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电动摩托车的无传感器无刷直流电机控制系统设计 作 者：武汉理工大学 自动化学院 宁 运 翁显耀 李 波 [专家点评] 传统的驱动电机结构复杂，效率低，噪音大，而无刷直流电动机是一种用电子换相装置 代替机械换相装置的新型直流电动机，没有激磁损耗，热阻较小，散热容易，具有效率高、 过载能力强、无换向火花等优点，是高速电机的一个重要发展方向。通常无刷直流电机采用 电子或机电式位置传感器获取转子位置信息，然而有些传感器的分辨率低或运行特性不好， 有的对环境条件如震动，潮湿和温度变化很敏感，使性能下降，系统可靠性和精确性降低。 传感器还大大增加了电气连接线数目，增加干扰，增大体积和成本。因此，在小型轻载条件 下，无位置传感器无刷直流电机成为理想的选择并具有广泛的发展前景。采用无传感器无刷 直流电机的电动摩托车作为绿色环保交通工具具有操作简单、骑乘舒适、维护方便、污染小 和噪声低等优点。本文介绍一种以 st7fmc1k2 为核心的无传感器无刷直流电机控制系统。 电动摩托车的控制器结构、工作原理及电机控制部分硬件设计 电动摩托车的控制器结构与工作原理 电动摩托车的控制器具有电机驱动控制、参数显示和电池管理等基本功能。电动摩托车 通过控制器采集在各种情况下的参数，控制电机运行，调节车速度，提高电机和电池的效率， 保障骑乘者和他人的人身安全。能量管理系统对电池实施有效的管理，监督和控制电池的充 放电过程，使电池处于良好的工作状态，保证电池的有效使用寿命。其总体机构如图 1。 图 1 电动摩托车的控制器结构 原主控制芯片st7fmc1k2作为控制核心，向驱动电路传递pwm信号以驱动电机;通过i/o 口向面板显示电路传递时钟信号、复位信号和数据信号。单片机从驱动电路部分获取反电动 势检测信号并进行处理以及时对电机换相;同时从驱动电路获取电流采样信号，以进行过流 保护;从电池电量检测电路获取电压信号以进行欠压保护。转把信号用于改变电压以改变 pwm 的占空比来对电机进行调速，刹车信号用于紧急情况时及时停止电机的运行。 st7fmc1k2 芯片的介绍[1] 目前市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分厂商采用 motorola 的mc33035控制， 它具有无刷电机控制系统所需要的基本功能。本设计综合考虑性价比等因素采用意法公司的 st7fmc1k2 作为主控芯片，可以实现全部功能并能够满足所需求的控制精度。具体特点有:8k 的 flash 和384 字节的 ram,配有lvd、看门狗、高抗噪电磁兼容电路,10 位多通道 a/d转换 器、sci，spi、i2c、usb和带 pwm 功能的定时器,它的最大特点是内置了增强型的专用 mtc, 见图 2，含有一个 pwm 管理单元,可通过软件设置不同的 pwm方式,内置的运算放大器和比较 器可以对电机绕组电流采样信号进行放大,实现两种不同的驱动模式:电压模式和电流模式。 电流模式以定子绕组中的电流为直接控制对象,通过单片机内部的pwm占空比和外部rc电路 改变电流设定的参考值,可以精确地跟踪定子绕组中的电流,实现输出力矩的直接控制。这样 就降低处理器成本、减少外围器件数量、减少 pcb 板尺寸、优化系统缩短开发周期。 图 2 st7fmc1k2 的mtc 框图 无刷直流电机控制部分硬件设计[2] 图 3 无刷直流电机控制部分硬件图 无刷直流电机控制部分是整个控制器的核心，其设计的好坏将影响整个系统，本设计的 主要电路图如图 3 所示。为了获得可调的方波电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用 pwm 脉宽调制技术，直