微型电动车用轮毂电机控制系统的研究

电磁激振器1　前筛粉机言
　　近年来，归属于纯电动车范畴的专用于短蝶形下料阀距离运输的几种微型电动车（micro ev）在国外已投放市场。本文开发的微型电动车采用永磁无刷轮毂电机驱动。由于把电动机安装在车轮轮毂内，既提高了车体空间的利用率又舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等机械传动部件，使整车重量减轻，降低了机械传动损耗，并具有更灵活的行驶驱动特性。
本文所述为上述轮式驱动微型电动车专一设计的一种基于数字信号处理器（dsp）的电动车轮毂电机的控制系统。其主要特点是：采用电压控制同时设计了对应于加速踏板踏位的电流预测控制的控制策略，获得了类似传统汽车驾驶习惯的控制特性；仅采用一个置于直流端的霍尔电流传感器实施了相电流检测，并结合相应硬件的设计与改进，完成了限流控制；此外，在软件设计中，仅使用一个通用定时器即可实现各项控制落砂机要求，其技术方案简洁合理。经样机实验的验证，表明本文构造的基于dsp的控制系统对于电动车轮毂电机控制具有推广应用意义。
不锈钢输送机2　电动车轮毂电机驱动系统控制震动给料器新策略
　　本系统针对微型电动车运行特点，提出了采用电压控制同时配合设计了对应于加速踏板踏位的电流预测控制的控制策略，可以获得类似传统汽车驾驶习惯的功率运输带控制特性。
　　此时，加速踏板的踏位对应于电压指令的输入。驱动系统的机械特性如图1所示，其中q为脉宽调制方式（pwm）调速输出电压的占空比，机密封锤式破碎机械特性方程为

其中u振打器为直流电源电压。
　　从图1中可以看出，对一定的转矩而言，输入电叶轮给煤机压指令对应于速度的控制；而对一定的速度而言，输入电压指令对应于转矩控制，因此控制加速踏板可以获得与传统驾驶习惯相似的控制特性。

　　同时，由于对加速踏板的操作对应于输出电压pwm占空比q的线性变化，因而在猛踩踏板时会引起过流而使保护电路动作。但是，猛踩加速踏板在驾驶中是不可避免的，所以本控制系统设计了电流的预测控制，即根电磁振动筛据实时电机速度n，按下式推算出此时允许的最大电枢相电压平均值u_{ma锤式打砂机x}精细筛分机，即

　　当ls螺旋输送机加速踏板踏位所对应的占空比q＞q_{mGZ系列电磁振动给料机ax}，则实际输出电压的占空比取q_max。这样，将确保在急剧加速过程中电机以允许的最大转矩运行，即响应速度快，但又不会引起过流造成停机，此时控制特性类似于功率控制。　　
3　控制系统设计
　　本文所设计的控制系统，以及相应于电流检测、驱动电路和电机位置检测等环节的电气连接构成框图如图2所示。系统采用如前一节所述的控制策略，全桥调制方式，滞环限流控制。三相y联接的无刷直流方波轮毂电机采用两两导通方式，即每一瞬间有两个功率管导通，每隔60°电角换相一次，每个功率管导通120°电角度。dsp选用美国德州仪器公司的电机微控制器tms320x240，由于dsp片内的资源丰富，如具有a／d转换、pwm输出等功能模块，使控制电路大为简化。限于篇幅，本文着重介绍设计中具有特色的几个方面。

3．1　电流检测
　　通常限流的电流检测是检测相电流，故需要3个电流传感器。本系统仅采用一个霍尔电流传感器（lem），如图2所示放置在直流端，检测直流端电流，同样完成了控制要求。另外，为了防止切换振荡，设置了滞环比较环节。其功能分析如下：在全桥调制控制中，当m1，m4管关断时直流端电流流向如图3、4所示。这样，在一个pwm周期中，直流端电流如图5所示，其正方向如图2所示。今采用霍尔电流传感器进行电流采样时，霍尔元件的响应时间约为3μs左右，因而若将其输出信号经滤波放大、绝对值电路等通常的处理后使用，那么，在直流端电流由正向→0→反向的过程中，就会检测到低于限流滞环下限值的电流值，使相应的功率管再次开通，导致管子处于开通、关断的高频切换状态中。为此，本文提出一种新的方案，电路如图6所示。即将霍尔传感器的输出信号经过滤波放大，绝对值电路后，再经过过零处理，最后产生所需电流的控制信号，从而较好地解决了上述功率管高频切换振荡问题。应指出，此方案关键在于过零处理环节对电流检测值的绝对值减小的过程有一个延时响应，这样就避开了直流端电流过零过程中的上述问题。同时，由于过零处理环节中二极管的作用，该环节对电流的上升过程没有影响。当然，在实际应用中，务需适当调节这一环节的时间常数，以使电流的下限满足系统设计的要求。

3．2　位置信号的检测与处理
　　本系统设计中的轮毂电机带有霍尔位置传感器（传感器电相角关系为120°）。三路位置传感器信号经隔离后接至dsp的输入／输出脚（i／opb0～2）。在软件设计中，将三相六步换相关系做成表格形式，同时考虑正、反转及制动信号。例如正转时的换相真值表如下：

   
　　其中每个字的内容即为相应轮毂电机位置信号下actr寄存器所需的控制字，对应于上桥臂信号为高电平有效；下桥臂信号为低电平有效。换相部分的关键程序如下：

　　可以看出，本文摈弃了通常设计中的使用dsp捕获单元获取位置信号并通过捕获中断进行换相处理的常规方法，而是在定时器1的周期中断服务程序中按如上所述方式进行位置检测及换相处理，从而使位置检测与换相部分的程序设计得以大为简化。
3．3　系统的软件设计
　　整个系统软件包括主程序、定时器1周期中断服务程序、a／d中断服务程序，pdpint中断服务程序。
　　主程序主要完成变量初始化、dsp内核及事件管理器初始化等。
　　定时器1周期值取500hz，周期中断服务程序主要完成位置检测及换相、启动加速踏板踏位信号的a／d转换、计算速度等。由于定时器1的周期值取得很小（对应时间为50μs），所以用周期中断作为时间基准，每10个周期中断启动a／d转换一次。速度计算是通过统计若干次周期中断中位置信号的跳变次数换算成相应的速度值。
　　a／d采样中断主要完成加速踏板踏位的a／d采样值的中值滤波、速度值的调整等。
　　pdpint中断完成故障时的pwm输出的封锁，并给出故障指示。
　　如上所述，本系统软件仅使用了一个通用定时器即实现了各项控制要求，其结构简单合理。　　
3．4　驱动与保护
　　系统中功率器件选用irfz44，dsp的6路全比较pwm输出经过光耦隔离后接至驱动集成模块ir2130。ir2130内部设有过电流、过电压、欠电压等保护电路，其保护信号输出端接dsp的pdpint脚，当此管脚为低电平时，产生pdpint中断，封锁pwm输出。
4　实验
　　本控制系统中作为样机的轮毂电机参数为：额定直流电压36v，额定转速240r／min，额定功率150 w，极对数为8。实验运行结果表明，该样机配以按上述技术方案构成的简洁、实用的控制器，其运行和控制性能良好，图7和图8分别示出系统中轮毂电机的实测相电流波形和pwm波形。可以看出相电流波形较好，同时，软件设计采用一个定时器并通过查表同样良好地完成了位置检测与换相处理。

5　总结
    本文提出的电动车轮毂电机控制系统的整体设计遵循安全、简单、实用原则，该系统采用电压控制，同时配合设计了对应于加速踏板踏位的电流预测控制，控制特性类似功率控制，与传统内燃机车驾驶习惯相符；软件设计中仅采用一个定时器便实现了全部控制，软件结构大为简化；仅采用了一个霍尔传感器即能满意地完成相电流的检测与限流控制，降低了系统成本同时也大大简化了控制电路。实验证明，本文构造的轮毂电机驱动系统能够满足电动车实用的工程需求，且对相关系统的设计有一定的指导意义。