關于電動汽車永磁無刷直流電機的控制研究

王博

[摘要]本文主要對基于永磁無刷直流電機的電動汽車的控制系統進行研究，首先介紹了永磁無刷直流電機的基本結構以及工作原理，為嵌入式智能控制系統對三相電源的控制提供基本依據，而后對基于永磁無刷直流電機的電動汽車控制系統進行研究，通過對其硬件設計和軟件流程設計，從而實現基于永磁無刷直流電機的電動汽車的控制系統的設計。

[關鍵詞]電動汽車；永磁無刷直流電機；電子開關；PIC單片機

[中圖分類號]TH [文獻標識碼]A [文章編號]1671-5918（2017）01-0089-02

doi：10.3969/j.issn.1671-5918.2017.01.042 [本刊網址]http：//www.hbxb.net

一、概述

汽車數量的不斷增加是每個城市不可避免的問題，這也為城市的交通帶來了必然的麻煩，堵車成為了大城市司空見慣的現象。目前，絕大部分的汽車都是采用以汽油為燃料的內燃機為動力來源，而堵車現象造成了汽車的走走停停更是加劇了汽車對空氣的污染，由此而帶來的環境問題是不容忽視的。電動汽車是目前比較低碳環保的交通工具之一，其在能源利用率、環境保護以及保養維護層面都遠遠優于傳統汽車。永磁無刷直流電機作為當前電動汽車的主要動力來源，對于電動汽車起到決定性的作用，如果能夠優化永磁無刷直流電機設計，降低電機研發成本，這將大大降低電動汽車的成本，從而促進消費人群購買，所以使用永磁無刷直流電機來生產電動汽車，對于加大能源利用率，加強環境保護來說意義重大。

二、永磁無刷直流電機

傳統的直流電機會有轉子和電刷，通過轉子旋轉和電刷工作來實現直流電機的工作，在傳統的直流電機基礎上，參考了傳統直流電機的基本結構，改變了轉子電樞的位置，參考交流電機的電樞繞制方式將電樞繞組固定在定子上，而轉子采用了永磁材料，同時取消了固定電刷，采用電子換向器，從而實現了永磁無刷，在轉子的永久磁場和定子的電流磁場作用下產生轉矩力，從而促進直流電機工作。

永磁無刷直流電機在永磁體的形狀以及磁路結構存在差異性，一般常見的永磁無刷直流點擊的磁場波形為梯形波、方波、正弦波，而梯形波和方波的磁場波形的直流電機一般為永磁無刷直流電機，而針對正弦波采用反電勢的波形作為磁場波形的一般是永磁同步電動機。使用梯形波或方波磁場波形的永磁無刷直流電機，一般由三部分構成，分別為電機本體，位置傳感器和電子開關電路。其中電機本體則包括了定子和轉子兩部分，其中定子上繞有電樞繞組，而轉子使用凸極式或者內嵌式的永磁材料結構制成，定子在電樞繞組通電下形成電磁場，在與轉子的磁場相互作用下形成磁轉矩，提供動力來源。電子開關則是實現無刷的主要關鍵裝置，通過電子開關電路中的二極管，將電機本體中的定子電樞繞組上的電線相接，配合位置傳感器來決定開關電路中二極管的通斷情況，從而實現了永磁無刷電機中電子開關中電刷的功能，實現了永磁無刷直流電機中定子電樞繞組電流通過時，產生的電磁場里與轉子永磁材料產生的磁場力相互作用的磁轉矩始終一致。在永磁無刷直流電機實現實現過程中，能夠實現無刷功能的關鍵電路是電子開關和位置傳感器，電流通過電子開關與定子電樞繞組相連，通過電子開關的開關來實現電流流向，而位置傳感器則是電子開關的控制關鍵，能夠根據轉子的位置來決定電子開關的各個電機繞組的通斷電情況。

我們以三相永磁無刷直流電機為例，根據上述描述我們可以以了解永磁無刷點擊與傳統的直流電機存在兩個不同點，一方面是電刷由傳統的機械式變成了當前的電子式，從而在實現效率上和耗材等性能方面有了很大的提升，另外一方面則是傳統的直流電機采用的定子由永磁材料制成，而永磁無刷直流電機則是轉子由永磁材料制成。

三相永磁式無刷直流電機，其中A-A，B-B，C-c三個位置節點電路以及轉子和定子是構成永磁無刷直流電機的主體部分，定子電樞繞組的電線通過A-A，B-B，C-C三節點以及V₁，V₂，V₃三個二極管構成的電子開關，與外界電機電源聯通，構成一個電路回路。在永磁無刷直流電機的定子外圍，包含了轉子位置定位的位置傳感器VP₁，VP₂，VP₃，在轉子轉到相應位置后，會產生相應的信號來驅動電子開關電路中的V₁，V₂，V₃三個二極管通斷，來實現對應電路的聯通，從而使定子電樞繞組電流通過產生與轉子之間的磁場力矩，驅動電機旋轉工作。

當永磁無刷直流電機的轉子在旋轉通過相應的位置時，轉子定位裝置VP就會撲捉到對應位置產生相應信號，例如當轉子旋轉到B-B的位置時，VP₂位置傳感器就會撲捉轉子位置，從而產生VP₂信號，該信號是一個高電平信號，從而驅動電子開關電路V₂二極管聯通，而VP₁、VP₃信號傳感器為感知轉子位置，則會產生低電平信號，電子開關電路V₁，V₃二極管則處于關閉狀態。所以在此階段，轉子處在B-B相位置，位置傳感器VP₂與電子開關V₂二極管工作，其他二極管處在關閉狀態，電機定子電樞繞組通電，產生磁場力與轉子永久磁場作用，從而驅動永磁無刷直流電機工作。同樣的，當轉子繼續轉動，旋轉到A-A的位置時，VP₁位置傳感器就會撲捉轉子位置，從而產生VP₁信號，該信號是一個高電平信號，從而驅動電子開關電路V1二極管聯通，而VP₂、VP₃信號傳感器為感知轉子位置，則會產生低電平信號，電子開關電路V₂，V₃二極管則處于關閉狀態。所以在此階段，轉子處在A-A相位置，位置傳感器VP1與電子開關V₁二極管工作，其他二極管處在關閉狀態，電機定子電樞繞組通電，產生磁場力與轉子永久磁場作用，從而轉動轉子。當轉子旋轉過A-A相到C-C相后，同樣的會VP3感知轉子位置，驅動電子開關電路V₃二極管工作，依次循環下去促使在B-B，C-C，A-A相內形成的磁轉矩力保持不變，使永磁無刷直流點擊的旋轉力始終保持在一個方向，帶動外部設備工作。endprint

三、電動汽車永磁無刷直流電機的控制系統

電動汽車是當前低碳環保的交通工具，利用永磁無刷直流電機來實現對電動汽車的驅動，在嵌入式控制系統的智能控制下，通過有效感知永磁無刷直流電機的轉子位置，進而控制外部電力的三相信號輸出，實現對電動汽車的控制，從而為電動汽車的運行帶來動力來源。

電動汽車的控制系統的基本結構，其采用以PCI6F877為控制核心單片機的嵌入式系統實現對各個信號的采集檢測和對永磁無刷直流電機以及其他模塊進行控制，為了能夠為永磁無刷直流電機提供足夠的功率來源，在該系統中添加了功率驅動模塊為實現對永磁無刷直流電機的功率放大，而MC33033芯片則擴展PIC單片機結構，實現了對永磁無刷直流電機的位置檢測信號、電流過流保護信號以及驅動信號的傳輸，從而實現對永磁無刷直流電機的控制信號輸出和各個檢測信號的接收。

電動汽車的控制系統提供專門的人機交互設備實現人對電動汽車的控制，加速信號、制動信號等都是在電動汽車司機通過專門的設備人為操控下來實現，例如制動信號，則是司機在啟動電動汽車的電源后，通過按鈕或手動裝置來告知電動汽車控制系統要制動電動汽車，而加速信號則是電動汽車司機通過手動或腳通過專門的設備來按下或踩下加速裝置，告知電動汽車控制系統需要加速。這些操作都會被相應的裝置轉變成連續的模擬電信號，而后通過相應的A/D電路將其轉化成數字信號，如此即可實現司機操作轉變成PIC嵌入式控制系統的控制信號，從而根據PIC單片機的判斷，來控制相應其他的設備進行相應操作。例如在加速信號下，PIC單片機會控制功放電路加大電流量，從而使永磁無刷直流電機的磁轉矩力變大，進而實現電動汽車加速。在人機交互中，還有相應的車速、電量、狀態指示燈等電動汽車狀態顯示電路，PIC單片機會實時讀取各個狀態檢測器目前的狀態，而后通過顯示電路將其展示給電動汽車司機。

在電動汽車運行過程中，如果駕駛員操作相應設備來要求電動車加速時，PIC單片機會讀取到加速模擬信號轉變成的數字信號，而后對當前電動汽車的狀態進行識別，與目標速度進行判斷，如果判斷當前電動汽車狀態能夠滿足駕駛員要求，會加大電流量實現加速。當前，在速度控制系統有反饋閉環電路，PIC單片機會實時檢測當前速度與目標速度之間的差距，逐漸地加大電流量來對永磁無刷直流電機進行緩步加速，從而實現對電動汽車的精確控制。

四、總結

基于永磁無刷直流電機的電動汽車的控制系統，是在對永磁無刷直流電機控制的基礎上，通過對外部各種信號的采集檢測，并結合相應的永磁無刷直流電機驅動芯片和電路，在PIC單片機智能控制的基礎上，來對電動汽車的啟動、加速、減速、停止等操作進行對永磁無刷直流電機的控制，從而實現了永磁無刷直流電機的有針對性地為電動汽車提供動力來源。

（責任編輯：封麗萍）endprint