近年來，國內(nèi)市場上電動車使用的電機主要有三種：有刷電機、有位置傳感器無刷電機和無位置傳感器無刷電機。使用有刷直流電機容易解決換相問題，但是噪音大，而且碳刷容易磨損或損壞，這會增大維護、維修難度，增加使用成本；使用有傳感器無刷直流電機容易確定轉(zhuǎn)子位置，解決換相問題，但卻增大了電機的設(shè)計、制造和安裝難度，也增加了成本，并且傳感器容易損壞，導(dǎo)致電機的使用壽命縮短；無傳感器無刷直流電機換相雖然在技術(shù)上有難度，但在成本和壽命上更容易滿足消費者需求。

綜合以上特點，本文討論的方案選擇了性價比較高的無傳感器無刷直流電機，以HT46R6?為主控芯片，用反電勢法(back electromotive force)實現(xiàn)電機正常換相，軟硬結(jié)合，使電動車驅(qū)動系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，從而提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由MCU、直流無刷電機、LCD液晶顯示屏、鍵盤、電源、時鐘等模塊組成。其中MCU采用臺灣Holtek公司生產(chǎn)的HT46R6?微處理器，以它作為系統(tǒng)核心，連同一些外圍硬件，并配合軟件共同控制直流無刷電機，從而實現(xiàn)該驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)良性能。例如通過MCU指令控制電機的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速、剎車或制動等。根據(jù)電機所轉(zhuǎn)圈數(shù)計量行程，并以數(shù)字形式呈現(xiàn)在液晶屏上，通過鍵盤操作方便查看行程以及其它系統(tǒng)信息。電源模塊主要用于在不需要顯示時切斷相應(yīng)部分電路，同時保存關(guān)鍵信息，以降低系統(tǒng)功耗。

 
圖1：驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

由圖1可以看出，本驅(qū)動控制器的主要功能大致分為三個部分：電機部分、行程計量以及LCD顯示，本文主要圍繞無傳感器電機的換相問題展開。

1. 反電勢換相原理

霍爾傳感器在電機中使用廣泛，帶位置傳感器直流無刷電機就是靠霍爾傳感器來確定轉(zhuǎn)子位置，以使定子各相繞組順序?qū)▽崿F(xiàn)換相；而無傳感器直流無刷機則是利用電子線路代替位置傳感器(圖2)，通過檢測電機在運行過程中產(chǎn)生的反電勢過零點來確定轉(zhuǎn)子位置，實現(xiàn)換相，下面以星形繞組為例進一步說明。

 
圖2：用電子線路代替?zhèn)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)框圖。

電機在運行過程中要經(jīng)過6次換相，每次換相時總有一相繞組未通電，此時可以在該相繞組端口檢測到繞組產(chǎn)生的反電勢，反電勢在60°電角度內(nèi)是連續(xù)的。由于電機的規(guī)格、制造工藝有差異，導(dǎo)致相同電角度的反電勢值不同，如果要通過檢測反電勢的數(shù)值來確定轉(zhuǎn)子位置，難度非常大，因此必須找到該反電勢與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，才能確定轉(zhuǎn)子位置。由圖3可知，反電勢在60°的電角度過程中總有一次經(jīng)過坐標橫軸(過零點)，而此處的電角度和下一次換相點的電角度正好相差30°，故可通過檢測反電勢過零點，再延時30°換相。本設(shè)計是從被檢測相斷電開始計時等待反電勢過零點，再延時等待相應(yīng)時間，實現(xiàn)換相。

 
圖3：電機運行時各相產(chǎn)生的反電勢示意圖。

以正向反電勢檢測為例，假設(shè)之前是CB通電，測A相反電勢過零點，有過零點信號后等待相應(yīng)時間，由139譯碼器開通A+，同時自動關(guān)閉C+，就轉(zhuǎn)換成了AB通電；再測C相反電勢，用同樣的方法，開通C-，自動關(guān)閉B-，轉(zhuǎn)換成AC通電；再測B相反電勢，開通B+，關(guān)閉A+，轉(zhuǎn)換成BC通電；再測A相反電勢，開通A-，關(guān)閉C-，轉(zhuǎn)換成BA通電；接著測C相反電勢，開通C+，關(guān)閉B+，轉(zhuǎn)換成CA通電；然后測B相反電勢，開通B-，關(guān)閉A-，轉(zhuǎn)換成CB通電。經(jīng)過AB→AC→BC→BA→CA→CB六次換相實現(xiàn)直流無刷電機的連續(xù)正轉(zhuǎn)；同理，反電勢法經(jīng)過CA→BA→BC→AC→AB→CB六次換相可實現(xiàn)電機的連續(xù)反轉(zhuǎn)。

2. 反電勢過零方案

在無位置傳感器直流無刷電機模型推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，可以采用圖4所示的方法，對無傳感器直流無刷電機不導(dǎo)通相繞組產(chǎn)生的反電勢進行過零檢測。圖4中的電阻R 起分壓作用，可以看出進入比較器LM339正端的A、B、C三相電壓與過零點檢測相(參考相)電壓明顯成兩倍關(guān)系，對于星形電機繞組，零點是兩相通電電壓的一半，經(jīng)過電壓比較給出零點信號到單片機，收到信號后再在程序中進行換相處理，以確保電機正常運行。LM339的出端信號就是所謂的電機轉(zhuǎn)子位置信號，相當于傳感器信號，實質(zhì)上是發(fā)出換相通知。

 
圖4：反電勢過零檢測電路。

3. 行程計量和液晶顯示原理

本設(shè)計中行程計量采用純軟件數(shù)據(jù)處理。由于電動車電機轉(zhuǎn)子在外面，車上的輻條是固定在轉(zhuǎn)子上的，因此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈車輪就轉(zhuǎn)一周，所走過的路程就是車輪的周長。這樣只要電機轉(zhuǎn)一圈，采用內(nèi)部中斷，數(shù)據(jù)處理部分就做一次加法，通過累加的辦法存儲總路程數(shù)據(jù)，然后進行十進制轉(zhuǎn)換。由于HT46R6?自帶LCD驅(qū)動，因此只需將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果直接寫入其RAM存儲區(qū)1，即可在液晶屏上顯示里程。其中數(shù)據(jù)處理部分的加法采用浮點數(shù)，這是因為HT系列單片機不支持小數(shù)操作。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

驅(qū)動部分：74HC139譯碼器的輸入端連接到單片機HT46R6?上，其使能控制位接HT46R6?的PWM1(即PD1口)，其它輸入接普通I/O，譯碼器的輸出直接驅(qū)動IR2132，IR2132的輸入均是低電平有效，以產(chǎn)生輸出電平去驅(qū)動MOS管P60N06的柵極，外加48V漏極電壓使MOS管導(dǎo)通，通過這種驅(qū)動方法順序?qū)ǜ鱉OS管，以便給直流無刷電機連續(xù)供電。需注意的是當IR2132高于8.9V的電壓時才能開通，一般采用12V或15V作為驅(qū)動，器件內(nèi)帶有欠電壓和過電流保護；當電壓低于8.9V，IR2132自動斷開不工作，即沒有輸出，此時整個控制系統(tǒng)也就無法正常運作。

反電勢部分：采用原理部分敘述的過零方案，通過電阻取三相反電勢電壓，將其送往比較器LM339中每個比較器的正端，為減小干擾，正端輸入需加電容濾波，而負端(參考相)電壓采用48V電源的1/22。通過比較，若正端電壓高于負端，則LM339的出端信號為+5V；若正端電壓低于負端，則出端信號為0V，從而給出轉(zhuǎn)子位置信號，即傳感器信號。

LCD部分：本文中的設(shè)計采用兩行顯示的10位液晶屏與HT46R6?的SEG0-SEG19腳和4個COM腳相連，通過向內(nèi)部LCD存儲區(qū)寫數(shù)即可在屏幕上顯示行程，自帶驅(qū)動，簡易直觀且便于操作。選擇R型偏壓，則不需要連接外部電容或電阻，如果VDD大于VLCD引腳上的電壓，那么VMAX連接至VDD，否則連接到VLCD，這樣可以防止因電壓太強造成不該點亮的液晶段選信號點亮，避免亂碼的出現(xiàn)；若選擇C型偏壓，需在單片機的V1與V2之間連接0.1μF濾波電容，C1與C2之間也需要連接0.1μF充電泵電容。本文選擇的是R型偏壓，整體硬件原理見圖5。

 
圖5：驅(qū)動控制器硬件結(jié)構(gòu)圖。

用HT-IDE3000的仿真效果極佳，制成PCB板如圖6、圖7所示，主控板和驅(qū)動板之間用跳線連接，如果時間允許，通常將兩塊電路板合在一起，并附帶散熱片。

 
圖6：主控制板。

 
圖7：電機驅(qū)動板。

系統(tǒng)軟件流程

打開電源開關(guān)，程序上電運行，系統(tǒng)進入初始化。初始化程序主要對各控制口設(shè)定初值，包括I/O輸入輸出、A/D轉(zhuǎn)換、PWM控制和中斷處理等。初始化完畢，判斷控制開關(guān)打到正向還是反向，在非巡航模式下，等待車用轉(zhuǎn)把(相當于一個電位器)給定PWM值，開始以低速同步起動，若未給定PWM值，則一直停在程序初始部分，電機不運行。

一旦電機同步起動穩(wěn)定后，就會有反電勢產(chǎn)生，立即跳入反電勢運行階段。在這一階段，可以對電機進行加速或減速，根據(jù)A/D采集電位器電壓給定PWM值，平滑調(diào)速，無抖動。眾所周知，車用轉(zhuǎn)把是彈簧做的，松手會回彈，如果不加控制，電機就會立即停轉(zhuǎn)，為解決這一問題，控制器加入了巡航功能，即PWM值給到一定程度，只要開關(guān)指向巡航，電機就以那一時刻采到的轉(zhuǎn)速固定運行，即使轉(zhuǎn)把回彈，電機仍以固定轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。所以在巡航模式下，調(diào)速不起作用，當取消巡航模式，則又回到PWM隨時改變的狀態(tài)。

在電機正常運行的同時，記錄換相次數(shù)。根據(jù)電機磁極對數(shù)不同有異，本驅(qū)動系統(tǒng)所對應(yīng)的電機換一次向才轉(zhuǎn)過10°，所以換36次向才轉(zhuǎn)過一圈，即正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的順序?qū)ㄒh(huán)6次。此時，執(zhí)行一次內(nèi)部中斷，程序跳入行程計量部分，累加一次車輪的周長。

當浮點數(shù)累加完畢，由鍵盤察看判斷。若需要察看，立即跳入LCD部分，將累加完的總和轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，此處以km為單位，保留一位小數(shù)。再調(diào)用LCD顯示子程序，并使用查表的辦法將轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入HT46R6?單片機的RAM存儲區(qū)1，即可在液晶屏上顯示里程，然后中斷返回到主程序。若不需要察看行程，則累加完畢就直接返回主程序。

 
圖8：系統(tǒng)程序流程圖。

注意，本文中控制器的主程序中，正反轉(zhuǎn)兩部分程序完全對稱，只不過正轉(zhuǎn)計量行程，而反轉(zhuǎn)沒有，其它細節(jié)處理上沒有差別。系統(tǒng)軟件流程如圖8所示，其中反電勢模塊流程見圖9。

 
圖9：反電勢程序流程圖。

本文小結(jié)

實驗證明，本驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案具有可行性。反電勢檢測換相很正常，無級調(diào)速系統(tǒng)平滑，有巡航功能；剎車及時，制動柔和，完全能實現(xiàn)單片機對無傳感器直流無刷電機的基本控制。行程計量采用浮點數(shù)累加，結(jié)果在LCD上顯示，簡易直觀。該控制器成本低廉，操作簡單，可靠性高。本設(shè)計雖在BLDC反電勢控制上取得一些進步，但功能仍需完善，IR2132要通過電阻分流設(shè)定過流值，遇到異常情況，根據(jù)過流值大小判斷是否切斷電路；因電機低速運行時，反電勢值小，經(jīng)比較器可能得不到換相信號，若將該參考端固定電壓做成可變的，可增大調(diào)速范圍。