外文翻譯---基于高壓無刷直流電機(jī)小型電動(dòng)車的控制和結(jié)構(gòu)

1、<p><b>　　翻譯部分</b></p><p><b>　　外文原文</b></p><p><b>　　中文譯文</b></p><p>　　基于高壓無刷直流電機(jī)小型電動(dòng)車的控制和結(jié)構(gòu)</p><p>　　摘要——無刷直流電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱BLDC)在低壓交通工具

2、（如：助力自行車、電動(dòng)車和本文所闡述的機(jī)動(dòng)山板）領(lǐng)域已經(jīng)變得越來越重要。隨著技術(shù)飛速發(fā)展，高能電池如鋰聚合物電池的應(yīng)用因其高性價(jià)比、輕重量，已經(jīng)變得越來越普及。由于BLDC高能、輕重、低成本等優(yōu)勢(shì),使得BLDC成為目標(biāo)內(nèi)燃機(jī)功率要求達(dá)到7KW的首選。本文中電動(dòng)爬山車裝配專用電子控制器。電機(jī)通過內(nèi)置霍爾傳感器判別轉(zhuǎn)子位置。同時(shí)，還有很多其它傳感器用于監(jiān)測(cè)其它對(duì)電機(jī)運(yùn)行環(huán)境起重要作用的一些變量，如電機(jī)相電流，電池電壓，電機(jī)溫度，晶體管溫度等

3、。這套所闡述的系統(tǒng)通過幾個(gè)附加特征模塊，使得功能進(jìn)一步提升，如：LCD屏輸出，再生反電勢(shì)，定時(shí)超前，巡航，軟件啟動(dòng)等。這些功能將在下文進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)控制器；再生制動(dòng)；定時(shí)超前；電動(dòng)滑板；霍爾傳感器。</p><p><b>　　一．介紹</b></p><p>　　機(jī)動(dòng)山板能幫助使用者進(jìn)行極限登山運(yùn)動(dòng)，

4、一般限于下坡，到平坦地區(qū)和上坡面。這給用戶更廣泛的登山位置選擇。</p><p>　　一種外轉(zhuǎn)子BLDC已經(jīng)被投入應(yīng)用。這種電機(jī)因其低速（130RPM/V），高轉(zhuǎn)矩特性，同時(shí)減少了傳動(dòng)裝置而被青睞，一個(gè)比例為3.8：1的傳動(dòng)裝置被用來直鏈驅(qū)動(dòng)。裝置配備功率為6.5KW的Turnigy C80100-13電機(jī)，該電機(jī)足夠用來驅(qū)動(dòng)速度大約在70km/h的小型交通工具。然而，由于驅(qū)動(dòng)裝置和電池電壓的原因使得登山車的速度

5、限制在50km/h的水平。所以，增大了的輪動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠保證裝置爬上險(xiǎn)峻的山脈。</p><p>　　無霍爾傳感器的電機(jī)要求產(chǎn)生可測(cè)量的反電動(dòng)勢(shì)傳遞給電機(jī)控制器，以便能夠確定轉(zhuǎn)子位置的，但因此不能提供換向平穩(wěn)啟動(dòng)和低速。相反，一個(gè)裝有位置傳感器的BLDC，能夠在任何速度下確定轉(zhuǎn)子位置。同時(shí)，在啟動(dòng)過程中，可以順利換相。專用裝有傳感器的BLDC因此而產(chǎn)生的。</p><p><b>　

6、　二．電氣系統(tǒng)綜述</b></p><p>　　Silicon Laboratories公司的C8051F020混合信號(hào)現(xiàn)場(chǎng)可編程微控制器，已被用來根據(jù)來自不同傳感器的輸入信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)電路的。該控制器運(yùn)行用C語(yǔ)言環(huán)境下的定制軟件。該軟件用來控制電動(dòng)機(jī)控制器的運(yùn)行。圖1顯示功能塊的電機(jī)控制器。</p><p>　　該電動(dòng)機(jī)控制器使用一個(gè)三相H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)。該電路的優(yōu)越性在于它允許電

7、機(jī)四象限運(yùn)行，以及慣性運(yùn)動(dòng)。如圖2所示三相H橋的原理圖。</p><p><b>　　圖2.三相逆變橋路</b></p><p>　　電機(jī)控制器應(yīng)滿足電機(jī)的特殊要求，能夠供給連續(xù)5S提供48V電壓下的130A電流，并能夠連續(xù)提供至少40A的電流。H-橋的功率開關(guān)管選用N溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（N-MOSFET的）。它們的優(yōu)勢(shì)在于低成本及在兩個(gè)MOSFET并聯(lián)

8、條件下的電流導(dǎo)通能力[1]。為獲得130A的目標(biāo)電流，兩個(gè)N-MOSFET的并聯(lián)使用組成六個(gè)開關(guān)的三相H橋。</p><p><b>　　A.電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　在微控制器和MOSFET之間使用柵極驅(qū)動(dòng)器IC的原因有三：</p><p>　　1.將3.2V來自單片機(jī)的邏輯信號(hào)轉(zhuǎn)換為低側(cè)晶體管12V信號(hào)，使得MOSFET飽和

9、。</p><p>　　2.提供一個(gè)電荷泵電路，用于驅(qū)動(dòng)高側(cè)柵極pin腳電壓到12V以上，使得MOSFET的飽和。</p><p>　　3.為三相H橋提供直通可編程死區(qū)時(shí)間保護(hù)。</p><p>　　柵極驅(qū)動(dòng)器IC和MOSFET的柵極之間柵極電阻是用來減緩晶體管的開關(guān)時(shí)間。這是為了減少通過電機(jī)繞組[2]的電流變化率（di / dt的）。當(dāng)晶體管接通或關(guān)斷時(shí)電機(jī)繞組會(huì)

10、產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)（自感），電勢(shì)的大小和通過繞組的電流變化率成正比。這個(gè)感應(yīng)電壓可能會(huì)導(dǎo)致晶體管體承受電壓超過VACS等級(jí)，導(dǎo)致它們損壞。設(shè)計(jì)這些柵極電阻和并聯(lián)的晶體管在某種意義上[3]可以減少電路振蕩問題。圖3為一個(gè)在半橋路中能夠減小振蕩的柵極電阻電路的原理圖。如果需要更多的晶體管并聯(lián)，電路可以進(jìn)行擴(kuò)展。</p><p>　　圖3.柵極電阻的電路圖，以盡量減少M(fèi)OSFET柵極振蕩</p><p&g

11、t;　　對(duì)于保護(hù)晶體管，僅僅減緩晶體管的開關(guān)時(shí)間是不夠的；母線電容器也被用于吸收尖峰電壓[2]。由于存在非常高的電壓尖峰的頻率（約50 MHz）。低等效串聯(lián)電阻（ESR）電容是必需的。標(biāo)準(zhǔn)的電解電容的速度難以實(shí)現(xiàn)吸收這種頻率的瞬態(tài)電壓。</p><p>　　電機(jī)控制器的電路采用了霍爾效應(yīng)電流傳感器來測(cè)量電機(jī)的相電流。如果相電流超過設(shè)定的限制，電機(jī)控制器切斷電機(jī)電源，以防止電機(jī)繞組和晶體管由于電流超過最大額定值而被

12、損毀?；魻栃?yīng)電流傳感器的輸出是一個(gè)模擬信號(hào)，它和流過導(dǎo)線的電流大小成比例。本應(yīng)用中還裝有一個(gè)雙向電流傳感器，以測(cè)量再生制動(dòng)的電流。</p><p>　　電機(jī)控制器還使用電壓傳感器電路以測(cè)量電池的電壓。如果電壓低于規(guī)定的最小電池電壓，電機(jī)控制器將切斷電機(jī)電源。它的作用非常重要，因?yàn)榭梢苑乐惯^分使鋰離子聚合物電池組放電，永久地降低電池的容量[4]。由于寬范圍的工作電壓，電動(dòng)機(jī)控制器能夠在（從16V到70V）電壓范圍

13、內(nèi)運(yùn)行。使用一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓器電路和一個(gè)低通RC濾波器代替電平移位器進(jìn)行電壓檢測(cè)。</p><p>　　溫度傳感器安裝在電機(jī)和晶體管的散熱片上，如果任一溫度超過預(yù)設(shè)值，電機(jī)控制器切斷電機(jī)電源。主板上的溫度傳感器也可用于監(jiān)測(cè)微控制器的溫度。同樣，如果微控制器過熱，電機(jī)控制器將切斷電源。</p><p><b>　　B.再生制動(dòng)</b></p><p&g

14、t;　　電機(jī)控制器集成了一個(gè)簡(jiǎn)單的再生制動(dòng)功能。在平面或上坡過程中的再生能量很少。然而，由于再生制動(dòng)是唯一一種能夠防止把動(dòng)能簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)換成熱能，使得晶體管散熱片和電機(jī)溫度升高的制動(dòng)方法，所以被本設(shè)計(jì)采納。</p><p>　　反電勢(shì)的實(shí)現(xiàn)，是借用一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換電路將電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)提高到一個(gè)比電池電壓更高的水平。圖4給出一個(gè)基本的升壓轉(zhuǎn)換電路[5]。</p><p>　　圖4.Boost升壓轉(zhuǎn)換

15、電路</p><p>　　該電路無需任何額外的硬件實(shí)現(xiàn)。使用三相H橋低側(cè)晶體管作為開關(guān)裝置、電機(jī)繞組作為電感，而高側(cè)反激二極管作為升壓轉(zhuǎn)換電路中的二極管。三條電路投入使用，每條對(duì)應(yīng)其中一相。</p><p>　　通過改變低側(cè)晶體管的PWM占空比來改變?cè)撋龎恨D(zhuǎn)換器的輸出電壓。隨著輸出電壓的增大，充電電流增加，導(dǎo)致增加的制動(dòng)力。因此，通過讀取制動(dòng)桿的位置并相應(yīng)地調(diào)整占空比來控制制動(dòng)力。<

16、/p><p>　　充電電流必須保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，以防損壞電池組。本應(yīng)用中使用的鋰離子聚合物電池組，最大充電電流為20A。通過計(jì)算20A的充電電流能夠提供足夠的制動(dòng)力，3s內(nèi)能將速度從30公里/小時(shí)降到0。 </p><p><b>　　C.定時(shí)超前</b></p><p>　　定時(shí)超前在有刷與無刷直流電機(jī)[6]中均有應(yīng)用。有刷直流電機(jī)中，是通過機(jī)

17、械地移動(dòng)電刷相對(duì)于電機(jī)繞組的位置來實(shí)現(xiàn)。BLDC電機(jī)中，是利用電子整流控制電機(jī)使得它比正常運(yùn)行時(shí)提前。</p><p>　　在理想的情況下，定時(shí)提前量（用電動(dòng)旋轉(zhuǎn)的角度表示）可以從零速時(shí)0°連續(xù)變化到最大速度下的電角度數(shù)。這是可以通過微控制器做到的，但它需要大量的處理過程，并需要專用的微控制器[7]。大量的處理是必需的，因?yàn)槲⒖刂破鞅仨毻ㄟ^電機(jī)的速度預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子的下一個(gè)位置時(shí)，然后計(jì)算最后一個(gè)電機(jī)位置換相和

18、下一個(gè)換相提前角之間的延時(shí)。有了這些信息，微控制器在上一個(gè)過渡后一個(gè)計(jì)算好的時(shí)間觸發(fā)。</p><p><b>　　D.內(nèi)部位置傳感器</b></p><p>　　此應(yīng)用中，已采取了一種簡(jiǎn)單的定時(shí)超前，兩套霍爾效應(yīng)傳感器已被安裝在電機(jī)內(nèi)部。一組定位為中性定時(shí)，而另一組則位于30°（電機(jī)旋轉(zhuǎn)）偏離中性時(shí)間設(shè)定。第二組的霍爾傳感器產(chǎn)生的信號(hào)30°超前或

19、者30°滯后。通過電機(jī)在SOORPM條件下的最佳超前時(shí)間來確定超前電機(jī)角度，SORPM運(yùn)行環(huán)境在42V電壓下的最高速。此外，因?yàn)殡姍C(jī)有一個(gè)12極定子，每極間隔相差30°。這意味著無論是中性定時(shí)，還是超前定時(shí)的霍爾傳感器，可以很方便地安裝在定子磁極之間的間隙中。圖5分別示出中性和30°超前電機(jī)位置傳感器的信號(hào)波形。前三個(gè)波形來自中性定時(shí)，后三個(gè)來自超前定時(shí)設(shè)置的電機(jī)位置傳感器。這顯示了超前定時(shí)超前中性定時(shí)30

20、°電角。</p><p>　　圖5. 中性和30°超前電機(jī)位置傳感器的信號(hào)波形</p><p>　　有了這個(gè)超前定時(shí)角度，它也可以從第二組霍爾傳感器反向產(chǎn)生超前30°的信號(hào)。這是因?yàn)槌?0°和延遲30°在相移60°（這是電機(jī)的位置轉(zhuǎn)換之間的間距）條件下等價(jià)。這將導(dǎo)致30°延遲信號(hào)位置一直滯后于超前30°信號(hào)。

21、通過產(chǎn)生這第三個(gè)信號(hào)，機(jī)動(dòng)板很可能在正、反方向都使用30°超前定時(shí)。微控制器能夠更具電機(jī)速度在中性定時(shí)和超前定時(shí)間進(jìn)行切換。該軟件利用遲滯，設(shè)定超前定時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)速4800轉(zhuǎn)；中性定時(shí)時(shí)，轉(zhuǎn)速4700轉(zhuǎn)。</p><p><b>　　三．軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　單片機(jī)使用定制軟件進(jìn)行編程，以允許這種電機(jī)控制器擁有唯一的附加功能。該軟件主要是基于中斷

22、的，以提高計(jì)算效率和可靠性。</p><p>　　每次微控制器讀取一個(gè)模擬輸入信號(hào)，總共8個(gè)連續(xù)的讀數(shù)，并計(jì)算和使用這些讀數(shù)的平均值來設(shè)置新的變量被讀取。這有助于進(jìn)一步減少來自各種傳感器的模擬信號(hào)噪聲的影響。</p><p>　　距離測(cè)量是通過計(jì)算新的電機(jī)位置的數(shù)量。對(duì)于這個(gè)特殊的馬達(dá)，在一個(gè)電氣旋轉(zhuǎn)周期轉(zhuǎn)子有6種不同位置方式和一個(gè)物理周期內(nèi)7次換相。</p><p&g

23、t;　　通過車輪直徑200mm和傳動(dòng)比為3.8:1，可以計(jì)算當(dāng)電機(jī)位置達(dá)到254時(shí)，山板將前進(jìn)1米。當(dāng)“新位置”計(jì)數(shù)器達(dá)到254，距離計(jì)數(shù)器就增加1，“新位置”計(jì)數(shù)器復(fù)位到零。</p><p>　　速度測(cè)量是通過使用一個(gè)山板上的定時(shí)器測(cè)量連續(xù)兩個(gè)電機(jī)的時(shí)間間隔。一個(gè)位置增量移動(dòng)的距離是已知的，因此可以計(jì)算出速度。在高速行駛時(shí)，平均每8轉(zhuǎn)讀取一次以提高精度。圖6示出了電機(jī)控制器的軟件的基本流程圖。</p>

24、;<p><b>　　A．軟啟動(dòng)</b></p><p>　　軟啟動(dòng)功能的目的是為了保護(hù)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在啟動(dòng)過程被沖擊電流損壞。這是必需的，因?yàn)楫?dāng)電機(jī)在低速或靜止的，幾乎沒有反電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)阻止電壓施加到電機(jī)端子。因此，電源電壓和反電動(dòng)勢(shì)電壓時(shí)，電機(jī)兩端承受的電壓有很大區(qū)別。沒有反電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)承受很大的電壓。電路中唯一的電阻是導(dǎo)通晶體管電阻（0.008 S2），[9]，電

25、機(jī)繞組（0.036 S2），還有非常低的導(dǎo)線電阻。因此，當(dāng)電機(jī)處于靜止或以低速運(yùn)行，電流可以達(dá)到相當(dāng)大的水平。</p><p>　　當(dāng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，軟啟動(dòng)功能限制電動(dòng)機(jī)兩端的電壓，可以用作速度控制。這是通過設(shè)置在零速時(shí)允許的最大占空比為5％，而在1900 RPM是加到100％。這個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)的程序在主循環(huán)中，因此不會(huì)影響基于中斷操作的功能。</p><p><b>　　B．巡航&l

26、t;/b></p><p>　　巡航控制功能采用PI控制，使得速度保持Motorboard的設(shè)定上。設(shè)定點(diǎn)取為激活手持遙控巡航開關(guān)那瞬間的速度。PI控制器的PWM占空比的變化，以確保當(dāng)小車爬山時(shí)，隨著負(fù)荷的變化，速度固定在設(shè)定點(diǎn)。當(dāng)用戶應(yīng)用剎車，巡航控制功能被禁用。當(dāng)用戶停止使用制動(dòng)器時(shí)，新的速度作為設(shè)定點(diǎn)。比例系數(shù)和積分系數(shù)通過實(shí)驗(yàn)獲取。</p><p><b>　　四.

27、手持控制器</b></p><p>　　機(jī)動(dòng)山板的用戶界面是一種手持式控制器。此手持控制器中使用的無線遙控汽車發(fā)射器的外殼為基礎(chǔ)。這個(gè)外殼被修改，剝出的電路板，切斷電池槽，安裝一個(gè)LCD模塊到它里面。觸發(fā)機(jī)制被保留，作為油門和剎車控制（拉回到觸發(fā)加速，推動(dòng)制動(dòng)）。這里利用了兩個(gè)可變電阻器（旋轉(zhuǎn)式電位器），一個(gè)是用來設(shè)置控制器的最大占空比。這個(gè)可以限制Motorboard的最大速的功能是非常有用的，尤其

28、是第一次用這個(gè)設(shè)備。其他可變電阻是用來循環(huán)各種顯示在LCD模塊上的數(shù)據(jù)。電動(dòng)機(jī)控制器所使用的有兩個(gè)開關(guān)，一個(gè)用來打開控制器開啟和關(guān)閉，另一種是用來作為巡航控制通/斷開關(guān)。Motorboard和手持控制器成品圖如圖7所示。</p><p>　　液晶屏只有足夠大能夠顯示兩行16個(gè)字符。為了顯示更多的數(shù)據(jù)，手持設(shè)備上的一個(gè)可變電阻器可以讓用戶在屏幕上選擇，這里有六個(gè)數(shù)據(jù)顯示：</p><p>&

29、lt;b>　　1.主要數(shù)據(jù)畫面：</b></p><p>　　顯示當(dāng)前速度，行駛距離，電池電壓和瞬時(shí)功率輸。</p><p><b>　　2．溫度畫面：</b></p><p>　　顯示晶體管，電動(dòng)機(jī)的溫度微控制器，以及環(huán)境溫度。</p><p><b>　　3．最大值屏幕：</b>

30、;</p><p>　　顯示的最大速度達(dá)到最大電流消耗 在運(yùn)行過程中，最大輸出功率。</p><p><b>　　4．二級(jí)數(shù)據(jù)畫面：</b></p><p>　　顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速，電機(jī)轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)。</p><p>　　5．程序的I / O畫面：</p><p>　　顯示用戶設(shè)置的最大占空比，

31、錯(cuò)誤代碼，并從電機(jī)控制器程序故障代碼。</p><p><b>　　6．調(diào)試畫面：</b></p><p>　　顯示瞬時(shí)占空比，轉(zhuǎn)把輸出值（用于設(shè)置PWM占空比的值），并且將晶閘管切換到當(dāng)前狀態(tài)。</p><p><b>　　五．實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b></p><p>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：用卷尺測(cè)量時(shí)，該板

32、的距離測(cè)量對(duì)測(cè)量精確到0.5％。這種測(cè)量的分辨率使軟件測(cè)量分辨率低至4毫米。然而，在測(cè)量中，通過在引入不確定性直徑的車輪。因此，直徑、氣壓的變化、和騎手的質(zhì)量都是不確定因素。 實(shí)驗(yàn)證明在400米田徑跑道繞場(chǎng)一圈存在1米的誤差。</p><p>　　也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試主板上的速度測(cè)量的準(zhǔn)確性。把速度設(shè)定在Motorboard在液晶屏上的17公里/小時(shí)，并在這樣的速度舉行。然后緊緊粘貼5米卷尺。錄像被檢測(cè)，以

33、確定行駛5米的距離所花費(fèi)的時(shí)間。據(jù)計(jì)算，實(shí)際的運(yùn)行速度為17.42公里/小時(shí)。重復(fù)試驗(yàn)設(shè)定速度為25公里/小時(shí)。此運(yùn)行計(jì)算的實(shí)際速度為25.68公里/小時(shí)。這些設(shè)定結(jié)果比實(shí)際速度稍低，但它在25公里/小時(shí)的速度下誤差在1公里/小時(shí)以內(nèi)。</p><p><b>　　六．結(jié)論和發(fā)展</b></p><p>　　作為一個(gè)原型，還有很大提升空間。其中一個(gè)領(lǐng)域就是基于位置傳感