- 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的介紹
- 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)
- 較低的電壓等級(jí)帶來應(yīng)對(duì)大電流的挑戰(zhàn)
- 力矩控制策略帶來“閉環(huán)失效”問題
- 簡(jiǎn)單而新穎的無位置傳感策略
現(xiàn)在,純電動(dòng)汽車的應(yīng)用研究轉(zhuǎn)向了以公交車為主的定點(diǎn)、定向運(yùn)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(diǎn),比如都是由機(jī)構(gòu)管理,在特定區(qū)域運(yùn)行,車速不高。我們可以針對(duì)這些特點(diǎn)對(duì)車輛的設(shè)計(jì)和管理進(jìn)行優(yōu)化,以降低成本和提高性能,抗衡傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)型汽車,還有一點(diǎn)就是創(chuàng)建節(jié)能和環(huán)保形象,這對(duì)機(jī)構(gòu)和企業(yè)來說是重要的。
項(xiàng)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(chǎng)地上運(yùn)行,駕乘者目的不同以及場(chǎng)地的路況降低了對(duì)車輛續(xù)駛里程但對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性能卻提出了相對(duì)較高的要求。眾所周知,高爾夫場(chǎng)地高低起伏,這要求高爾夫球車驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(dòng)電機(jī)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(jī)(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(jiān)固,運(yùn)行可靠,調(diào)速簡(jiǎn)單,而且若能改善位置傳感器件的可靠性,它在整個(gè)運(yùn)行壽期內(nèi)免維護(hù),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(dòng)高爾夫球車,它們都采用傳統(tǒng)直流電機(jī),多采用他勵(lì)方式,電機(jī)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(duì)我們的原型車輛進(jìn)行了測(cè)試,其最高效率不超過70%。但有一個(gè)很重要的共同點(diǎn):他們的動(dòng)力電壓等級(jí)均為48V,這個(gè)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(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。它制約我們整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建立。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)
既然BLDC有很多優(yōu)點(diǎn),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(dòng)高爾夫球車均采用傳統(tǒng)直流電機(jī)呢?答案或許很多,有兩點(diǎn)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(jī)價(jià)格高,主要是永磁體貴,不過現(xiàn)在永磁體的價(jià)格呈下降的趨勢(shì)[3];他勵(lì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求主電路為三個(gè)橋臂,但有兩個(gè)橋臂位于勵(lì)磁回路,容量較小,而BLDC的驅(qū)動(dòng)要求主電路為三相橋式驅(qū)動(dòng)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(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以指導(dǎo)功率器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q相,成本低,檢測(cè)電路簡(jiǎn)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(gè)人認(rèn)為這跟傳統(tǒng)直流電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都具有的共性問題,我在下面的內(nèi)容中進(jìn)行闡述。
較低的電壓等級(jí)帶來應(yīng)對(duì)大電流的挑戰(zhàn)
在設(shè)計(jì)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(duì)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(dòng)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(jià)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)度LED光源、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)等場(chǎng)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(gè)一組并聯(lián)減少到三個(gè)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](WorstCase)方法對(duì)多管并聯(lián)的穩(wěn)態(tài)均流問題進(jìn)行分析,我們以此來確定多管并聯(lián)時(shí)所采取的降額因子;但影響動(dòng)態(tài)均流問題的因素過多,不便分析,從統(tǒng)計(jì)角度來分析多參數(shù)的影響是一個(gè)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(shí)現(xiàn)高爾夫球車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制,優(yōu)點(diǎn)有很多諸如起動(dòng)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(jì)的驅(qū)動(dòng)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(shí),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(dòng)不會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)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(dòng)響應(yīng)相異。
在大量的實(shí)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(gè)思路非常簡(jiǎn)單,即讓油門踏板踏位不僅對(duì)應(yīng)力矩的給定量,還將與電機(jī)繞組最大給定線電壓相對(duì)應(yīng)。此時(shí),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(jī)的轉(zhuǎn)速。這可以從無刷直流電機(jī)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(duì)應(yīng)不同類型的電機(jī),該策略可能要做必要的調(diào)整。
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簡(jiǎn)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(jī)的工作特性——只需要離散的位置信號(hào),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(huì)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(bǔ)反電動(dòng)勢(shì)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(jìn)度上的關(guān)系,該方法在本設(shè)計(jì)中沒有體現(xiàn),目前該策略的算法實(shí)現(xiàn)還在有條不紊的進(jìn)行。
Microchip芯片的特點(diǎn)及其在項(xiàng)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(dòng)信號(hào)、對(duì)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)進(jìn)行處理、實(shí)時(shí)采樣轉(zhuǎn)換電流等模擬信號(hào)、采集位置信號(hào)、通過開關(guān)量輸入輸出接收外部信息或者對(duì)外部進(jìn)行控制、通過CAN總線與外部其它系統(tǒng)交換信息、對(duì)各種信息進(jìn)行分析處理、協(xié)調(diào)各部分的工作等。
本設(shè)計(jì)所描述的電動(dòng)高爾夫球車永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用的主控制芯片dsPIC30F4011即來自Microchip公司,它專為電機(jī)控制領(lǐng)域設(shè)計(jì)。dsPIC30F芯片被稱為具有DSP功能的MCU,既具有控制功能強(qiáng),而又有DSP的數(shù)字信號(hào)處理強(qiáng)的特點(diǎn),這些特點(diǎn)使它比一般的DSP硬件開發(fā)電路更簡(jiǎn)單更便宜,而比同檔的單片機(jī)更能適應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理的要求。在控制器的設(shè)計(jì)中,主要使用了芯片的如下外圍模塊資源[9]:
①電機(jī)控制PWM模塊(MCPWM):PWM工作于中間對(duì)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(shí)達(dá)到最優(yōu);輸出配置為獨(dú)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(shí)刻同步,該時(shí)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;
②8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換通道(AD):用來在每個(gè)PWM周期中同時(shí)對(duì)母線電壓、兩組油門給定、兩組剎車模擬量信號(hào)、兩相電流、鋁基板溫度8個(gè)信號(hào)進(jìn)行采樣,且采樣與PWM時(shí)基同步;
③電平變化中斷(CN):來自電機(jī)霍爾傳感器的位置信號(hào)發(fā)生電平變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生電平變化中斷,在電平變化中斷服務(wù)子程序中,實(shí)施電機(jī)換相、辨別電機(jī)轉(zhuǎn)向以及計(jì)算轉(zhuǎn)速;
④定時(shí)器4(TMR4):定時(shí)器4工作于周期計(jì)數(shù)模式,以記錄相鄰兩個(gè)電周期發(fā)生的間隔,用來計(jì)算轉(zhuǎn)速;
⑤控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)模塊:將關(guān)于電機(jī)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(huì)發(fā)現(xiàn)Microchip的開發(fā)平臺(tái)極易上手,他的集成開發(fā)環(huán)境完全免費(fèi),也有一些價(jià)格低廉的在線調(diào)試工具如ICD2,當(dāng)然要進(jìn)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(huì)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(jì)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(jī)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(duì)應(yīng)的中文版本,這對(duì)初學(xué)者來說是一筆寶貴的財(cái)富,在設(shè)計(jì)之前很好的掌握它們可以起到事半功倍的效果。但有一點(diǎn)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(chǔ)器及射頻器件等。在各個(gè)產(chǎn)品系列中都有非常優(yōu)秀的產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)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(dòng)器MCP2551和軌到軌運(yùn)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(cè)、有源濾波單元的主體;系統(tǒng)中的過溫和過流硬件保護(hù)信號(hào)也是來自于MCP604內(nèi)部運(yùn)放構(gòu)成的比較器的輸出,這些輸出信號(hào)通過線或連接至dsPIC30F4011的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)引腳(FLTA)。
對(duì)于MOSFET的驅(qū)動(dòng)器件,我們?cè)欢葴?zhǔn)備采用TC4431,但它只是一個(gè)單端驅(qū)動(dòng)器,這就需要獨(dú)立的電源為高端的驅(qū)動(dòng)器件供電。為了降低成本,我們只設(shè)計(jì)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(dòng)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(jì)中,計(jì)劃完善驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)電池使用壽命。