摘要

以無刷直流電動機為基礎，介紹了一種基于高效DC/D C 電源模塊的電動車控制系統。討論了無刷直流電動機的組成和基本工作原理，設計了包括電源電壓轉換電路、驅動及功率主電路及保護電路在內的硬件控制電路，并編寫了相應的軟件控制系統。

近年來隨著綠色出行的倡導，電動車開始走入人們的視野。電動車有望采用無刷直流電機驅動系統。由于現在的無刷直流電動機控制器的電源還沒有完全做到模塊化電源，而使其在電源的變更性上有很大的欠缺，而電源模塊具有設計電路簡單，開發周期短，變更性強，技術要求低，質優可靠，用途廣泛等優點而被廣泛提倡使用。

因此將高效的電源模塊使用在電動車上具有重要的工程實際意義。

1 無刷直流電機簡介

1 . 1 無刷直流電動機組成

無刷直流電動機是一種典型的機電一體化產品，它是由電動機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機系統或自控式變頻同步電動機，其組成結構如圖1 所示。位置檢測器檢測轉子磁極的位置信號，控制器對轉子位置信號進行邏輯處理并產生相應的開關信號，開關信號以一定的順序觸發逆變器的功率開關器件，將電源功率以一定的邏輯關系分配給電動機定子各相繞組，使電機產生持續不斷的轉矩。

1 . 2 無刷直流電機的基本工作原理

無刷直流電機的工作原理圖如圖2 所示。無刷直流電機本體的電樞繞組為三相星形連接，位置傳感器與電機本體同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產生驅動信號，驅動信號經驅動電路隔離放大后控制逆變器的功率管開關，使電機的各相繞組按一定的順序工作。其中，有一種常用工作方式為兩相導通星形三相六狀態方式，即轉子在空間每轉60℃電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態就發生一次躍變。

2 控制系統硬件實現

2 . 1 輔助電源電壓轉換電路

在實際控制器中，驅動芯片IR2103需要15V ，單片機、LM358、74LS0 8 需要5V 的電源供電。而電動車的電池為48V 直流電，所以要將48V 變為15V 和5V ，這就需要電壓轉換電路。在這部分采用了高效的DC/DC電源模塊，來提供穩定的電壓，具體電路圖如圖3 所示。

2 . 2 驅動及功率主電路

主功率逆變電路如圖4 所示。主電路為三相全橋結構，因為三相是完全一致的，圖中只畫了一相。無刷直流電動機以“兩相導通三相六狀態”方式運行，即每一狀態中有兩相繞組導通，電機每轉過一周有六種磁勢狀態，這六種磁勢狀態互差6 0 度電角度，形成跳躍式的旋轉磁場。由于單片機輸出的換相信號電流不足以驅動MOSFET，所以需要另加驅動。驅動芯片選擇IR2103。

2 . 3 保護電路

無刷直流電動機控制系統中，保護電路占據著很重要的地位，主要作用是保護控制系統的核心部件單片機免受高電壓、過電流沖擊，同時也保護電機的驅動電路免受損壞。整個系統的保護電路主要有兩個部分:過流保護電路、欠電壓保護電路。

電流檢測及過流保護電路如圖5 所示：使用LM3 5 8 的兩個運算放大器，一個作隔離放大用，另一個作比較輸出用。LM3 5 8 的腳7 是過流信號，此信號與PWM信號相與，然后，再與各相的驅動信號相與，用來驅動IR2 1 0 3芯片的兩個輸入引腳。

電壓檢測電路及欠壓保護是通過電阻分壓和軟件編程實現的，如圖6 所示。

電動車由蓄電池提供48 V 的直流電。如果電壓小于42 V ，則算作欠壓。欠壓保護電路的作用是，當輸出電壓低于設計值(42V )時，把輸出限定在某一安全值的范圍內，或使輸出電壓關閉，從而達到保護電源模塊和用電設備的雙重功效。

3 軟件設計系統

主程序要完成系統的初始化，中斷設置，變量初始化和電機的軟起動過程。為了在初始化的過程中，防止中斷的意外到來，應在主程序的開始處先關閉中斷，完成初始化后，再打開中斷。完成軟起動后，主程序進入一個查詢操作的循環過程，程序不斷地查詢判斷換相更新標志是否為真，若為真則調用換相服務子程序以給電機相應定子繞組通電;若為假則等待換相更新標志在ADC轉換結束中斷子程序中置為真，主流程圖如圖7 所示。

4 結束語

本文結合一臺無刷直流電機，以高效DC/DC電源模塊為核心，獨立設計簡單穩定的電源電路。針對系統的控制策略設計了相應的控制電路及功率變換電路，系統控制與保護等功能采用主控單片機集中處理，增加了系統的可靠性。