本實(shí)用新型涉及一種基于AVR單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是可以實(shí)現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、過流和欠壓保護(hù)，如果系統(tǒng)出錯(cuò)會(huì)啟動(dòng)自檢功能，同時(shí)用戶可以在升級空間中二次開發(fā)的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動(dòng)汽車逐漸進(jìn)入千家萬戶之中，并逐步替代了自行車成為人們熱愛的交通工具之一。電動(dòng)汽車不僅價(jià)格實(shí)惠，而且使用電能驅(qū)動(dòng)，符合國家的綠色發(fā)展觀。但是電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)是亟待解決的關(guān)鍵問題之一。由于國外的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)研究早已開展，在驅(qū)動(dòng)控制器方面趨于標(biāo)準(zhǔn)化；但是在中國國內(nèi)數(shù)據(jù)仍不完善，產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性和通用性等相比之下，仍需改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有國內(nèi)技術(shù)的空白，本實(shí)用新型提供一種基于AVR單片機(jī)的永磁無刷直流電機(jī)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有電路簡單、性能安全、成本低等優(yōu)點(diǎn)，有利于純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：硬件部分以MEGA48單片機(jī)作為控制芯片，逆變器由6個(gè)MOSFET管組成。通過微控制單元電路、逆變器驅(qū)動(dòng)電路等電路模塊設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制以及欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等保護(hù)功能，可靠的對電動(dòng)車電機(jī)和電池進(jìn)行保護(hù)，確保電動(dòng)汽車使用及安全。系統(tǒng)正常工作電壓72V，最低工作電壓65 V，最大工作電流180 A，最大輸出功率18 kW。軟件部分以高級語言進(jìn)行模塊化、系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化編程。

本實(shí)用新型的有益效果是：（1）具有電動(dòng)、自動(dòng)巡航兩種工作模式：在電動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動(dòng)汽車腳踏板所給電壓，正常加電運(yùn)轉(zhuǎn)；自動(dòng)巡航模式下，無需踩住踏板，電動(dòng)汽車能夠按照設(shè)定速度運(yùn)行；兩種工作模式可通過模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。（2）當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)或者位置傳感器、助力傳感器出錯(cuò)時(shí)能夠進(jìn)入自檢模式并顯示錯(cuò)誤。（3）能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)。（4）能夠?qū)崟r(shí)顯示電動(dòng)車的狀態(tài)。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。

圖1是本實(shí)用新型的硬件系統(tǒng)框圖。

圖2是本實(shí)用新型的MOSFET逆變驅(qū)動(dòng)電路。

圖3是本實(shí)用新型的電源電路。

圖4是本實(shí)用新型的振蕩倍壓電路和純硬件保護(hù)電路。

圖5是本實(shí)用新型的系統(tǒng)工作流程圖。

具體實(shí)施方式

在圖1中，是根據(jù)上述功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖。

在圖2中，采用了MOSFET組成的逆變器驅(qū)動(dòng)電路。（1）半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對獨(dú)立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨(dú)立控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制。因此本設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路來控制全相位的導(dǎo)通。本設(shè)計(jì)中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價(jià)格較貴，而且其內(nèi)阻比N溝道MOSFET管大，損耗也大。因此，當(dāng)前的無刷控制器一般都采用兩個(gè)N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。（2）如圖2所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動(dòng)電路無法直接與TTL器件匹配，因此在電路中通過LM339用來間接匹配電壓，匹配后的LM339輸出端（a相2腳、b相1腳、c相14腳）電平分別為12V的有效狀態(tài)或大于25V的無效狀態(tài)。當(dāng)某相頂端驅(qū)動(dòng)電路有效時(shí)，場效應(yīng)器件VF1（或VF3，VF5）的柵極電壓不低于46V，才能保證場效應(yīng)管的充分導(dǎo)通，導(dǎo)通后，X1（或X2，X3電壓與電池電壓相同）。由于MOSFET管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過正負(fù)20V。柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過大。本設(shè)計(jì)中，頂端驅(qū)動(dòng)電路中的15V穩(wěn)壓二極管DZ2、DZ4和DZ6為保護(hù)二極管。漏源間也要加保護(hù)電路以防止開關(guān)過程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位。當(dāng)電機(jī)意外突然停轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會(huì)損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時(shí)，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。底端電壓驅(qū)動(dòng)電路采用NE555內(nèi)部推挽電路，利用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)調(diào)制底端驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)通過電阻耦合至底端驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管柵極，控制場效應(yīng)管導(dǎo)通狀態(tài)。因?yàn)榈锥蓑?qū)動(dòng)電路中NE555功耗較大，因此需要為U8，U9和U10配上霍爾電容C37，C39和C45.底端電壓驅(qū)動(dòng)電路中R22，R30，R38為串聯(lián)柵電阻，是場效應(yīng)管底端驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，可消去由MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應(yīng)而生的高頻振蕩。（3）以A相為例，頂端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)LM339的2口輸出為低時(shí)，12腳正端接地，使得Q1基極電壓22V>Q1開通，電流流過R19，電流方向?yàn)樽笳邑?fù)（從而保證Q1開通時(shí)Q2關(guān)斷），VF1柵極電壓為50V左右，源極電壓為36V左右，VF1開通；當(dāng)LM339的2口輸出為高時(shí)，Q1關(guān)斷，這時(shí)VF1截止。Q2與R18，R19，C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)經(jīng)過邏輯保護(hù)的A相底端控制信號(hào)ABTM輸入為1時(shí)，經(jīng)過底端驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生12V有效信號(hào)，使得VF2導(dǎo)通。同時(shí)，單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)送到NE555的RST端，對底端控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

在圖3中，驅(qū)動(dòng)電路的電源部分包含兩部分電路：一部分是將電池電源36V，通過三端穩(wěn)壓器LM7915產(chǎn)生相對電源電壓的-15V電壓，即36V-15V=21V，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū)動(dòng)電壓；另一部分是通過三端穩(wěn)壓器LM7812產(chǎn)生的+12V電壓，用于頂端驅(qū)動(dòng)匹配和底端驅(qū)動(dòng)電路。如圖3所示，電源電路中，根據(jù)各個(gè)部分的電流，合理的選擇分流電阻R14和R45的阻值和功率，減少直接流過三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱量，提高電路穩(wěn)定性。

在圖4中，（1）為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)了純硬件制動(dòng)保護(hù)電路。制動(dòng)電路通過控制振蕩電路的RST端的電平狀態(tài)，間接控制頂端驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通所需電壓源。通過LM339的保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，測試點(diǎn)1處的電壓通過上拉電阻，電平為12V，經(jīng)過22V穩(wěn)壓二極管，測試點(diǎn)2處的電平在34V左右，振蕩電路正常工作；當(dāng)系統(tǒng)過流時(shí)，純硬件的保護(hù)電路U5反向輸入端的電壓將高于正向輸入端參考電壓，U5內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，測試點(diǎn)1處電平約0.7V，測試點(diǎn)2處電壓為21V左右，RST有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅(qū)動(dòng)電路將不再輸出驅(qū)動(dòng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)硬件制動(dòng)穩(wěn)定性。R47和C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導(dǎo)峰緣，增強(qiáng)系統(tǒng)。（2）NE555的電源接+36V電壓，地端接+21V電壓。NE555和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的振蕩頻率約為4-5kHz，振蕩信號(hào)從NE555的3腳輸出后，通過陶瓷電容C23和C24、二極管D3和D4構(gòu)成的倍壓電路，將輸出電壓提升到50V左右，送到MOS管的柵極。NE555的RST腳能夠控制振蕩電路的起停。倍壓電路的工作原理是：當(dāng)NE555的3腳為GND電壓（+21V）時(shí)，電源36V通過二極管D4給電容C24充電，如果時(shí)間常數(shù)合適，C24上的電壓近似等于36V-21V=15V，方向?yàn)樽筘?fù)右正；當(dāng)NE555的3腳為高時(shí)，電容C24左側(cè)為36V，右側(cè)為36V+15V=51V，因?yàn)槎O管D4反偏截止，產(chǎn)生的51V電壓就通過二極管D3給C23，C25充電，這樣經(jīng)過若干周期的反復(fù)充電，電容C25上的電壓就升到后部驅(qū)動(dòng)所需要的51V恒定電壓。

在圖5中，是所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作流程圖。軟件部分以高級語言進(jìn)行模塊化、系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)化編程。完成信號(hào)的采集和處理，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車的電動(dòng)和自動(dòng)巡航兩種工作模式并且在系統(tǒng)出錯(cuò)情況下具有自檢工作，且利用數(shù)字PI控制理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制。