摘 要： 介紹了電動自行車所用的無刷直流電機" title="無刷直流電機">無刷直流電機的工作原理及控制方案，提出了采用可編程片上系統CY8C24423與分立元件組成驅動電路來實現的控制系統方案，并探討了通過PWM斬波補償換相期間的脈動電流來解決無刷電機" title="無刷電機">無刷電機起動過程中由于轉矩脈動" title="轉矩脈動">轉矩脈動引起的噪音及抖動。
關鍵詞： 無刷直流電機? 轉矩脈動? 可編程片上系統? PWM
?
無刷電機啟動和爬坡力矩大，高效率工作點的區間寬，由于采用電子換向取代機械換向，減小了電機磨損引起的不可靠性，維護容易，因此，在電動車行業中已被廣泛應用[1]。
無刷電機驅動系統的性能直接影響著整個系統的可靠性、安全性及效率。本文設計了以可編程片上系統（PSoC）CY8C24423為主控芯片的控制器，給出了功率開關管的驅動電路原理圖，并對無刷電機起動過程中的轉矩脈動進行了分析探討，提出了簡單有效的解決辦法，對于推動電動自行車行業的技術進步具有積極的意義。
1 無刷直流電機的工作原理
如圖1所示，無刷直流電機由電機本體、轉子位置傳感器和功率電子開關電路三部分組成[2]。
本系統所用的樣機是星形連接的三相電機，額定電壓36V，額定功率250W，內部霍爾傳感器相位差為120°，采用兩相導通" title="導通">導通、六狀態工作的橋式全控電路進行控制。工作時，控制器根據霍爾傳感器感應到的電機轉子當前所在位置，依照定子繞線決定開啟(或關閉)功率晶體管的順序，從而使電流依序流經電機線圈產生順向(或逆向)旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此使電機順時或逆時轉動。當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制器又再開啟下一組功率晶體管，如此循環，以獲得電動機連續旋轉的電磁轉矩。
2 無刷電機控制系統
2.1 控制系統總體設計
本系統的總體控制原理如圖2所示。單片機接收電動車轉把給定的速度信號，并根據電流、速度反饋調整輸出的PWM信號的占空比，控制電機轉子的轉速。無刷電機內部的霍爾元件的輸出信號經過位置信號檢測電路，將電機轉子的當前位置反饋給單片機，單片機根據此反饋信號計算出電機的轉速同時輸出對應的換相信號。驅動電路根據單片機的輸出指令控制三相橋功率開關電路上下功率管" title="功率管">功率管的導通順序和導通時間，從而實現對無刷電機的轉速調節。
2.2 可編程片上系統（PSoC）
PSoC（Programmable System on Chip）是美國Cypress MicroSystems公司推出的新一代功能強大的8位可配置的嵌入式單片機[3]。該系列單片機與傳統單片機的根本區別在于其內部集成了數字模塊和模擬模塊，用戶可以根據不同設計要求調用不同的數字和模擬模塊，完成芯片內部的功能設計，其內部所包含的用戶模塊如圖3所示。使用該類芯片可以配置成具有多種不同外圍元器件的微控制器，適應非常復雜的實時控制需求，大大提高產品的開發效率，降低了系統開發的復雜性和費用，同時增強了系統的可靠性和抗干擾能力。
2.3 驅動電路
本文采用三相逆變橋功率管開關電路驅動無刷電機，上下橋臂均選用N溝道MOSFET，這是因為P溝道FET的通態電阻比N溝道FET的要大，較高的通態電阻將使開關速度下降，損耗增加，效率降低，可靠性降低，全部使用N溝道FET做功率開關具有更高的效率[4]。
本系統選用ST Microelectronics公司生產的N溝道增強型功率管STP60NF06，它的最大漏源極電壓VDSS=60V，飽和導通時的漏源極之間的電阻RDS（on）<0.016Ω，允許通過的最大漏極電流ID=60A。為了提高系統的效率，減小MOSFET的功率損耗，應使功率開關工作時的通態電阻最小，即滿足VGS≥10V。三相橋上下橋臂功率管驅動電路如圖4所示。
由于上橋臂的N溝道FET導通后，其源極對地電壓VS=E，為了維持其飽和導通，滿足VGS≥10V，需要提供其柵極驅動的輔助電源，如圖5所示。利用單片機內部的計數器產生占空比為50%、頻率為50kHz的方波信號，通過三極管經電容耦合到二極管網絡，整流出所需的直流電壓，使G點電壓約為48V，E點為電源電壓36V。
2.4 斬波調壓信號（PWM）
本系統使用的單片機內部有PWM模塊，通過改變脈沖寬度寄存器或脈沖周期寄存器的值，就可以改變輸出的PWM占空比，從而控制電機的轉速。相對于“雙斬”PWM調制方式，采用“單斬”PWM調制方式可以減小功率管的開關損耗，并且當PWM占空比相同時，后者電磁轉矩大[5]。因此，本系統采用“單斬”PWM調制方式對三相逆變橋的下橋臂功率管進行調制。正常工作時，根據單片機內部的AD采樣電動車手把信號，改變脈沖寬度寄存器的值，控制PWM輸出的脈沖寬度。為了使電機起動有力，同時避免大電流對電機及控制器造成損壞，本系統采用數字式限流起動方式，通過比較反饋電流與設定電流的大小逐級調整PWM占空比，使電機始終以最大電流起動。
2.5 電機起動控制
無刷直流電機工作時，由于自身及控制系統的影響，使其輸出轉矩含有脈動成分，這種轉矩的波動很大程度上是由于電流換相造成的，影響了整個驅動系統的性能，在實際使用中，會造成電機的抖動并產生震動噪音，因此，已有許多方法用以抑制換相轉矩脈動[6-8]。對于電動自行車，目前還沒有對轉矩脈動提出客觀的抑制標準，主要是依靠人的騎行感覺來評測。通過騎行實驗，發現電動自行車在起動過程中震動噪音大，抖動比較明顯，也就是說，在這段時間內電機轉矩脈動較大。如何在不增加成本的情況下較好地抑制換相轉矩波動就成為設計控制器的關鍵。本文提出通過PWM斬波補償換相期間的脈動電流，具體方法為：經過采樣電阻提取反映主回路中電流幅值的電壓量，濾除高頻成分，送給單片機，單片機根據其脈動范圍的大小來調節換相期間PWM信號的占空比，加快換相過程，減小換相電流脈動，待換相完成后，返回正常控制狀態。該方法簡單易實現，經過實際使用，電機起動過程中的噪音及抖動得到明顯抑制，電機在低、高速下無明顯的震動噪音。
3 測試結果
采用額定電壓36V，額定功率250W的電機作為樣機，對該控制器進行測試，得到如圖6所示的電機各特性曲線。
從圖中可以看出，電機的效率在很大轉矩范圍內都能夠保持在60%以上，達到額定輸出功率時，其效率接近80%。在電機加載的過程中，隨著負載轉矩的增大，電流逐漸增大，但是在達到限流值(14A)后，電流不再隨著轉矩的增加而增加，而是能夠穩定在限流點附近。這樣在實際使用過程中，控制器和電機不會因回路中的過大電流而損壞，即實現了限流保護。從圖6可以看出，本控制器的作用效果還是比較理想的。
經過大量的實踐測試，本控制器動態性能好，運行平穩。為了滿足市場的需要，本控制器還具有欠壓保護、堵轉保護、過溫保護以及定速巡航、1:1助力、速度顯示等功能。
本文討論了電動自行車用無刷電機的控制方案，采用了Cypress公司推出的可編程片上系統芯片CY8C24423作為系統的主控芯片，提高了產品的開發效率，降低了系統開發的復雜性。電機的驅動電路采用分立元件實現，大大降低了產品的成本。提出了一種簡單實用的解決無刷電機換相轉矩脈動的方法。經過實驗，該系統的一致性、可靠性良好，運行效率高，故障率小，已成功應用于電動自行車的控制。
參考文獻
[1]楊駿．電動車直流無刷電動機轉矩脈動現象及其控制方法．電動自行車，2005，(10)：29-31．
[2]謝寶昌，任永德．電機的DSP控制技術及其應用．北京：航空航天大學出版社，2005：250-258．
[3]郭帥，何永義．PSoC的動態配置能力及其實現方法．單片機與嵌入式系統應用，2003，(1)：23-26．
[4]譚建成．電機控制專用集成電路．北京：機械工業出版社，1997：95-106．
[5]邱建琪，陳永校．電動自行車用永磁無刷直流電機電磁轉矩控制．微電機，2004，(4)：37-40．
[6]紀志成，姜建國，沈艷霞，等．永磁無刷直流電動機轉矩脈動及其抑制方法．微特電機，2003，(5)：33-37．
[7]張磊，瞿文龍，陸海峰．無刷直流電機換相轉矩脈動的抑制．電工電能新技術，2005，24(2)：20-23．
[8]王興華，勵慶孚，王曙鴻，等．永磁無刷直流電機換相轉矩波動的分析研究．西安交通大學學報，2003，37(6)：612-616．