

2）振蕩倍壓電路

如圖4所示，NE555的電源接+36 V電壓，地端接+21 V電壓。NE555和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的振蕩頻率約為4～5 kHz，振蕩信號從NE555的3腳輸后，通過陶瓷電容C23和C24、二極管D3和D4構(gòu)成的倍壓電路，將輸出電壓提升到50 V左右，送到MOS管的柵極。NE555的RST腳能夠控制振蕩電路的起停。

倍壓電路的工作原理是:當NE555的3腳為GND電壓（+21 V）時，電源36 V通過二極管D4給電容C24充電，如果時間常數(shù)合適，C24上的電壓近似等于36 V－21 V=15 V，方向為左負右正:當 NE555的 3腳為高時，電容 C24左側(cè)為36 V，右側(cè)為36 V+15 V=51 V，因為二極管D4反偏截止，產(chǎn)生的51 V電壓就通過二極管D3給C23，C25充電，這樣經(jīng)過若干周期的反復(fù)充電，電容C25上的電壓就升到后部驅(qū)動所需要的51 V恒定電壓。

1.6 軟件部分

在軟件方面利用高級語言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。實現(xiàn)了信號的采集及處理，實現(xiàn)了電動自行車的電動和自動巡航兩種三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢功能，且利用數(shù)字PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調(diào)制。所設(shè)計的系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 Work flowchart of the system

2 結(jié)束語

文中所設(shè)計的基于AVR單片機的無刷直流電機控制器具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、保護功能完善、軟件采用模塊化設(shè)計易于用戶二次開發(fā)等特點。經(jīng)過在龍瑞新能源汽車公司試制車輛上使用，得到的主要參數(shù)為：0~20 km/h加速時間為8 s，最大爬坡度為30°，續(xù)航里程提高20%，達到了龍瑞新能源汽車公司驅(qū)動控制系統(tǒng)開發(fā)的功能和性能要求。

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