外文翻譯---基于高壓無刷直流電機小型電動車的控制和結(jié)構(gòu)

1、<p><b>　　翻譯部分</b></p><p><b>　　外文原文</b></p><p><b>　　中文譯文</b></p><p>　　基于高壓無刷直流電機小型電動車的控制和結(jié)構(gòu)</p><p>　　摘要——無刷直流電機(以下簡稱BLDC)在低壓交通工具

2、（如：助力自行車、電動車和本文所闡述的機動山板）領(lǐng)域已經(jīng)變得越來越重要。隨著技術(shù)飛速發(fā)展，高能電池如鋰聚合物電池的應(yīng)用因其高性價比、輕重量，已經(jīng)變得越來越普及。由于BLDC高能、輕重、低成本等優(yōu)勢,使得BLDC成為目標內(nèi)燃機功率要求達到7KW的首選。本文中電動爬山車裝配專用電子控制器。電機通過內(nèi)置霍爾傳感器判別轉(zhuǎn)子位置。同時，還有很多其它傳感器用于監(jiān)測其它對電機運行環(huán)境起重要作用的一些變量，如電機相電流，電池電壓，電機溫度，晶體管溫度等

3、。這套所闡述的系統(tǒng)通過幾個附加特征模塊，使得功能進一步提升，如：LCD屏輸出，再生反電勢，定時超前，巡航，軟件啟動等。這些功能將在下文進行簡要闡述。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無刷直流電機控制器；再生制動；定時超前；電動滑板；霍爾傳感器。</p><p><b>　　一．介紹</b></p><p>　　機動山板能幫助使用者進行極限登山運動，

4、一般限于下坡，到平坦地區(qū)和上坡面。這給用戶更廣泛的登山位置選擇。</p><p>　　一種外轉(zhuǎn)子BLDC已經(jīng)被投入應(yīng)用。這種電機因其低速（130RPM/V），高轉(zhuǎn)矩特性，同時減少了傳動裝置而被青睞，一個比例為3.8：1的傳動裝置被用來直鏈驅(qū)動。裝置配備功率為6.5KW的Turnigy C80100-13電機，該電機足夠用來驅(qū)動速度大約在70km/h的小型交通工具。然而，由于驅(qū)動裝置和電池電壓的原因使得登山車的速度

5、限制在50km/h的水平。所以，增大了的輪動轉(zhuǎn)矩足夠保證裝置爬上險峻的山脈。</p><p>　　無霍爾傳感器的電機要求產(chǎn)生可測量的反電動勢傳遞給電機控制器，以便能夠確定轉(zhuǎn)子位置的，但因此不能提供換向平穩(wěn)啟動和低速。相反，一個裝有位置傳感器的BLDC，能夠在任何速度下確定轉(zhuǎn)子位置。同時，在啟動過程中，可以順利換相。專用裝有傳感器的BLDC因此而產(chǎn)生的。</p><p><b>　

6、　二．電氣系統(tǒng)綜述</b></p><p>　　Silicon Laboratories公司的C8051F020混合信號現(xiàn)場可編程微控制器，已被用來根據(jù)來自不同傳感器的輸入信號控制驅(qū)動電路的。該控制器運行用C語言環(huán)境下的定制軟件。該軟件用來控制電動機控制器的運行。圖1顯示功能塊的電機控制器。</p><p>　　該電動機控制器使用一個三相H橋驅(qū)動電機。該電路的優(yōu)越性在于它允許電

7、機四象限運行，以及慣性運動。如圖2所示三相H橋的原理圖。</p><p><b>　　圖2.三相逆變橋路</b></p><p>　　電機控制器應(yīng)滿足電機的特殊要求，能夠供給連續(xù)5S提供48V電壓下的130A電流，并能夠連續(xù)提供至少40A的電流。H-橋的功率開關(guān)管選用N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（N-MOSFET的）。它們的優(yōu)勢在于低成本及在兩個MOSFET并聯(lián)

8、條件下的電流導(dǎo)通能力[1]。為獲得130A的目標電流，兩個N-MOSFET的并聯(lián)使用組成六個開關(guān)的三相H橋。</p><p><b>　　A.電機驅(qū)動電路</b></p><p>　　在微控制器和MOSFET之間使用柵極驅(qū)動器IC的原因有三：</p><p>　　1.將3.2V來自單片機的邏輯信號轉(zhuǎn)換為低側(cè)晶體管12V信號，使得MOSFET飽和

9、。</p><p>　　2.提供一個電荷泵電路，用于驅(qū)動高側(cè)柵極pin腳電壓到12V以上，使得MOSFET的飽和。</p><p>　　3.為三相H橋提供直通可編程死區(qū)時間保護。</p><p>　　柵極驅(qū)動器IC和MOSFET的柵極之間柵極電阻是用來減緩晶體管的開關(guān)時間。這是為了減少通過電機繞組[2]的電流變化率（di / dt的）。當(dāng)晶體管接通或關(guān)斷時電機繞組會

10、產(chǎn)生感應(yīng)電勢（自感），電勢的大小和通過繞組的電流變化率成正比。這個感應(yīng)電壓可能會導(dǎo)致晶體管體承受電壓超過VACS等級，導(dǎo)致它們損壞。設(shè)計這些柵極電阻和并聯(lián)的晶體管在某種意義上[3]可以減少電路振蕩問題。圖3為一個在半橋路中能夠減小振蕩的柵極電阻電路的原理圖。如果需要更多的晶體管并聯(lián)，電路可以進行擴展。</p><p>　　圖3.柵極電阻的電路圖，以盡量減少MOSFET柵極振蕩</p><p&g

11、t;　　對于保護晶體管，僅僅減緩晶體管的開關(guān)時間是不夠的；母線電容器也被用于吸收尖峰電壓[2]。由于存在非常高的電壓尖峰的頻率（約50 MHz）。低等效串聯(lián)電阻（ESR）電容是必需的。標準的電解電容的速度難以實現(xiàn)吸收這種頻率的瞬態(tài)電壓。</p><p>　　電機控制器的電路采用了霍爾效應(yīng)電流傳感器來測量電機的相電流。如果相電流超過設(shè)定的限制，電機控制器切斷電機電源，以防止電機繞組和晶體管由于電流超過最大額定值而被

12、損毀?；魻栃?yīng)電流傳感器的輸出是一個模擬信號，它和流過導(dǎo)線的電流大小成比例。本應(yīng)用中還裝有一個雙向電流傳感器，以測量再生制動的電流。</p><p>　　電機控制器還使用電壓傳感器電路以測量電池的電壓。如果電壓低于規(guī)定的最小電池電壓，電機控制器將切斷電機電源。它的作用非常重要，因為可以防止過分使鋰離子聚合物電池組放電，永久地降低電池的容量[4]。由于寬范圍的工作電壓，電動機控制器能夠在（從16V到70V）電壓范圍

13、內(nèi)運行。使用一個簡單的分壓器電路和一個低通RC濾波器代替電平移位器進行電壓檢測。</p><p>　　溫度傳感器安裝在電機和晶體管的散熱片上，如果任一溫度超過預(yù)設(shè)值，電機控制器切斷電機電源。主板上的溫度傳感器也可用于監(jiān)測微控制器的溫度。同樣，如果微控制器過熱，電機控制器將切斷電源。</p><p><b>　　B.再生制動</b></p><p&g

14、t;　　電機控制器集成了一個簡單的再生制動功能。在平面或上坡過程中的再生能量很少。然而，由于再生制動是唯一一種能夠防止把動能簡單地轉(zhuǎn)換成熱能，使得晶體管散熱片和電機溫度升高的制動方法，所以被本設(shè)計采納。</p><p>　　反電勢的實現(xiàn)，是借用一個升壓轉(zhuǎn)換電路將電機的反電動勢提高到一個比電池電壓更高的水平。圖4給出一個基本的升壓轉(zhuǎn)換電路[5]。</p><p>　　圖4.Boost升壓轉(zhuǎn)換

15、電路</p><p>　　該電路無需任何額外的硬件實現(xiàn)。使用三相H橋低側(cè)晶體管作為開關(guān)裝置、電機繞組作為電感，而高側(cè)反激二極管作為升壓轉(zhuǎn)換電路中的二極管。三條電路投入使用，每條對應(yīng)其中一相。</p><p>　　通過改變低側(cè)晶體管的PWM占空比來改變該升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。隨著輸出電壓的增大，充電電流增加，導(dǎo)致增加的制動力。因此，通過讀取制動桿的位置并相應(yīng)地調(diào)整占空比來控制制動力。<

16、/p><p>　　充電電流必須保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，以防損壞電池組。本應(yīng)用中使用的鋰離子聚合物電池組，最大充電電流為20A。通過計算20A的充電電流能夠提供足夠的制動力，3s內(nèi)能將速度從30公里/小時降到0。 </p><p><b>　　C.定時超前</b></p><p>　　定時超前在有刷與無刷直流電機[6]中均有應(yīng)用。有刷直流電機中，是通過機

17、械地移動電刷相對于電機繞組的位置來實現(xiàn)。BLDC電機中，是利用電子整流控制電機使得它比正常運行時提前。</p><p>　　在理想的情況下，定時提前量（用電動旋轉(zhuǎn)的角度表示）可以從零速時0°連續(xù)變化到最大速度下的電角度數(shù)。這是可以通過微控制器做到的，但它需要大量的處理過程，并需要專用的微控制器[7]。大量的處理是必需的，因為微控制器必須通過電機的速度預(yù)測轉(zhuǎn)子的下一個位置時，然后計算最后一個電機位置換相和

18、下一個換相提前角之間的延時。有了這些信息，微控制器在上一個過渡后一個計算好的時間觸發(fā)。</p><p><b>　　D.內(nèi)部位置傳感器</b></p><p>　　此應(yīng)用中，已采取了一種簡單的定時超前，兩套霍爾效應(yīng)傳感器已被安裝在電機內(nèi)部。一組定位為中性定時，而另一組則位于30°（電機旋轉(zhuǎn)）偏離中性時間設(shè)定。第二組的霍爾傳感器產(chǎn)生的信號30°超前或

19、者30°滯后。通過電機在SOORPM條件下的最佳超前時間來確定超前電機角度，SORPM運行環(huán)境在42V電壓下的最高速。此外，因為電機有一個12極定子，每極間隔相差30°。這意味著無論是中性定時，還是超前定時的霍爾傳感器，可以很方便地安裝在定子磁極之間的間隙中。圖5分別示出中性和30°超前電機位置傳感器的信號波形。前三個波形來自中性定時，后三個來自超前定時設(shè)置的電機位置傳感器。這顯示了超前定時超前中性定時30

20、°電角。</p><p>　　圖5. 中性和30°超前電機位置傳感器的信號波形</p><p>　　有了這個超前定時角度，它也可以從第二組霍爾傳感器反向產(chǎn)生超前30°的信號。這是因為超前30°和延遲30°在相移60°（這是電機的位置轉(zhuǎn)換之間的間距）條件下等價。這將導(dǎo)致30°延遲信號位置一直滯后于超前30°信號。

21、通過產(chǎn)生這第三個信號，機動板很可能在正、反方向都使用30°超前定時。微控制器能夠更具電機速度在中性定時和超前定時間進行切換。該軟件利用遲滯，設(shè)定超前定時時，轉(zhuǎn)速4800轉(zhuǎn)；中性定時時，轉(zhuǎn)速4700轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　三．軟件設(shè)計</b></p><p>　　單片機使用定制軟件進行編程，以允許這種電機控制器擁有唯一的附加功能。該軟件主要是基于中斷

22、的，以提高計算效率和可靠性。</p><p>　　每次微控制器讀取一個模擬輸入信號，總共8個連續(xù)的讀數(shù)，并計算和使用這些讀數(shù)的平均值來設(shè)置新的變量被讀取。這有助于進一步減少來自各種傳感器的模擬信號噪聲的影響。</p><p>　　距離測量是通過計算新的電機位置的數(shù)量。對于這個特殊的馬達，在一個電氣旋轉(zhuǎn)周期轉(zhuǎn)子有6種不同位置方式和一個物理周期內(nèi)7次換相。</p><p&g

23、t;　　通過車輪直徑200mm和傳動比為3.8:1，可以計算當(dāng)電機位置達到254時，山板將前進1米。當(dāng)“新位置”計數(shù)器達到254，距離計數(shù)器就增加1，“新位置”計數(shù)器復(fù)位到零。</p><p>　　速度測量是通過使用一個山板上的定時器測量連續(xù)兩個電機的時間間隔。一個位置增量移動的距離是已知的，因此可以計算出速度。在高速行駛時，平均每8轉(zhuǎn)讀取一次以提高精度。圖6示出了電機控制器的軟件的基本流程圖。</p>

24、;<p><b>　　A．軟啟動</b></p><p>　　軟啟動功能的目的是為了保護電機和電機驅(qū)動電路在啟動過程被沖擊電流損壞。這是必需的，因為當(dāng)電機在低速或靜止的，幾乎沒有反電動勢。反電動勢阻止電壓施加到電機端子。因此，電源電壓和反電動勢電壓時，電機兩端承受的電壓有很大區(qū)別。沒有反電動勢，電機承受很大的電壓。電路中唯一的電阻是導(dǎo)通晶體管電阻（0.008 S2），[9]，電

25、機繞組（0.036 S2），還有非常低的導(dǎo)線電阻。因此，當(dāng)電機處于靜止或以低速運行，電流可以達到相當(dāng)大的水平。</p><p>　　當(dāng)電機運行時，軟啟動功能限制電動機兩端的電壓，可以用作速度控制。這是通過設(shè)置在零速時允許的最大占空比為5％，而在1900 RPM是加到100％。這個功能的實現(xiàn)的程序在主循環(huán)中，因此不會影響基于中斷操作的功能。</p><p><b>　　B．巡航&l

26、t;/b></p><p>　　巡航控制功能采用PI控制，使得速度保持Motorboard的設(shè)定上。設(shè)定點取為激活手持遙控巡航開關(guān)那瞬間的速度。PI控制器的PWM占空比的變化，以確保當(dāng)小車爬山時，隨著負荷的變化，速度固定在設(shè)定點。當(dāng)用戶應(yīng)用剎車，巡航控制功能被禁用。當(dāng)用戶停止使用制動器時，新的速度作為設(shè)定點。比例系數(shù)和積分系數(shù)通過實驗獲取。</p><p><b>　　四.

27、手持控制器</b></p><p>　　機動山板的用戶界面是一種手持式控制器。此手持控制器中使用的無線遙控汽車發(fā)射器的外殼為基礎(chǔ)。這個外殼被修改，剝出的電路板，切斷電池槽，安裝一個LCD模塊到它里面。觸發(fā)機制被保留，作為油門和剎車控制（拉回到觸發(fā)加速，推動制動）。這里利用了兩個可變電阻器（旋轉(zhuǎn)式電位器），一個是用來設(shè)置控制器的最大占空比。這個可以限制Motorboard的最大速的功能是非常有用的，尤其

28、是第一次用這個設(shè)備。其他可變電阻是用來循環(huán)各種顯示在LCD模塊上的數(shù)據(jù)。電動機控制器所使用的有兩個開關(guān)，一個用來打開控制器開啟和關(guān)閉，另一種是用來作為巡航控制通/斷開關(guān)。Motorboard和手持控制器成品圖如圖7所示。</p><p>　　液晶屏只有足夠大能夠顯示兩行16個字符。為了顯示更多的數(shù)據(jù)，手持設(shè)備上的一個可變電阻器可以讓用戶在屏幕上選擇，這里有六個數(shù)據(jù)顯示：</p><p>&

29、lt;b>　　1.主要數(shù)據(jù)畫面：</b></p><p>　　顯示當(dāng)前速度，行駛距離，電池電壓和瞬時功率輸。</p><p><b>　　2．溫度畫面：</b></p><p>　　顯示晶體管，電動機的溫度微控制器，以及環(huán)境溫度。</p><p><b>　　3．最大值屏幕：</b>

30、;</p><p>　　顯示的最大速度達到最大電流消耗 在運行過程中，最大輸出功率。</p><p><b>　　4．二級數(shù)據(jù)畫面：</b></p><p>　　顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速和瞬時。</p><p>　　5．程序的I / O畫面：</p><p>　　顯示用戶設(shè)置的最大占空比，

31、錯誤代碼，并從電機控制器程序故障代碼。</p><p><b>　　6．調(diào)試畫面：</b></p><p>　　顯示瞬時占空比，轉(zhuǎn)把輸出值（用于設(shè)置PWM占空比的值），并且將晶閘管切換到當(dāng)前狀態(tài)。</p><p><b>　　五．實驗結(jié)果</b></p><p>　　實驗結(jié)果表明：用卷尺測量時，該板

32、的距離測量對測量精確到0.5％。這種測量的分辨率使軟件測量分辨率低至4毫米。然而，在測量中，通過在引入不確定性直徑的車輪。因此，直徑、氣壓的變化、和騎手的質(zhì)量都是不確定因素。 實驗證明在400米田徑跑道繞場一圈存在1米的誤差。</p><p>　　也進行了實驗測試主板上的速度測量的準確性。把速度設(shè)定在Motorboard在液晶屏上的17公里/小時，并在這樣的速度舉行。然后緊緊粘貼5米卷尺。錄像被檢測，以

33、確定行駛5米的距離所花費的時間。據(jù)計算，實際的運行速度為17.42公里/小時。重復(fù)試驗設(shè)定速度為25公里/小時。此運行計算的實際速度為25.68公里/小時。這些設(shè)定結(jié)果比實際速度稍低，但它在25公里/小時的速度下誤差在1公里/小時以內(nèi)。</p><p><b>　　六．結(jié)論和發(fā)展</b></p><p>　　作為一個原型，還有很大提升空間。其中一個領(lǐng)域就是基于位置傳感