电动摩托车无传感器无刷直流电机控制系统设计

　　传统的驱动电机结构复杂，效率低，噪音大，而无刷直流电动机是一种用电子换相装置代替机械换相装置的新型直流电动机，没有激磁损耗，热阻较小，散热容易，具有效率高、过载能力强、无换向火花等优点，是高速电机的一个重要发展方向。通常无刷直流电机采用电子或机电式位置传感器获取转子位置信息，然而有些传感器的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件如震动，潮湿和温度变化很敏感，使性能下降，系统可靠性和精确性降低。传感器还大大增加了电气连接线数目，增加干扰，增大体积和成本。因此，在小型轻载条件下，无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择并具有广泛的发展前景。采用无传感器无刷直流电机的电动摩托车作为绿色环保交通工具具有操作简单、骑乘舒适、维护方便、污染小和噪声低等优点。本文介绍一种以st7fmc1k2为核心的无传感器无刷直流电机控制系统。

　　电动摩托车的控制器结构、工作原理及电机控制部分硬件设计

　　电动摩托车的控制器结构与工作原理

　　电动摩托车的控制器具有电机驱动控制、参数显示和电池管理等基本功能。电动摩托车通过控制器采集在各种情况下的参数，控制电机运行，调节车速度，提高电机和电池的效率，保障骑乘者和他人的人身安全。能量管理系统对电池实施有效的管理，监督和控制电池的充放电过程，使电池处于良好的工作状态，保证电池的有效使用寿命。其总体机构如图1。

　　原主控制芯片st7fmc1k2作为控制核心，向驱动电路传递pwm信号以驱动电机;通过i/o口向面板显示电路传递时钟信号、复位信号和数据信号。单片机从驱动电路部分获取反电动势检测信号并进行处理以及时对电机换相;同时从驱动电路获取电流采样信号，以进行过流保护;从电池电量检测电路获取电压信号以进行欠压保护。转把信号用于改变电压以改变pwm的占空比来对电机进行调速，刹车信号用于紧急情况时及时停止电机的运行。

　　st7fmc1k2芯片的介绍[1]

　　目前市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分厂商采用motorola的mc33035控制，它具有无刷电机控制系统所需要的基本功能。本设计综合考虑性价比等因素采用意法公司的st7fmc1k2作为主控芯片，可以实现全部功能并能够满足所需求的控制精度。具体特点有：8k的flash和384字节的ram，配有lvd、看门狗、高抗噪电磁兼容电路，10位多通道a/d转换器、sci，spi、i2c、usb和带pwm功能的定时器，它的最大特点是内置了增强型的专用mtc，见图2，含有一个pwm管理单元，可通过软件设置不同的pwm方式，内置的运算放大器和比较器可以对电机绕组电流采样信号进行放大，实现两种不同的驱动模式：电压模式和电流模式。电流模式以定子绕组中的电流为直接控制对象，通过单片机内部的pwm占空比和外部rc电路改变电流设定的参考值，可以精确地跟踪定子绕组中的电流，实现输出力矩的直接控制。这样就降低处理器成本、减少外围器件数量、减少pcb板尺寸、优化系统缩短开发周期。

　　无刷直流电机控制部分硬件设计

　　无刷直流电机控制部分是整个控制器的核心，其设计的好坏将影响整个系统，本设计的主要电路图如图3所示。为了获得可调的方波电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用pwm脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的交流电压作为电机的电枢端电压，实现系统的平滑调速。逆变电路和驱动电路是主控芯片与被控电机之间的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。mosfet具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，本控制系统采用三组独立控制信号驱动的mosfet组成的全桥逆变器变换电路。驱动芯片采用八脚的ir2103，mosfet采用stp75nf75，里面自带有续流二极管，这样也减小了pcb的体积。采用过零点检测法检测反电势[3][4]，每个过零点都超前下个换相点30°电角度，只要测出未道导通相的过零时刻再进行30°电角度延时即可实现换相，反电动势信号送入mcia，mcib，mcic进行处理以对无刷直流电机进行换相。

　　无刷直流电机系统软件设计

　　无刷直流电机控制系统的软件用c语言设计而成，采用模块化编程和结构化编程，即将程序分解成若干个小模块，各个模块保持相对的独立性，只靠少量的出入口参数联系这样使程序的调试、修改、维护都比较方便;各个模块利用严格的转移和调用语句组成一个严密的整体。主要实现无位置传感器无刷直流电机的位置检测、转速的调节、pwm信号的产生等功能。由主程序、子程序和中断服务程序组成。

　　主程序设计

　　主程序主要实现：系统的定时器、i/o口、相关外围设备等系统的初始化;看门狗初始化;st7mc1k2的中断优先级的设置;idle、start、run、brake和stop五种状态的转换及其各自所做出的相应处理程序。当系统进行初始化并进行相应的中断处理以后将进入主循环，主循环包括键扫描、i/o口处理、电机启动、五种状态的转换及其电压电流模式的转换等，流程图见图4：

　　子程序设计

　　子程序模块包括i/o口初始化子程序、定时器a子程序、外围设备初始化子程序、看门狗初始化和刷新子程序、a/d转换子程序、电机预定位子程序、运放设置子程序、闭环调节子程序、周期转频率子程序等。各模块相对独立又通过一定的参数出入口联系。

　　中断程序

　　中断程序包括定时器a的中断处理程序、换相和消磁中断处理程序、速率更新中断处理程序、过零检测中断处理程序等。此无刷直流电机采用典型的六步控制方式来进行控制，这部分程序嵌入到换相与中断处理程序中去，六步控制的相关寄存器设置见图5所示。

　　实验结果及其分析

　　采用上述理论，这里采用austere48v无刷直流电机，启动最大电流18a，正常运行时10-15a，结合相关硬件和软件设计，已经成功地实现了对电动摩托车上无位置传感器无刷直流电机控制。实验结果表明，在电源电压一定的情况下，随着控制信号pwm波占空比不断增大，电动机上的平均电压随之变大，速度亦相应上升。图6为整个过程的相电流波形，图7为正常运行时的相电压波形。图6中过程可以分析如下：电机采用三步启动方式，先进行转子预定位，然后同步加速，加速到一定阶段后可以检测到反电动势，当检测到两个反电动势后进入自动切换模式，此时先用电流模式，然后切换到电压模式由转把控制占空比以控制电机速度。

　　结语

　　作为有着广泛市场前景和巨大社会效益的新型绿色交通工具，电动摩托车日益受到各生产厂家、研究机构、广大消费者的喜爱。本文介绍了以意法公司生产的st7fmc1k2专用电机控制芯片设计了一套无位置传感器无刷直流电机控制系统。实验结果表明，此设计到达了很好的控制效果，同时它简化了系统线路，减小控制器体积，提高了系统运行效率，增长了寿命，加强了灵活性和可靠性，具有好的市场推广价值。