- 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的介紹
- 系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點和難點
- 較低的電壓等級帶來應(yīng)對大電流的挑戰(zhàn)
- 力矩控制策略帶來“閉環(huán)失效”問題
- 簡單而新穎的無位置傳感策略
現(xiàn)在，純電動汽車的應(yīng)用研究轉(zhuǎn)向了以公交車為主的定點、定向運行車輛和社區(qū)用車及特定用途的微型車。這類車輛具有一些共同的特點，比如都是由機(jī)構(gòu)管理，在特定區(qū)域運行，車速不高。我們可以針對這些特點對車輛的設(shè)計和管理進(jìn)行優(yōu)化，以降低成本和提高性能，抗衡傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)型汽車，還有一點就是創(chuàng)建節(jié)能和環(huán)保形象，這對機(jī)構(gòu)和企業(yè)來說是重要的。
項目和系統(tǒng)介紹
高爾夫球車屬于一種特定用途的微型車，它在高爾夫球場地上運行，駕乘者目的不同以及場地的路況降低了對車輛續(xù)駛里程但對驅(qū)動系統(tǒng)動力性能卻提出了相對較高的要求。眾所周知，高爾夫場地高低起伏，這要求高爾夫球車驅(qū)動電機(jī)具有優(yōu)良的過載性能；車速不高，意味著高爾夫球車驅(qū)動電機(jī)不需要很寬的調(diào)速范圍。要滿足這些要求，使用永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）顯得再好不過：在很大負(fù)載范圍內(nèi)，BLDC都能獲得極高的效率，只要它的轉(zhuǎn)速仍然在基速以下。再者，它堅固，運行可靠，調(diào)速簡單，而且若能改善位置傳感器件的可靠性，它在整個運行壽期內(nèi)免維護(hù)，這使它的吸引力更為出眾[2]。
我們考察了多種同類型（雙座）電動高爾夫球車，它們都采用傳統(tǒng)直流電機(jī)，多采用他勵方式，電機(jī)的額定功率從2～3kW不等，均裝備鉛酸型蓄電池，最大容量有150AH，名義續(xù)駛歷程為150km，在改裝前對我們的原型車輛進(jìn)行了測試，其最高效率不超過70%。但有一個很重要的共同點：他們的動力電壓等級均為48V，這個值的確定也許是來源于通信電源系統(tǒng)，也許是考慮到安全電壓的要求，但無論如何這已經(jīng)成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)。它制約我們整個驅(qū)動系統(tǒng)的建立。
系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵點和難點
既然BLDC有很多優(yōu)點，人們當(dāng)然有理由將其應(yīng)用到高爾夫球車這類微型車當(dāng)中去，但為什么世面上現(xiàn)有的電動高爾夫球車均采用傳統(tǒng)直流電機(jī)呢？答案或許很多，有兩點卻始終跑不掉，那就是成本和可靠性。先說成本，具有相近參數(shù)的BLDC比傳統(tǒng)直流電機(jī)價格高，主要是永磁體貴，不過現(xiàn)在永磁體的價格呈下降的趨勢[3]；他勵直流電機(jī)的驅(qū)動要求主電路為三個橋臂，但有兩個橋臂位于勵磁回路，容量較小，而BLDC的驅(qū)動要求主電路為三相橋式驅(qū)動電路，它們身上均流過電樞電流，這大大增加了功率開關(guān)器件的投入。再說可靠性，采用霍爾位置傳感器來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以指導(dǎo)功率器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q相，成本低，檢測電路簡單，但可靠性低[4]。當(dāng)然，即便采用其他類型的傳感器可靠性也高不到哪去，個人認(rèn)為這跟傳統(tǒng)直流電機(jī)的電刷和換向器一樣讓人頭痛。這些問題怎么解決，以及一些其他電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)都具有的共性問題，我在下面的內(nèi)容中進(jìn)行闡述。
較低的電壓等級帶來應(yīng)對大電流的挑戰(zhàn)
在設(shè)計的最大功率下功率開關(guān)器件處理的電流峰值將達(dá)到100A。大電流將對因器件布置所帶來的寄生參數(shù)、分布電感等問題提出嚴(yán)苛的要求，當(dāng)然還有散熱。同等情況下，BLDC的驅(qū)動需要更多的功率開關(guān)器件，但我們?nèi)匀幌Ｍ懿辉黾涌刂破鞯捏w積。由于成本所限，不可能采用性能優(yōu)良但價格昂貴的集成或智能功率器件（IPM），唯一可能的是盡力改善散熱條件以減少功率MOSFET的數(shù)量。在這里我們引進(jìn)了一種稱為“鋁基覆銅板”的散熱方式[5]，靈感來源于IPM，在這類功率器件中，功率晶元甚至沒有進(jìn)行封裝就直接表面貼裝在鋁基板上。接著我們還發(fā)現(xiàn)它在高強(qiáng)度LED光源、汽車點火系統(tǒng)等場合也多有應(yīng)用。通過采用該散熱方式，我們成功將原本七個一組并聯(lián)減少到三個一組并聯(lián)，效果讓人欣喜。采用表面貼裝的方式，功率開關(guān)器件的引腳寄生電感也可大大縮小，可謂一舉兩得。
關(guān)于多管并聯(lián)的均流問題，利用最差狀態(tài)[6][7]（WorstCase）方法對多管并聯(lián)的穩(wěn)態(tài)均流問題進(jìn)行分析，我們以此來確定多管并聯(lián)時所采取的降額因子；但影響動態(tài)均流問題的因素過多，不便分析，從統(tǒng)計角度來分析多參數(shù)的影響是一個值得思考的方向。
力矩控制策略帶來“閉環(huán)失效”問題
采用力矩控制策略來實現(xiàn)高爾夫球車驅(qū)動系統(tǒng)的控制，優(yōu)點有很多諸如起動轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)迅速、限流效果好等。但力矩控制策略帶來“閉環(huán)失效[8]”問題：由于設(shè)計的驅(qū)動系統(tǒng)具有一倍的過載能力，當(dāng)負(fù)載力矩始終無法達(dá)到油門踏板給定力矩時，油門踏板踏位處于負(fù)載力矩值與最大給定力矩值之間的任何變動不會對車輛的運行狀態(tài)造成絲毫的改變。這與傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車的驅(qū)動響應(yīng)相異。
在大量的實際調(diào)試中，我們小組總結(jié)出了一種行之有效的方法：這個思路非常簡單，即讓油門踏板踏位不僅對應(yīng)力矩的給定量，還將與電機(jī)繞組最大給定線電壓相對應(yīng)。此時，油門踏板踏位的任何改變必然導(dǎo)致最大給定線電壓的改變也必然將改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這可以從無刷直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速特性得出。這里我稱其為“最大力矩控制策略”。對應(yīng)不同類型的電機(jī)，該策略可能要做必要的調(diào)整。
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簡單而新穎的無位置傳感策略
在全速度范圍內(nèi)尋找一種可靠的低成本的無位置傳感器位置獲取策略顯得非常重要。得益于永磁無刷直流電機(jī)的工作特性——只需要離散的位置信號，以及相繞組之間的互感耦合效應(yīng)，我們研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種稱之為“間接電感法”的無位置傳感器算法。通過分析我們發(fā)現(xiàn)在互感耦合效應(yīng)會導(dǎo)致PWM調(diào)制的有效和無效期間相端電壓的差與轉(zhuǎn)子位置成一固定的關(guān)系。理論上分析，只要電壓傳感器件的精度達(dá)到要求，都可以得到可靠的位置信息。在低速范圍內(nèi)，這種方法顯得更為有效，可以有效彌補(bǔ)反電動勢法的不足以獲得全速度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置信息。由于進(jìn)度上的關(guān)系，該方法在本設(shè)計中沒有體現(xiàn)，目前該策略的算法實現(xiàn)還在有條不紊的進(jìn)行。
Microchip芯片的特點及其在項目中的應(yīng)用
主控制芯片是控制系統(tǒng)的核心，它提供給逆變器驅(qū)動信號、對功率驅(qū)動保護(hù)進(jìn)行處理、實時采樣轉(zhuǎn)換電流等模擬信號、采集位置信號、通過開關(guān)量輸入輸出接收外部信息或者對外部進(jìn)行控制、通過CAN總線與外部其它系統(tǒng)交換信息、對各種信息進(jìn)行分析處理、協(xié)調(diào)各部分的工作等。
本設(shè)計所描述的電動高爾夫球車永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用的主控制芯片dsPIC30F4011即來自Microchip公司，它專為電機(jī)控制領(lǐng)域設(shè)計。dsPIC30F芯片被稱為具有DSP功能的MCU，既具有控制功能強(qiáng)，而又有DSP的數(shù)字信號處理強(qiáng)的特點，這些特點使它比一般的DSP硬件開發(fā)電路更簡單更便宜，而比同檔的單片機(jī)更能適應(yīng)數(shù)字信號處理的要求。在控制器的設(shè)計中，主要使用了芯片的如下外圍模塊資源[9]：
①電機(jī)控制PWM模塊（MCPWM）：PWM工作于中間對齊方式，調(diào)制頻率選擇為10kHz，文獻(xiàn)[4]認(rèn)為該頻率可使能量密度、噪聲及電磁干擾同時達(dá)到最優(yōu)；輸出配置為獨立模式，且利用特殊事件觸發(fā)器SEVTCMP使A/D采樣在占空比有效的中間時刻同步，該時刻被認(rèn)為具有最小的地線耦合干擾，有望獲得準(zhǔn)確的模擬量值；
②8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換通道（AD）：用來在每個PWM周期中同時對母線電壓、兩組油門給定、兩組剎車模擬量信號、兩相電流、鋁基板溫度8個信號進(jìn)行采樣，且采樣與PWM時基同步；
③電平變化中斷（CN）：來自電機(jī)霍爾傳感器的位置信號發(fā)生電平變化時會產(chǎn)生電平變化中斷，在電平變化中斷服務(wù)子程序中，實施電機(jī)換相、辨別電機(jī)轉(zhuǎn)向以及計算轉(zhuǎn)速；
④定時器4（TMR4）：定時器4工作于周期計數(shù)模式，以記錄相鄰兩個電周期發(fā)生的間隔，用來計算轉(zhuǎn)速；
⑤控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）模塊：將關(guān)于電機(jī)和車輛的部分信息通過CAN通信送至上位儀表(液晶顯示器)，并可接受來上位儀表的指令(觸摸屏)。
即便是初學(xué)者，你也會發(fā)現(xiàn)Microchip的開發(fā)平臺極易上手，他的集成開發(fā)環(huán)境完全免費，也有一些價格低廉的在線調(diào)試工具如ICD2，當(dāng)然要進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)，還需要一塊目標(biāo)板。再加上RISC的采用，你會發(fā)現(xiàn)即便采用匯編語言編程也一樣輕松，當(dāng)然我在設(shè)計中采用的還是C語言，某些需要高質(zhì)量目標(biāo)代碼的地方采用了嵌入行內(nèi)匯編的這種混合編程方式以達(dá)到代碼質(zhì)量和效率的平衡。
Microchip的技術(shù)支持非常出色，網(wǎng)絡(luò)資源相當(dāng)豐富，特別在電機(jī)控制領(lǐng)域，種類齊全而且更新速度快，且其中相當(dāng)多的一部分應(yīng)用筆記有對應(yīng)的中文版本，這對初學(xué)者來說是一筆寶貴的財富，在設(shè)計之前很好的掌握它們可以起到事半功倍的效果。但有一點瑕疵的是我發(fā)現(xiàn)不同技術(shù)支持工程師編寫的應(yīng)用筆記或示例中的源代碼風(fēng)格迥異，有一些注釋也不是很規(guī)范，還是統(tǒng)一一下的好。
圖1產(chǎn)品選型指南
我們以圖1來示意Microchip豐富的產(chǎn)品線，包括有8、16、32位MCU和DSC，模擬器件和接口產(chǎn)品、存儲器及射頻器件等。在各個產(chǎn)品系列中都有非常優(yōu)秀的產(chǎn)品。在設(shè)計中，除了主控制芯片采用了Microchip的dsPIC30F4011，還使用了CAN網(wǎng)絡(luò)的總線驅(qū)動器MCP2551和軌到軌運放MCP604。利用CAN來與上位液晶顯示儀表通信，向其傳送車輛的狀態(tài)信息并可以接受該儀表的指令以改變控制參數(shù)或響應(yīng)控制指令；MCP604構(gòu)成了模擬量檢測、有源濾波單元的主體；系統(tǒng)中的過溫和過流硬件保護(hù)信號也是來自于MCP604內(nèi)部運放構(gòu)成的比較器的輸出，這些輸出信號通過線或連接至dsPIC30F4011的功率驅(qū)動保護(hù)引腳（FLTA）。
對于MOSFET的驅(qū)動器件，我們曾一度準(zhǔn)備采用TC4431，但它只是一個單端驅(qū)動器，這就需要獨立的電源為高端的驅(qū)動器件供電。為了降低成本，我們只設(shè)計了一路15V電源，最終選擇了IR公司的IR2181，利用自舉電容為其高端MOSFET驅(qū)動器件供電。當(dāng)然，Microchip的電源管理器件也非常好用，且網(wǎng)站上有完整的電源管理方案，在下一步的設(shè)計中，計劃完善驅(qū)動系統(tǒng)的電池管理系統(tǒng)，以提高車輛的續(xù)駛里程和延長電池使用壽命。
