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电动摩托车的无传感器无刷直流电机控制系统设计
作 者:武汉理工大学 自动化学院 宁 运 翁显耀 李 波
[专家点评]
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。
图 1 电动摩托车的控制器结构
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。
图 2 st7fmc1k2 的mtc 框图
无刷直流电机控制部分硬件设计[2]
图 3 无刷直流电机控制部分硬件图
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
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