Microchip的永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用

　　筆者剛剛參加了“Microchip 16位嵌入式控制設(shè)計大獎賽”并取得了一定的成績。在Microchip公司提議下，我以“Microchip產(chǎn)品及其在電動高爾夫球車永磁無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用”為題來簡單介紹我團隊參賽項目的背景、系統(tǒng)設(shè)計的難點和關(guān)鍵點，概述 Microchip產(chǎn)品及其在該項目中的應(yīng)用，在文章的最后談?wù)勛约涸诒荣愡^程中的收獲和心得體會。

　　引言

　　二十一世紀(jì)的頭一個十年就快悄悄過去了，但人們所熱望的電氣交通時代卻并沒有如期而至。在諸多由政府主導(dǎo)、企業(yè)和研究機構(gòu)積極參與的電動車計劃如PNGV、Freedom CAR 、PREDIT111在轟隆的引擎聲中落幕時人們開始意識到：傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的巨大慣性和強大生命力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了他們的想象，在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，電動汽車還只能停泊在實驗室。

　　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)計和管理進行優(yōu)化，以降低成本和提高性能，抗衡傳統(tǒng)內(nèi)燃機型汽車，還有一點就是創(chuàng)建節(jié)能和環(huán)保形象，這對機構(gòu)和企業(yè)來說是重要的[1]。

　　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（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，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，多采用他勵方式，電機的額定功率從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轉(zhuǎn)子位置以指導(dǎo)功率器件進行適當(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，以及一些其他電機驅(qū)動系統(tǒng)都具有的共性問題，我在下面的內(nèi)容中進行闡述。

　　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]（Worst Case）方法對多管并聯(lián)的穩(wěn)態(tài)均流問題進行分析，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的轉(zhuǎn)速。這可以從無刷直流電機的調(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，該策略可能要做必要的調(diào)整。

　　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)動保護進行處理、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，而又有DSP的數(shù)字信號處理強的特點，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；

　?、?8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個信號進行采樣，且采樣與PWM時基同步；

　?、?電平變化中斷（CN）：來自電機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，實施電機換相、辨別電機轉(zhuǎn)向以及計算轉(zhuǎn)速；

　?、?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；

　?、?控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）模塊：將關(guān)于電機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。

　　競賽中的收獲和體會

　　在提交了參賽作品之后，我如釋重負(fù)。回想這半年來在實驗室奮斗的日日夜夜，心中感慨良多：向我的隊友們表示衷心感謝，我們是一個團隊，每個人都是成功的關(guān)鍵，非常幸運的是我的隊友們都非常優(yōu)秀而且和我有著共同的信念，沒有他們的努力是不可能取得任何成績的；參與到一個項目中去，完整介入其整個過程對一個電子工程師的成長非常必要。從立項、可行性研究、方案的初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、原型系統(tǒng)的試制到實驗調(diào)試，我的學(xué)習(xí)能力、分析問題解決問題的能力、溝通和協(xié)調(diào)能力有了長足的進步；感謝Microchip公司和電子產(chǎn)品世界給我們提供“Microchip 16位嵌入式控制設(shè)計大獎賽”這樣一個平臺：來自全國各地的工程師和電子愛好者們可以通過這個平臺交流靈感和創(chuàng)意、分享成果和成功的喜悅！衷心感謝，祝大賽越辦越好，規(guī)模越辦越大，如果還有機會，希望能和來自世界各地的電子愛好者們同臺競技，共襄盛舉！

　　參考文獻(xiàn)：

[1] 孫逢春，電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，科學(xué)中國人，2006,3(1)：44-47
[2] C.C.Chan. The State of Art of Electric and Hybrid Vehicles[J]. Proceedings of IEEE. 2002,90(2)：247-275
[3] 湯蘊繆、史乃著，電機學(xué)，機械工業(yè)出版社，2001
[4] 陳清泉、孫逢春、祝家光編著，現(xiàn)代電動汽車技術(shù)，北京理工大學(xué)出版社，2002
[5] 楊克濤、傅仁利，絕緣金屬鋁基板的制備及介電性能研究，山東陶瓷，2006(29),6：3-6
[6] 飛兆半導(dǎo)體公司，如何確定MOSFET的適用性，模擬器件，2006(3)：39-40
[7] 國際整流器公司，應(yīng)對高電流的挑戰(zhàn)，電源技術(shù)，2006(6)：80
[8] 楊立勇，電動汽車用永磁無刷直流電機控制技術(shù)研究，重慶大學(xué)出版社，2004
[9] Microchip Technology Inc. dsPIC30F系列參考手冊[EB/OL].