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永磁无 刷直流电机驱动系统的应用

日期:2010年6月9日 09:21

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、PRED111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,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。

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