一种全隔离的无刷直流电机的反馈制动控制板
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时间：2017-08-11
1 回馈制动的原理
电动汽车的用途十分广泛，其多数采用无刷直流电机，具有反馈制动的能力。常规的制动方式主要有电气制动、机械制动以及复合制动。而这些制动方式只要作用，就会导致一部分的能量以热量的形势消耗散失掉。而反馈制动方式可以通过将能量收集储存，来达到节能环保的作用。
无刷直流电机的驱动系统主要是通过三相桥式电路、三相逆变电路等，如图1所示。
图中VT1-VT6是MOSFET功率管，VD1-VD6为续流二极管。在反馈制动的过程中，每次有两个功率管导通，每换向一次，通过无刷直流电机中霍尔传感器的信号进行判断换向。正常运行时，电源给整个系统供电，通过驱动MOS功率管驱动电机；当反馈制动时，切断供电，电机依靠惯性继续运转，这时控制板的反馈模式启动，将电机旋转的动能采集后充入电池中进行储存。
2 全隔离控制板的原理
为了实现对于无刷直流电机的驱动控制，以及对于无刷直流电机三相定转子相位的检测，针对无刷直流电机的研究，设计了一种控制板。为了使控制板安全可靠，不被电机启动制动产生的大电流所击穿，设计了全隔离的方式进行控制。
整个控制板分为两个模块，电机驱动控制模块与程序数据采集处理模块。通过对MCU定时器的调用，使MCU输出六路互补SPWM波。通过对电路的电流电压值进行采样记录，通过数据处理与分析，采用先进的PID算法，调节SPWM 波占空比，以达到所需要的电压值和电流值，实现闭环调节的功能。在SPWM波的输出口接上隔离模块，如图2所示，通过光耦隔离的方式，将MCU与控制板中的MOSFET驱动器模块隔离，保证MCU的安全[2]。
为了使电源母线电压稳定运行，电压的波动减少，保持一个稳定的电压值，在电源母线上并联了几个大电容来稳定电压，降低噪音以及纹波的影响，防止对整个系统的稳定性造成波动。使用AMC1200隔离运放，防止电源母线上的电压电流值过冲，损坏MCU。采集电源母线的电压与电流值，通过单电源差分电路处理后，经过MCU的ADC端口进行采样。
同时对无刷直流电机内部的霍尔传感器信号进行采集处理，实时分析得到电机定转子相位与转速，以便实现电机的反馈制动。
电机驱动控制模块主要是MOSFET驱动电路，通过将经过隔离输出的SPWM信号进行输入，运用IR2130，同时驱动六组MOSFET功率管。2130驱动电路通过自举电路驱动桥式电路低压侧的功率元件，集成了负电压免疫系统，提高了系统的耐用性与可靠性，可以直接驱动高达600V的高压系统，最大正向峰值驱动电流为200mA，反向峰值驱动电流为420mA，具有电流放大和过流保护的功能，自动产生上侧与下侧驱动所必须的死区时间，大概为2.5；具有欠压锁定功能并能及时关断六路输出，兼容2.5V逻辑信号输入。在MOSFET三相桥上采用了两个MOSFET管并联的方式，将MOSFET功率管的驱动能力加大，确保无刷直流电机的稳定运行。
同时，为了增大安全性，整个系统 采用多种保护相结合的方式，设定30A的电流值进行过流保护，防止动作电流超过30A，损坏电机及电路板。整个MCU的输入输出电路与功率高压部分都通过有效方式进行隔离处理，充分确保控制板的安全与使用。
3 结语
本文对无刷直流电机的反馈制动以及控制系统板的全隔离方式做了研究，通过全隔离的方式确保MCU与大电压大电流保持隔离，确保整个系统的安全与稳定性。通过反馈制动将能源收集，节能环保，是一种绿色的环保方式，能有效减少环境污染。
参考文献
[1]张毅，杨林，等.电动汽车无刷直流电动机的回馈制动控制[J]上海交通大学学报，2005.
[2]張相军，陈伯时.无刷直流电机控制系统中PWM调制方式对换相转矩脉动的影响[J].电机与控制学报，2003，7（2）：87-91.
电动汽车的用途十分广泛，其多数采用无刷直流电机，具有反馈制动的能力。常规的制动方式主要有电气制动、机械制动以及复合制动。而这些制动方式只要作用，就会导致一部分的能量以热量的形势消耗散失掉。而反馈制动方式可以通过将能量收集储存，来达到节能环保的作用。
无刷直流电机的驱动系统主要是通过三相桥式电路、三相逆变电路等，如图1所示。
图中VT1-VT6是MOSFET功率管，VD1-VD6为续流二极管。在反馈制动的过程中，每次有两个功率管导通，每换向一次，通过无刷直流电机中霍尔传感器的信号进行判断换向。正常运行时，电源给整个系统供电，通过驱动MOS功率管驱动电机；当反馈制动时，切断供电，电机依靠惯性继续运转，这时控制板的反馈模式启动，将电机旋转的动能采集后充入电池中进行储存。
2 全隔离控制板的原理
为了实现对于无刷直流电机的驱动控制，以及对于无刷直流电机三相定转子相位的检测，针对无刷直流电机的研究，设计了一种控制板。为了使控制板安全可靠，不被电机启动制动产生的大电流所击穿，设计了全隔离的方式进行控制。
整个控制板分为两个模块，电机驱动控制模块与程序数据采集处理模块。通过对MCU定时器的调用，使MCU输出六路互补SPWM波。通过对电路的电流电压值进行采样记录，通过数据处理与分析，采用先进的PID算法，调节SPWM 波占空比，以达到所需要的电压值和电流值，实现闭环调节的功能。在SPWM波的输出口接上隔离模块，如图2所示，通过光耦隔离的方式，将MCU与控制板中的MOSFET驱动器模块隔离，保证MCU的安全[2]。
为了使电源母线电压稳定运行，电压的波动减少，保持一个稳定的电压值，在电源母线上并联了几个大电容来稳定电压，降低噪音以及纹波的影响，防止对整个系统的稳定性造成波动。使用AMC1200隔离运放，防止电源母线上的电压电流值过冲，损坏MCU。采集电源母线的电压与电流值，通过单电源差分电路处理后，经过MCU的ADC端口进行采样。
同时对无刷直流电机内部的霍尔传感器信号进行采集处理，实时分析得到电机定转子相位与转速，以便实现电机的反馈制动。
电机驱动控制模块主要是MOSFET驱动电路，通过将经过隔离输出的SPWM信号进行输入，运用IR2130，同时驱动六组MOSFET功率管。2130驱动电路通过自举电路驱动桥式电路低压侧的功率元件，集成了负电压免疫系统，提高了系统的耐用性与可靠性，可以直接驱动高达600V的高压系统，最大正向峰值驱动电流为200mA，反向峰值驱动电流为420mA，具有电流放大和过流保护的功能，自动产生上侧与下侧驱动所必须的死区时间，大概为2.5；具有欠压锁定功能并能及时关断六路输出，兼容2.5V逻辑信号输入。在MOSFET三相桥上采用了两个MOSFET管并联的方式，将MOSFET功率管的驱动能力加大，确保无刷直流电机的稳定运行。
同时，为了增大安全性，整个系统 采用多种保护相结合的方式，设定30A的电流值进行过流保护，防止动作电流超过30A，损坏电机及电路板。整个MCU的输入输出电路与功率高压部分都通过有效方式进行隔离处理，充分确保控制板的安全与使用。
3 结语
本文对无刷直流电机的反馈制动以及控制系统板的全隔离方式做了研究，通过全隔离的方式确保MCU与大电压大电流保持隔离，确保整个系统的安全与稳定性。通过反馈制动将能源收集，节能环保，是一种绿色的环保方式，能有效减少环境污染。
参考文献
[1]张毅，杨林，等.电动汽车无刷直流电动机的回馈制动控制[J]上海交通大学学报，2005.
[2]張相军，陈伯时.无刷直流电机控制系统中PWM调制方式对换相转矩脉动的影响[J].电机与控制学报，2003，7（2）：87-91.
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