中心議題：

• 直流電機驅動係統的介紹
• 係統設計的關鍵點和難點

解決方案：

• 較低的電壓等級帶來應對大電流的挑戰
• 力矩控製策略帶來“閉環失效”問題
• 簡單而新穎的無位置傳感策略

二十一世紀的頭一個十年就快悄悄過去了，但人們所熱望的電氣交通時代卻並沒有如期而至。在諸多由政府主導、企業和研究機構積極參與的電動車計劃如PNGV
、FreedomCAR、PREDIT111在轟隆的引擎聲中落幕時人們開始意識到：傳統汽車產業的巨大慣性和強大生命力遠遠超過了他們的想象，在未來相當長的一段時間內
，電動汽車還隻能停泊在實驗室。
　　
現在，純電動汽車的應用研究轉向了以公交車為主的定點、定(ding)向(xiang)運(yun)行(xing)車(che)輛(liang)和(he)社(she)區(qu)用(yong)車(che)及(ji)特(te)定(ding)用(yong)途(tu)的(de)微(wei)型(xing)車(che)。這(zhe)類(lei)車(che)輛(liang)具(ju)有(you)一(yi)些(xie)共(gong)同(tong)的(de)特(te)點(dian)，比(bi)如(ru)都(dou)是(shi)由(you)機(ji)構(gou)管(guan)理(li)
，在(zai)特(te)定(ding)區(qu)域(yu)運(yun)行(xing)，車(che)速(su)不(bu)高(gao)。我(wo)們(men)可(ke)以(yi)針(zhen)對(dui)這(zhe)些(xie)特(te)點(dian)對(dui)車(che)輛(liang)的(de)設(she)計(ji)和(he)管(guan)理(li)進(jin)行(xing)優(you)化(hua)
，以(yi)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)和(he)提(ti)高(gao)性(xing)能(neng)，抗(kang)衡(heng)傳(chuan)統(tong)內(nei)燃(ran)機(ji)型(xing)汽(qi)車(che)，還(hai)有(you)一(yi)點(dian)就(jiu)是(shi)創(chuang)建(jian)節(jie)能(neng)和(he)環(huan)保(bao)形(xing)象(xiang)，這(zhe)對(dui)機(ji)構(gou)和(he)企(qi)業(ye)來(lai)說(shuo)是(shi)重(zhong)要(yao)的(de)。
　　
項目和係統介紹
　　
高gao爾er夫fu球qiu車che屬shu於yu一yi種zhong特te定ding用yong途tu的de微wei型xing車che，它ta在zai高gao爾er夫fu球qiu場chang地di上shang運yun行xing，駕jia乘cheng者zhe目mu的de不bu同tong以yi及ji場chang地di的de路lu況kuang降jiang低di了le對dui車che輛liang續xu駛shi裏li程cheng但dan對dui驅qu動dong係xi統tong動dong力li性xing能neng卻que提ti出chu了le相xiang對dui較jiao高gao的de要yao求qiu。眾zhong所suo周zhou知zhi，高gao爾er夫fu場chang地di高gao低di起qi伏fu，這zhe要yao求qiu高gao爾er夫fu球qiu車che驅qu動dong電dian機ji具ju有you優you良liang的de過guo載zai性xing能neng；車速不高，意味著高爾夫球車驅動電機不需要很寬的調速範圍。要滿足這些要求，使用永磁無刷直流電機（BLDC）顯得再好不過：在很大負載範圍內，BLDC都能獲得極高的效率，隻要它的轉速仍然在基速以下。再者，它堅固，運行可靠，調速簡單，而且若能改善位置傳感器件的可靠性
，它在整個運行壽期內免維護
，這使它的吸引力更為出眾[2]。
　　
我們考察了多種同類型（雙座）電動高爾夫球車，它們都采用傳統直流電機，多采用他勵方式，電機的額定功率從2～3kW不等，均裝備鉛酸型蓄電池
，最大容量有150AH，名義續駛曆程為150km，在改裝前對我們的原型車輛進行了測試，其最高效率不超過70%。但有一個很重要的共同點：他們的動力電壓等級均為48V，這(zhe)個(ge)值(zhi)的(de)確(que)定(ding)也(ye)許(xu)是(shi)來(lai)源(yuan)於(yu)通(tong)信(xin)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)，也(ye)許(xu)是(shi)考(kao)慮(lv)到(dao)安(an)全(quan)電(dian)壓(ya)的(de)要(yao)求(qiu)
，但(dan)無(wu)論(lun)如(ru)何(he)這(zhe)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)事(shi)實(shi)上(shang)的(de)標(biao)準(zhun)。它(ta)製(zhi)約(yue)我(wo)們(men)整(zheng)個(ge)驅(qu)動(dong)係(xi)統(tong)的(de)建(jian)立(li)。
　　
係統設計的關鍵點和難點
　　
既然BLDC有you很hen多duo優you點dian，人ren們men當dang然ran有you理li由you將jiang其qi應ying用yong到dao高gao爾er夫fu球qiu車che這zhe類lei微wei型xing車che當dang中zhong去qu，但dan為wei什shen麼me世shi麵mian上shang現xian有you的de電dian動dong高gao爾er夫fu球qiu車che均jun采cai用yong傳chuan統tong直zhi流liu電dian機ji呢ne？答da案an或huo許xu很hen多duo
，有you兩liang點dian卻que始shi終zhong跑pao不bu掉diao，那na就jiu是shi成cheng本ben和he可ke靠kao性xing。先xian說shuo成cheng本ben，具ju有you相xiang近jin參can數shu的deBLDC比傳統直流電機價格高，主要是永磁體貴，不過現在永磁體的價格呈下降的趨勢[3]；他勵直流電機的驅動要求主電路為三個橋臂，但有兩個橋臂位於勵磁回路，容量較小，而BLDC的de驅qu動dong要yao求qiu主zhu電dian路lu為wei三san相xiang橋qiao式shi驅qu動dong電dian路lu
，它ta們men身shen上shang均jun流liu過guo電dian樞shu電dian流liu，這zhe大da大da增zeng加jia了le功gong率lv開kai關guan器qi件jian的de投tou入ru。再zai說shuo可ke靠kao性xing，采cai用yong霍huo爾er位wei置zhi傳chuan感gan器qi來lai檢jian測ce電dian機ji轉zhuan子zi位wei置zhi以yi指zhi導dao功gong率lv器qi件jian進jin行xing適shi當dang的de換huan相xiang，成cheng本ben低di，檢jian測ce電dian路lu簡jian單dan，但dan可ke靠kao性xing低di[4]。dangran，jibiancaiyongqitaleixingdechuanganqikekaoxingyegaobudaonaqu，gerenrenweizhegenchuantongzhiliudianjidedianshuahehuanxiangqiyiyangrangrentoutong。zhexiewentizenmejiejue，yijiyixieqitadianjiqudongxitongdoujuyoudegongxingwenti，wozaixiamiandeneirongzhongjinxingchanshu。
　　
較低的電壓等級帶來應對大電流的挑戰
　　
在設計的最大功率下功率開關器件處理的電流峰值將達到100A。大電流將對因器件布置所帶來的寄生參數、分布電感等問題提出嚴苛的要求，當然還有散熱。同等情況下，BLDCdequdongxuyaogengduodegonglvkaiguanqijian，danwomenrengranxiwangnengbuzengjiakongzhiqidetiji。youyuchengbensuoxian，bukenengcaiyongxingnengyouliangdanjiageangguidejichenghuozhinenggonglvqijian（IPM）
，唯一可能的是盡力改善散熱條件以減少功率MOSFET的數量。在這裏我們引進了一種稱為“鋁基覆銅板”的散熱方式[5]，靈感來源於IPM
，在這類功率器件中
，功率晶元甚至沒有進行封裝就直接表麵貼裝在鋁基板上。接著我們還發現它在高強度LED光源、汽qi車che點dian火huo係xi統tong等deng場chang合he也ye多duo有you應ying用yong。通tong過guo采cai用yong該gai散san熱re方fang式shi，我wo們men成cheng功gong將jiang原yuan本ben七qi個ge一yi組zu並bing聯lian減jian少shao到dao三san個ge一yi組zu並bing聯lian
，效xiao果guo讓rang人ren欣xin喜xi。采cai用yong表biao麵mian貼tie裝zhuang的de方fang式shi
，功gong率lv開kai關guan器qi件jian的de引yin腳jiao寄ji生sheng電dian感gan也ye可ke大da大da縮suo小xiao，可ke謂wei一yi舉ju兩liang得de。
　　
關於多管並聯的均流問題，利用最差狀態[6][7]（WorstCase）方法對多管並聯的穩態均流問題進行分析，我們以此來確定多管並聯時所采取的降額因子
；但影響動態均流問題的因素過多
，不便分析
，從統計角度來分析多參數的影響是一個值得思考的方向。
　　
力矩控製策略帶來“閉環失效”問題
　　
采用力矩控製策略來實現高爾夫球車驅動係統的控製，優點有很多諸如起動轉矩大、響應迅速
、限流效果好等。但力矩控製策略帶來“閉環失效[8]”問題：youyushejidequdongxitongjuyouyibeideguozainengli

，dangfuzailijushizhongwufadadaoyoumentabangeidinglijushi，youmentabantaweichuyufuzailijuzhiyuzuidageidinglijuzhizhijianderenhebiandongbuhuiduicheliangdeyunxingzhuangtaizaochengsihaodegaibian。zheyuchuantongneiranqichedequdongxiangyingxiangyi。
　　
在大量的實際調試中，我們小組總結出了一種行之有效的方法：這(zhe)個(ge)思(si)路(lu)非(fei)常(chang)簡(jian)單(dan)，即(ji)讓(rang)油(you)門(men)踏(ta)板(ban)踏(ta)位(wei)不(bu)僅(jin)對(dui)應(ying)力(li)矩(ju)的(de)給(gei)定(ding)量(liang)，還(hai)將(jiang)與(yu)電(dian)機(ji)繞(rao)組(zu)最(zui)大(da)給(gei)定(ding)線(xian)電(dian)壓(ya)相(xiang)對(dui)應(ying)。此(ci)時(shi)，油(you)門(men)踏(ta)板(ban)踏(ta)位(wei)的(de)任(ren)何(he)改(gai)變(bian)必(bi)然(ran)導(dao)致(zhi)最(zui)大(da)給(gei)定(ding)線(xian)電(dian)壓(ya)的(de)改(gai)變(bian)也(ye)必(bi)然(ran)將(jiang)改(gai)變(bian)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)。這(zhe)可(ke)以(yi)從(cong)無(wu)刷(shua)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)的(de)調(tiao)壓(ya)調(tiao)速(su)特(te)性(xing)得(de)出(chu)。這(zhe)裏(li)我(wo)稱(cheng)其(qi)為(wei)“最大力矩控製策略”。對應不同類型的電機
，該策略可能要做必要的調整。
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簡單而新穎的無位置傳感策略
　　
在全速度範圍內尋找一種可靠的低成本的無位置傳感器位置獲取策略顯得非常重要。得益於永磁無刷直流電機的工作特性——隻需要離散的位置信號
，以及相繞組之間的互感耦合效應
，我們研究小組已經開發出一種稱之為“間接電感法”的無位置傳感器算法。通過分析我們發現在互感耦合效應會導致PWM調tiao製zhi的de有you效xiao和he無wu效xiao期qi間jian相xiang端duan電dian壓ya的de差cha與yu轉zhuan子zi位wei置zhi成cheng一yi固gu定ding的de關guan係xi。理li論lun上shang分fen析xi，隻zhi要yao電dian壓ya傳chuan感gan器qi件jian的de精jing度du達da到dao要yao求qiu，都dou可ke以yi得de到dao可ke靠kao的de位wei置zhi信xin息xi。在zai低di速su範fan圍wei內nei，這zhe種zhong方fang法fa顯xian得de更geng為wei有you效xiao，可ke以yi有you效xiao彌mi補bu反fan電dian動dong勢shi法fa的de不bu足zu以yi獲huo得de全quan速su度du範fan圍wei內nei的de轉zhuan子zi位wei置zhi信xin息xi。由you於yu進jin度du上shang的de關guan係xi
，該gai方fang法fa在zai本ben設she計ji中zhong沒mei有you體ti現xian，目mu前qian該gai策ce略lve的de算suan法fa實shi現xian還hai在zai有you條tiao不bu紊wen的de進jin行xing。
　
Microchip芯片的特點及其在項目中的應用
　　
主控製芯片是控製係統的核心，它提供給逆變器驅動信號
、對功率驅動保護進行處理、實時采樣轉換電流等模擬信號
、采集位置信號

、通過開關量輸入輸出接收外部信息或者對外部進行控製、通過CAN總線與外部其它係統交換信息
、對各種信息進行分析處理、協調各部分的工作等。
　　
本設計所描述的電動高爾夫球車永磁無刷直流電機驅動係統采用的主控製芯片dsPIC30F4011即來自Microchip公司
，它專為電機控製領域設計。dsPIC30F芯片被稱為具有DSP功能的MCU，既具有控製功能強，而又有DSP的數字信號處理強的特點，這些特點使它比一般的DSP硬ying件jian開kai發fa電dian路lu更geng簡jian單dan更geng便bian宜yi，而er比bi同tong檔dang的de單dan片pian機ji更geng能neng適shi應ying數shu字zi信xin號hao處chu理li的de要yao求qiu。在zai控kong製zhi器qi的de設she計ji中zhong，主zhu要yao使shi用yong了le芯xin片pian的de如ru下xia外wai圍wei模mo塊kuai資zi源yuan[9]：
　　
①電機控製PWM模塊（MCPWM）：PWM工作於中間對齊方式，調製頻率選擇為10kHz，文獻[4]認為該頻率可使能量密度
、噪聲及電磁幹擾同時達到最優
；輸出配置為獨立模式
，且利用特殊事件觸發器SEVTCMP使A/D采樣在占空比有效的中間時刻同步，該時刻被認為具有最小的地線耦合幹擾
，有望獲得準確的模擬量值
；
　　
②8路10位高速A/D轉換通道（AD）：用來在每個PWM周期中同時對母線電壓、兩組油門給定、兩組刹車模擬量信號
、兩相電流、鋁基板溫度8個信號進行采樣
，且采樣與PWM時基同步
；
　　
③電平變化中斷（CN）：來自電機霍爾傳感器的位置信號發生電平變化時會產生電平變化中斷，在電平變化中斷服務子程序中
，實施電機換相、辨別電機轉向以及計算轉速
；
　　
④定時器4（TMR4）：定時器4工作於周期計數模式
，以記錄相鄰兩個電周期發生的間隔，用來計算轉速；
　　
⑤控製器局域網絡（CAN）模塊：將關於電機和車輛的部分信息通過CAN通信送至上位儀表(液晶顯示器)，並可接受來上位儀表的指令(觸摸屏)。
　　
即便是初學者
，你也會發現Microchip的開發平台極易上手，他的集成開發環境完全免費，也有一些價格低廉的在線調試工具如ICD2，當然要進行係統的開發，還需要一塊目標板。再加上RISC的采用，你會發現即便采用彙編語言編程也一樣輕鬆
，當然我在設計中采用的還是C語言，某些需要高質量目標代碼的地方采用了嵌入行內彙編的這種混合編程方式以達到代碼質量和效率的平衡。
　　
Microchipdejishuzhichifeichangchuse
，wangluoziyuanxiangdangfengfu
，tebiezaidianjikongzhilingyu，zhongleiqiquanerqiegengxinsudukuai，qieqizhongxiangdangduodeyibufenyingyongbijiyouduiyingdezhongwenbanben，zheduichuxuezhelaishuoshiyibibaoguidecaifu，zaishejizhiqianhenhaodezhangwotamenkeyiqidaoshibangongbeidexiaoguo。danyouyidianxiacideshiwofaxianbutongjishuzhichigongchengshibianxiedeyingyongbijihuoshilizhongdeyuandaimafenggejiongyi
，youyixiezhushiyebushihenguifan，haishitongyiyixiadehao。


圖1產品選型指南

我們以圖1來示意Microchip豐富的產品線，包括有8
、16
、32位MCU和DSC，模擬器件和接口產品、存儲器及射頻器件等。在各個產品係列中都有非常優秀的產品。在設計中
，除了主控製芯片采用了Microchip的dsPIC30F4011，還使用了CAN網絡的總線驅動器MCP2551和軌到軌運放MCP604。利用CAN來與上位液晶顯示儀表通信，向其傳送車輛的狀態信息並可以接受該儀表的指令以改變控製參數或響應控製指令；MCP604構成了模擬量檢測、有源濾波單元的主體
；係統中的過溫和過流硬件保護信號也是來自於MCP604內部運放構成的比較器的輸出
，這些輸出信號通過線或連接至dsPIC30F4011的功率驅動保護引腳（FLTA）。

對於MOSFET的驅動器件，我們曾一度準備采用TC4431
，但它隻是一個單端驅動器

，這就需要獨立的電源為高端的驅動器件供電。為了降低成本，我們隻設計了一路15V電源，最終選擇了IR公司的IR2181

，利用自舉電容為其高端MOSFET驅動器件供電。當然，Microchip的de電dian源yuan管guan理li器qi件jian也ye非fei常chang好hao用yong，且qie網wang站zhan上shang有you完wan整zheng的de電dian源yuan管guan理li方fang案an，在zai下xia一yi步bu的de設she計ji中zhong，計ji劃hua完wan善shan驅qu動dong係xi統tong的de電dian池chi管guan理li係xi統tong
，以yi提ti高gao車che輛liang的de續xu駛shi裏li程cheng和he延yan長chang電dian池chi使shi用yong壽shou命ming。