永磁无刷直流电机驱动系统的应用

   　中心议题：　　直流电机驱动系统的介绍　　系统设计的关键点和难点　　解决方案：　　较低的电压等级带来应对大电流的挑战　　力矩控制策略带来“闭环失效”问题　　简单而新颖的无位置传感策略　　二十一世纪的头一个十年就快悄悄过去了，但人们所热望的电气交通时代却并没有如期而至。在诸多由政府主导、企业和研究机构积极参与的电动车计划如PNGV、FreedomCAR、PREDIT111在轰隆的引擎声中落幕时人们开始意识到：传统汽车产业的巨大惯性和强大生命力远远超过了他们的想象，在未来相当长的一段时间内，电动汽车还只能停泊在实验室。　　现在，纯电动汽车的应用研究转向了以公交车为主的定点、定向运行车辆和社区用车及特定用途的微型车。这类车辆具有一些共同的特点，比如都是由机构管理，在特定区域运行，车速不高。我们可以针对这些特点对车辆的设计和管理进行优化，以降低成本和提高性能，抗衡传统内燃机型汽车，还有一点就是创建节能和环保形象，这对机构和企业来说是重要的。　　项目和系统介绍　　高尔夫球车属于一种特定用途的微型车，它在高尔夫球场地上运行，驾乘者目的不同以及场地的路况降低了对车辆续驶里程但对驱动系统动力性能却提出了相对较高的要求。众所周知，高尔夫场地高低起伏，这要求高尔夫球车驱动电机具有优良的过载性能；车速不高，意味着高尔夫球车驱动电机不需要很宽的调速范围。要满足这些要求，使用永磁无刷直流电机（BLDC）显得再好不过：在很大负载范围内，BLDC都能获得极高的效率，只要它的转速仍然在基速以下。再者，它坚固，运行可靠，调速简单，而且若能改善位置传感器件的可靠性，它在整个运行寿期内免维护，这使它的吸引力更为出众[2]。　　我们考察了多种同类型（双座）电动高尔夫球车，它们都采用传统直流电机，多采用他励方式，电机的额定功率从2～3kW不等，均装备铅酸型蓄电池，最大容量有150AH，名义续驶历程为150km，在改装前对我们的原型车辆进行了测试，其最高效率不超过70%。但有一个很重要的共同点：他们的动力电压等级均为48V，这个值的确定也许是来源于通信电源系统，也许是考虑到安全电压的要求，但无论如何这已经成为事实上的标准。它制约我们整个驱动系统的建立。　　系统设计的关键点和难点　　既然BLDC有很多优点，人们当然有理由将其应用到高尔夫球车这类微型车当中去，但为什么世面上现有的电动高尔夫球车均采用传统直流电机呢？答案或许很多，有两点却始终跑不掉，那就是成本和可靠性。先说成本，具有相近参数的BLDC比传统直流电机价格高，主要是永磁体贵，不过现在永磁体的价格呈下降的趋势[3]；他励直流电机的驱动要求主电路为三个桥臂，但有两个桥臂位于励磁回路，容量较小，而BLDC的驱动要求主电路为三相桥式驱动电路，它们身上均流过电枢电流，这大大增加了功率开关器件的投入。再说可靠性，采用霍尔位置传感器来检测电机转子位置以指导功率器件进行适当的换相，成本低，检测电路简单，但可靠性低[4]。当然，即便采用其他类型的传感器可靠性也高不到哪去，个人认为这跟传统直流电机的电刷和换向器一样让人头痛。这些问题怎么解决，以及一些其他电机驱动系统都具有的共性问题，我在下面的内容中进行阐述。　　较低的电压等级带来应对大电流的挑战　　在设计的最大功率下功率开关器件处理的电流峰值将达到100A。大电流将对因器件布置所带来的寄生参数、分布电感等问题提出严苛的要求，当然还有散热。同等情况下，BLDC的驱动需要更多的功率开关器件，但我们仍然希望能不增加控制器的体积。由于成本所限，不可能采用性能优良但价格昂贵的集成或智能功率器件（IPM），唯一可能的是尽力改善散热条件以减少功率MOSFET的数量。在这里我们引进了一种称为“铝基覆铜板”的散热方式[5]，灵感来源于IPM，在这类功率器件中，功率晶元甚至没有进行封装就直接表面贴装在铝基板上。接着我们还发现它在高强度LED光源、汽车点火系统等场合也多有应用。通过采用该散热方式，我们成功将原本七个一组并联减少到三个一组并联，效果让人欣喜。采用表面贴装的方式，功率开关器件的引脚寄生电感也可大大缩小，可谓一举两得。　　关于多管并联的均流问题，利用最差状态[6][7]（WorstCase）方法对多管并联的稳态均流问题进行分析，我们以此来确定多管并联时所采取的降额因子；但影响动态均流问题的因素过多，不便分析，从统计角度来分析多参数的影响是一个值得思考的方向。　　力矩控制策略带来“闭环失效”问题　　采用力矩控制策略来实现高尔夫球车驱动系统的控制，优点有很多诸如起动转矩大、响应迅速、限流效果好等。但力矩控制策略带来“闭环失效[8]”问题：由于设计的驱动系统具有一倍的过载能力，当负载力矩始终无法达到油门踏板给定力矩时，油门踏板踏位处于负载力矩值与最大给定力矩值之间的任何变动不会对车辆的运行状态造成丝毫的改变。这与传统内燃汽车的驱动响应相异。　　在大量的实际调试中，我们小组总结出了一种行之有效的方法：这个思路非常简单，即让油门踏板踏位不仅对应力矩的给定量，还将与电机绕组最大给定线电压相对应。此时，油门踏板踏位的任何改变必然导致最大给定线电压的改变也必然将改变电机的转速。这可以从无刷直流电机的调压调速特性得出。这里我称其为“最大力矩控制策略”。对应不同类型的电机，该策略可能要做必要的调整。　　简单而新颖的无位置传感策略　　在全速度范围内寻找一种可靠的低成本的无位置传感器位置获取策略显得非常重要。得益于永磁无刷直流电机的工作特性——只需要离散的位置信号，以及相绕组之间的互感耦合效应，我们研究小组已经开发出一种称之为“间接电感法”的无位置传感器算法。通过分析我们发现在互感耦合效应会导致PWM调制的有效和无效期间相端电压的差与转子位置成一固定的关系。理论上分析，只要电压传感器件的精度达到要求，都可以得到可靠的位置信息。在低速范围内，这种方法显得更为有效，可以有效弥补反电动势法的不足以获得全速度范围内的转子位置信息。由于进度上的关系，该方法在本设计中没有体现，目前该策略的算法实现还在有条不紊的进行。　　Microchip芯片的特点及其在项目中的应用　　主控制芯片是控制系统的核心，它提供给逆变器驱动信号、对功率驱动保护进行处理、实时采样转换电流等模拟信号、采集位置信号、通过开关量输入输出接收外部信息或者对外部进行控制、通过CAN总线与外部其它系统交换信息、对各种信息进行分析处理、协调各部分的工作等。　　本设计所描述的电动高尔夫球车永磁无刷直流电机驱动系统采用的主控制芯片dsPIC30F4011即来自Microchip公司，它专为电机控制领域设计。dsPIC30F芯片被称为具有DSP功能的MCU，既具有控制功能强，而又有DSP的数字信号处理强的特点，这些特点使它比一般的DSP硬件开发电路更简单更便宜，而比同档的单片机更能适应数字信号处理的要求。在控制器的设计中，主要使用了芯片的如下外围模块资源[9]：　　①电机控制PWM模块（MCPWM）：PWM工作于中间对齐方式，调制频率选择为10kHz，文献[4]认为该频率可使能量密度、噪声及电磁干扰同时达到最优；输出配置为独立模式，且利用特殊事件触发器SEVTCMP使A/D采样在占空比有效的中间时刻同步，该时刻被认为具有最小的地线耦合干扰，有望获得准确的模拟量值；　　②8路10位高速A/D转换通道（AD）：用来在每个PWM周期中同时对母线电压、两组油门给定、两组刹车模拟量信号、两相电流、铝基板温度8个信号进行采样，且采样与PWM时基同步；　　③电平变化中断（CN）：来自电机霍尔传感器的位置信号发生电平变化时会产生电平变化中断，在电平变化中断服务子程序中，实施电机换相、辨别电机转向以及计算转速；　　④定时器4（TMR4）：定时器4工作于周期计数模式，以记录相邻两个电周期发生的间隔，用来计算转速；　　⑤控制器局域网络（CAN）模块：将关于电机和车辆的部分信息通过CAN通信送至上位仪表(液晶显示器)，并可接受来上位仪表的指令(触摸屏)。　　即便是初学者，你也会发现Microchip的开发平台极易上手，他的集成开发环境完全免费，也有一些价格低廉的在线调试工具如ICD2，当然要进行系统的开发，还需要一块目标板。再加上RISC的采用，你会发现即便采用汇编语言编程也一样轻松，当然我在设计中采用的还是C语言，某些需要高质量目标代码的地方采用了嵌入行内汇编的这种混合编程方式以达到代码质量和效率的平衡。　　Microchip的技术支持非常出色，网络资源相当丰富，特别在电机控制领域，种类齐全而且更新速度快，且其中相当多的一部分应用笔记有对应的中文版本，这对初学者来说是一笔宝贵的财富，在设计之前很好的掌握它们可以起到事半功倍的效果。但有一点瑕疵的是我发现不同技术支持工程师编写的应用笔记或示例中的源代码风格迥异，有一些注释也不是很规范，还是统一一下的好。　　图1产品选型指南　　我们以图1来示意Microchip丰富的产品线，包括有8、16、32位MCU和DSC，模拟器件和接口产品、存储器及射频器件等。在各个产品系列中都有非常优秀的产品。在设计中，除了主控制芯片采用了Microchip的dsPIC30F4011，还使用了CAN网络的总线驱动器MCP2551和轨到轨运放MCP604。利用CAN来与上位液晶显示仪表通信，向其传送车辆的状态信息并可以接受该仪表的指令以改变控制参数或响应控制指令；MCP604构成了模拟量检测、有源滤波单元的主体；系统中的过温和过流硬件保护信号也是来自于MCP604内部运放构成的比较器的输出，这些输出信号通过线或连接至dsPIC30F4011的功率驱动保护引脚（FLTA）。　　对于MOSFET的驱动器件，我们曾一度准备采用TC4431，但它只是一个单端驱动器，这就需要独立的电源为高端的驱动器件供电。为了降低成本，我们只设计了一路15V电源，最终选择了IR公司的IR2181，利用自举电容为其高端MOSFET驱动器件供电。当然，Microchip的电源管理器件也非常好用，且网站上有完整的电源管理方案，在下一步的设计中，计划完善驱动系统的电池管理系统，以提高车辆的续驶里程和延长电池使用寿命。