一種全隔離的無刷直流電機的反饋制動控制板的研究

金力成++司響++章少岑

摘 要：本文研究了一種全隔離的無刷直流電機反饋制動控制板，運用MCU模塊進行數據處理與分析，運用軟件方式輸出互補SPWM波，通過驅動電路驅動MOSFET來使電機運轉，電機中有霍爾傳感器，來確定電機定轉子位置，以此來確保電機反饋制動的進行，通過將反饋制動中的能量收集起來，做到綠色環保。在MCU的輸入輸出口都設置有隔離運放與隔離光耦，通過隔離將電機的大電流波動與MCU數據處理模塊分開，增加整個控制板的穩定性與可靠性，充分保證控制板的安全。

關鍵詞：隔離；無刷直流電機；控制板

中圖分類號：TM38 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0078-01

當下，正直國家的經濟與科技不斷迅猛發展，能源消耗不斷增長，隨之產生的環境污染問題也日益嚴峻。綜觀各行各業的發展都對環保問題以及綠色節能提出了要求，追求環保。電動汽車等新興行業也早已成為各國研究的重點項目之一，而對于電動汽車的反饋制動可以說是電動汽車領域中的較為重要的一方面，可以說無論是常規燃料動力汽車還是混合動力汽車，反饋制動都可以大大的節約能源。目前，傳統的制動方式主要是能耗制動與反接制動，而這些方式都是直接將動能以熱能形式消耗掉，不利于環保的推行。反饋制動可以將能量收集起來，儲存在蓄電池等儲能元件中，用于對汽車內部乃至軌道交通內部的供能與續航，經濟環保。但是在電機運行的過程中，必不可少的存在諸多的干擾，對干擾引起的問題尋求有效的保護措施是目前經常討論的問題之一，只有保護措施的完善，安全系數才能提高，真正做到安全運行[1]。

1 回饋制動的原理

電動汽車的用途十分廣泛，其多數采用無刷直流電機，具有反饋制動的能力。常規的制動方式主要有電氣制動、機械制動以及復合制動。而這些制動方式只要作用，就會導致一部分的能量以熱量的形勢消耗散失掉。而反饋制動方式可以通過將能量收集儲存，來達到節能環保的作用。

無刷直流電機的驅動系統主要是通過三相橋式電路、三相逆變電路等，如圖1所示。

圖中VT1-VT6是MOSFET功率管，VD1-VD6為續流二極管。在反饋制動的過程中，每次有兩個功率管導通，每換向一次，通過無刷直流電機中霍爾傳感器的信號進行判斷換向。正常運行時，電源給整個系統供電，通過驅動MOS功率管驅動電機；當反饋制動時，切斷供電，電機依靠慣性繼續運轉，這時控制板的反饋模式啟動，將電機旋轉的動能采集后充入電池中進行儲存。

2 全隔離控制板的原理

為了實現對于無刷直流電機的驅動控制，以及對于無刷直流電機三相定轉子相位的檢測，針對無刷直流電機的研究，設計了一種控制板。為了使控制板安全可靠，不被電機啟動制動產生的大電流所擊穿，設計了全隔離的方式進行控制。

整個控制板分為兩個模塊，電機驅動控制模塊與程序數據采集處理模塊。通過對MCU定時器的調用，使MCU輸出六路互補SPWM波。通過對電路的電流電壓值進行采樣記錄，通過數據處理與分析，采用先進的PID算法，調節SPWM 波占空比，以達到所需要的電壓值和電流值，實現閉環調節的功能。在SPWM波的輸出口接上隔離模塊，如圖2所示，通過光耦隔離的方式，將MCU與控制板中的MOSFET驅動器模塊隔離，保證MCU的安全[2]。

為了使電源母線電壓穩定運行，電壓的波動減少，保持一個穩定的電壓值，在電源母線上并聯了幾個大電容來穩定電壓，降低噪音以及紋波的影響，防止對整個系統的穩定性造成波動。使用AMC1200隔離運放，防止電源母線上的電壓電流值過沖，損壞MCU。采集電源母線的電壓與電流值，通過單電源差分電路處理后，經過MCU的ADC端口進行采樣。

同時對無刷直流電機內部的霍爾傳感器信號進行采集處理，實時分析得到電機定轉子相位與轉速，以便實現電機的反饋制動。

電機驅動控制模塊主要是MOSFET驅動電路，通過將經過隔離輸出的SPWM信號進行輸入，運用IR2130，同時驅動六組MOSFET功率管。2130驅動電路通過自舉電路驅動橋式電路低壓側的功率元件，集成了負電壓免疫系統，提高了系統的耐用性與可靠性，可以直接驅動高達600V的高壓系統，最大正向峰值驅動電流為200mA，反向峰值驅動電流為420mA，具有電流放大和過流保護的功能，自動產生上側與下側驅動所必須的死區時間，大概為2.5；具有欠壓鎖定功能并能及時關斷六路輸出，兼容2.5V邏輯信號輸入。在MOSFET三相橋上采用了兩個MOSFET管并聯的方式，將MOSFET功率管的驅動能力加大，確保無刷直流電機的穩定運行。

同時，為了增大安全性，整個系統 采用多種保護相結合的方式，設定30A的電流值進行過流保護，防止動作電流超過30A，損壞電機及電路板。整個MCU的輸入輸出電路與功率高壓部分都通過有效方式進行隔離處理，充分確保控制板的安全與使用。

3 結語

本文對無刷直流電機的反饋制動以及控制系統板的全隔離方式做了研究，通過全隔離的方式確保MCU與大電壓大電流保持隔離，確保整個系統的安全與穩定性。通過反饋制動將能源收集，節能環保，是一種綠色的環保方式，能有效減少環境污染。

參考文獻

[1]張毅，楊林，等.電動汽車無刷直流電動機的回饋制動控制[J]上海交通大學學報，2005.

[2]張相軍，陳伯時.無刷直流電機控制系統中PWM調制方式對換相轉矩脈動的影響[J].電機與控制學報，2003，7（2）：87-91.