基于高效DC/DC电源模块的电动车控制系统设计-电子发烧友网

摘要

以无刷直流电动机为基础，介绍了一种基于高效DC/D C 电源模块的电动车控制系统。讨论了无刷直流电动机的组成和基本工作原理，设计了包括电源电压转换电路、驱动及功率主电路及保护电路在内的硬件控制电路，并编写了相应的软件控制系统。

近年来随着绿色出行的倡导，电动车开始走入人们的视野。电动车有望采用无刷直流电机驱动系统。由于现在的无刷直流电动机控制器的电源还没有完全做到模块化电源，而使其在电源的变更性上有很大的欠缺，而电源模块具有设计电路简单，开发周期短，变更性强，技术要求低，质优可靠，用途广泛等优点而被广泛提倡使用。

因此将高效的电源模块使用在电动车上具有重要的工程实际意义。

1 无刷直流电机简介

1 . 1 无刷直流电动机组成

无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机，其组成结构如图1 所示。位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电机产生持续不断的转矩。

1 . 2 无刷直流电机的基本工作原理

无刷直流电机的工作原理图如图2 所示。无刷直流电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率管开关，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。其中，有一种常用工作方式为两相导通星形三相六状态方式，即转子在空间每转60℃电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。

2 控制系统硬件实现

2 . 1 辅助电源电压转换电路

在实际控制器中，驱动芯片IR2103需要15V ，单片机、LM358、74LS0 8 需要5V 的电源供电。而电动车的电池为48V 直流电，所以要将48V 变为15V 和5V ，这就需要电压转换电路。在这部分采用了高效的DC/DC电源模块，来提供稳定的电压，具体电路图如图3 所示。

2 . 2 驱动及功率主电路

主功率逆变电路如图4 所示。主电路为三相全桥结构，因为三相是完全一致的，图中只画了一相。无刷直流电动机以“两相导通三相六状态”方式运行，即每一状态中有两相绕组导通，电机每转过一周有六种磁势状态，这六种磁势状态互差6 0 度电角度，形成跳跃式的旋转磁场。由于单片机输出的换相信号电流不足以驱动MOSFET，所以需要另加驱动。驱动芯片选择IR2103。

2 . 3 保护电路

无刷直流电动机控制系统中，保护电路占据着很重要的地位，主要作用是保护控制系统的核心部件单片机免受高电压、过电流冲击，同时也保护电机的驱动电路免受损坏。整个系统的保护电路主要有两个部分:过流保护电路、欠电压保护电路。

电流检测及过流保护电路如图5 所示：使用LM3 5 8 的两个运算放大器，一个作隔离放大用，另一个作比较输出用。LM3 5 8 的脚7 是过流信号，此信号与PWM信号相与，然后，再与各相的驱动信号相与，用来驱动IR2 1 0 3芯片的两个输入引脚。

电压检测电路及欠压保护是通过电阻分压和软件编程实现的，如图6 所示。

电动车由蓄电池提供48 V 的直流电。如果电压小于42 V ，则算作欠压。欠压保护电路的作用是，当输出电压低于设计值(42V )时，把输出限定在某一安全值的范围内，或使输出电压关闭，从而达到保护电源模块和用电设备的双重功效。

3 软件设计系统

主程序要完成系统的初始化，中断设置，变量初始化和电机的软起动过程。为了在初始化的过程中，防止中断的意外到来，应在主程序的开始处先关闭中断，完成初始化后，再打开中断。完成软起动后，主程序进入一个查询操作的循环过程，程序不断地查询判断换相更新标志是否为真，若为真则调用换相服务子程序以给电机相应定子绕组通电;若为假则等待换相更新标志在ADC转换结束中断子程序中置为真，主流程图如图7 所示。