小尺寸低功耗電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器研究

陳群挺

摘要：介紹了小尺寸低功耗電動(dòng)車無刷電機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)，給出設(shè)計(jì)主要用到的單片機(jī)型號(hào)、前置驅(qū)動(dòng)型號(hào)和功率管型號(hào)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明：該無刷電機(jī)控制器設(shè)計(jì)良好、性能可靠，取得良好的設(shè)計(jì)效果。

關(guān)鍵詞：無刷電機(jī);電動(dòng)車;DRV8308RHAR

一、課題研究的目的、意義

電動(dòng)車在道路使用以及改善交通安全等問題上有著非常大的作用，能夠容易實(shí)現(xiàn)管理智能化;此外電動(dòng)車還具有能量來源簡便、清潔無污染、能量效率高的特點(diǎn)。電動(dòng)車擁有的這些優(yōu)點(diǎn)使它成為現(xiàn)今世界各國的研究熱點(diǎn)。在各種電動(dòng)車系統(tǒng)中，電機(jī)齒輪和控制器技術(shù)處于關(guān)鍵地位。而傳統(tǒng)的無刷電機(jī)控制器尺寸較大、功耗也較大，電動(dòng)車控制器安裝會(huì)占用一定的空間，為了合理優(yōu)化車子的結(jié)構(gòu)需要盡量節(jié)省空間;此外，控制器擺放的位置也受控制器大小的限制，如果能夠縮小控制器尺寸則能節(jié)約車子寶貴的空間。在無刷電機(jī)控制器應(yīng)用本身，也需要盡量縮小控制器尺寸，利于控制器安裝。如果該項(xiàng)技術(shù)可以得到突破和有效推廣，既可以解決目前電動(dòng)車設(shè)計(jì)與制作上的需求，同時(shí)能成為一款新產(chǎn)品進(jìn)行后續(xù)的產(chǎn)業(yè)化【1】。

電動(dòng)車無刷電機(jī)控制技術(shù)發(fā)展非常迅速，控制器的設(shè)計(jì)從完全分立元件搭建而成的方案，到分立元件結(jié)合功率開關(guān)的方案，再到分立元件、專門驅(qū)動(dòng)芯片和功率開關(guān)，目前廣泛采用微控制器、驅(qū)動(dòng)芯片和功率開關(guān)的方案。隨著電子元器件發(fā)展，電動(dòng)汽車無刷電機(jī)控制向小型化、低功耗、高效率發(fā)展【2】。

二、課題研究的基本內(nèi)容

小尺寸低功耗電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器主要是采用高性能微處理器作為控制核心，將設(shè)定和反饋經(jīng)芯片內(nèi)部SPWM轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過控制算法實(shí)現(xiàn)控制其輸出的目的。較傳統(tǒng)的電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)簡單的調(diào)速控制，小尺寸低功耗電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器有著更低的功耗，更小的尺寸，能夠?qū)崿F(xiàn)無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的節(jié)能，小尺寸便于安裝。此外，小尺寸低功耗電動(dòng)汽車無刷電機(jī)控制器帶有無線通信接口，方便與其它終端設(shè)備通信，便于監(jiān)控和實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。此外，小尺寸低功耗電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器能夠無線連接至人機(jī)界面，也能方便直觀地顯示數(shù)據(jù)【3】。

設(shè)計(jì)以TI的具有低功耗功能的MSP430G2553IPW20單片機(jī)、無刷直流電機(jī)前置驅(qū)動(dòng)DRV8308RHAR以及雙路 60V的N通道NexFET功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管CSD88537ND為關(guān)鍵器件構(gòu)成的無刷電機(jī)控制器【4】。

前置驅(qū)動(dòng)器DRV8308在控制具有傳感器的無刷直流電機(jī)時(shí)，具有先進(jìn)的功能和簡單的輸入接口。作為前置驅(qū)動(dòng)器，它連接至柵極并可同時(shí)驅(qū)動(dòng)6個(gè)外部N溝道MOSFET，可按要求配置驅(qū)動(dòng)電流，范圍從10毫安至130毫安，由此可以實(shí)現(xiàn)最佳開關(guān)特性。3個(gè)電機(jī)相位根據(jù)霍爾傳感器輸入進(jìn)行換相。一旦電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的速度，DRV8308只使用1個(gè)霍爾傳感器，由此可以將因?yàn)閭鞲衅鞑黄ヅ涠鸬亩秳?dòng)降至最低。霍爾信號(hào)驅(qū)動(dòng)定時(shí)可以提前或延遲0.1%的增量，以優(yōu)化功率效率。可選180°換向模式通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)正弦電流，并將可聽見的噪音和扭矩波動(dòng)降至最低。峰值電機(jī)電流可以通過調(diào)整感應(yīng)電阻的大小來控制。DRV8308實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)速度控制，使電機(jī)在各種負(fù)載扭矩下以精確的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)將FG跟蹤或霍爾傳感器產(chǎn)生的電機(jī)速度與插腳CLKIN上的參考頻率匹配。DRV8308還可以使用占空比命令從時(shí)鐘或寄存器設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)開環(huán)。由于DRV8308可以處理和報(bào)告過流、過電壓、欠壓和過熱等各種保護(hù)功能，極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性【5】。

三、研究結(jié)果

（1）系統(tǒng)構(gòu)成簡單和可靠性高。與傳統(tǒng)電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器相比，完成同一任務(wù)，小尺寸低功耗電動(dòng)汽車無刷電機(jī)控制器的外圍電路簡單，小尺寸低功耗電動(dòng)汽車無刷電機(jī)控制器使用非常少的模擬元器件，利用集成的驅(qū)動(dòng)模塊，解決了控制器小型化簡單化的問題，同時(shí)由于減少元器件的數(shù)量，能夠提高控制器生產(chǎn)的可靠性，進(jìn)而也提高了控制器使用的可靠性。

（2）系統(tǒng)低功耗和高效率。傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車無刷電機(jī)控制器采用方波形式的PWM進(jìn)行變頻逆變控制，如此帶來的逆變交流電的各次諧波很多，導(dǎo)致電機(jī)的功耗很大。而小尺寸低功耗電動(dòng)汽車無刷電機(jī)控制器采用SPWM波進(jìn)行變頻逆變控制，能夠有效減少逆變交流電的各次諧波，由此可以降低控制器的功耗，從而提高系統(tǒng)工作效率。此外傳統(tǒng)的微控制器并沒有采用低功耗設(shè)計(jì)，雖然微控制器部分的功耗不高，但功能受限。而小尺寸低功耗電動(dòng)汽車無刷電機(jī)控制器的微控制器采用低功耗的設(shè)計(jì)，則可以探索微控制器的電源與電機(jī)電源分開，如此即便是在動(dòng)力電池故障的情況下，控制器也能夠顯示一些關(guān)鍵信息。

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