4. 软件实现
下面我们挑选对控制器性能和安全比较重要的功能来讨论编程中应该注意的问题.
4.1. 减小换相噪声
上文已提过,无刷直流电动机方波驱动最大的缺点是换相时电流不能持续,导致有转矩脉动,因此衡量控制器好坏很大程度上是取决于换相是否能做好.
在电动车刚刚起步的时候我们会发现换相时电机会发出很大的突突声,这是由于电机起步时电流比较大,而电机是个感性负载,换相后由于电机线圈电流不会一下增大到换相前的水平,这样就造成换相前后电流反差非常大,从而导致牵引力的急剧变化,这种变化便会引起电机强烈振动,这种振动噪声不能完全消除,但可以采取一些措施减小噪声
方法1:在换相后的一段时间使PWM脉冲占空比达到100%来使电流增长快一点,从而减轻振动噪声.需要提醒的是在这个过程中我们需要随时监测电流变化,电流一达到换相前的水平就可以恢复换相前的PWM占空比.
方法2:延迟关闭换相MOS管,方波驱动直流无刷电机是6步驱动,定子励磁每隔60度电角度跳跃一次,保证定子磁动势方向和转子磁动势方向夹角在60°到120°之间运行,因为夹角在90°时转动力矩最大,夹角为0°或180°时没有转矩,现假设电机正转,AB导通要切换到AC导通,此时AB绕组通电产生的定子磁势和转子磁势夹角为60°,如果正常切换到AC导通,则AC绕组通电后,定子磁势和转子磁势夹角变为120°,由于切换到AC通电后电流要从0开始爬升,因此此时定子磁势幅值很小,导致转矩降低,但如果此时不关闭B,同时将下桥C打开,则定子磁势和转子磁势的夹角变为90°,而且由于AB相电流基本没有变化,而C相电流还很小,因此换相前后转矩变化很小,但要注意,等C相电流爬升后要将B相关闭,否则3相导通的合成力矩比2相导通力矩大,也会发生转矩波动.
4.2. 电子刹车：
电子刹车其实是将电动机当做发电机机运行,因此会产生电磁制动转矩,检测到电子刹车信号后,cpu将上三路PWM关闭,将下三路同时打开,占空比设为某一固定值,这样,电机相当于工作在发电机状态,给蓄电池充电,充电电流和下三路占空比有关,占空比越大,则充电电流越大,剎车制动能力越强,由于目前电动车上装配的电子剎车都是开关信号,使用者无法调整剎车力矩,完全由控制器决定,不过由电动机的特性, 即使占空比固定,电子剎车时转速越高,发电机感生电压越高,回馈充电能力越强,剎车力矩越大, 当然,最好是装配线性剎车传感器,使用者会更方便.
4.3. 恒流驱动
电流信号经康铜丝采样之后分两路,一路送至放大器,一路送至比较器.放大器用来实时放大电流信号,放大倍数大约6.5倍,放大后的信号提供给单片机进行AD 采样转换,转换所得数字用来控制电流不超过我们所允许的值.另一路信号送至比较器,当电流突然由于某种原因大大超过允许值,比如一只MOSFET击穿或误导通时,比较器翻转送出低电平,送给79F081的FLT引脚,无需单片机执行程序,IC硬件会自动关闭PWM输出,从而保护MOSFET避免更大伤害.
电流采样时间点很重要.因为使用PWM脉冲驱动,这种脉冲驱动导致的直接结果是放大后的电流信号与PWM脉冲频率相同,相位上滞后一定时间的脉动电流波形,这种波形如果没有经过滤波处理,将会类似于一个梯形,如果我们要获得准确的电流AD转换值,最好的办法就是在梯形波的上边中间采样电流信号,这样所获得的电流AD值才能较为准确地反应电流的实际大小.在SH79F081中AD转换的采样由ADCON中的GO/DONE启动, 完成一次ADC转换分为采样和保持两段时间,采样时间内,外部仿真输入信号将ADC内部采样电容充满, 保持时间内,IC内部逐次比较得出A/D结果.在应用中ADC采样的时间一般为2μS,而转换时间为12μS.
AD采样启动与PWM中断同步,进入PWM中断处理城市后,先执行一些PWM事件的处理,然后开启AD采样,这样采样点刚好落在电流梯形波的上边, 即使由于PWM占空比很小时,开启时间小于一次ADC转换时间也没有影响,只要保证大于采样时间即2μS即可,转换时间内即使外部输入仿真量变化了也不会影响ADC转换结果.
这样采样出来的结果实际上是PWM有效期间(为高)时的电流,电流控制实际是控制平均电流.(FLT 短路保护是控制瞬态电流).因此需要乘上PWM占空比得到平均电流,因为理论上,PWM周期内无效(低电平)期间主回路上是没有电流的.
根据电流采样的结果来实时调整PWM的占空比,实现电流闭环,理论上电流闭环的时间常数可以做到一个PWM周期时间(60us左右).
4.4. 同步整流
电机是电感性负载,采用PWM开关驱动,在功率管关断期间由于电流不能突变,必须要有续流回路,功率MOSFET一般内置有续流二极管,但是续流二极管压降在1V左右,而电动车工作电流可能达到20A,此时续流二极管消耗的功率会很大,很容易导致发热烧毁.因此必须另外提供续流回路.
我们知道功率MOSFET,源级和漏级是可以互换的,因此可以将互补的桥臂驱动开启建立续流回路,从而大大降低功耗.但需注意,上桥在关断后,下桥不能立即开启来实现续流,而是需要插入一个死区时间以避免上下桥臂直通造成电源短路.79F081有6路pwm输出,内部集成上下桥死区控制,因此实现同步续流非常方便.
5. 总结
采用上述方案做成的电动车控制器,无需外加门电路,CPU执行速度和ADC转换速度都足够满足电流闭环速度要求,PWM六路输出直接控制3相全控桥的6个晶体管.集成死区控制功能,因此很适合用在电动自行车控制器上, 此方案实际测试效果不错,目前已经量产.

附:方案原理图