52单片机电动自行车控制器的设计+无刷直流电机控制(6)
图6 系统整体框图
2.4 模块电路的设计
2.4.1 电源电路
电源工作性能的好坏关系到整个控制系统的稳定。电源电压为24V，不能直接给单片机和一些集成电路供电，因此需要把它转换成符合量程的电压。
图7 电源电路
本设计电源电路转换为5V和18V。其中5V给单片机和除IR2103S以外的集成电路供电，18V给IR2103S供电，24V直接给大功率MOSFET管供电。被控无刷直流电机额定工作电压为24V，为滤除电机工作时母线上的波纹，使母线电压稳定，并联了一个大电容用来滤波。电源电路如图7所示。
2.4.2 三相全桥逆变电路及驱动电路
逆变电路由功率开关管组成，采用单极性PWM控制技术控制电动机运行。所谓单极性PWM控制，就是两个开通管中一个开关管采用定频调宽的PWM控制，另一个开关管常开。本电路中上桥臂开关管采用PWM控制，下桥臂开关管常开式。逆变电路中的开关管均采用大功率的MOSFET管。为了保护功率开关管，每个开关管上都并联快速续流二极管IN4148。本系统采用MOSFET管的型号为60N06，是意法半导体公司生产的一种N沟道MOSFET。其基本参数为：漏源最大电压 VDSS=60V，源极最大连续电流ID=60A，源极最大冲击电流I=320A[10]。为了提高系统的效率，减小MOSFET的功率损耗，使功率管开关工作时的通态电阻最小，即满足漏源电压不小于10V，本系统采用l8V。图8所示为驱动电路。
图8 驱动电路
2.4.3 电流采样电路
对于无刷直流电动机，在较大负载低速运行时，电机转子绕组相线会产生较大电流，从而使得大功率M0S管中流入大电流，这样容易导致M0S管烧坏，控制器无法正常运行。因此用电流检测电路来时时监控电流大小必不可少，以便电流过大时及时发出中断指令来保护控制器。电流检测也是实现系统电流闭环调节的重要保障，一般来说电流检测有以下两种方案：
（1）采用集成检测模块。现在电流检测模块种类很多，具有使用方便、反应灵敏、报警值可调和多路检测等优点；但是成本较高，不易排查故障。
（2）采用分流电阻间接测流。方法为：在直流绕组侧接合适阻值以及功率的分流电阻，通过测量分流电阻上的电压，可以得到直流回路中的电流值；然后对比直流电机三相绕组的各相相电压就可以确定采样获取到的电流属于哪一相。
由于直流无刷电机本身的控制特点，方案1电路中最少要检测任意两相电流，因此至少需要两组检测模块，这样就使成本增加。第2种方案对于A／D转换的精度以及软件数据处理速度有一定的要求，其优点在于造价低。因此本系统采用第2套方案，降低成本，优化算法。电路运用LM358构成电流比较电路，采样电阻为一个阻值为0.02Ω的康铜，经放大后输出信号给数模转换端口，之后输送给单片机，完成电流采样。同时康铜两端电压再送给比较器并与已知电压比较，比较器的门限值由电阻分压得到，一旦超出预定值便发出过流输出信号给单片机，单片机发出中断指令，完成过流保护。采样比较电路如图9所示。
图9 采样比较电路
2.4.4 霍尔位置检测电路
位置信号是电机控制的主要反馈信息，只有确定转子的当前位置，才能根据程序要求决定下一步的定子三相绕组的导通模式。因此，能否有效控制无刷直流电机取决于转子位置的精确测定。本系统采用霍尔式位置传感器来获取无刷直流电机的位置信息。霍尔传感器是一种半导体器件，利用霍尔效应制成。当霍尔元件置于外磁场中有电流流过时，输出霍尔电势信号；当其没有外磁场作用时，其输出端无信号输出。霍尔式位置传感器具有构造简单、价格低、体积小、工作可靠的优点。因此，在对性能和环境要求一般的永磁无刷直流电动机应用中，霍尔位置传感器使用较广泛。安装霍尔元件时，应使其尽量靠近永磁体，否则会造成输出信号电平太低，影响正常工作。霍尔传感器的可以检测电机转子位置，同时也可以根据电机转动一圈霍尔信号变化的周期数，计算出电机的转速，为转速PID闭环调节奠定基础。PWM波驱动无刷直流电机是依靠霍尔传感器获取的位置信号控制逆变器电子换流来实现的。由于霍尔传感器安装在电机内部，当电机转子运动时会产生抖动，同时电机的绕组电流变化也会产生干扰，输出信号中会含有很多杂波，因此需要把杂波滤除。同时为了消除单片机控制电路对霍尔传感器的影响，采用二极管隔离。霍尔位置检测电路如图10所示，其中J1为霍尔传感器接口。