本實用新型涉及一種基于AVR單片機控制的無刷直流電機驅動系統(tǒng)，特別是可以實現堵轉、過流和欠壓保護，如果系統(tǒng)出錯會啟動自檢功能，同時用戶可以在升級空間中二次開發(fā)的無刷直流電機驅動系統(tǒng)。

背景技術：

隨著中國經濟的發(fā)展，電動汽車逐漸進入千家萬戶之中，并逐步替代了自行車成為人們熱愛的交通工具之一。電動汽車不僅價格實惠，而且使用電能驅動，符合國家的綠色發(fā)展觀。但是電動汽車的動力系統(tǒng)是亟待解決的關鍵問題之一。由于國外的電動汽車驅動控制系統(tǒng)技術研究早已開展，在驅動控制器方面趨于標準化；但是在中國國內數據仍不完善，產品的穩(wěn)定性、可靠性和通用性等相比之下，仍需改進。

技術實現要素：

為了克服上述現有國內技術的空白，本實用新型提供一種基于AVR單片機的永磁無刷直流電機的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有電路簡單、性能安全、成本低等優(yōu)點，有利于純電動汽車產業(yè)化。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：硬件部分以MEGA48單片機作為控制芯片，逆變器由6個MOSFET管組成。通過微控制單元電路、逆變器驅動電路等電路模塊設計，實現電機的智能控制以及欠壓保護、過流保護、堵轉保護等保護功能，可靠的對電動車電機和電池進行保護，確保電動汽車使用及安全。系統(tǒng)正常工作電壓72V，最低工作電壓65 V，最大工作電流180 A，最大輸出功率18 kW。軟件部分以高級語言進行模塊化、系統(tǒng)化和結構化編程。

本實用新型的有益效果是：（1）具有電動、自動巡航兩種工作模式：在電動模式下，控制系統(tǒng)能夠根據電動汽車腳踏板所給電壓，正常加電運轉；自動巡航模式下，無需踩住踏板，電動汽車能夠按照設定速度運行；兩種工作模式可通過模式轉換按鈕切換。（2）當系統(tǒng)出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進入自檢模式并顯示錯誤。（3）能夠實現系統(tǒng)的欠壓保護、過流保護、堵轉保護。（4）能夠實時顯示電動車的狀態(tài)。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是本實用新型的硬件系統(tǒng)框圖。

圖2是本實用新型的MOSFET逆變驅動電路。

圖3是本實用新型的電源電路。

圖4是本實用新型的振蕩倍壓電路和純硬件保護電路。

圖5是本實用新型的系統(tǒng)工作流程圖。

具體實施方式

在圖1中，是根據上述功能，所設計的系統(tǒng)硬件框圖。

在圖2中，采用了MOSFET組成的逆變器驅動電路。（1）半橋逆變器的控制比較復雜，需要六組控制信號，電機三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進行控制，另外一相電流也得到了控制。因此本設計采用全橋逆變電路來控制全相位的導通。本設計中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數一致性較差，價格較貴，而且其內阻比N溝道MOSFET管大，損耗也大。因此，當前的無刷控制器一般都采用兩個N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。（2）如圖2所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅動電路無法直接與TTL器件匹配，因此在電路中通過LM339用來間接匹配電壓，匹配后的LM339輸出端（a相2腳、b相1腳、c相14腳）電平分別為12V的有效狀態(tài)或大于25V的無效狀態(tài)。當某相頂端驅動電路有效時，場效應器件VF1（或VF3，VF5）的柵極電壓不低于46V，才能保證場效應管的充分導通，導通后，X1（或X2，X3電壓與電池電壓相同）。由于MOSFET管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過正負20V。柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過大。本設計中，頂端驅動電路中的15V穩(wěn)壓二極管DZ2、DZ4和DZ6為保護二極管。漏源間也要加保護電路以防止開關過程中因電壓的突變而產生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位。當電機意外突然停轉時，電機繞組產生瞬間的反向高壓可能會損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機時，母線上產生的瞬間高壓會由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。底端電壓驅動電路采用NE555內部推挽電路，利用單片機產生的PWM信號調制底端驅動信號，調制后的信號通過電阻耦合至底端驅動場效應管柵極，控制場效應管導通狀態(tài)。因為底端驅動電路中NE555功耗較大，因此需要為U8，U9和U10配上霍爾電容C37，C39和C45.底端電壓驅動電路中R22，R30，R38為串聯(lián)柵電阻，是場效應管底端驅動保護電路，可消去由MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應而生的高頻振蕩。（3）以A相為例，頂端驅動，當LM339的2口輸出為低時，12腳正端接地，使得Q1基極電壓22V>Q1開通，電流流過R19，電流方向為左正右負（從而保證Q1開通時Q2關斷），VF1柵極電壓為50V左右，源極電壓為36V左右，VF1開通；當LM339的2口輸出為高時，Q1關斷，這時VF1截止。Q2與R18，R19，C26組成有源濾波器。底端驅動，當經過邏輯保護的A相底端控制信號ABTM輸入為1時，經過底端驅動電路產生12V有效信號，使得VF2導通。同時，單片機輸出的PWM信號送到NE555的RST端，對底端控制信號進行調制。

在圖3中，驅動電路的電源部分包含兩部分電路：一部分是將電池電源36V，通過三端穩(wěn)壓器LM7915產生相對電源電壓的-15V電壓，即36V-15V=21V，用于倍壓電路產生高驅動電壓；另一部分是通過三端穩(wěn)壓器LM7812產生的+12V電壓，用于頂端驅動匹配和底端驅動電路。如圖3所示，電源電路中，根據各個部分的電流，合理的選擇分流電阻R14和R45的阻值和功率，減少直接流過三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱量，提高電路穩(wěn)定性。

在圖4中，（1）為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設計了純硬件制動保護電路。制動電路通過控制振蕩電路的RST端的電平狀態(tài)，間接控制頂端驅動電路導通所需電壓源。通過LM339的保護功能，當系統(tǒng)正常工作時，測試點1處的電壓通過上拉電阻，電平為12V，經過22V穩(wěn)壓二極管，測試點2處的電平在34V左右，振蕩電路正常工作；當系統(tǒng)過流時，純硬件的保護電路U5反向輸入端的電壓將高于正向輸入端參考電壓，U5內部的三極管導通，測試點1處電平約0.7V，測試點2處電壓為21V左右，RST有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅動電路將不再輸出驅動電壓，從而實現硬件制動穩(wěn)定性。R47和C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導峰緣，增強系統(tǒng)。（2）NE555的電源接+36V電壓，地端接+21V電壓。NE555和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產生的振蕩頻率約為4-5kHz，振蕩信號從NE555的3腳輸出后，通過陶瓷電容C23和C24、二極管D3和D4構成的倍壓電路，將輸出電壓提升到50V左右，送到MOS管的柵極。NE555的RST腳能夠控制振蕩電路的起停。倍壓電路的工作原理是：當NE555的3腳為GND電壓（+21V）時，電源36V通過二極管D4給電容C24充電，如果時間常數合適，C24上的電壓近似等于36V-21V=15V，方向為左負右正；當NE555的3腳為高時，電容C24左側為36V，右側為36V+15V=51V，因為二極管D4反偏截止，產生的51V電壓就通過二極管D3給C23，C25充電，這樣經過若干周期的反復充電，電容C25上的電壓就升到后部驅動所需要的51V恒定電壓。

在圖5中，是所設計的系統(tǒng)工作流程圖。軟件部分以高級語言進行模塊化、系統(tǒng)化和結構化編程。完成信號的采集和處理，實現了電動自行車的電動和自動巡航兩種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢工作，且利用數字PI控制理論實現電機速度的閉環(huán)調制。