摘要：介紹了電動摩托車用無傳感器無刷直流電機(jī)的優(yōu)越性和以s17FMclK2芯片為核心的控制系統(tǒng)設(shè)計。首先介紹芯片ST7FMClK2，然后介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，重點對關(guān)鍵的幾個電路和程序進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，最后給出了實驗調(diào)試結(jié)果。
關(guān)鍵詞：無傳感器；無刷直流電動機(jī)；sT7FMclK2；控制系統(tǒng)；設(shè)計；實驗
0 引 言
在小型輕載條件下，無位置傳感器無刷直流電機(jī)成為理想的選擇并具有廣泛的發(fā)展前景。采用無傳感器無刷直流電機(jī)的電動摩托車作為綠色環(huán)保交通工具，具有操作簡單、騎乘舒適、維護(hù)方便、污染小和噪聲低等優(yōu)點。本文介紹一種以sTFMclK2為核心的無傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)及實驗結(jié)果。
1控制器結(jié)構(gòu)、工作原理及硬件設(shè)計
l_1控制器結(jié)構(gòu)與工作原理
電動摩托車控制器具有電機(jī)驅(qū)動控制、參數(shù)顯示和電池管理等基本功能。電動摩托車通過控制器采集在各種情況下的參數(shù)，控制電機(jī)運(yùn)行、調(diào)節(jié)速度、提高電機(jī)和電池的效率，保障騎乘者和他人的人身安全。能量管理系統(tǒng)對電池實施有效的管理，監(jiān)督和控制電池的充放電過程，使電池處于良好的工作狀態(tài)，保證電池的有效使用壽命。其總體構(gòu)成如圖1。原理如下：主控制芯片s17FMclK2作為控制核心，向驅(qū)動電路傳遞PwM信號以驅(qū)動電機(jī)；通過I／0口向面板顯示電路傳遞時鐘信號、復(fù)位信號和數(shù)據(jù)信號。單片機(jī)從驅(qū)動電路獲取反電動勢檢測信號并進(jìn)行處理，以對電機(jī)換相；同時從驅(qū)動電路獲取電流采樣信號，以進(jìn)行過流保護(hù)；從電池電量檢測電路獲取電壓信號以進(jìn)行欠壓保護(hù)。轉(zhuǎn)把信號用于改變電壓，以改變PwM的占空比來對電機(jī)調(diào)速；剎車信號用于緊急情況下停止電機(jī)運(yùn)行。
l_2 s17FMclK2芯片
介紹本設(shè)計綜合考慮性價比等因素，采用意法公司的sTFMclK2作為主控芯片。具體特點有：
8 K的FLASH和384字節(jié)的RAM；配有LVD、看門狗、高抗噪電磁兼容電路；10位多通道A／D轉(zhuǎn) 換器和scI，SPI、Ic、uSB以及帶PWM功能的定時器，****特點是內(nèi)置了增強(qiáng)型的專用MTC；含有一個PWM管理單元，可通過軟件設(shè)置不同的PWM方式，內(nèi)置的運(yùn)算放大器和比較器可以對電機(jī)繞組電流采樣信號進(jìn)行放大，實現(xiàn)電壓模式和電流模式。電流模式以定子繞組中的電流為直接控制對象，通過單片機(jī)內(nèi)部的PWM占空比和外部Rc電路改變電流設(shè)定的參考值，可以精確地跟蹤定子繞組中的電流，實現(xiàn)輸出力矩的直接控制。
這樣降低了處理器成本，減少了外圍器件數(shù)量，縮小了PcB板尺寸，縮短了開發(fā)周期。
l_3硬件設(shè)計
無刷直流電機(jī)主電路如圖2所示。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用PwM脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電機(jī)的電樞端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速。逆變電路和驅(qū)動電路是主控芯片與被控電機(jī)之間的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。
MOSt7ET具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點。本系統(tǒng)采用三組獨立控制信號驅(qū)動的MOSl~lET組成全橋逆變器變換電路。驅(qū)動芯片采用八腳的IR2103，MOs—FET采用slw5NW5，里面自帶有續(xù)流二極管，這樣也減小了PCB的體積。采用過零點檢測法檢測反電勢，每個過零點都超前下個換相點30°電角度，只要測出未導(dǎo)通相的過零時刻，再進(jìn)行30°電角度延時即可實現(xiàn)換相。反電動勢信號送人MCIA、MCIB、McIc進(jìn)行處理以對無刷直流電機(jī)進(jìn)行換相。
2系統(tǒng)軟件設(shè)計
無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件用C語言設(shè)計而成，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程，即將程序分解成若干個小模塊，各個模塊保持相對獨立，只靠少量的出入口參數(shù)聯(lián)系，這樣使程序的調(diào)試、修改、維護(hù)都比較方便。各個模塊利用嚴(yán)格的轉(zhuǎn)移和調(diào)用語句組成一個嚴(yán)密的整體，以實現(xiàn)電機(jī)的位置檢測、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、PWM信號的產(chǎn)生等功能。
2．1主程序設(shè)計
主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)定時器、I/O口、相關(guān)外圍設(shè)備等系統(tǒng)的初始化；看門狗初始化；sT7M(：lK2中斷優(yōu)先級的設(shè)置；IDlE sTART、RuN、BRAKE和sTOP等5種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及其各自所做出的相應(yīng)處理程序。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行初始化并進(jìn)行相應(yīng)的中斷處理以后將進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)包括鍵掃描、I／0口處理、電機(jī)起動、5種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及其電壓電流模式的轉(zhuǎn)換等。流程圖見圖3。
主程序部分程序如下：
2．2子程序設(shè)計
子程序模塊包括I／0口初始化子程序、定時器A子程序、外圍設(shè)備初始化子程序、看門狗初始化和刷新子程序、A／D轉(zhuǎn)換子程序、電機(jī)預(yù)定位子程序、運(yùn)放設(shè)置子程序、閉環(huán)調(diào)節(jié)子程序、周期轉(zhuǎn)頻率子程序等。各個模塊相對獨立又通過一定的參數(shù)出入口聯(lián)系。
2．3中斷程序
中斷程序包括定時器A的中斷處理程序、換相和消磁中斷處理程序、速率更新中斷處理程序、過零檢測中斷處理程序等。該無刷直流電機(jī)采用典型的6步控制方式。這部分程序嵌入到換相與中斷處理程序中。
3 實驗結(jié)果及其分析
采用Austere48 V無刷直流電動機(jī)，起動****電流為18 A，正常運(yùn)行時為10 A～15 A。結(jié)合相關(guān)硬件和軟件設(shè)計，已經(jīng)成功地實現(xiàn)了對電動摩托車用無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制。實驗結(jié)果表明，在電源電壓一定的情況下，隨著控制信號PwM占空比不斷增大，電動機(jī)上的平均電壓隨之變大，速度亦相應(yīng)上升。圖4為整個過程的相電流波形。圖5為正常運(yùn)行時的相電壓波形。對圖4中過程分析如下：電機(jī)采用3步起動方式，先進(jìn)行轉(zhuǎn)子預(yù)定位，然后同步加速，加速到一定階段后可以檢測到反電動勢，當(dāng)檢測到兩個反電動勢后進(jìn)入自動切換模式，此時先用電流模式，然后切換到電壓模式，由轉(zhuǎn)把控制占空比，以控制電機(jī)速度。
4結(jié)論
作為有著廣泛市場前景的新型綠色交通工具，電動摩托車日益受到各生產(chǎn)廠家、研究機(jī)構(gòu)和廣大消費者的喜愛。本文介紹了以意法公司s盯FMclK2專用電機(jī)控制芯片設(shè)計的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，此設(shè)計到達(dá)了很好的控制效果，同時它簡化了系統(tǒng)線路，減小控制器體積，提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率、壽命、靈活性和可靠性，具有較好的推廣價值。
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