电动车用无刷直流电动机的调速控制

中图分类号:T M 383 4+1 文献标识码:A 文章编号:1001 6848(2006)07 0088 02

电动车用无刷直流电动机的调速控制

黄 涛 李 晶

(武汉理工大学信息学院,武汉 430070)

摘 要:对当前无刷直流电动机在电动车中的应用做了简单分析,详细阐述了其驱动电路和调整部分的实现方案以及过流保护等功能。

关键词:无刷直流电动机;霍尔位置传感器;驱动电路;调速;过流保护;电动助力车;应用

收稿日期:2005 08 29

1 概 述

当给无刷直流电动机定子绕组通电时,该电流与转子永磁体的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子位置变换成方波信号,通过控制电路去控制开关线路的通断,从而使定子各相绕组按一定顺序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换相器的换相作用。因此,所谓无刷直流电动机,就其结构而言,可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的 电动机系统 。

2 设计方案

本设计应用于控制电动自行车和电动摩托车的无刷直流电动机。最大输出功率700W,采用48V 蓄电池供电,空载转速可达700转/分钟。功率最大时(通常为爬坡时),流过M OSFET 管的电流最高可达20A,因此对M OSFET 管的电流承受能力有一定的要求。本设计中选择IRF540N,其击穿电压为100V,最大可承受电流为33A,可以满足设计要求。为了保护MOSFET 管,延长使用寿命,当电流达到设计的最高电流值时采取过流保护。整个电路以时序逻辑控制为主,对时序的准确性要求相当高。设计方案流程图如图1所示。

3 实现方法

由固定在无刷电动机内的霍尔位置传感器输出霍尔信号,即转子位置信号。信号波形如图2所示。以三相无刷电动机为例,

各相信号是占空比为图1 电动车

用无刷直流电机设计流程

图2 三相霍尔信号波形

50%的方波,相互之间相位差为120!。由三相霍

尔信号A 、B 、C 组成的一组编码(先后顺序分别为:101、100、110、010、011、001),经过译码电路及74LS38选择出每个编码所对应时刻时驱动电路中导通的功率管,从而为电动机提供工作电流。驱动电路如图3所示。经74LS38输出的信号通过光电隔离进入驱动电路,光耦全部采用正相接法。对于三相霍尔信号A 、B 、C 各种不同的组合,例如当A 、B 、C 为101时,经74LS138译码器和74LS38与非门输出,到达1、2路光耦输入端为高电平,3、4、5、6路光耦输入端为低电平。由图3所示电路可知,1路和2路光耦分别对应的M OS FET 管M 1、M2导通,通过A 相和C 相对无刷直流电动机提供供电回路。同理,当霍尔信号A 、B 、C 为其它状态值时,亦可通过译码电路及74LS38与非门选择相应的光耦,使输入端为高电平,对应的M OSFET 管轮流导通,如此不断循环换相,从而驱动电动机旋转。

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微电机 2006年 第39卷 第7期(总第154期)

图3 驱动电波

对无刷直流电动机速度进行调节控制,可以由图4所示的方案实现。电动机起动之后在驱动电路的作用下,不断加速旋转,直至达到给定的速度。所谓给定速度实质上是通过可调电阻得到一电压值V1,输入LM324的比较器反相输入端,由无刷电动机输出的霍尔方波信号(如图2),经过沿触发电路,在方波上跳沿和下跳沿分别产生触发脉冲,达到2倍频。霍尔信号和触发脉冲的频率皆与电动机转速成正比。将A、B、C三相霍尔信号得到的沿触发脉冲叠加输入单稳态触发器4538,由4538输出频率为霍尔信号频率6倍的方波信号,经由RC 电路整流,获得直流电压值V2。时间常数RC的值越大,即电容充电时间越长,直流效果越好。将V2输入LM324比较器的正相输入端,与给定电压V1比较,通过比较器输出调速控制信号V S来控制驱动电路的开断。当V1V2,即给定速度高于当前电动机转速时,比较器输出低电平,控制驱动电路中的相应M OSFET管导通,驱动电动机加速旋转,当速度超过给定速度时,即回到V1

在本设计中,无刷直流电动机做为电动助力自行车和电动摩托车驱动系统,驱动电路所采用的

MOSFET管最大承受电流可达33A。当对电动机外加较大负载时,流过M OSFET管的电流将急剧增加,为保护MOSFET管,防止电流过大,将采取过流保护措施。在MOSFET

管与地之间接

图4 力度不超过80mm

入采样电阻R0,R0的阻值要尽可能小,可根据所选用的M OSFET管所能承受最大电流而选择合适的阻值。在本设计中选择R0=0 2 。R0的功率要较大。通过采样电阻得到反馈电压V f,将V f输入比较器反相输入端,将前文所述的控制驱动电路开断的信号V s输入比较器正相输入端。当流过M OSFET管的电流接近所能承受最大电流时,得到的V f值较大,将超过V s的最大值,则此时不论V s为何值,比较器均输出低电平,从而关断所有M OSFET管,起到过流保护作用。

综上所述,本文所设计的无刷直流电动机调速控制系统,具有结构简单、成本低廉、维护方便等特点。经过多种环境下的试验验证本系统性能可靠,具有良好的调整特性,能够较好的应用于电动助力自行车和电动摩托车的驱动系统。

参考文献

[1] 张琛.直流无刷电机原理及应用[M].北京:机械工业出版

社,1996.

[2] 叶金虎,徐思海.无刷直流电动机[M].北京:科学出版社,

1992.

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