Microchip的永磁無(wú)刷直流電機驅動(dòng)系統應用

　　筆者剛剛參加了“Microchip 16位嵌入式控制設計大獎賽”并取得了一定的成績(jì)。在Microchip公司提議下，我以“Microchip產(chǎn)品及其在電動(dòng)高爾夫球車(chē)永磁無(wú)刷直流電機驅動(dòng)系統的應用”為題來(lái)簡(jiǎn)單介紹我團隊參賽項目的背景、系統設計的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)，概述 Microchip產(chǎn)品及其在該項目中的應用，在文章的最后談?wù)勛约涸诒荣愡^(guò)程中的收獲和心得體會(huì )。

　　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。

　　在大量的實(shí)際調試中，我們小組總結出了一種行之有效的方法：這個(gè)思路非常簡(jiǎn)單，即讓油門(mén)踏板踏位不僅對應力矩的給定量，還將與電機繞組最大給定線(xiàn)電壓相對應。此時(shí)，油門(mén)踏板踏位的任何改變必然導致最大給定線(xiàn)電壓的改變也必然將改變電機的轉速。這可以從無(wú)刷直流電機的調壓調速特性得出。這里我稱(chēng)其為“最大力矩控制策略”。對應不同類(lèi)型的電機，該策略可能要做必要的調整。

　　簡(jiǎn)單而新穎的無(wú)位置傳感策略

　　在全速度范圍內尋找一種可靠的低成本的無(wú)位置傳感器位置獲取策略顯得非常重要。得益于永磁無(wú)刷直流電機的工作特性——只需要離散的位置信號，以及相繞組之間的互感耦合效應，我們研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種稱(chēng)之為“間接電感法”的無(wú)位置傳感器算法。通過(guò)分析我們發(fā)現在互感耦合效應會(huì )導致PWM調制的有效和無(wú)效期間相端電壓的差與轉子位置成一固定的關(guān)系。理論上分析，只要電壓傳感器件的精度達到要求，都可以得到可靠的位置信息。在低速范圍內，這種方法顯得更為有效，可以有效彌補反電動(dòng)勢法的不足以獲得全速度范圍內的轉子位置信息。由于進(jìn)度上的關(guān)系，該方法在本設計中沒(méi)有體現，目前該策略的算法實(shí)現還在有條不紊的進(jìn)行。
　
　　Microchip芯片的特點(diǎn)及其在項目中的應用

　　主控制芯片是控制系統的核心，它提供給逆變器驅動(dòng)信號、對功率驅動(dòng)保護進(jìn)行處理、實(shí)時(shí)采樣轉換電流等模擬信號、采集位置信號、通過(guò)開(kāi)關(guān)量輸入輸出接收外部信息或者對外部進(jìn)行控制、通過(guò)CAN總線(xiàn)與外部其它系統交換信息、對各種信息進(jìn)行分析處理、協(xié)調各部分的工作等。

　　本設計所描述的電動(dòng)高爾夫球車(chē)永磁無(wú)刷直流電機驅動(dòng)系統采用的主控制芯片dsPIC30F4011即來(lái)自Microchip公司，它專(zhuān)為電機控制領(lǐng)域設計。dsPIC30F芯片被稱(chēng)為具有DSP功能的MCU，既具有控制功能強，而又有DSP的數字信號處理強的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使它比一般的DSP硬件開(kāi)發(fā)電路更簡(jiǎn)單更便宜，而比同檔的單片機更能適應數字信號處理的要求。在控制器的設計中，主要使用了芯片的如下外圍模塊資源[9]：

　?、?電機控制PWM模塊（MCPWM）：PWM工作于中間對齊方式，調制頻率選擇為10kHz，文獻[4]認為該頻率可使能量密度、噪聲及電磁干擾同時(shí)達到最優(yōu)；輸出配置為獨立模式，且利用特殊事件觸發(fā)器SEVTCMP使A/D采樣在占空比有效的中間時(shí)刻同步，該時(shí)刻被認為具有最小的地線(xiàn)耦合干擾，有望獲得準確的模擬量值；

　?、?8路10位高速A/D轉換通道（AD）：用來(lái)在每個(gè)PWM周期中同時(shí)對母線(xiàn)電壓、兩組油門(mén)給定、兩組剎車(chē)模擬量信號、兩相電流、鋁基板溫度8個(gè)信號進(jìn)行采樣，且采樣與PWM時(shí)基同步；

　?、?電平變化中斷（CN）：來(lái)自電機霍爾傳感器的位置信號發(fā)生電平變化時(shí)會(huì )產(chǎn)生電平變化中斷，在電平變化中斷服務(wù)子程序中，實(shí)施電機換相、辨別電機轉向以及計算轉速；

　?、?定時(shí)器4（TMR4）：定時(shí)器4工作于周期計數模式，以記錄相鄰兩個(gè)電周期發(fā)生的間隔，用來(lái)計算轉速；

　?、?控制器局域網(wǎng)絡(luò )（CAN）模塊：將關(guān)于電機和車(chē)輛的部分信息通過(guò)CAN通信送至上位儀表(液晶顯示器)，并可接受來(lái)上位儀表的指令(觸摸屏)。

　　即便是初學(xué)者，你也會(huì )發(fā)現Microchip的開(kāi)發(fā)平臺極易上手，他的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完全免費，也有一些價(jià)格低廉的在線(xiàn)調試工具如ICD2，當然要進(jìn)行系統的開(kāi)發(fā)，還需要一塊目標板。再加上RISC的采用，你會(huì )發(fā)現即便采用匯編語(yǔ)言編程也一樣輕松，當然我在設計中采用的還是C語(yǔ)言，某些需要高質(zhì)量目標代碼的地方采用了嵌入行內匯編的這種混合編程方式以達到代碼質(zhì)量和效率的平衡。

　　Microchip的技術(shù)支持非常出色，網(wǎng)絡(luò )資源相當豐富，特別在電機控制領(lǐng)域，種類(lèi)齊全而且更新速度快，且其中相當多的一部分應用筆記有對應的中文版本，這對初學(xué)者來(lái)說(shuō)是一筆寶貴的財富，在設計之前很好的掌握它們可以起到事半功倍的效果。但有一點(diǎn)瑕疵的是我發(fā)現不同技術(shù)支持工程師編寫(xiě)的應用筆記或示例中的源代碼風(fēng)格迥異，有一些注釋也不是很規范，還是統一一下的好。

圖1 產(chǎn)品選型指南

我們以圖 1來(lái)示意Microchip豐富的產(chǎn)品線(xiàn)，包括有8、16、32位MCU和DSC，模擬器件和接口產(chǎn)品、存儲器及射頻器件等。在各個(gè)產(chǎn)品系列中都有非常優(yōu)秀的產(chǎn)品。在設計中，除了主控制芯片采用了Microchip的 dsPIC30F4011，還使用了CAN網(wǎng)絡(luò )的總線(xiàn)驅動(dòng)器MCP2551和軌到軌 運放MCP604。利用CAN來(lái)與上位液晶顯示儀表通信，向其傳送車(chē)輛的狀態(tài)信息并可以接受該儀表的指令以改變控制參數或響應控制指令；MCP604構成了模擬量檢測、有源濾波單元的主體；系統中的過(guò)溫和過(guò)流硬件保護信號也是來(lái)自于MCP604內部運放構成的比較器的輸出，這些輸出信號通過(guò)線(xiàn)或連接至dsPIC30F4011的功率驅動(dòng)保護引腳（FLTA）。對于 MOSFET的驅動(dòng)器件，我們曾一度準備采用TC4431，但它只是一個(gè)單端驅動(dòng)器，這就需要獨立的電源為高端的驅動(dòng)器件供電。為了降低成本，我們只設計了一路15V電源，最終選擇了IR公司的IR2181，利用自舉電容為其高端MOSFET驅動(dòng)器件供電。當然，Microchip的電源管理器件也非常好用，且網(wǎng)站上有完整的電源管理方案，在下一步的設計中，計劃完善驅動(dòng)系統的電池管理系統，以提高車(chē)輛的續駛里程和延長(cháng)電池使用壽命。

　　競賽中的收獲和體會(huì )

　　在提交了參賽作品之后，我如釋重負?；叵脒@半年來(lái)在實(shí)驗室?jiàn)^斗的日日夜夜，心中感慨良多：向我的隊友們表示衷心感謝，我們是一個(gè)團隊，每個(gè)人都是成功的關(guān)鍵，非常幸運的是我的隊友們都非常優(yōu)秀而且和我有著(zhù)共同的信念，沒(méi)有他們的努力是不可能取得任何成績(jì)的；參與到一個(gè)項目中去，完整介入其整個(gè)過(guò)程對一個(gè)電子工程師的成長(cháng)非常必要。從立項、可行性研究、方案的初步設計、詳細設計、原型系統的試制到實(shí)驗調試，我的學(xué)習能力、分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力、溝通和協(xié)調能力有了長(cháng)足的進(jìn)步；感謝Microchip公司和電子產(chǎn)品世界給我們提供“Microchip 16位嵌入式控制設計大獎賽”這樣一個(gè)平臺：來(lái)自全國各地的工程師和電子愛(ài)好者們可以通過(guò)這個(gè)平臺交流靈感和創(chuàng )意、分享成果和成功的喜悅！衷心感謝，祝大賽越辦越好，規模越辦越大，如果還有機會(huì )，希望能和來(lái)自世界各地的電子愛(ài)好者們同臺競技，共襄盛舉！

　　參考文獻：

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[8] 楊立勇，電動(dòng)汽車(chē)用永磁無(wú)刷直流電機控制技術(shù)研究，重慶大學(xué)出版社，2004
[9] Microchip Technology Inc. dsPIC30F系列參考手冊[EB/OL].