关于电动汽车永磁无刷直流电机的控制研究

王博

[摘要]本文主要对基于永磁无刷直流电机的电动汽车的控制系统进行研究，首先介绍了永磁无刷直流电机的基本结构以及工作原理，为嵌入式智能控制系统对三相电源的控制提供基本依据，而后对基于永磁无刷直流电机的电动汽车控制系统进行研究，通过对其硬件设计和软件流程设计，从而实现基于永磁无刷直流电机的电动汽车的控制系统的设计。

[关键词]电动汽车；永磁无刷直流电机；电子开关；PIC单片机

[中图分类号]TH [文献标识码]A [文章编号]1671-5918（2017）01-0089-02

doi：10.3969/j.issn.1671-5918.2017.01.042 [本刊网址]http：//www.hbxb.net

一、概述

汽车数量的不断增加是每个城市不可避免的问题，这也为城市的交通带来了必然的麻烦，堵车成为了大城市司空见惯的现象。目前，绝大部分的汽车都是采用以汽油为燃料的内燃机为动力来源，而堵车现象造成了汽车的走走停停更是加剧了汽车对空气的污染，由此而带来的环境问题是不容忽视的。电动汽车是目前比较低碳环保的交通工具之一，其在能源利用率、环境保护以及保养维护层面都远远优于传统汽车。永磁无刷直流电机作为当前电动汽车的主要动力来源，对于电动汽车起到决定性的作用，如果能够优化永磁无刷直流电机设计，降低电机研发成本，这将大大降低电动汽车的成本，从而促进消费人群购买，所以使用永磁无刷直流电机来生产电动汽车，对于加大能源利用率，加强环境保护来说意义重大。

二、永磁无刷直流电机

传统的直流电机会有转子和电刷，通过转子旋转和电刷工作来实现直流电机的工作，在传统的直流电机基础上，参考了传统直流电机的基本结构，改变了转子电枢的位置，参考交流电机的电枢绕制方式将电枢绕组固定在定子上，而转子采用了永磁材料，同时取消了固定电刷，采用电子换向器，从而实现了永磁无刷，在转子的永久磁场和定子的电流磁场作用下产生转矩力，从而促进直流电机工作。

永磁无刷直流电机在永磁体的形状以及磁路结构存在差异性，一般常见的永磁无刷直流点击的磁场波形为梯形波、方波、正弦波，而梯形波和方波的磁场波形的直流电机一般为永磁无刷直流电机，而针对正弦波采用反电势的波形作为磁场波形的一般是永磁同步电动机。使用梯形波或方波磁场波形的永磁无刷直流电机，一般由三部分构成，分别为电机本体，位置传感器和电子开关电路。其中电机本体则包括了定子和转子两部分，其中定子上绕有电枢绕组，而转子使用凸极式或者内嵌式的永磁材料结构制成，定子在电枢绕组通电下形成电磁场，在与转子的磁场相互作用下形成磁转矩，提供动力来源。电子开关则是实现无刷的主要关键装置，通过电子开关电路中的二极管，将电机本体中的定子电枢绕组上的电线相接，配合位置传感器来决定开关电路中二极管的通断情况，从而实现了永磁无刷电机中电子开关中电刷的功能，实现了永磁无刷直流电机中定子电枢绕组电流通过时，产生的电磁场里与转子永磁材料产生的磁场力相互作用的磁转矩始终一致。在永磁无刷直流电机实现实现过程中，能够实现无刷功能的关键电路是电子开关和位置传感器，电流通过电子开关与定子电枢绕组相连，通过电子开关的开关来实现电流流向，而位置传感器则是电子开关的控制关键，能够根据转子的位置来决定电子开关的各个电机绕组的通断电情况。

我们以三相永磁无刷直流电机为例，根据上述描述我们可以以了解永磁无刷点击与传统的直流电机存在两个不同点，一方面是电刷由传统的机械式变成了当前的电子式，从而在实现效率上和耗材等性能方面有了很大的提升，另外一方面则是传统的直流电机采用的定子由永磁材料制成，而永磁无刷直流电机则是转子由永磁材料制成。

三相永磁式无刷直流电机，其中A-A，B-B，C-c三个位置节点电路以及转子和定子是构成永磁无刷直流电机的主体部分，定子电枢绕组的电线通过A-A，B-B，C-C三节点以及V₁，V₂，V₃三个二极管构成的电子开关，与外界电机电源联通，构成一个电路回路。在永磁无刷直流电机的定子外围，包含了转子位置定位的位置传感器VP₁，VP₂，VP₃，在转子转到相应位置后，会产生相应的信号来驱动电子开关电路中的V₁，V₂，V₃三个二极管通断，来实现对应电路的联通，从而使定子电枢绕组电流通过产生与转子之间的磁场力矩，驱动电机旋转工作。

当永磁无刷直流电机的转子在旋转通过相应的位置时，转子定位装置VP就会扑捉到对应位置产生相应信号，例如当转子旋转到B-B的位置时，VP₂位置传感器就会扑捉转子位置，从而产生VP₂信号，该信号是一个高电平信号，从而驱动电子开关电路V₂二极管联通，而VP₁、VP₃信号传感器为感知转子位置，则会产生低电平信号，电子开关电路V₁，V₃二极管则处于关闭状态。所以在此阶段，转子处在B-B相位置，位置传感器VP₂与电子开关V₂二极管工作，其他二极管处在关闭状态，电机定子电枢绕组通电，产生磁场力与转子永久磁场作用，从而驱动永磁无刷直流电机工作。同样的，当转子继续转動，旋转到A-A的位置时，VP₁位置传感器就会扑捉转子位置，从而产生VP₁信号，该信号是一个高电平信号，从而驱动电子开关电路V1二极管联通，而VP₂、VP₃信号传感器为感知转子位置，则会产生低电平信号，电子开关电路V₂，V₃二极管则处于关闭状态。所以在此阶段，转子处在A-A相位置，位置传感器VP1与电子开关V₁二极管工作，其他二极管处在关闭状态，电机定子电枢绕组通电，产生磁场力与转子永久磁场作用，从而转动转子。当转子旋转过A-A相到C-C相后，同样的会VP3感知转子位置，驱动电子开关电路V₃二极管工作，依次循环下去促使在B-B，C-C，A-A相内形成的磁转矩力保持不变，使永磁无刷直流点击的旋转力始终保持在一个方向，带动外部设备工作。endprint

三、电动汽车永磁无刷直流电机的控制系统

电动汽车是当前低碳环保的交通工具，利用永磁无刷直流电机来实现对电动汽车的驱动，在嵌入式控制系统的智能控制下，通过有效感知永磁无刷直流电机的转子位置，进而控制外部电力的三相信号输出，实现对电动汽车的控制，从而为电动汽车的运行带来动力来源。

电动汽车的控制系统的基本结构，其采用以PCI6F877为控制核心单片机的嵌入式系统实现对各个信号的采集检测和对永磁无刷直流电机以及其他模块进行控制，为了能够为永磁无刷直流电机提供足够的功率來源，在该系统中添加了功率驱动模块为实现对永磁无刷直流电机的功率放大，而MC33033芯片则扩展PIC单片机结构，实现了对永磁无刷直流电机的位置检测信号、电流过流保护信号以及驱动信号的传输，从而实现对永磁无刷直流电机的控制信号输出和各个检测信号的接收。

电动汽车的控制系统提供专门的人机交互设备实现人对电动汽车的控制，加速信号、制动信号等都是在电动汽车司机通过专门的设备人为操控下来实现，例如制动信号，则是司机在启动电动汽车的电源后，通过按钮或手动装置来告知电动汽车控制系统要制动电动汽车，而加速信号则是电动汽车司机通过手动或脚通过专门的设备来按下或踩下加速装置，告知电动汽车控制系统需要加速。这些操作都会被相应的装置转变成连续的模拟电信号，而后通过相应的A/D电路将其转化成数字信号，如此即可实现司机操作转变成PIC嵌入式控制系统的控制信号，从而根据PIC单片机的判断，来控制相应其他的设备进行相应操作。例如在加速信号下，PIC单片机会控制功放电路加大电流量，从而使永磁无刷直流电机的磁转矩力变大，进而实现电动汽车加速。在人机交互中，还有相应的车速、电量、状态指示灯等电动汽车状态显示电路，PIC单片机会实时读取各个状态检测器目前的状态，而后通过显示电路将其展示给电动汽车司机。

在电动汽车运行过程中，如果驾驶员操作相应设备来要求电动车加速时，PIC单片机会读取到加速模拟信号转变成的数字信号，而后对当前电动汽车的状态进行识别，与目标速度进行判断，如果判断当前电动汽车状态能够满足驾驶员要求，会加大电流量实现加速。当前，在速度控制系统有反馈闭环电路，PIC单片机会实时检测当前速度与目标速度之间的差距，逐渐地加大电流量来对永磁无刷直流电机进行缓步加速，从而实现对电动汽车的精确控制。

四、总结

基于永磁无刷直流电机的电动汽车的控制系统，是在对永磁无刷直流电机控制的基础上，通过对外部各种信号的采集检测，并结合相应的永磁无刷直流电机驱动芯片和电路，在PIC单片机智能控制的基础上，来对电动汽车的启动、加速、减速、停止等操作进行对永磁无刷直流电机的控制，从而实现了永磁无刷直流电机的有针对性地为电动汽车提供动力来源。

（责任编辑：封丽萍）endprint