單片機(jī)在電動(dòng)高爾夫球車永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

引言

　　二十一世紀(jì)的頭一個(gè)十年就快悄悄過去了，但人們所熱望的電氣交通時(shí)代卻并沒有如期而至。在諸多由政府主導(dǎo)、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)積極參與的電動(dòng)車計(jì)劃如PNGV、Freedom CAR 、PREDIT111在轟隆的引擎聲中落幕時(shí)人們開始意識(shí)到：傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的巨大慣性和強(qiáng)大生命力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了他們的想象，在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)汽車還只能停泊在實(shí)驗(yàn)室。

　　現(xiàn)在，純電動(dòng)汽車的應(yīng)用研究轉(zhuǎn)向了以公交車為主的定點(diǎn)、定向運(yùn)行車輛和社區(qū)用車及特定用途的微型車。這類車輛具有一些共同的特點(diǎn)，比如都是由機(jī)構(gòu)管理，在特定區(qū)域運(yùn)行，車速不高。我們可以針對(duì)這些特點(diǎn)對(duì)車輛的設(shè)計(jì)和管理進(jìn)行優(yōu)化，以降低成本和提高性能，抗衡傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)型汽車，還有一點(diǎn)就是創(chuàng)建節(jié)能和環(huán)保形象，這對(duì)機(jī)構(gòu)和企業(yè)來說是重要的[1]。
　　
項(xiàng)目和系統(tǒng)介紹

　　高爾夫球車屬于一種特定用途的微型車，它在高爾夫球場地上運(yùn)行，駕乘者目的不同以及場地的路況降低了對(duì)車輛續(xù)駛里程但對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力性能卻提出了相對(duì)較高的要求。眾所周知，高爾夫場地高低起伏，這要求高爾夫球車驅(qū)動(dòng)電機(jī)具有優(yōu)良的過載性能；車速不高，意味著高爾夫球車驅(qū)動(dòng)電機(jī)不需要很寬的調(diào)速范圍。要滿足這些要求，使用永磁無刷直流電機(jī)（BLDC）顯得再好不過：在很大負(fù)載范圍內(nèi)，BLDC都能獲得極高的效率，只要它的轉(zhuǎn)速仍然在基速以下。再者，它堅(jiān)固，運(yùn)行可靠，調(diào)速簡單，而且若能改善位置傳感器件的可靠性，它在整個(gè)運(yùn)行壽期內(nèi)免維護(hù)，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(dòng)高爾夫球車，它們都采用傳統(tǒng)直流電機(jī)，多采用他勵(lì)方式，電機(jī)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(xù)駛歷程為150km，在改裝前對(duì)我們的原型車輛進(jìn)行了測試，其最高效率不超過70%。但有一個(gè)很重要的共同點(diǎn)：他們的動(dòng)力電壓等級(jí)均為48V，這個(gè)值的確定也許是來源于通信電源系統(tǒng)，也許是考慮到安全電壓的要求，但無論如何這已經(jīng)成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。它制約我們整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建立。
　　
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)

　　既然BLDC有很多優(yōu)點(diǎn)，人們當(dāng)然有理由將其應(yīng)用到高爾夫球車這類微型車當(dāng)中去，但為什么世面上現(xiàn)有的電動(dòng)高爾夫球車均采用傳統(tǒng)直流電機(jī)呢？答案或許很多，有兩點(diǎn)卻始終跑不掉，那就是成本和可靠性。先說成本，具有相近參數(shù)的BLDC比傳統(tǒng)直流電機(jī)價(jià)格高，主要是永磁體貴，不過現(xiàn)在永磁體的價(jià)格呈下降的趨勢[3]；他勵(lì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求主電路為三個(gè)橋臂，但有兩個(gè)橋臂位于勵(lì)磁回路，容量較小，而BLDC的驅(qū)動(dòng)要求主電路為三相橋式驅(qū)動(dòng)電路，它們身上均流過電樞電流，這大大增加了功率開關(guān)器件的投入。再說可靠性，采用霍爾位置傳感器來檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子位置以指導(dǎo)功率器件進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿Q相，成本低，檢測電路簡單，但可靠性低[4]。當(dāng)然，即便采用其他類型的傳感器可靠性也高不到哪去，個(gè)人認(rèn)為這跟傳統(tǒng)直流電機(jī)的電刷和換向器一樣讓人頭痛。這些問題怎么解決，以及一些其他電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都具有的共性問題，我在下面的內(nèi)容中進(jìn)行闡述。

較低的電壓等級(jí)帶來應(yīng)對(duì)大電流的挑戰(zhàn)

　　在設(shè)計(jì)的最大功率下功率開關(guān)器件處理的電流峰值將達(dá)到100A。大電流將對(duì)因器件布置所帶來的寄生參數(shù)、分布電感等問題提出嚴(yán)苛的要求，當(dāng)然還有散熱。同等情況下，BLDC的驅(qū)動(dòng)需要更多的功率開關(guān)器件，但我們?nèi)匀幌Ｍ懿辉黾涌刂破鞯捏w積。由于成本所限，不可能采用性能優(yōu)良但價(jià)格昂貴的集成或智能功率器件（IPM），唯一可能的是盡力改善散熱條件以減少功率MOSFET的數(shù)量。在這里我們引進(jìn)了一種稱為“鋁基覆銅板”的散熱方式[5]，靈感來源于IPM，在這類功率器件中，功率晶元甚至沒有進(jìn)行封裝就直接表面貼裝在鋁基板上。接著我們還發(fā)現(xiàn)它在高強(qiáng)度LED光源、汽車點(diǎn)火系統(tǒng)等場合也多有應(yīng)用。通過采用該散熱方式，我們成功將原本七個(gè)一組并聯(lián)減少到三個(gè)一組并聯(lián)，效果讓人欣喜。采用表面貼裝的方式，功率開關(guān)器件的引腳寄生電感也可大大縮小，可謂一舉兩得。

　　關(guān)于多管并聯(lián)的均流問題，利用最差狀態(tài)[6][7]（Worst Case）方法對(duì)多管并聯(lián)的穩(wěn)態(tài)均流問題進(jìn)行分析，我們以此來確定多管并聯(lián)時(shí)所采取的降額因子；但影響動(dòng)態(tài)均流問題的因素過多，不便分析，從統(tǒng)計(jì)角度來分析多參數(shù)的影響是一個(gè)值得思考的方向。

力矩控制策略帶來“閉環(huán)失效”問題

　　采用力矩控制策略來實(shí)現(xiàn)高爾夫球車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，優(yōu)點(diǎn)有很多諸如起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)迅速、限流效果好等。但力矩控制策略帶來“閉環(huán)失效[8]”問題：由于設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有一倍的過載能力，當(dāng)負(fù)載力矩始終無法達(dá)到油門踏板給定力矩時(shí)，油門踏板踏位處于負(fù)載力矩值與最大給定力矩值之間的任何變動(dòng)不會(huì)對(duì)車輛的運(yùn)行狀態(tài)造成絲毫的改變。這與傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車的驅(qū)動(dòng)響應(yīng)相異。