电动车直流无刷电动机的调速控制作者：黄涛李晶李志刚单位：武汉理工大学信息学院摘要：对当前无刷电动机在电动车领域的应用做了简单分析，简要介绍了直流无刷电动机的组成和工作原理，提出设计总体方案，详细阐述了驱动电路组成和调速部分的具体实现方法，并且介绍了电路的过流保护功能。

关键词：直流无刷电动机霍尔位置传感器驱动电路调速过流保护中图分类号:TP332.3 文献标示码: BTiming Control to the Brushless electromotor of Electric-automobile Author: HuangTao LiJing LiZhigangDepartment: Information College Wuhan University of TechnologyAbstract：Analyze simply to the application of Brushless electromotor in Electric-automobile field.Take a introduction to the composing and principle of Brushless electromotor.Give a designing blue print and the material method of the driving circuit and timing control circuit.Moreover,introduce the function of over-current protection.Key words: Direct current Brushless electromotor Hall position sensor Driving circuit Timing Control Over-current protection1.引言随着当前油价上涨，能源紧张以及人们环保意识的不断加强，具有“节能、环保、轻便灵活”等特点的电动车越来越受到了人们的青睐。

目前市场上电动车大多数停留在有刷电动机阶段。

有刷电动机采用机械换向，对控制系统的技术要求较低，但是相比无刷电动机，有刷电动机存在着明显的劣势：寿命短，噪声大，效率低，返修率较高，因此电动车采用直流无刷电动机做为驱动系统是一个必然的大趋势。

针对这种情况，本文介绍了对电动车直流无刷电动机调速控制的一套切实可行的设计方案，该方案可实现对三相无刷电动机转速进行精确控制。

2. 无刷电动机基本组成和工作原理2.1 基本组成直流无刷电动机的结构原理如图1所示。

它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。

A相、B相、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。

位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相连接。

本设计主要实现电子开关线路的功能。

图12.2 工作原理当给定子绕组通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成方波信号，通过控制电路去控制开关线路的通断，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。

由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。

因此，所谓直流无刷电动机，就其结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。

3. 设计方案本设计应用于控制电动助力自行车、电动摩托车用无刷电动机，最大输出功率要求达700W，采用48V蓄电池供电，电动机空载时最高转速可达700转/分钟。

功率达到最大输出时（通常为负载较大或爬坡时），流过MOSFET管的电流最高可达20A，因此对MOSFET 管的电流承受能力有一定的要求，在本设计中选择IRF540N，其击穿电压为100V，最大可承受电流为33A，可以满足设计要求。

为了保护MOSFET管，延长其使用寿命，当电流达到设计的最高电流值时采取过流保护措施。

整个电路以时序逻辑控制为主，对时序的准确性要求相当高。

设计方案流程图如图2所示。

图24. 实现方法由固定在无刷电动机内的霍尔位置传感器输出霍尔信号，即转子磁钢位置信号，信号波形如图3所示（以三相无刷电动机为例），各相信号是占空比为50％的方波，且相互之间相位差为120°。

由三相霍尔信号A、B、C组成的一组编码（先后顺序分别为：101、100、110、010、011、001）经过译码电路及74LS38选择出每个编码所对应时刻的驱动电路中导通的功率管，从而为电动机提供工作电流。

驱动电路如图4所示。

经74LS38输出的信号通过光电隔离进入驱动电路部分，光耦全部采用正相接法。

对于三相霍尔信号A、B、C各种不同的组合，例如当A、B、C为101时，经74LS138译码器和74LS38与非门输出，到达1、2路光耦输入端为高电平，3、4、5、6路光耦输入端为低电平。

由图4所示电路可知，1路和2路光耦分别对应的MOSFET管M1、M2导通，通过A相和C相对直流无刷电动机提供供电回路。

同样道理，当霍尔信号A、B、C为其它状态值时，亦可通过译码电路及74LS38与非门选择相应的光耦，使其输入端为高电平，对应的MOSFET管轮流导通，如此不断循环换相，从而驱动电动机旋转。

图3图4对直流无刷电动机速度进行调节控制，可以由图5所示的方案实现。

电动机起动之后，在驱动电路的作用下，不断加速旋转，直到达到事先给定的速度。

所谓给定速度实质上是通过可调电阻得到一电压值V1，输入LM324的比较器反相输入端。

由无刷电动机输出的霍尔方波信号（如图3），经过沿触发电路，在方波上跳沿和下跳沿分别产生触发脉冲，达到2倍频。

霍尔信号和触发脉冲的频率皆与电动机转速成正比。

将A、B、C三相霍尔信号得到的沿触发脉冲叠加输入单稳态触发器4538，由4538输出频率为霍尔信号频率6倍的方波信号。

经由RC电路整流，获得直流电压值V2，时间常数RC的值越大，即电容充电时间越长，直流效果越好。

将V2输入LM324的比较器的正相输入端，与给定电压V1比较，通过比较器输出调速控制信号Vs来控制驱动电路的开断。

当V1<V2，即当前电动机转速高于给定速度时，比较器输出的高电平，控制驱动电路中所有MOSFET管关断，由于没有了供电回路，电动机的转速将不断下降。

当V1>V2，即给定速度高于当前电动机转速时，比较器输出的低电平，控制驱动电路中的相应MOSFET管导通，驱动电动机加速旋转，当速度超过给定速度时，即回到V1<V2的情况时，又重复上述的减速过程。

因此，当无刷电动机起动之后，电动机转速总是处在给定的转速附近变化的。

综上所述，对无刷电动机的速度进行控制，实质上是通过对当前转速的反馈，与给定速度进行比较，输出控制信号，控制驱动电路关断或导通，达到调节电动机转速的目的。

图5在本设计中，直流无刷电动机做为电动助力自行车、电动摩托车驱动系统，驱动电路所采用的MOSFET管最大承受电流可达33A。

当对电动机外加较大负载时，流过MOSFET管的电流将急剧增加，为保护MOSFET管，防止电流过大，将采取过流保护措施。

在MOSFET管与地之间接入采样电阻R0，R0的阻值要尽可能小，可根据所选用的MOSFET管所能承受最大电流而选择合适的阻值，在本设计中选择R0=0.2Ω即可。

R0的功率要较大。

通过采样电阻得到反馈电压Vf，将Vf输入比较器反相输入端，将前文所述的控制驱动电路开断的信号Vs输入比较器正相输入端。

当流过MOSFET管的电流接近所能承受最大电流时，得到的Vf值较大，将超过Vs的最大值，则此时不论Vs为何值，比较器均输出低电平，从而关断所有MOSFET管，起到过流保护作用。

5. 结束语综上所述，本文所设计的直流无刷电动机调速控制系统利用电子换相开关取代了机械换相装置，具有结构简单、成本低廉、维护方便等特点。

经过多种环境下的试验验证本系统性能可靠，具有良好的调速特性，能够较好的应用于电动助力自行车、电动摩托车的驱动系统。

参考文献：【1】 张琛. 直流无刷电机原理及应用. 北京：机械工业出版社，1996【2】 叶金虎，徐思海. 无刷直流电动机. 北京：科学出版社，1992联系方式武汉理工大学马房山校区西院信息学院黄涛邮编 430070作者简介:黄涛男 1968年汉族武汉理工大学信息学院副教授华中科技大学博士研究方向: 工业控制网络信息处理汽车电子在研项目: 1车载信息平台2工业现场统一平台3高速高精运动控制技术(博士课题) ‘863项目’HuangTao male han 1968 Associate professor Doctor of Huazhong University of Science and TechnologyResearch direction: Network in Industrial Control; Information Processing; Auto electronic.Project : Information plat for car borne; Industutrial area unite plat ; high fast and high accurate movement controlling.李晶男 1981年3月汉族武汉理工大学通信与信息系统硕士yourlijing@研究方向:无刷电机控制、汽车发动机电子燃油喷射系统LiJing male 1981.03 han master Wuhan University of TechnologyResearch direction: Brushless electromotor control; Electronic fuel ejection system control李志刚男 1979年12月汉族武汉理工大学通信与信息系统硕士研究方向:无刷电机控制、汽车发动机电子燃油喷射系统LiZhigang male 1979.12 han master Wuhan University of Technology Research direction: Brushless electromotor control; Electronic fuel ejection system control本文章无基金资助。

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