電動車無刷控制器硬件電路詳解

1、電動車無刷馬達控制器硬件電路詳解2008-5-10 9:47:25電動車無刷電機是目前最普及的電動車用動力源，無刷哇 機長壽，免維護的特點得到廣泛應用，然而由于其使用雀 電刷,其換向控制相對有刷電機要復雜許多，同時由于電; 又使用電池作電源，因此控制器自身的保護及對電機，哇 器提出更多要求。自電動車用無刷電動機問世以來，其控制器發(fā)展分兩個p 用專用無刷電動機控制芯片為主組成的純硬件電路控制: 單，其中控制芯片的代表是摩托羅拉的mc33035,這個不 以也不作深入介紹。第二階段是以mcu為主的控制芯片。 的重點，在mcr版本的設計中，揉和了模擬、數(shù)字、大】 等許多重要應用，結合mcu智能化控制，

2、是一個非常有/ 今以應用最廣泛的以pic16f72為智能控制中心，350w白 機電路如圖1：<nd<imm3ucm3；200(1ii iiwotano. g wl.、zmvg g伽i an4.!<m i <kc7 i ia l» icucxt kb* in 7； !ik1ksl350w無尿i?達擰制器嫌理國i丹 mogm 二 ®圖2:電路框圖電路大體上可以分成五部分：一、電源穩(wěn)壓，供應部分；二、信號輸入與預處理部分；三、智能信號處理，控制部分；四、驅(qū)動控制信號預處理部分；五、功率驅(qū)動開關部分。下面我們先來看看此電路最核心的部分：pic16f72組成:

3、 控制部分，因為其他電路都是為其服務或被其控制，弄養(yǎng) 路就比較容易明白。r111k2gnd6 7k5/120648v7k5/i206c21104c? dh gnd1049k7nz燒卩口，留2.54mn何距通孔5個u?r16電流檢測127調(diào)速-4"w" 選擇 gnd<_10tt12h< pwmi3>rr,爲plmc7vpp ra0/an0 ra1/an1 ra2/an2 ra3/an3 ra4/t0i ra5/an4 vss/gnd osc1 osc2 rco rc1 rc2/ccp rc3rb7/pgdrb6/pgcrb5rb4rb3rb2rb1rb0/i

4、nt vcc vss/gnd rc7 rc6 rc5 rc4< 植爾ud?ogndpici6i72圖3:pic16f72在控制器中的各引腳應用圖 我們先來簡單介紹一下pic16f72的外部資源：該單片機 電源、復位、振蕩器等，共有22個可復用的10 口，其| 輸出口，可輸出最大分辨率達10bit的可調(diào)pwm信號，: 路ad模數(shù)轉換輸入口，可提供檢測外部電路的電壓，一 可處理突發(fā)事件。內(nèi)部軟件資源我們在軟件部分講解，這一 各引腳應用如下：1： mclr復位/燒寫高壓輸入兩用口2：模擬量輸入口：放大后的電流信號輸入口，單片機建 換后經(jīng)過運算來控制pwm的輸出，使電流不致過大而燒琴 時電壓應在

5、0-1. 5v左右3：模擬量輸入口：電源電壓經(jīng)分壓后的輸入口，單片杖 轉換后判斷電池電壓是否過低，如果低則切斷輸出以保扌 過放電而損壞。正常時電壓應在3v以上4：模擬量輸入口：線性霍爾組成的手柄調(diào)速電壓輸入匚 壓高低來控制輸出給電機的總功率，從而達到調(diào)整速度i 5：模擬/數(shù)字量輸入口：剎車信號電壓輸入口?？梢允关?或根據(jù)電平高低判斷，平時該腳為高電平，當有剎車信云 低電平，單片機收到該信號后切斷給電機的供電，以減【 6：數(shù)字量輸入口 ： 1+1助力脈沖信號輸入口，當騎行者 時，該口會收到齒輪傳感器發(fā)出的脈沖信號，該信號被耳 電機輸出一定功率以幫助騎行者更輕松地往前走。7：模擬/數(shù)字量輸入口：由

6、于電機的位置傳感器排列方乞 高低決定適合于哪種電機，目前市場上常見的有所謂12c 機。有的控制器還可以根據(jù)該口的電壓高低來控制起動日 合不同的力度需求。8：單片機電源地。9：單片機外接振蕩器輸入腳。10：單片機外接振蕩器反饋輸出腳。11：數(shù)字輸入口：功能開關112：數(shù)字輸入口：功能開關213：數(shù)字輸宙口： pwm調(diào)制信號輸出腳，速度或電流由卡 寬度控制。14：數(shù)字輸入口：功能開關315、16、17：數(shù)字輸入口：電機轉子位置傳感器信號輸/ 信號變化決定讓電機的相應繞組通電，從而使電機始終i 這個信號上面講過有120。和60°之分，這個角度實際上 相位之差，120。就是和二相電一樣，每個

7、相位和前面的 60°就是相差60° o18：數(shù)字輸出口：該口控制一個led指示燈，大部分廠弟 故障情況顯示，當控制器有重大故障時該指示燈閃爍不眉故障類型以方便生產(chǎn)、維修。19：單片機電源地。20：單片機電源正。上限是5. 5vo21：數(shù)字輸入口：外部中斷輸入，當電流由于意外原因笑 范圍時，該口有低電平脈沖輸入。單片機收到此信號時f 的輸出，從而保護重要器件不致?lián)p壞或故障不再擴大。22：數(shù)字輸出口：同步續(xù)流控制端，當電流比較大時，ii 制其后邏輯電路，使同步續(xù)流功能開啟。該功能在后面匚 23-28：數(shù)字輸出口：是功率管的邏輯開關，單片機根撫 器的信號，由這里輸岀三相交流信號控

8、制功率m0sfet刃 使電機正常運轉。有了智能化的控制中心，就需要有其它電路來為其服務, 始介紹。一、電源部分見圖4：+13.5c20gnd控制器有三組電源，第一組當然是提供總能源的電池，7 c1:100011 f, 63v) cll:47uf, 63v 及 c13, c33:0. 1 u f63 消除由于電源線、電路板走線所帶來的電阻、寄生電感? 由于工作在大電流、高頻率、高溫狀態(tài)下，特別對電解4 高溫的要求，普通的電解電容容易發(fā)熱爆裂。第二組電源提供12-15v的電壓，這組電壓主要提供給m 由于場效應管的驅(qū)動要求比較特殊，必須有10v以上20v 好導通，所以必須有合適的電壓供給，同時該組電

9、壓也 供預穩(wěn)壓。這組電壓由lm317提供，輸出大約13. 5vo ef 出壓差不能超過40v,而輸入電壓可能高達60v,因此在前 2w的電阻，既預先降壓，又替317分擔了一部分功耗。 第三組電源是5v,由lm78l05提供，由于78l05提供的最 所以另并聯(lián)了兩個15k的電阻以擴流，同時也分擔一咅| 統(tǒng)中，對5v電源的要求比較高，不單單是因為邏輯電樨 壓都不能過高，而且由于mcu的所有ad轉換都是以5v e 5v不準時會出現(xiàn)電流，欠壓值，手柄控制等均不能達到 甚至不能動作，因此該電壓的范圍應被嚴格限制在4. 90二、信號輸入與預處理部分這部分電路包括電源電壓輸入、工作電流比較，放大輸, 電機轉

10、子位置傳感器的霍爾信號輸入、剎車信號輸入及空 號輸入等。1. 電源電壓輸入：由于mcu只接受0-5v的信號，所以哇 壓才能輸入mcuo2. 工作電流放大、輸入：電路如圖5圖5:略u3a是一個放大電路，它將康銅絲r55采樣過來的電流作 送入單片機。最早的設計在r23上并聯(lián)了一個0. 1 u f 器，后來為了更好地實時檢測電流，將該電容去掉，這右 流的實際變化基本一致以便mcu采樣值更接近于實際值' u3b是一個比較器接法，實際也是一個比較器，正常時金 比較器翻轉，當電流由于某種原因突然增大到一定程度, 觸發(fā)單片機的外部中斷，單片機就會完全關閉電機的輸七 免故障進一步擴大。這里有人會問，為

11、什么放大器的放大倍數(shù)取得這么小，女i 點的話，單片機經(jīng)過ad轉換后的數(shù)字相對比較大，分辨: 何樂而不為呢？這種想法是有道理的，但是限于lm358 i 15khzcpwm的工作頻率大約為15. 6k）的方波經(jīng)358放大. 我們目前對電流峰值的采樣應當采取梯形波的上邊，如占 形波的上邊就會變得很窄而使單片機采樣困難，甚至采木 梯形波的斜邊，因而不能正確反映電流的實際大小，這崩 紊亂。所以寧愿放大倍數(shù)取小點以保證采樣位置的準確:圖6：略3. 手柄輸入部分：手柄輸出的電壓范圍在1. 2-4. 2v的宛 波后輸入到單片機處理。手柄需要一個5v的電源才能：!圖7：略4. 電機轉子位置傳感器輸入部分：由于該

12、傳感器安裝在e 輸出的辦法，所以除提供5v電源外，每個傳感器都必勿 其輸出的信號進行阻容濾波以抗干擾，同時在電源處接二 銅膜做保險絲，防止電機相線與霍爾信號線短路后高電j3 上別的零件。圖8:略5. 剎車信號輸入：由于剎車信號開關往往和剎車燈共用- 的剎車電壓也不統(tǒng)一，所以必須接入二極管防止高壓串乂 要做到8-50v輸入時都能正常工作。6. 其它功能開關信號比較簡單，功能實現(xiàn)均依靠內(nèi)部程f 不一一介紹。三、智能信號處理，控制部分，上面已經(jīng)介紹過，不再四、驅(qū)動控制信號預處理部分；驅(qū)動控制信號大致由兩種信號合成：pwm信號和相位邏葷 得不先介紹一下功率開關部分:功率開關部分是由三組斗 開關，用以改

13、變電機線圈的通電順序和通電方向，我們- 的功率管稱為上橋，與電源地相接的功率管稱為下橋，i 位邏輯開關信號由a+、b+、c+提供，這三個控制信號必 后控制對應的上橋，下橋的相位邏輯開關信號由a-、b- 直接被用來控制下橋的開關。單片機這六個腳上都接了- 阻到地，是為了防止單片機處在復位時，由于這些腳均夂 能會引入于擾信號而導致后面邏輯電路誤動作，這個比車 在看到控制部分的電路圖并非上面所說的那么簡單，實肉 經(jīng)過了 4個邏輯電路處理后才到達上下橋的驅(qū)動電路，i 么要如此復雜呢？其實這些電路都是為了實現(xiàn)一個功能：同步續(xù)流。為什么要同步續(xù)流需要說明一下，這里的“同步續(xù)流”，被一些人稱為“恒 流是用在

14、電源上的名詞，用在這里明顯不太合適。先參考圖9otor_bvcc圖9：同步續(xù)流示意圖假設此時a相上橋和c相下橋通電，當a相上橋pwm占 時，通過電機線圈的電流是斷續(xù)的，但上橋關閉的時候， 個電感，線圈上必定會岀現(xiàn)一個自感反電動勢，這個反哇 電流的方向不變，由于a相上橋已經(jīng)關閉，這個電流就金 的c相下橋，地，a相下橋的續(xù)流二極管繼續(xù)流動，見e 這個自感電流并不大，但總電流大時，線圈中儲存的能畫 電流也會相當大，我們知道m(xù)osfet的續(xù)流二極管本身的丿 在通過的自感電流大時，功耗便會相當大，假設自感電; 降為0.7v時，功耗為7w,顯然這個發(fā)熱量是相當大的, 很燙，假如我們此時把下橋打開，讓自感電

15、流直接從m0 （mosfet導通時電流可以雙向流通），再假設mosfet iq , 10a的時候功耗就變?yōu)?w,理論上就可以大大降低下 低溫升。但在實際上，由于上下橋在交叉導通時需要一彳 通造成電源短路，這個作用會打一些折扣，不過效果還卡 什么很多產(chǎn)品的下橋會用好一點的管子的原因。同步續(xù)流的實現(xiàn)1倒向，截波與死區(qū)控制，電路見圖10圖10：倒向，死區(qū)發(fā)生器.略單片機產(chǎn)生的pwm占空比信號一路通過與門，經(jīng)r53, r5： 空比）后輸出，相位不變，截波量大約為1.5us,形成f 至上橋驅(qū)動，與上橋邏輯開關信號相與后驅(qū)動上橋mosf 和c24,反相器u5a移相,相移量大約750ns,再經(jīng)u5b , 號

16、，最后合成至下橋驅(qū)動。此時兩個信號輸出時相位相i 空比比pwm信號占空比大1.511s,但由于pwm-信號已經(jīng)巾 信號剛好套在pwm-信號中間，兩邊空岀750ns作為m0s1處理后波形示意圖如圖11pwm13pwm-pwm圖11:死區(qū)發(fā)生器輸出波形2.同步續(xù)流的邏輯關系圖12為a相驅(qū)動電路的實際電路圖12 因為三相驅(qū)動相同，所以我們這里僅以a相為例說明同步 程當a向的邏輯開關信號“a+”為高電平時，a相上橋被 在整機電流較小的情況下，pv信號為高電平，不管或非 入腳電平如何，其輸岀總是低，所以此時或非門u2b僅 信號是下橋的邏輯開關，它僅在下橋需要導通時左 整機電流比較大，而pwm占空比小于1

17、00%時，由于a相 斷導致電機線圈中出現(xiàn)較大感應電流，感應電流通過另- 橋的二極管泄放，為降低該二極管的功耗，此時應將a ； 以減小壓降，這時單片機將“pv”信號端拉低，在pv信 信號共同作用下，“pwm-”信號通過u3c傳遞到u2b, ff 低，所以u2b受“pwm-”信號控制，在pwm信號關斷的| 導通。當“a+”信號為低電平時，“pwm-”信號并不影叩 的正確邏輯而不會誤導通。五、功率驅(qū)動開關部分。以單獨一組a相上下橋驅(qū)動為例，見圖12見了這種電路，很多人首先會問：為何上橋的驅(qū)動電路 很顯然，這么復雜的電路一定有其用途，如果要簡單一£ 關直接用p溝道的m0sfet來做就可以，這

18、樣驅(qū)動電路壟 道的功率m0sfet又貴又難買，為了節(jié)省成本，只能用n 溝道的m0sfet導通時其柵極g的電壓必須比源極s高h 完全導通，這樣在上橋?qū)〞r，假設電源電壓為48v, ii 就必須比電源電壓高12v,也就是大于60v才行。但怎樣 高的驅(qū)動電壓呢？ 一般情況可以通過變壓器耦合驅(qū)動信- 高壓等方法，而在這里，則采用了一種叫做“高壓浮柵西 上橋。顧名思義，浮柵驅(qū)動的柵極是浮動的，這是一個很形象白 路圖來分析一下柵極是怎樣“浮動”起來的我們先看一下c5的接法，這是整個驅(qū)動的關鍵所在，c5 到13. 5v電源（實際在13. 5v左右），負極很奇怪地接至 它所驅(qū)動的mosfet vi的源極接在一

19、起，在電機不動的, mosfet關閉，此時c5通過二極管d1,電阻r40充電至? pwm的合成信號使u4a的3腳輸出高電平時，ql導通帶瓦 多的電壓就會加到vi的柵極使vi導通，而vi導通使哇 也就是vi的源極電壓會升高至48v,而此時由于c5充溢 然是12v,所以可以維持tl的導通并使vi柵極的電壓女 這樣vi的柵極就好像隨著源極電壓浮動而浮動，所以m 這時如果u4a的3腳一直維持高電平的話，在電容kl禾 電容充飽電之后，c5上的儲存的電荷主要通過tl的be 管ql放電（由于此時二極管d7處于正偏狀態(tài)，所以t2金 因此t2并不參與放電），如果c5足夠大，那么可以在丹 保證vi的驅(qū)動電壓在合理的范圍內(nèi)。這里b