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无刷直流电机应用实例:电机控制器开发的三大要点

日期:2019-02-27 03:35

  电机的应用非常广泛,遍及信息处理、音响设备、汽车电气设备、国防、航空航天、工农业生产等生活各个领域。按照电源种类分为直流电动机和交流电动机,无刷直流电机就属于直流电动机的一种。

  无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成,是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机,又称无换向器电机。早在十九纪诞生电机的时候,产生的实用性电机就是无刷形式,即交流鼠笼式异步电动机,这种电动机得到了广泛的应用。上世纪中叶诞生了晶体管,因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了,这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机,它克服了第一代无刷电机的缺陷。

  无刷直流作为一种新型的电机技术,并非每个在使用电机的厂商均能熟练运用这门新技术,黄先生所在的企业最近就遇到了这样一个问题。他们企业做电动车成品的开发与销售,出于节能、环保考虑,最近他在客户那里采购了一个电机样品,是一个直流无刷电机,但需要开发一个控制器去驱动这个电机装备,项目周期很急,需在一个月内完成这个模块开发。由于缺乏这方面的开发经验,他选择了在快包上发包帮助自己快速完成产品开发。

  据悉,这个雇主在快包上根据项目要求,将设计这个电动车无刷直流电机控制器功能描述了几大要点:

  一、常规功能:120度无刷直流电机恒转矩控制、超静音启动、自动巡航、自动助力;

  二、特色功能:换相补偿、同步续流、EABS柔性刹车、刹车反充电、智能速度控制、防盗模式、倒车模式、换相速度最高可达20000转/分;

  三、保护功能:飞车保护、过流保护、限流保护、过压保护、欠压保护、堵转保护;

  四、学习功能:短接学习线上电,电机会缓慢转动,并自动学习相位,断开学习线自动保存数据。重新上电即可正常使用;

  在项目发布不到一天的时间,雇主看中了深圳本地的一家服务商,这个开发者拥有丰富的控制器开发经验,从承接项目到完成花了不到二十天时间,在产品经理与服务商的沟通过程中,他详细的介绍自己是如何在一个月内完成电动车直流无刷电机控制器开发的,给工程师一些技术上的帮助。

  “要使无刷电机转起来,并且听从驾驶者的调速、刹车等基本指挥,最基本的要求就是要实现硬件所能实现的电子换向和调速,刹车等功能。实际上软件的整体设计也和硬件一样,也是一个模块化堆砌的过程,问题在于模块的合理化堆砌,使堆砌后形成的整体能够坚固,协调、高效率运作。我们先说一说各种模块功能的简单实现,然后再来讨论如何使这些模块协调运转”这个服务商说道。

  电机驱动是一个大电流驱动,又是一个电感性负载,控制器在运行时不可避免有干扰引入,因此除了在硬件布局,布线上注意外,软件上也要做相应的抗干扰措施以避免错误的换向动作。考虑到输入到单片机的换相信号容易受干扰,加上线路上滤波电容的影响,单片机程序在读取换相信号时应至少连续读取3次,以3次信号完全一致时才采用该值作为换相信号的真值,如果其中一次不对,那么干脆就重新再读3次,这就是一个有抗干扰措施的鉴相过程。取得换相信号后,我们将其与上次读到的值做对比,如果相同,则表示没有换相,如果不同,则要跟据这个值去取得一个相对应的驱动信号,从而驱动电子开关动作。这个过程可以使用逐项比较法、查表法等来实现。

  市面上有两种电机,即所谓的120°和60°霍尔信号,这个角度代表三个霍尔器件输出的三相电信号其相位角相差的角度,其实这里面的区别仅仅是电平的不一样,在马达内部的安装上,位置没什么不同,只是中间一相的相位相反,所以仍然是六种信号对应六种驱动,软件上将表稍作调整即可。需要提一下的是,在120°的霍尔信号中,不可能出现二进制0B000和0B111的编码,所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作。因为霍尔元件是开路输出,高电平依靠电路上的上拉电阻提供,一旦霍尔零件断电,霍尔信号输出就是0B111。一旦霍尔零件短路,霍尔信号输出就是0B000,而60°的霍尔信号在正常工作时这两种信号均会出现,所以一定程度上影响了软件判断故障的准确率。目前市面马达已经逐渐舍弃60°相位的霍尔排列。

  这是整个控制器的灵魂,如果限流驱动没做好,其他功能再好还是一个字:烧!。电动车控制器的电子开关均使用功率MOSFET控制,MOSFET的最大允许电流,最大允许功耗都有其限制,如果没有电流控制,或者电流控制不好,均会导致功率MOSFET的烧毁,从而导致整个控制器报废,因此电流控制是本程序的重中之重,这个做不好,其它功能一概免谈。说起来严重,其实做起来,摸到窍门也是很简单的,其秘诀也只有四个字:准确,及时。

  电流信号经康铜丝采样之后分两路,一路送至放大器,一路送至比较器。具体电路见硬件部分。放大器用来实时放大电流信号,放大倍数大约6.5倍,放大后的信号提供给单片机进行AD采样转换,转换所得数字用来控制电流不超过我们所允许的值。另一路信号送至比较器,当电流突然由于某种原因大大超过允许值,比如一只MOSFET击穿或误导通时,比较器翻转送出低电平,触发单片机的INT0外部中断,使单片机能够快速关断驱动,从而保护MOSFET避免更大伤害。

  电动车在刹车手柄附近装了一个微动开关,一方面在刹车时点亮刹车灯,一方面给控制器提供一个刹车高或低电平信号,各厂家不一定,在电路上作一些电平转换很容易就可以提供给单片机一个准确的信号,我们可以采用数字测量的方法测量这个电平是高还是低,也可以使用AD去测量有几伏,总之监测到这个信号后必须关闭所有的驱动输出和PWM输出,这样就可以实现刹车断电。

  快包总结:这个项目已经在快包结案,通过这些经验的分享,作为同行业的工程师是否受益匪浅呢,在以后接到类似项目的时候,可以参考这个案例进行设计开发。

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