【文章內(nèi)容簡介】 A相繞組，再從 C 相繞組經(jīng) VF2 流回到電源。如果認定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負，他們合成的轉(zhuǎn)矩大小為 aT3 ，方向在 Ta和 Tc角平分線上。當電動機轉(zhuǎn)過 60 度后，由 VF1,VF2 通電換成 VF2,VF3 通電。這時，電流從 VF3 流入 B 相繞組，再從 C相繞組流出經(jīng) VF2 回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩大小同樣為 aT3 ； 但合成轉(zhuǎn)矩 T的方向轉(zhuǎn)過了 60度電角度。而后每次換相一個功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方 向就隨著轉(zhuǎn)過 60 度電角度。所以，采用三相 Y聯(lián)結(jié)全控電路兩兩換相方式，合成轉(zhuǎn)矩增加了 3 倍。每隔 60度電角度換相一次，每個功率管通電 120度，每個繞組通電 240 度，其中正向通電和反向通電各 120 度。其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖 。從圖中可以看出，三相全控室的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時小，從 Tm。 圖 全控橋輸出波形圖 三三通電方式，這種通電的順序為 VF1VF2VF VF2VF3VF VF3VF4VF5? 當VF6VF1VF2 導通時，電流從 VF1 管流入 A 相繞組，經(jīng) B 和 C 相繞組分別從 VF6 和 VF2 流出。經(jīng)過 60 度電角度后，換相到 VF1VF2VF3 通電，這時電流分別從 VF1 和 VF3 流入，經(jīng) A和 B相繞組再流入 C相繞組，經(jīng) VF2 流出。在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔 60 度換相一次，每次有一個功率管換相，每個功率管通電 180 度。合14 成轉(zhuǎn)矩為 . 三相 Δ 聯(lián)結(jié)電路也可以分為兩兩通電和三三通電兩種控制方式。 兩兩通電方式的通電順序是 VF1VF VF2VF VF3VF VF4VF VF5VFVF6VF VF1VF2，當 VF1VF2 導通時，電流從 VF1 流入，分別通過 A 相繞組和 B、 C兩相繞組，再從 VF2 流出。這時繞組的聯(lián)結(jié)是 B、 C兩相繞組串聯(lián)后再通 A相繞組并聯(lián)，如果假定流過 A相繞組的電流為 I，則流過 B、 C相繞組的電流分別為 I/2。這里的合成轉(zhuǎn)矩為 A相轉(zhuǎn)矩的 倍。 三三通電方式的順序 也 是 VF1VF2VF VF2VF3VF VF3VF4VF VF4VF5VF6?當 VF6VF1VF2通電時，電流從 VF1 管流入，同時經(jīng) A 和 B 相繞組，再分別從 VF6 和 VF2管流出， C 相繞組則沒有電流通過，這時相當 于 A、 B 兩相繞組并聯(lián)。這時相當于 A、 B兩繞組并聯(lián)，合成轉(zhuǎn)矩為 A相轉(zhuǎn)矩的 3 倍。 無刷電機 對單片機 資源 預 計 無刷 直流 電機即是將同步電機加上電子式控制 (驅(qū)動器 )，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。 也就是 當成功同步換相以后，它的調(diào)速方式是變壓調(diào)速。 這樣電機便引入了一個很重要的參數(shù)： 無刷電機 KV值 。 無刷電機 KV 值定義為 轉(zhuǎn)速 /V，意思為輸入電壓增加 1伏特 ，無刷電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。從這個定義來看，我們能知道，無刷電機電壓的輸入與電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是遵循嚴格的線性比例關(guān)系的。 對于電動車而言，假定 限速 v=60km/h， 帶其 變速箱 速比 n=2 時 ， 輪子半徑 d=電 機運轉(zhuǎn)的 最高轉(zhuǎn)速約為 17692 ?? dv?? r/min. 對于一個三相四極無刷電機， 三三通電方式 下， 其換向頻率為 ??? pf ? Hz. 最小換向時間 了確保換向順 暢 ，控制平穩(wěn)，單片機換向事件響應時間至多100us,單得機輸出 PWM 頻率至少為 5kHz. 如果換向保守估計程序量是 400 條，全速下，所選擇單片機程序執(zhí)行能力至少是4MIPS， 并且有可控、獨立的 PWM 輸出模式。 15 第三章 系統(tǒng)方案的選擇 系統(tǒng)方方案概述 如下圖 所示，為本系統(tǒng)的總方案的簡圖：由電源部分、操作輸入、主控器、顯示輸出、電力驅(qū)動系統(tǒng)以及電機等組成。 圖 電動車電氣控制系統(tǒng)簡圖 1． 電源系統(tǒng)負責系統(tǒng)所有芯片，用電 部件的電源分配，在功耗小，對電源穩(wěn)定度、紋波要求苛刻的地方應使用線性穩(wěn)壓器；而在功耗大，如電力驅(qū)動主電路，背光等，則使用直流斬波方式的開關(guān)電源；充分考電磁兼容性，對噪聲源和抗干能力弱的部件加以區(qū)分，獨立使用電源，并分別加入濾波器。 2． 輸入裝置包括調(diào)速轉(zhuǎn)把、剎車斷電把以及作為調(diào)整其控制性能，更改各種配置設置的按鍵等輸入裝置。 3．儀表顯示能指示當前車速，行駛里程值，剩余電量 4．電力驅(qū)動系統(tǒng)也就是一個三相逆變橋， 6個橋臂，用微控制芯片通過光耦或者緩沖器連接送以脈沖，控制著電機運轉(zhuǎn) 的換相，并以 PWM 進行調(diào)壓調(diào) 速。 單片機選型及介紹 市場上單片機的種類的廠商非常多，同一廠商，其生產(chǎn)的單片機也會有不同的系列和不同的型號，它們主要是針對不同的應用而被開發(fā)出來，恰到好處地選擇一款外設功能充足，而又非多余的單片機來完成一個工程，將使得設計變得簡單可靠而且成本合理。 16 本設計使用了意法半導體 （ ST） 公司 的 8位通用微控制器 STM8，它是 ST 公司的全新 8位通用控制器產(chǎn)品系列，結(jié)合了過去多年單片機設計開發(fā)中的領先創(chuàng)新和寶貴經(jīng)驗，采用了 技術(shù)工藝，高性價比。 STTM8 被廣泛應用于：工業(yè)自動化、汽車、家電、消費電子、儀 器儀表等等。 如下圖 ，是該單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖。 圖 STM8內(nèi)部結(jié)構(gòu) STM8 作為高性能的通用控制平臺所具有的 特點： 1． 內(nèi)核和架構(gòu)： 獨立的數(shù)據(jù)和指令總線 讀寫操作在同一個周期執(zhí)行 獨立的指令和數(shù)據(jù)存儲空間 哈佛架構(gòu)， 3 級流水線 2． 線性內(nèi)存架構(gòu)： 最多 128KB flash， 10K 次擦寫 最多 6KB RAM 可以單字節(jié)或塊 /字編程 支持在應用編程，在系統(tǒng)編程 3．性能： 17 峰值性能 20MIPS@Fcpu=24MHz 32位指令總線 32個中斷向量 96條指令 低功耗：全速運行下 1mA+強抗干擾能力，高可靠性，簡單靈活 STM8105 產(chǎn)品系列的特點 如下表 所示 ： 芯片型號 引腳 GPIO數(shù)目 捕獲比較通道 A/D 轉(zhuǎn)換通道 Flash程序(字節(jié) ) EEPROM (字節(jié) ) RAM (字節(jié) ) 外設 C6 48 38 9 10 中等密度 32K 1024 2K 高級控制定時器(TIM1) 通用定時器 (TIM2和TIM3) 基本定時器 (TIM4) SPI， I2C， UART 窗口看門狗，獨立看門狗ADC C4 48 38 9 10 16K S6 44 34 8 9 32K S4 44 34 8 9 16K K6 32 25 8 7 32K K4 32 25 8 7 16K 表 STM8S105系列單片機資源對比 STM8S105S4 的外設 資源 ： 1． 高速內(nèi)部 16MHz RC 振蕩器，精度177。 2%； 2us 轉(zhuǎn)換時間 的主時鐘開關(guān) ，切換靈活方便， 易于構(gòu)建低功耗系統(tǒng)； 2． 中斷管理 : 帶有 32 個中斷的嵌套中斷控制器 , 6個外部中斷向量，最多 37 個外部中斷 ,可以設置成上升 /下降沿觸發(fā)； 3． 定時器 ： 2個 16位通用定時器，帶有 2+3 個 CAPCOM 通道 (IC、 OC 或 PWM)， 16位高級控制定時器， 4 個 CAPCOM 通道， 3 個互補輸出，死區(qū)插入和靈活的同步 , 具有 針對馬達控制的六步 PWM 輸出 。 4． 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)： 10 位，177。 1LSB 的 ADC，最多有 10路通道，掃描模式和模擬看門狗功能 5． I/O 端口 ： 48 腳封裝芯片上最多有 38 個 I/O，包括 16 個高吸收電流輸出 ， 非常強健的 I/O 設計，對倒灌電流有非常強的承受能力 ，并且任意管腳任何時候都可以配置成上拉 /開漏輸入方式，或者上拉，推挽輸出方式。 功率驅(qū)動器 件 選用 三相逆變橋是用來驅(qū)動無刷電機的，感性的無刷電機的定子繞組是逆變橋的負載，18 因而三相六組電力電子開關(guān)必定是全控型的。可以選用的常用功率型器件有：電力雙極型晶體管 BJT、電力場效應管 MOSFET 以及絕緣柵雙極型晶體管 IGBT 等等。 圖 圖 其中電力場效應管工作頻率高、通態(tài)電阻較小，驅(qū)動方式簡易，在低壓裝置中 使用最廣泛，于電動車而言，在 48V 的 1KW 的系統(tǒng)中，選用 MOSFET 將是恰當?shù)?，留下必要的定額余量，選擇 100V 耐壓，大于 20A 的 MOSFET 是必要的。 型號 耐壓 通態(tài)體電阻 漏極電流 IRF540 100V 55mΩ 22A IRF2807 75V 13mΩ 82A 表 ：幾種 MOSFET參數(shù) 第四章 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn) 單片機與外設接口 STM8S105S4是一個 44引腳的高集成度芯片， STM8的 管腳功能圖 及 LQFP封裝圖 ： 圖 原理圖符號 圖 裝封 具有特殊功能的 I/O口被映射到固定的管腳上，并且在 ST官方 技術(shù)資料上被提及，19 下面根據(jù)設計要求， 合理分配 I/O口，這是設計的首要任務： 1． 逆變橋驅(qū)動信號 ： STM8S105系列具有控制電機的六步 PWM信號輸出，名為 TIM1_CH[13]及 TIM1_CH[13]N三個通道的正反極性信號，分別被映射在 1921， 2426號管腳上 ； 2． 位置 速度檢測：使用了通用 I/O口 PE0， PE1， PE2； 3． 儀表顯示器：使用 12864液晶模塊，占用一組 8位的 PD[08]，以及使用了PG0， PG1， PC7分別作為片選、使能、讀寫信號； 4． A/D模塊： 使用了六步 PWM輸出模塊后，芯片的部分模擬通道被占用，剩下的四路： AIN[47]， 三相電流采樣 分別使用 AIN[46]， AIN7利用四路模擬開關(guān)擴展通道，分時地對總電流、總電壓以及調(diào)速轉(zhuǎn)把的電位器電位值進行采樣。模擬天關(guān)的通道選擇由 PA5,PA6控制。 5． 按鍵輸入：充分利用芯片 GPIO的上拉 /推挽 /輸入 /輸出切換功能，完全可以將按鍵與顯示數(shù)據(jù)口復用。 6． 其他外設： PA4輸出信號控制 LCD12864背光， PC5連接至數(shù)字編程溫度傳感 器， PC6作剎車輸入， PE5控制蜂鳴器報警， PE6控制 LED指示 MCU工作狀態(tài)。 驅(qū)動主電路逆變橋 下圖 ，為無刷電機的驅(qū)動主電路，是一個三相 全 橋 逆變電路： Q10IRF540Q11IRF540Q12IRF540R2875R2975R3075Q48550Q58550Q68550R213K3R223K3R233K3D4DIODED5DIODED6DIODER321GNDPHASE_A PHASE_B PHASE_COCA OCB OCC+12V_POWERG_A G_B G_CPAO PBO PCOQ7D669Q8D669Q9D669 圖 三相全橋逆變電路 該電 路每一相都由上下橋臂組成，下橋臂是電力場效應管，使用運算放大器直接驅(qū)動，換相時，根據(jù)當前相序，信號由控制器相應的比較輸出通道給出。上橋臂由光耦合器驅(qū)動的達林頓形式來控制電力晶體管，根據(jù)當前相序輸出 的是 PWM信號。 20 逆變橋驅(qū)動電路 微控制器 I/O 口無法直接驅(qū)動功率器件，或?qū)е虏环€(wěn)定，驅(qū)動電路如下圖 所示。 U4A74LS00657U3BLM358R19220IC1OPTOISO1R2415KR3147PAOG_AVDD2OCABAHBALBRG_A_HBRG_A_L 圖 驅(qū)動電路 BRG_A_H,BRG_A_L分別連至 微控制器的 TIM1_CH1與 TIM_1CH1N，兩信號通過與門點亮光耦，僅當 AL信號為高時， AH才被選通， PWM可以送到電力晶體管，由 LM358反向作用，此時下橋臂的場效應管是關(guān)斷的；如果 AL信號為低，下橋臂打開，但是由于邏輯與門輸出高電平， AH便無法送 PWM至光耦；這樣的設計，可以防止由于上電時或軟件錯誤出現(xiàn)上下橋短路的嚴重后果。 檢測模塊 電機位置檢測 霍爾元件被安放在無刷電機內(nèi)部，只需提供相應的接口，送給其電源 便能正常工作，如圖 ， A,B,C三相分別分別送至 PE0， PE1， PE2； 這類 霍爾元件 屬于開漏輸出型器件，因此需要加上拉電阻： 12345J5Hall signalVDD2GNDR5810KR5710KR5610KHALL_AHALL_BHALL_CHACHABHAAC26100C27100C28100