摘要：本文介紹了以電機控制專用芯片μPD78F0712為核心的E-BIKE用無刷直流電機控制器的設(shè)計，主要闡述了PWM控制電路結(jié)構(gòu)及功率開關(guān)器件的選擇，驅(qū)動電路，保護電路以及軟件設(shè)計。
關(guān)鍵詞：μPD78F0712；無刷直流電機；控制器；電動自行車

引言

電動自行車是一種安全、經(jīng)濟、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力，而且能夠更方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實現(xiàn)其機電一體化的目標，因而具有廣闊的發(fā)展前景。

在許多對調(diào)速精度要求不高的應(yīng)用場合，無刷直流電機(BLDC )的調(diào)速方式主要通過開環(huán)PWM 調(diào)制來實現(xiàn)。導(dǎo)通邏輯信號上疊加PWM 信號，通過外部給定PWM 的占空比來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化，硬件實現(xiàn)容易，成本較低。目前市場上電動自行車的調(diào)速大多采用這種方式。

為提高E-BIKE(電動自行車)用無刷直流電機的控制性能，本文提出了一種采用NEC公司的電機專用控制芯片μPD78F0712為核心的控制方案，并對電機的速度和電流進行了閉環(huán)控制，目的在于提高其動態(tài)和靜態(tài)特性，優(yōu)化其控制性能。

μPD78F0712

μPD78F0712為NEC公司的8位電機控制專用驅(qū)動芯片，其特點如下：最小指令執(zhí)行時間可達0.1ms；外部時鐘頻率20MHz；片上高速晶振(8MHz)；32個8位通用寄存器；片上乘法/除法器；16K ROM，768 Bytes RAM；自編程功能；片上看門狗定時器；10位逆變器控制電路；4通道10位A/D轉(zhuǎn)換；15路IO端口；實時輸出端口。

無刷直流電機控制系統(tǒng)

基于μPD78F0712的無刷直流電機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
框圖中各個功能塊的作用如下：速度給定電路得到自行車手柄的模擬給定速度；驅(qū)動電路把MCU的驅(qū)動信號轉(zhuǎn)換為功率MOSFET的驅(qū)動信號，控制功率管的導(dǎo)通狀態(tài)；功率電路實現(xiàn)直流到交流的變換，控制電機的電流；電流反饋用于檢測電機電流；位置反饋用于檢測電機轉(zhuǎn)子的位置；無傳感器電路根據(jù)電機的反電動勢確定轉(zhuǎn)子的位置。下面將具體介紹各個部分的電路和功能。

位置檢測電路

無刷直流電機采用三個空間相差120o的霍爾器件進行位置檢測。其輸出波形如圖2所示。

圖2 霍爾器件的輸出信號
這三個信號經(jīng)過濾波處理后由單片機的三個外部中斷輸入引腳進行處理，得到正確的轉(zhuǎn)子位置信息。由MCU根據(jù)確定的換相控制邏輯對電機進行換相，得到連續(xù)的輸出轉(zhuǎn)矩，從而使得電機可以正確的連續(xù)運行。同時根據(jù)這三路信號的位置信息經(jīng)過微分計算可以得到電機的實際轉(zhuǎn)速，為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)對速度進行濾波處理。位置采樣電路如圖3所示。

圖3 位置采樣電路
電壓檢測電路

電壓檢測電路的作用在于實時檢測蓄電池的輸出電壓，以防止在運行過程中蓄電池因為過放電而受到損壞。通過對輸出電壓進行電阻分壓并通過控制芯片的A/D轉(zhuǎn)換電路進行轉(zhuǎn)換，在控制程序中實現(xiàn)欠壓保護功能。

電流檢測電路

電流檢測電路用于檢測在運行過程中的流過電機繞組和功率電路的電流的瞬時值，并進行電流采樣用于系統(tǒng)的電流閉環(huán)控制和過流保護。為降低系統(tǒng)的成本，根據(jù)無刷直流電機的兩兩通電的控制方式的工作原理，在三相功率驅(qū)動電路的下橋臂與系統(tǒng)的地之間串入一個5毫歐的功率電阻，其兩端的電壓經(jīng)過放大后進行電流采樣。

功率電路

功率電路如圖4所示，供電電壓為直流48V,采用三相橋式逆變電路，工作方式為兩兩通電，即在每個工作周期內(nèi)每隔60度換相一個功率管，每個功率管導(dǎo)通120度，同一橋臂的兩個MOSFET不需要添加死區(qū)時間。

圖4 功率電路
驅(qū)動電路

驅(qū)動電路一般包括兩種形式：采用專用驅(qū)動芯片或用分立器件構(gòu)成驅(qū)動電路。本系統(tǒng)中采用后一種方案，可以在保證可靠性的前提下降低系統(tǒng)的成本。由分立器件組成的一相橋臂的驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路
軟件控制策略

本系統(tǒng)采用速度和電流雙閉環(huán)的全數(shù)字控制，其特點是是調(diào)試方便，控制策略改動容易。速度環(huán)采用傳統(tǒng)的PI控制策略，電流環(huán)采用帶反電動勢補償?shù)腜I控制方案。軟件設(shè)計采用模塊化控制方案，從速度給定和位置采樣、速度計算、閉環(huán)調(diào)節(jié)以及其他的各種功能都通過MCU的控制軟件實現(xiàn)。系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示。

圖6 控制程序框圖
對電機的控制由軟件根據(jù)實際速度進行電壓和電流的閉環(huán)計算后改變PWM輸出脈沖的占空比實現(xiàn)。PWM驅(qū)動脈沖的頻率為20KHz，最大限度的降低了系統(tǒng)的電磁噪聲。其中電流環(huán)的計算周期為100ms，速度環(huán)的計算周期為500ms。其控制原理結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 控制原理結(jié)構(gòu)
樣機測試及分析

根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用新日風(fēng)華6號作為試驗樣機，其采用的無刷直流電機的各項指標如下：

額定電壓：48V； 額定功率：240W;
額定轉(zhuǎn)矩：6N.m； 額定轉(zhuǎn)速：300rpm；
電機效率：≥80%；額定電流：7A。

在保證其他系統(tǒng)控制電路不變的情況下更換控制板后的樣機如圖8所示。

圖8 試驗樣機
根據(jù)電動自行車的性能要求完成了如下各項功能試驗，系統(tǒng)性能也得到了很大的提高。

·120o/60o電機切換功能
通過更改換相邏輯控制器完成了對兩種電機的切換控制。

·剎車斷電。

·電輔剎車和反充電
通過軟件可以控制剎車力的大小和反充電的電流。

·定速巡航功能。

·速度和電流閉環(huán)
進行閉環(huán)控制提高了速度跟蹤的精度并且減小運行過程中的轉(zhuǎn)矩脈動。

·堵轉(zhuǎn)保護
在堵轉(zhuǎn)的情況下起到保護功率電路的作用。

·欠壓保護
保護蓄電池以免過放電。

·其他一些輔助功能。

經(jīng)過系統(tǒng)試驗證明，與當前市場上的E-BIKE相比，該系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了所有基本的控制功能，并在此基礎(chǔ)上增加了速度和電流閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能。