??? 摘? 要： 介紹了采用單電阻電流采樣方法對(duì)電機(jī)的三相電流進(jìn)行重構(gòu)，并通過(guò)角度細(xì)分方法和PLL技術(shù)取得電機(jī)的實(shí)際位置角，從而進(jìn)行矢量控制運(yùn)算的電動(dòng)自行車BLDC控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用兩相調(diào)制的SVPWM方法，在提高母線電壓利用率的前提下降低了功率器件的開關(guān)損耗。相比目前在電動(dòng)自行車控制領(lǐng)域所采用的兩兩通電的120°控制方式，本方法降低了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了系統(tǒng)的平穩(wěn)性。
??? 關(guān)鍵詞： 電動(dòng)自行車；單電阻采樣；矢量控制；SVPWM；兩相調(diào)制；PLL
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??? 目前電動(dòng)自行車控制器多采用兩兩通電的120°控制方式，在這種控制方式下電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，有較大的機(jī)械噪聲。針對(duì)目前該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展概況，本文提出了采用矢量控制的180°正弦波控制方式。同時(shí)從系統(tǒng)的成本考慮，采用單電阻電流采樣方式，根據(jù)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)對(duì)電機(jī)的三相電流進(jìn)行重構(gòu)，從而進(jìn)行矢量控制運(yùn)算。系統(tǒng)芯片采用NEC 78K0R/IC3系列芯片的μPD78F1213作為主控芯片，完成系統(tǒng)的各種采樣和控制運(yùn)算工作。
??????????????????????????????????????? μPD78F1213介紹
?? ?μPD78F1213為NEC公司針對(duì)電動(dòng)自行車控制所開發(fā)的78K0R/IC3系列芯片中的一款控制芯片，它在片上集成了電機(jī)控制功能的外圍電路，在很大程度上降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。它具有如下特點(diǎn)：
?? ?(1)20 MHz內(nèi)部時(shí)鐘；
?? ?(2)外圍電路時(shí)鐘可達(dá)40 MHz；
?? ?(3)32 KB ROM，1.5 KB RAM；
?? ?(4)片上10位A/D轉(zhuǎn)換芯片，最快可達(dá)2.5 μs；
?? ?(5)6路PWM輸出端口，具備死區(qū)功能；
?? ?(6)片上乘法器；
?? ?(7)內(nèi)部集成運(yùn)放和兩段式電流保護(hù)功能；
?? ?(8)定時(shí)器觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換；
?? ?(9)12路16位定時(shí)器陣列，可靈活配置；
?? ?(10)在線仿真和自編程功能。
?? ?該系列芯片不僅適用于電動(dòng)自行車控制的開發(fā)，而且還可以用于包括空調(diào)、洗衣機(jī)等各種家用電器的電機(jī)控制開發(fā)。
??????????????????????????????????????????? 系統(tǒng)介紹
??????????????????????????????????????????????????? 總體結(jié)構(gòu)
?? ?基于μPD78F1213的E-BIKE控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電動(dòng)自行車控制器中，速度的給定是通過(guò)轉(zhuǎn)把信號(hào)給定的模擬信號(hào)。在系統(tǒng)中采用A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行速度給定的采樣。供電系統(tǒng)由48 V的蓄電池組供電，采用的電機(jī)為外轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)，其主要性能指標(biāo)如下：額定轉(zhuǎn)速為300 r/m，額定電壓為48 V，額定功率為350 W。同時(shí)系統(tǒng)中還包括了其他的外圍硬件電路。
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?????????????????????????????????????????????????? 硬件介紹
??? 系統(tǒng)硬件主要包括MCU控制電路、電源電路、功率電路以及分立驅(qū)動(dòng)電路。MCU控制電路主要完成核心的控制功能，包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出以及A/D采樣和各種保護(hù)功能；電源電路把48 V的主電源變換為系統(tǒng)所需的5 V和15 V控制電源；功率電路由6個(gè)功率MOSFET構(gòu)成，采用NEC 2SK3435芯片，完成電機(jī)的功率驅(qū)動(dòng)；分立驅(qū)動(dòng)電路用于按照PWM輸出驅(qū)動(dòng)6路功率MOSFET，完成對(duì)電機(jī)的控制，采用分立驅(qū)動(dòng)電路可有效地降低系統(tǒng)的成本。
???????????????????????????????????????? SVPWM分析
??? 電壓空間矢量法（SVPWM）是從電動(dòng)機(jī)的角度出發(fā),著眼于使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場(chǎng)。它以三相對(duì)稱正弦波電壓供電時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的理想圓形磁通軌跡為基準(zhǔn)，用逆變器不同的開關(guān)模式產(chǎn)生的實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能。與SPWM技術(shù)相比，SVPWM在電機(jī)的電流中產(chǎn)生的諧波較小并且提高了母線電壓的利用率。
?? ?實(shí)現(xiàn)SVPWM的方法有磁鏈圓軌跡法、電壓矢量合成法等。在這里采用了電壓矢量合成法，即采用2個(gè)非零矢量和1個(gè)零矢量合成一個(gè)等效的電壓矢量。
?? ?逆變器主回路(如圖2)的6個(gè)開關(guān)管T1～T6可以形成8個(gè)開關(guān)量，分別對(duì)應(yīng)8個(gè)空間矢量，以T1、T3和T5的開關(guān)狀態(tài)來(lái)表示：000～111，1表示導(dǎo)通，0表示截止；而T2、T4、T6的狀態(tài)與對(duì)應(yīng)的T1、T3和T5正好相反，其中6種狀態(tài)(001～110)為非零矢量，6種非零矢量輸出電壓，并在圖2三相逆變器主回路電機(jī)中形成6個(gè)工作磁鏈?zhǔn)噶?以6種不同工作矢量所形成的實(shí)際磁鏈來(lái)追蹤三相對(duì)稱正弦波供電時(shí)定子上的理想磁鏈圓,即可得到PWM調(diào)制時(shí)的等效基準(zhǔn)磁鏈圓,矢量圖如圖3所示。當(dāng)輸出電壓矢量Vout旋轉(zhuǎn)到某扇區(qū)時(shí),由組成該扇區(qū)的兩個(gè)非零矢量Vx、Vx+60分別作用ta、tb時(shí)間，時(shí)間分解如圖3所示。為補(bǔ)償Vout的旋轉(zhuǎn)頻
率，插入零矢量V111或V000，時(shí)間為t0。
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?? ?Vout=ta/TVx+tb/TVx+60+t0/T(V111或V000)
?? ?Ｔ=ta+tb+t0
其中Ｔ為PWM周期。
??? 為了降低調(diào)制過(guò)程中的開關(guān)損耗，本系統(tǒng)采用了兩相調(diào)制的方法，即在兩個(gè)零矢量V111和V000中只采用V000作為調(diào)制中的零矢量，這樣在任何一個(gè)區(qū)間內(nèi)總有一相橋臂的下橋臂常通，而上橋臂常閉，從而降低了調(diào)制過(guò)程中的開關(guān)損耗。這種調(diào)制所形成的驅(qū)動(dòng)波形如圖4所示。
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圖4 兩相調(diào)制SVPWM下的驅(qū)動(dòng)波形
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?????????????????????????????????? 單電阻采樣方法及原理分析
??? 矢量控制方法需要檢測(cè)電機(jī)的三相電流，傳統(tǒng)的方法一般都采用電流傳感器或者霍爾器件與電機(jī)的相線耦合直接檢測(cè)相電流。為減少電流傳感器的數(shù)量并且降低系統(tǒng)成本，系統(tǒng)采用如圖5所示的電路檢測(cè)電機(jī)的直流母線電流。
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??? 在圖5的電流采樣電路中，根據(jù)開關(guān)狀態(tài)的不同組合，可以得到相電流與母線電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖6為開關(guān)狀態(tài)下的電流對(duì)應(yīng)關(guān)系在①區(qū)間內(nèi)UVW的狀態(tài)為110，此時(shí)電流從U、V兩相上橋臂流入經(jīng)過(guò)W相流出，此時(shí)母線電流與W相電流大小相等，方向相反，即：iu=-idc。在②區(qū)間內(nèi)UVW的狀態(tài)為100，此時(shí)電流從U相上橋臂流入經(jīng)過(guò)V、W兩相的下橋臂流出，此時(shí)母線電流與U相電流大小相等，方向相同，即iu=idc。
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??? 同理可以得到在不同的開關(guān)狀態(tài)下的三相電流與母線電流的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。
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??? 根據(jù)表中所列的電流對(duì)應(yīng)關(guān)系，選擇通過(guò)定時(shí)器觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換就可以得到電機(jī)的三相電流值。
?? ?值得注意的是，當(dāng)開關(guān)狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間較短時(shí)，電流采樣的精度會(huì)變差，因此需要采用非對(duì)稱的PWM驅(qū)動(dòng)波形來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償以提高采樣精度，會(huì)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能造成一定的影響。
??????????????????????????????????????? 系統(tǒng)控制原理
??? 矢量控制的原理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電機(jī)控制系統(tǒng)，本文不再對(duì)具體原理進(jìn)行分析。下面根據(jù)系統(tǒng)的計(jì)算原理圖（如圖7）介紹系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程。
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??? 首先，根據(jù)檢測(cè)到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸入的參考轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，通過(guò)速度PI控制器計(jì)算出定子電流參考輸入。定子三相相電流通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的母線電流按照電流重構(gòu)的方法得出。然后，用Clark變換將它們轉(zhuǎn)換到定子兩相坐標(biāo)系中，再使用Park變換將它們轉(zhuǎn)換到d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中。將d-q坐標(biāo)系中的電流信號(hào)與它們的參考輸入Isq_ref和Isd_ref相比較，其中Isd_ref＝0。通過(guò)PI控制器獲得理想的控制量。控制信號(hào)再通過(guò)Park逆變器，送到PWM逆變器，從而得到控制定子三相對(duì)稱繞組的實(shí)際電流。外環(huán)速度環(huán)產(chǎn)生了定子電流的參考值，內(nèi)環(huán)電流環(huán)得到實(shí)際控制信號(hào)，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的速度矢量控制系統(tǒng)。
??????????????????????????????????????? 系統(tǒng)角度細(xì)分方法
?? ?在BLDC中通常采用三個(gè)霍爾器件作為位置反饋信號(hào)。在這種情況下，每個(gè)360°區(qū)間內(nèi)共有6種位置狀態(tài)，每種狀態(tài)持續(xù)60°電角度。為進(jìn)行矢量控制運(yùn)算，需要對(duì)角度進(jìn)行細(xì)分。
?? ?角度細(xì)分的方法如下：首先根據(jù)霍爾信號(hào)的觸發(fā)沿得到當(dāng)前時(shí)間，再與上一次沿觸發(fā)的時(shí)間相減即可得到相鄰兩次沿觸發(fā)的周期。由于在實(shí)際系統(tǒng)中霍爾信號(hào)或者永磁體分布不均勻，因此采用如圖8中所示的方法計(jì)算霍爾中斷的周期，從而消除系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差。由上述可知：T=T1+T2+T3+T4+T5+T6，則：
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再根據(jù)計(jì)算周期時(shí)間即可以得到每一個(gè)中斷周期的角度實(shí)際值。
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??? 在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中由于計(jì)時(shí)的誤差等因素會(huì)對(duì)實(shí)際角度的計(jì)算造成一定的偏差，在這種情況下，可采用PLL技術(shù)對(duì)計(jì)算所得到的Δθ進(jìn)行補(bǔ)償以取得更準(zhǔn)確的位置角。
??????????????????????????????????????????? 軟件流程
??? 系統(tǒng)軟件主要包括以下各個(gè)功能塊，分別實(shí)現(xiàn)不同的功能。HALL信號(hào)檢測(cè)模塊用以檢測(cè)三相霍爾信號(hào)的電平變化，得到霍爾中斷的周期，從而計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際速度（作為速度反饋值）和Δθ的值(用以計(jì)算電角度)。電流檢測(cè)模塊用以檢測(cè)電機(jī)的母線電流，根據(jù)觸發(fā)A/D采樣時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)重構(gòu)出電機(jī)的三相電流以進(jìn)行電流的旋轉(zhuǎn)變換。外圍功能模塊用以進(jìn)行其他各種外圍的檢測(cè)和控制，包括各種保護(hù)功能等。定時(shí)中斷模塊為系統(tǒng)的核心模塊，完成系統(tǒng)的各種計(jì)算功能，包括速度環(huán)PID運(yùn)算、矢量旋轉(zhuǎn)變換、電流環(huán)PI運(yùn)算和SVPWM計(jì)算功能，其流程如圖9所示。
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??? 78K0R/IC3系列單片機(jī)是一種適合電機(jī)控制的專用驅(qū)動(dòng)芯片，其實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，且內(nèi)部集成了電機(jī)控制的部分外圍電路。本文根據(jù)電動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電機(jī)的控制要求設(shè)計(jì)了基于μPD78F1213的控制器，對(duì)電動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了180°正弦波控制。試驗(yàn)表明：78K0R/IC3系列芯片在處理速度和外部資源上都充分滿足電機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)的需要，并且由于其內(nèi)在的高集成度降低了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性；在180°正弦波控制方式下，電機(jī)運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)減小，機(jī)械噪聲得到了很大的抑制，運(yùn)行更加平穩(wěn)。
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