【文章內(nèi)容簡介】 MOS工藝制造，DIP8腳封裝，具有獨(dú)立的低端輸入通道和高端輸入通道；其高端工作電壓可達(dá)600V；輸出電壓范圍10～20V；工作頻率可達(dá)500kHz；導(dǎo)通、關(guān)斷延遲小，響應(yīng)迅速[6]。本設(shè)計(jì)采用DIP封裝的IR2103S，驅(qū)動芯片IR2103S引腳排列如圖4所示。圖4 驅(qū)動芯片IR2103S引腳排列 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理依據(jù) 無刷直流電機(jī)的控制無刷直流電機(jī)由于沒有電刷，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要受到外部驅(qū)動電路的控制，可以用編程的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電子換相和無級調(diào)速。脈沖寬度調(diào)制屬于模擬控制方式，是根據(jù)相應(yīng)載荷的不同來調(diào)制MOS管柵極的偏置量，來改變MOS管導(dǎo)通時(shí)間的。這種調(diào)節(jié)方式能保證電源的輸出電壓在工作發(fā)生條件變化時(shí)維持恒定，是利用處理器輸出的數(shù)字信號對模擬電路進(jìn)行有效控制的一種方法。PWM脈寬調(diào)速，是指通過改變開關(guān)器件的通斷時(shí)間，來改變電樞兩端的平均電壓，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，可將噪聲影響降到最小。電機(jī)通過霍爾位置傳感器獲取轉(zhuǎn)子的位置信息并送給控制器，控制器對位置信號進(jìn)行邏輯綜合，輸出PWM波來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，驅(qū)動電機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。 速度電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)整個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)包括電流回饋控制環(huán)和速度回饋控制環(huán)。系統(tǒng)的電流反饋控制環(huán)和速度反饋控制環(huán)的控制都是數(shù)字控制方式，都由單片機(jī)來完成。外環(huán)是速度回饋控制環(huán)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的速度值與經(jīng)霍爾傳感器獲得的信號計(jì)算出的實(shí)際速度值運(yùn)算比較可以得到電流設(shè)定值，實(shí)際對應(yīng)的為電機(jī)設(shè)定的電壓值。內(nèi)環(huán)為電流回饋環(huán)，對速度控制電路的輸出電流設(shè)定值與經(jīng)采樣電阻采樣放大轉(zhuǎn)換得到的電流值，通過合適的算法，計(jì)算出對應(yīng)的PWM波，從而實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的閉環(huán)調(diào)速控制。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)把速度控制電路的輸出作為電流控制電路的設(shè)定值來回饋控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[7]。這種方法可以實(shí)時(shí)根據(jù)預(yù)設(shè)速度大小與實(shí)際運(yùn)行速度大小的差值及時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在差值較大時(shí)增大電機(jī)轉(zhuǎn)矩，加快速度變化，使電機(jī)速度較快地把達(dá)到預(yù)設(shè)值。在電機(jī)速度接近預(yù)設(shè)值時(shí)，自動減小轉(zhuǎn)矩，避免超調(diào)過大，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)速。為了抑制干擾的影響，電流調(diào)節(jié)環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)設(shè)置較小，使系統(tǒng)在受到干擾時(shí)能迅速反應(yīng)，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力得到提高。而且雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)電路的輸出作為電流調(diào)節(jié)電路的輸入設(shè)定值，對速度調(diào)節(jié)電路的輸出做出限制就同時(shí)限制了電路中的電流大小，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)逆變橋的作用[8]。電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制由單片機(jī)輸出相對應(yīng)的信號控制開關(guān)管的導(dǎo)通相序。使用采樣電阻將流經(jīng)MOS管的實(shí)際電流大小采樣處理后送到單片機(jī)，當(dāng)電動機(jī)繞組的相電流大于程序設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)能夠靈活地調(diào)用子程序進(jìn)行保護(hù)。雙閉環(huán)調(diào)速原理圖如圖5所示。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)PWM同步控制霍爾位置傳感器三相橋式逆變驅(qū)動電路母線電流檢測轉(zhuǎn)速計(jì)算無刷直流電機(jī)圖5 雙閉環(huán)調(diào)速原理 整體硬件系統(tǒng)框圖本文設(shè)計(jì)的電動自行車控制系統(tǒng)包括以單片機(jī)為核心的主控模塊；以IR2103S為核心的驅(qū)動模塊；另外還有位置信號檢測及綜合部分、電流信號采樣放大和比較部分以及一些外圍功能輔助電路等?？刂齐娐穼?shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動、電子換相、無級調(diào)速、電子剎車制動等控制并可以對電機(jī)進(jìn)行保護(hù)；驅(qū)動電路利用IR2103S的自舉技術(shù)驅(qū)動大功率MOSFET管的導(dǎo)通和截止驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行；外圍功能電路做到對各種信號的采樣處理、對不同電路的供電、保護(hù)等。系統(tǒng)整體框圖如圖6所示。保護(hù)電路功能電路AT89S52電流采樣及轉(zhuǎn)換無刷直流電機(jī)霍爾傳感器轉(zhuǎn)把、閘把驅(qū)動電路圖6 系統(tǒng)整體框圖直流電源通過大功率MOSFET管構(gòu)成的逆變橋向無刷直流電機(jī)供電，在每一次采樣周期開始時(shí)，單片機(jī)先根據(jù)霍爾傳感器獲取的位置信息判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，若處于靜止?fàn)顟B(tài)則用軟件開環(huán)軟起動，當(dāng)速度達(dá)到一定值后切換到閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)?！败泦印笨梢跃徑饬銧顟B(tài)起步時(shí)耗電量大的問題，能延長一次充電的騎行里程。常規(guī)的電子換相是直接獲取霍爾傳感器采集得的信號進(jìn)行換相控制，同時(shí)將電機(jī)速度反饋信號和手把給定的速度信號相減，得出偏差，經(jīng)過控制算法得出控制量。再把控制量以PWM的形式輸出給驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，系統(tǒng)的速度便達(dá)到了給定。電動車在正常騎行時(shí)，控制器的大功率MOSFET管處于開關(guān)工作狀態(tài)。電機(jī)速度控制采用脈寬調(diào)制方式，不同的速度對應(yīng)電機(jī)的電壓電流也不同。行駛速度與控制器輸出PWM波的電壓成正比。因此，不同的速度和負(fù)載，功率管的功率損耗也不同。速度調(diào)節(jié)信號由霍爾調(diào)速轉(zhuǎn)把送出，轉(zhuǎn)換處理后送至單片機(jī)，由單片機(jī)對輸入信號進(jìn)行邏輯綜合，輸出相對應(yīng)的PWM脈沖信號至大功率驅(qū)動管。過熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)，由運(yùn)算放大器采樣放大處理后送至單片機(jī)，再由單片機(jī)控制是否禁止輸出PWM波[9]。 模塊電路的設(shè)計(jì) 電源電路電源工作性能的好壞關(guān)系到整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。電源電壓為24V，不能直接給單片機(jī)和一些集成電路供電，因此需要把它轉(zhuǎn)換成符合量程的電壓。圖7 電源電路本設(shè)計(jì)電源電路轉(zhuǎn)換為5V和18V。其中5V給單片機(jī)和除IR2103S以外的集成電路供電，18V給IR2103S供電，24V直接給大功率MOSFET管供電。被控?zé)o刷直流電機(jī)額定工作電壓為24V，為濾除電機(jī)工作時(shí)母線上的波紋，使母線電壓穩(wěn)定，并聯(lián)了一個(gè)大電容用來濾波。電源電路如圖7所示。 三相全橋逆變電路及驅(qū)動電路逆變電路由功率開關(guān)管組成，采用單極性PWM控制技術(shù)控制電動機(jī)運(yùn)行。所謂單極性PWM控制，就是兩個(gè)開通管中一個(gè)開關(guān)管采用定頻調(diào)寬的PWM控制，另一個(gè)開關(guān)管常開。本電路中上橋臂開關(guān)管采用PWM控制，下橋臂開關(guān)管常開式。逆變電路中的開關(guān)管均采用大功率的MOSFET管。為了保護(hù)功率開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)管上都并聯(lián)快速續(xù)流二極管IN4148。本系統(tǒng)采用MOSFET管的型號為60N06，是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種N溝道MOSFET。其基本參數(shù)為：漏源最大電壓 VDSS=60V，源極最大連續(xù)電流ID=60A，源極最大沖擊電流I=320A[10]。為了提高系統(tǒng)的效率，減小MOSFET的功率損耗，使功率管開關(guān)工作時(shí)的通態(tài)電阻最小，即滿足漏源電壓不小于10V，本系統(tǒng)采用l8V。圖8所示為驅(qū)動電路。圖8 驅(qū)動電路 電流采樣電路對于無刷直流電動機(jī)，在較大負(fù)載低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相線會產(chǎn)生較大電流，從而使得大功率M0S管中流入大電流，這樣容易導(dǎo)致M0S管燒壞，控制器無法正常運(yùn)行。因此用電流檢測電路來時(shí)時(shí)監(jiān)控電流大小必不可少，以便電流過大時(shí)及時(shí)發(fā)出中斷指令來保護(hù)控制器。電流檢測也是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電流閉環(huán)調(diào)節(jié)的重要保障，一般來說電流檢測有以下兩種方案：（1）采用集成檢測模塊。現(xiàn)在電流檢測模塊種類很多，具有使用方便、反應(yīng)靈敏、報(bào)警值可調(diào)和多路檢測等優(yōu)點(diǎn)；但是成本較高，不易排查故障。（2）采用分流電阻間接測流。方法為：在直流繞組側(cè)接合適阻值以及功率的分流電阻，通過測量分流電阻上的電壓，可以得到直流回路中的電流值；然后對比直流電機(jī)三相繞組的各相相電壓就可以確定采樣獲取到的電流屬于哪一相。由于直流無刷電機(jī)本身的控制特點(diǎn)，方案1電路中最少要檢測任意兩相電流，因此至少需要兩組檢測模塊，這樣就使成本增加。第2種方案對于A／D轉(zhuǎn)換的精度以及軟件數(shù)據(jù)處理速度有一定的要求，其優(yōu)點(diǎn)在于造價(jià)低。因此本系統(tǒng)采用第2套方案，降低成本，優(yōu)化算法。電路運(yùn)用LM358構(gòu)成電流比較電路，經(jīng)放大后輸出信號給數(shù)模轉(zhuǎn)換端口，之后輸送給單片機(jī)，完成電流采樣。同時(shí)康銅兩端電壓再送給比較器并與已知電壓比較，比較器的門限值由電阻分壓得到，一旦超出預(yù)定值便發(fā)出過流輸出信號給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出中斷指令，完成過流保護(hù)[11]。采樣比較電路如圖9所示。圖9 采樣比較電路 霍爾位置檢測電路位置信號是電機(jī)控制的主要反饋信息，只有確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，才能根據(jù)程序要求決定下一步的定子三相繞組的導(dǎo)通模式。因此，能否有效控制無刷直流電機(jī)取決于轉(zhuǎn)子位置的精確測定。本系統(tǒng)采用霍爾式位置傳感器來獲取無刷直流電機(jī)的位置信息?；魻杺鞲衅魇且环N半導(dǎo)體器件，利用霍爾效應(yīng)制成。當(dāng)霍爾元件置于外磁場中有電流流過時(shí)，輸出霍爾電勢信號；當(dāng)其沒有外磁場作用時(shí)，其輸出端無信號輸