單片機在電動(dòng)高爾夫球車(chē)永磁無(wú)刷直流電機驅動(dòng)系統的應用

引言

　　二十一世紀的頭一個(gè)十年就快悄悄過(guò)去了，但人們所熱望的電氣交通時(shí)代卻并沒(méi)有如期而至。在諸多由政府主導、企業(yè)和研究機構積極參與的電動(dòng)車(chē)計劃如PNGV、Freedom CAR 、PREDIT111在轟隆的引擎聲中落幕時(shí)人們開(kāi)始意識到：傳統汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的巨大慣性和強大生命力遠遠超過(guò)了他們的想象，在未來(lái)相當長(cháng)的一段時(shí)間內，電動(dòng)汽車(chē)還只能停泊在實(shí)驗室。

　　現在，純電動(dòng)汽車(chē)的應用研究轉向了以公交車(chē)為主的定點(diǎn)、定向運行車(chē)輛和社區用車(chē)及特定用途的微型車(chē)。這類(lèi)車(chē)輛具有一些共同的特點(diǎn)，比如都是由機構管理，在特定區域運行，車(chē)速不高。我們可以針對這些特點(diǎn)對車(chē)輛的設計和管理進(jìn)行優(yōu)化，以降低成本和提高性能，抗衡傳統內燃機型汽車(chē)，還有一點(diǎn)就是創(chuàng )建節能和環(huán)保形象，這對機構和企業(yè)來(lái)說(shuō)是重要的[1]。
　　
項目和系統介紹

　　高爾夫球車(chē)屬于一種特定用途的微型車(chē)，它在高爾夫球場(chǎng)地上運行，駕乘者目的不同以及場(chǎng)地的路況降低了對車(chē)輛續駛里程但對驅動(dòng)系統動(dòng)力性能卻提出了相對較高的要求。眾所周知，高爾夫場(chǎng)地高低起伏，這要求高爾夫球車(chē)驅動(dòng)電機具有優(yōu)良的過(guò)載性能；車(chē)速不高，意味著(zhù)高爾夫球車(chē)驅動(dòng)電機不需要很寬的調速范圍。要滿(mǎn)足這些要求，使用永磁無(wú)刷直流電機（BLDC）顯得再好不過(guò)：在很大負載范圍內，BLDC都能獲得極高的效率，只要它的轉速仍然在基速以下。再者，它堅固，運行可靠，調速簡(jiǎn)單，而且若能改善位置傳感器件的可靠性，它在整個(gè)運行壽期內免維護，這使它的吸引力更為出眾[2]。

　　我們考察了多種同類(lèi)型（雙座）電動(dòng)高爾夫球車(chē)，它們都采用傳統直流電機，多采用他勵方式，電機的額定功率從2～3kW不等，均裝備鉛酸型蓄電池，最大容量有150AH，名義續駛歷程為150km，在改裝前對我們的原型車(chē)輛進(jìn)行了測試，其最高效率不超過(guò)70%。但有一個(gè)很重要的共同點(diǎn)：他們的動(dòng)力電壓等級均為48V，這個(gè)值的確定也許是來(lái)源于通信電源系統，也許是考慮到安全電壓的要求，但無(wú)論如何這已經(jīng)成為事實(shí)上的標準。它制約我們整個(gè)驅動(dòng)系統的建立。
　　
系統設計的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)

　　既然BLDC有很多優(yōu)點(diǎn)，人們當然有理由將其應用到高爾夫球車(chē)這類(lèi)微型車(chē)當中去，但為什么世面上現有的電動(dòng)高爾夫球車(chē)均采用傳統直流電機呢？答案或許很多，有兩點(diǎn)卻始終跑不掉，那就是成本和可靠性。先說(shuō)成本，具有相近參數的BLDC比傳統直流電機價(jià)格高，主要是永磁體貴，不過(guò)現在永磁體的價(jià)格呈下降的趨勢[3]；他勵直流電機的驅動(dòng)要求主電路為三個(gè)橋臂，但有兩個(gè)橋臂位于勵磁回路，容量較小，而B(niǎo)LDC的驅動(dòng)要求主電路為三相橋式驅動(dòng)電路，它們身上均流過(guò)電樞電流，這大大增加了功率開(kāi)關(guān)器件的投入。再說(shuō)可靠性，采用霍爾位置傳感器來(lái)檢測電機轉子位置以指導功率器件進(jìn)行適當的換相，成本低，檢測電路簡(jiǎn)單，但可靠性低[4]。當然，即便采用其他類(lèi)型的傳感器可靠性也高不到哪去，個(gè)人認為這跟傳統直流電機的電刷和換向器一樣讓人頭痛。這些問(wèn)題怎么解決，以及一些其他電機驅動(dòng)系統都具有的共性問(wèn)題，我在下面的內容中進(jìn)行闡述。

較低的電壓等級帶來(lái)應對大電流的挑戰

　　在設計的最大功率下功率開(kāi)關(guān)器件處理的電流峰值將達到100A。大電流將對因器件布置所帶來(lái)的寄生參數、分布電感等問(wèn)題提出嚴苛的要求，當然還有散熱。同等情況下，BLDC的驅動(dòng)需要更多的功率開(kāi)關(guān)器件，但我們仍然希望能不增加控制器的體積。由于成本所限，不可能采用性能優(yōu)良但價(jià)格昂貴的集成或智能功率器件（IPM），唯一可能的是盡力改善散熱條件以減少功率MOSFET的數量。在這里我們引進(jìn)了一種稱(chēng)為“鋁基覆銅板”的散熱方式[5]，靈感來(lái)源于IPM，在這類(lèi)功率器件中，功率晶元甚至沒(méi)有進(jìn)行封裝就直接表面貼裝在鋁基板上。接著(zhù)我們還發(fā)現它在高強度LED光源、汽車(chē)點(diǎn)火系統等場(chǎng)合也多有應用。通過(guò)采用該散熱方式，我們成功將原本七個(gè)一組并聯(lián)減少到三個(gè)一組并聯(lián)，效果讓人欣喜。采用表面貼裝的方式，功率開(kāi)關(guān)器件的引腳寄生電感也可大大縮小，可謂一舉兩得。

　　關(guān)于多管并聯(lián)的均流問(wèn)題，利用最差狀態(tài)[6][7]（Worst Case）方法對多管并聯(lián)的穩態(tài)均流問(wèn)題進(jìn)行分析，我們以此來(lái)確定多管并聯(lián)時(shí)所采取的降額因子；但影響動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題的因素過(guò)多，不便分析，從統計角度來(lái)分析多參數的影響是一個(gè)值得思考的方向。

力矩控制策略帶來(lái)“閉環(huán)失效”問(wèn)題

　　采用力矩控制策略來(lái)實(shí)現高爾夫球車(chē)驅動(dòng)系統的控制，優(yōu)點(diǎn)有很多諸如起動(dòng)轉矩大、響應迅速、限流效果好等。但力矩控制策略帶來(lái)“閉環(huán)失效[8]”問(wèn)題：由于設計的驅動(dòng)系統具有一倍的過(guò)載能力，當負載力矩始終無(wú)法達到油門(mén)踏板給定力矩時(shí)，油門(mén)踏板踏位處于負載力矩值與最大給定力矩值之間的任何變動(dòng)不會(huì )對車(chē)輛的運行狀態(tài)造成絲毫的改變。這與傳統內燃汽車(chē)的驅動(dòng)響應相異。