电动摩托车用无刷直流电机控制系统的设计

熊卫东

摘要：针对传统软件控制方式运行速度慢、精度低、抗干扰能力差、成本高等问题，设计一种以复杂可编程逻辑器件为核心的无刷直流电机ＰＩ控制系统。电动摩托车用无刷直流电机控制系统采用全硬件电路设计和梯形换向控制的策略，具有高响应速度和抗干扰能力。本文对此进行了分析。

关键词：电动摩托车用系统；无刷直流电机；电机控制系统

引言：

无刷直流电机具有转速高、寿命长、过载能力强、电气时间常数小、电感低等特点，在工业控制、医疗器械、家用电器等领域有广阔的应用前景，可与驱动控制器、减速箱和反馈元件等构成多种伺服系统。现有的研究都以离散的数字ＰＩ控制器为核心设计无刷直流电机控制系统，具有易实现，方便扩展的优点，适用于控制算法的开发。但离散的数字ＰＩ控制器受限于ＭＣＵ或ＡＲＭ的运算能力和运行速度，无法实现实时控制。并且基于离散的ＰＩ控制器，对控制指令的响应性和跟随性仍不如连续的ＰＩ控制器。针对以上问题，本文提出全硬件无刷直流电机控制系统的设计方案。

1电动摩托车用无刷直流电机控制系统概述

电动摩托车用无刷直流电机控制系统由主控制器、转速ＰＩ控制电路、电流ＰＩ控制电路、ＰＷＭ生成电路、ＭＯＳ－ＦＥＴ驱动电路、速度反馈电路、电流采样电路构成，应用于具有霍尔换向信号装置的无刷直流电机。选用ＡＴＦ１５０２ＡＳ为核心，完成无刷直流电机换向逻辑的判断、电流采样相和反馈极性选择、ＰＷＭ的调制、编码器信号采集及转速反馈信号调制输出。本系统将采样电阻、相电流选择模块、电流反馈极性选择模块代替传统的模数转换器用来采样无刷直流电机的相电流，需采样的相电流及电流反馈极性的选择由ＣＰＬＤ根据霍尔信号和电机的转向信号进行判断。使用运算放大器构成的ＲＣ间歇振荡器代替数字三角波发生器，用于产生ＰＷＭ调制的基波。编码器信号由ＣＰＬＤ预处理成与其频率成正比的ＰＷＭ信号，再由滤波电路生成与转速等价的直流信号参与调解运算，从而替代传统的软件速度检测机制。

2核心电路设计

传统的控制系统以ＭＣＵ、ＤＳＰ为核心，采用离散的数字ＰＩ控制器。它具有易实现、方便扩展的优点，适用于算法开发和产品的研发试验阶段。但限于主控制器执行速度、Ａ／Ｄ采样精度及数据处理精度多方面的局限性，使得控制系统无法实现实时控制且在控制过程中不可避免地会产生控制误差。而高性能的ＤＳＰ增加了系统的成本，不适用于一般的控制场合。针对以上问题，本系统采用以运算放大器和电容电阻构成的连续的模拟ＰＩ控制器作为其速度ＰＩ控制器和电流ＰＩ控制器电路。由于运算放大器对交流信号具有很大的放大倍数，电路噪声信号较大，会引起电路稳定性问题，故加入反馈电容Ｃ６６和Ｃ６９，为ＰＩ调节电路提供高频通路，减少高频噪声。反馈电容容值很小，对电路的输出影响可以忽略不计[1]。Ｄ２、Ｄ３作用是限制ＰＩ电路的输出幅值，防止积分超调。在分析电路工作原理时，可忽略反馈电容和限幅二极管，以电流ＰＩ电路为例。

3电驱控制动力源与硬件结构

3.1电驱控制动力源

系统采用电控的方式对钻井工具进行钻进轨迹的纠正，系统采用稳定直流电源对直流电机供电。由于系统与钻进工具均处于深井工作状态，不便于井上供电，由井下动力源提供直流电源。井下电控系统供电方式可为电池供电和发电机供电２种方式，因电池供电对供电时间和供电环境等要求高，难以实现持续稳定供电，故选取发电机供电，发电机可持续稳定为垂直钻具提供直流电源，保证钻具处于完整闭环控制中，具有成本低、寿命长、稳定可靠性等特点[2]。钻井用井下发电机作为钻探装置的辅助设备，安装于井下内／外管之间的环形腔中，发电机定子嵌入于外管内壁，转子固定于内管外壁；内管上下分别与钻杆和钻头相连接；发电机与整流稳压装置连接，输出电能经处理输送给电控装置。电控装置的输出与深度测量装置、斜度测量装置、电磁压力比例阀及电控系统的输入连接。

3.2电驱控制硬件结构

ＡＲＭ最小系统由微处理器ＳＴＭ３２构成，其Ｉ／Ｏ口输出经光耦隔离，实现对ＭＣ３３０３５的正／反转和制动控制。直流电机转子位置信号经ＭＣ３３０３５与ＭＣ３３０３９进行转换，外部连接３个ＩＲＦ５４０与３个ＩＲＦ９５４０功率开关，构成三相逆变器，对永磁无刷直流电机进行控制，控制器电路可反馈转速信号，从而组成转速闭环调节系统。电机转子位置检测器将三相位置检测信号传送与控制器电路，控制器一方面将检测信号传输与ＭＣ３３０３５，其内部译码电路对启停控制端、正／反转控制端、电流检测端及制动控制端进行综合分析计算，产生逆变器三相上／下桥臂开关元件的六路原始控制信号，其三相下桥开关信号需根据无刷直流电机调速机理对脉宽进行调制。驱动电路对调制后的ＰＷＭ三相下桥控制信号进行放大、整形，并加至逆变器六开关，为电机提供正常工作所需的三相方波电流。另一方面，控制器将检测信号传送与ＭＣ３３０３９，经ｆ／Ｖ转换，所得脉冲信号ＦＢ与电机转速为正比关系。ＦＢ信号经阻容网络滤波，可得转速反馈信号，通过ＭＣ３３０３５的误差放大，形成Ｐ调节器，完成电机转速的闭环控制[3]。同时电机电流信号经处理，由ＳＴＭ３２进行Ａ／Ｄ变换，对电机电流信号进行实时检测，当电流较大引发故障时，ＭＣ３３０３５错误输出经光耦隔离，由ＳＴＭ３２进行判别。错误时电机制动，故障解除时电机重启。

4软件设计

无刷直流电机控制系统由串口采集测斜仪偏斜角信号，经微处理器ＳＴＭ３２进行判断后对钻进工具垂直度进行修正。同时，将偏斜角及方位角等参数传输与地面储存器进行储存，实现地上工作人员对井下钻进状态的实时监控。地面工作人员也可向ＳＴＭ３２控制器发送控制指令，完成对纠偏单元的手动控制，以实现最佳垂直钻进。系统中，通过光耦隔离避免ＳＴＭ３２微处理器控制板与ＭＣ３３０３５电机驱动板之间的相互干扰。纠偏过程繁琐，系统惯性大，被控对象难以精准建模，采用ＰＷＭ控制技术与ＰＩ控制算法实现系统控制。ＰＩ控制算法具有综合性强，稳态误差性等特点，且实用简单，鲁棒性好。当系统所需纠偏力较小时，电机转速较低，转矩波动性大，稳定性差，且动态响应缓慢，采用电流内环调节以提高对纠偏力的控制稳定性。电流闭环调节与转速闭环调节构成双闭环调节系统[4]。转速调制器输出电流值与电流实际反馈值进行比较，比较值输入电流PI调节器，周期序列信号与ＰＩ调节器输出信号合成为ＰＷＭ逻辑控制信号，功率开关可依据逻辑换相模块顺序导通，进而对绕组相电流和逆变器的幅值电压进行控制，实现逆变器输出电流跟随给定电流的变化而改变，且具有稳态无静差性。若钻具偏移且偏移角大于既定阈值，则无刷直流电机控制系统通过３路电机对３个导向块进行控制，使偏移角回归设定范围，之后导向块回缩，钻具继续钻进。

结束语：

综上所述，通过加强对无刷直流电机控制系统的研究，能够有效地促进电动摩托车系统的技术更新，对电动摩托车的发展有重要意义。

参考文献：

[1]李小枝.基于PIC单片机的无刷直流电机控制系统[J].科技风,2018(11):136.

[2]张国栋,祁瑞敏.无刷直流电机模糊PID控制系统设计与仿真[J].煤矿机械,2018,39(01):13-15.

[3]张奎,雷勇.无刷直流电机智能PID控制系统建模与仿真[J].测控技术,2015,34(04):81-84.

[4]黎金锋,王鹏,王志新,邹建龙.电动汽车车用低压无刷直流电机控制系统设计[J].华东电力,2014,42(06):1138-1143.