电动车直流无刷电动机的调速控制

电动车直流无刷电动机的调速控制

作者：黄涛李晶李志刚单位：武汉理工大学信息学院

摘要：对当前无刷电动机在电动车领域的应用做了简单分析，简要介绍了直流无刷电动机的组成和工作原理，提出设计总体方案，详细阐述了驱动电路组成和调速部分的具体实现方法，并且介绍了电路的过流保护功能。

关键词：直流无刷电动机霍尔位置传感器驱动电路调速过流保护

中图分类号:TP332.3 文献标示码: B

Timing Control to the Brushless electromotor of Electric-automobile Author: HuangTao LiJing LiZhigang

Department: Information College Wuhan University of Technology

Abstract：Analyze simply to the application of Brushless electromotor in Electric-automobile field.Take a introduction to the composing and principle of Brushless electromotor.Give a designing blue print and the material method of the driving circuit and timing control circuit.Moreover,introduce the function of over-current protection.

Key words: Direct current Brushless electromotor Hall position sensor Driving circuit Timing Control Over-current protection

1.引言

随着当前油价上涨，能源紧张以及人们环保意识的不断加强，具有“节能、环保、轻便灵活”等特点的电动车越来越受到了人们的青睐。目前市场上电动车大多数停留在有刷电动机阶段。有刷电动机采用机械换向，对控制系统的技术要求较低，但是相比无刷电动机，有刷电动机存在着明显的劣势：寿命短，噪声大，效率低，返修率较高，因此电动车采用直流无刷电动机做为驱动系统是一个必然的大趋势。针对这种情况，本文介绍了对电动车直流无刷电动机调速控制的一套切实可行的设计方案，该方案可实现对三相无刷电动机转速进行精确控制。

2. 无刷电动机基本组成和工作原理

2.1 基本组成

直流无刷电动机的结构原理如图1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。本设计主要实现电子开关线路的功能。

图1

2.2 工作原理

当给定子绕组通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成方波信号，通过控制电路去控制开关线路的通断，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。因此，所谓直流无刷电动机，就其结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。

3. 设计方案

本设计应用于控制电动助力自行车、电动摩托车用无刷电动机，最大输出功率要求达700W，采用48V蓄电池供电，电动机空载时最高转速可达700转/分钟。功率达到最大输出时（通常为负载较大或爬坡时），流过MOSFET管的电流最高可达20A，因此对MOSFET 管的电流承受能力有一定的要求，在本设计中选择IRF540N，其击穿电压为100V，最大可承受电流为33A，可以满足设计要求。为了保护MOSFET管，延长其使用寿命，当电流达到设计的最高电流值时采取过流保护措施。整个电路以时序逻辑控制为主，对时序的准确性要求相当高。设计方案流程图如图2所示。

图2

4. 实现方法

由固定在无刷电动机内的霍尔位置传感器输出霍尔信号，即转子磁钢位置信号，信号波形如图3所示（以三相无刷电动机为例），各相信号是占空比为50％的方波，且相互之间相位差为120°。由三相霍尔信号A、B、C组成的一组编码（先后顺序分别为：101、100、110、010、011、001）经过译码电路及74LS38选择出每个编码所对应时刻的驱动电路中导通的

功率管，从而为电动机提供工作电流。驱动电路如图4所示。经74LS38输出的信号通过光电隔离进入驱动电路部分，光耦全部采用正相接法。对于三相霍尔信号A、B、C各种不同的组合，例如当A、B、C为101时，经74LS138译码器和74LS38与非门输出，到达1、2路光耦输入端为高电平，3、4、5、6路光耦输入端为低电平。由图4所示电路可知，1路和2路光耦分别对应的MOSFET管M1、M2导通，通过A相和C相对直流无刷电动机提供供电回路。同样道理，当霍尔信号A、B、C为其它状态值时，亦可通过译码电路及74LS38与非门选择相应的光耦，使其输入端为高电平，对应的MOSFET管轮流导通，如此不断循环换相，从而驱动电动机旋转。

图3

图4

对直流无刷电动机速度进行调节控制，可以由图5所示的方案实现。电动机起动之后，在驱动电路的作用下，不断加速旋转，直到达到事先给定的速度。所谓给定速度实质上是通过可调电阻得到一电压值V1，输入LM324的比较器反相输入端。由无刷电动机输出的霍尔方波信号（如图3），经过沿触发电路，在方波上跳沿和下跳沿分别产生触发脉冲，达到2倍频。霍尔信号和触发脉冲的频率皆与电动机转速成正比。将A、B、C三相霍尔信号得到的沿触发脉冲叠加输入单稳态触发器4538，由4538输出频率为霍尔信号频率6倍的方波信号。经由RC电路整流，获得直流电压值V2，时间常数RC的值越大，即电容充电时间越