单片机在电动高尔夫球车永磁无刷直流电机驱动系统的应用

引言

　　二十一世纪的头一个十年就快悄悄过去了，但人们所热望的电气交通时代却并没有如期而至。在诸多由政府主导、企业和研究机构积极参与的电动车计划如PNGV、Freedom CAR 、PREDIT111在轰隆的引擎声中落幕时人们开始意识到：传统汽车产业的巨大惯性和强大生命力远远超过了他们的想象，在未来相当长的一段时间内，电动汽车还只能停泊在实验室。

　　现在，纯电动汽车的应用研究转向了以公交车为主的定点、定向运行车辆和社区用车及特定用途的微型车。这类车辆具有一些共同的特点，比如都是由机构管理，在特定区域运行，车速不高。我们可以针对这些特点对车辆的设计和管理进行优化，以降低成本和提高性能，抗衡传统内燃机型汽车，还有一点就是创建节能和环保形象，这对机构和企业来说是重要的[1]。
　　
项目和系统介绍

　　高尔夫球车属于一种特定用途的微型车，它在高尔夫球场地上运行，驾乘者目的不同以及场地的路况降低了对车辆续驶里程但对驱动系统动力性能却提出了相对较高的要求。众所周知，高尔夫场地高低起伏，这要求高尔夫球车驱动电机具有优良的过载性能；车速不高，意味着高尔夫球车驱动电机不需要很宽的调速范围。要满足这些要求，使用永磁无刷直流电机（BLDC）显得再好不过：在很大负载范围内，BLDC都能获得极高的效率，只要它的转速仍然在基速以下。再者，它坚固，运行可靠，调速简单，而且若能改善位置传感器件的可靠性，它在整个运行寿期内免维护，这使它的吸引力更为出众[2]。

　　我们考察了多种同类型（双座）电动高尔夫球车，它们都采用传统直流电机，多采用他励方式，电机的额定功率从2～3kW不等，均装备铅酸型蓄电池，最大容量有150AH，名义续驶历程为150km，在改装前对我们的原型车辆进行了测试，其最高效率不超过70%。但有一个很重要的共同点：他们的动力电压等级均为48V，这个值的确定也许是来源于通信电源系统，也许是考虑到安全电压的要求，但无论如何这已经成为事实上的标准。它制约我们整个驱动系统的建立。
　　
系统设计的关键点和难点

　　既然BLDC有很多优点，人们当然有理由将其应用到高尔夫球车这类微型车当中去，但为什么世面上现有的电动高尔夫球车均采用传统直流电机呢？答案或许很多，有两点却始终跑不掉，那就是成本和可靠性。先说成本，具有相近参数的BLDC比传统直流电机价格高，主要是永磁体贵，不过现在永磁体的价格呈下降的趋势[3]；他励直流电机的驱动要求主电路为三个桥臂，但有两个桥臂位于励磁回路，容量较小，而BLDC的驱动要求主电路为三相桥式驱动电路，它们身上均流过电枢电流，这大大增加了功率开关器件的投入。再说可靠性，采用霍尔位置传感器来检测电机转子位置以指导功率器件进行适当的换相，成本低，检测电路简单，但可靠性低[4]。当然，即便采用其他类型的传感器可靠性也高不到哪去，个人认为这跟传统直流电机的电刷和换向器一样让人头痛。这些问题怎么解决，以及一些其他电机驱动系统都具有的共性问题，我在下面的内容中进行阐述。

较低的电压等级带来应对大电流的挑战

　　在设计的最大功率下功率开关器件处理的电流峰值将达到100A。大电流将对因器件布置所带来的寄生参数、分布电感等问题提出严苛的要求，当然还有散热。同等情况下，BLDC的驱动需要更多的功率开关器件，但我们仍然希望能不增加控制器的体积。由于成本所限，不可能采用性能优良但价格昂贵的集成或智能功率器件（IPM），唯一可能的是尽力改善散热条件以减少功率MOSFET的数量。在这里我们引进了一种称为“铝基覆铜板”的散热方式[5]，灵感来源于IPM，在这类功率器件中，功率晶元甚至没有进行封装就直接表面贴装在铝基板上。接着我们还发现它在高强度LED光源、汽车点火系统等场合也多有应用。通过采用该散热方式，我们成功将原本七个一组并联减少到三个一组并联，效果让人欣喜。采用表面贴装的方式，功率开关器件的引脚寄生电感也可大大缩小，可谓一举两得。

　　关于多管并联的均流问题，利用最差状态[6][7]（Worst Case）方法对多管并联的稳态均流问题进行分析，我们以此来确定多管并联时所采取的降额因子；但影响动态均流问题的因素过多，不便分析，从统计角度来分析多参数的影响是一个值得思考的方向。

力矩控制策略带来“闭环失效”问题

　　采用力矩控制策略来实现高尔夫球车驱动系统的控制，优点有很多诸如起动转矩大、响应迅速、限流效果好等。但力矩控制策略带来“闭环失效[8]”问题：由于设计的驱动系统具有一倍的过载能力，当负载力矩始终无法达到油门踏板给定力矩时，油门踏板踏位处于负载力矩值与最大给定力矩值之间的任何变动不会对车辆的运行状态造成丝毫的改变。这与传统内燃汽车的驱动响应相异。