摘要
本文针对第十二届全国大学生智能汽车竞赛电磁节能组，设计一种采用超级电容器单独供电的无刷直流电机(BLDC)调速控制系统。该装置在实现超级电容器充分放电及对电能的最大利用的前提下，实现了控制系统闭环稳定运行并可通过MCU输出PWM进行调速，大大降低了驱动算法的复杂度。
关键词： 超级电容 BLDC调速 控制系统 PWM
正文
第一章 系统总体方案设计
根据竞赛规则相关规定，智能车系统采用恩智浦（原飞思卡尔）公司 32 位微控制器 K60P100 作为核心控制器，在 IAR开发环境中进行软件开发。电机转速控制采用“电压前馈+ PID”复合控制，采用K60单片机FTM模块的输入捕捉功能进行脉冲计数计算速度和路程，通过 PWM控制驱动电路调整电机的转速，完成智能车速度的闭环控制。
该系统包含三大模块：微控制器模块、电源模块、无刷电机驱动模块。各模块的作用如下：
1、32位微控制器k60模块，作为整个系统的控制中枢，可以实时采集超级电容器两端电压信号和驱动模块反馈的脉冲信号，根据控制算法做出控制决策，输出脉宽调制信号(PWM)来驱动无刷直流电机（BLDC）完成控制。
2、电源模块，为整个智能车的硬件系统提供稳定合适的电源。
3、无刷电机驱动模块，驱动直流无刷电机按照微控制器给出的控制信号进行调速，同时无刷电机将速度脉冲反馈给微控制器。
第二章 硬件电路设计部分
2.1 供电电路设计部分
针对我们设计的系统，我们设计了图2.1所示电路
图2.1 电源模块电路原理图
使用 3.3V 为K60单片机供电，采用LDO。输入端接TPS63070 输出端。
2.2 BLDC选型及传动设计部分
2.2.1 电机选型
根据竞赛规则相关规定，电磁节能组的电机可以自己选型。在智能车在赛道运行过程中，电机是主要的耗电器件，因此我们选出参数较为适合的有刷直流电机（RS540电机）、无刷直流电机、空心杯电机（716电机），对于其中的相关参数进行了对比，选出较为节能的电机。
表1 三种电机相关参数对比
RS540电机 |
无刷电机 |
空心杯电机716 |
|
额定电压 |
4.8-9.6V |
7.4-11.1V |
3.7V |
额定电流 |
9.55A |
7A |
0.8A |
额定功率 |
64.9W |
55W(7.4V),80W(11.1V) |
46.3W |
额定转矩 |
31.0mN·m |
117.5mN·m |
13mN·m |
额定转速 |
20040 |
4470 |
34000 |
电机重量 |
160g |
22.5g |
3g |
由表1，从额定电流的角度不难发现空心杯电机最省电，无刷电机其次，有刷直流电机最耗电；但是考虑到空心杯电机输出转矩低，而行星齿轮形式的电机虽然可以大幅度提高转矩，但其涉及到复杂的机械齿轮结构，在运行过程中齿轮间摩擦产生能量损耗，所以最终选用无刷电机。
2.2.2 传动设计
出于节能方面的考虑，我们没有选择齿轮传动，而是选择了皮带传动结构。电机与后轴之间的传动比为3：5。皮带传动机构对车模的驱动能力有很大的影响。皮带传动部分安装不恰当，会增大电机驱动后轮的负载；皮带过松则容易空转，过紧则会增加传动阻力。所以我们在电机安装过程中尽量使得传动皮带轴保持平行，传动部分轻松、流畅，不存在卡壳或迟滞现象。噪音很小，并且不会有碰撞类的杂音，后轮减速皮带机构就基本上调整好了，动力传递十分流畅。
2.3 BLDC驱动电路设计部分
2.3.1 BLDC基本驱动电路
针对我们选用的这款BLDC电机，我们开始设计其驱动电路。在分析驱动原理的过程中，我们翻阅了相关资料，查到了基本驱动电路，即三相桥式全控驱动电路。
但显然这种采用分立元件的全控电路需要的算法复杂程度很高，不容易操作，而且耗电，所以我们决定改用集成MOSFET的BLDC驱动芯片。
2.3.2 BLDC驱动芯片的选型
目前市场上有很多BLDC驱动芯片，做这方面性能比较出色的公司有美国的TI和Microchip两家公司，所以我们在这两家公司的官网检索到了对于本系统最合适的两款芯片，分别是德州仪器的DRV11873和微芯科技的MTD6501D,两款芯片均为无传感器的无刷直流电机驱动器。
表3 驱动芯片性能参数比较
DRV11873 |
MTD6501D |
|
输入电压范围 |
5V-16V |
2V-14V |
过电流保护限值 |
可通过外部电阻调节，最大2A |
内置，不可调节，最大0.8A |
PWM输入频率 |
7k~10kHz |
0.02k~100kHz |
PWM高电平输入电压 |
2.7V~5.5V |
3.2V~3.6V |
触发换相导通方式 |
150°导通 |
180°导通 |
通过表3可以看出两者都有着很宽的电压输入范围，符合超级电容供电电压逐渐下降的特点；两者都支持PWM调速，但MTD6501D仅支持以3.2V~3.6V为高电平的PWM波，我们选用的k60单片机输出的高电平为5V左右，会触发此芯片的过压保护。
DRV11873采用三相四线制，在原电机三相三线制的基础上加一根COM线，可适应三相不平衡负载的三相平衡驱动；但MTD6501D没有采用这种方式。
有研究表明，MTD6501D在启动和堵转时产生的功耗比DRV11873大得多。
此外，文献[1]对比分析了换相方式对转矩波动的影响，当无刷直流电机的绕组电感不可忽略时，选择最优换相超前角并考虑换相续流过程的影响，无论电机运行在高速状态还是低速状态，均可以采用适当的150°十二拍换相来削弱转矩波动。
综上所述，我们选用DRV11873作为本系统BLDC的驱动芯片。
2.3.3 PCB Layout
参考该芯片的技术文档，设计出了可靠的电路板，经测试效果优秀。
第三章 转速闭环控制算法部分
3.1 传统数字PID控制算法
如图所示为传统数字PID控制算法结构图，PID运算核心式如下：
U(k)=U(k-1)+ KP[ E(k)- E(k-1)]+KI*E(k)+ KD[ E(k)- 2*E(k-1)+E(k-2)]
但是我们在实际调试中发现该系统输出的速度随电容电压的减小而减小，究其原因是由于电机驱动芯片输出速度与供电电压之间成近似线性关系，所以我们引入了电压扰动输入前馈控制。
3.2 电压前馈+PID控制算法
系统选用具有电压前馈的数字化PID作为系统闭环的控制算法。电压前馈控制的原理:当电容电压降低时及时进行调整,使输出速度保持不变。具有电压前馈的数字化PID控制系统其方块图如图所示.PID数字化控制算法表达式为
U(k)=U(k-1)+ KP[ E(k)- E(k-1)]+KI*E(k)+ KD[ E(k)- 2*E(k-1)+E(k-2)]
式中,KP,tI,tD为设定值,KI为积分系数,KD为微分系数.
KI,KD由KI= KPT/ tI,KD= KPtD/ T运算得来.T为采样周期.
PID运算核心式也十分简单,如下式.
U(k)= U(k-1)+ Kp*[(E(k)- E(k-1)]+KI*E(k)+ KD*[ E(k)- 2*E(k-1)+ E(k-2)];
U(k-1)= U(k);
E(k-2)= E(k-1);
E(k-1)= E(k);
Uout= U(k);
在程序中只要设定输入控制参数KP、KI、KD即可,给定脉冲可自行设定。
经测试，输出稳定时，实际与给定之间误差在±5%以内，系统运行良好。
参考文献
[1] 魏延羽.换相续流可控的无刷直流电机驱动控制策略[D].哈尔滨工业大学,2016.
[2] 杨宁,黄元峰,张志敏.三相电热家庭水暖恒温自动控制系统[J].武汉化工学院学报,2005(05):60-64.
[3] 张宝荣.数字电子技术基础(第2版)[M].电子工业出版社,2015．
[4] 李发海,王岩.电机与拖动基础(第4版)[M].清华大学出版社,2012．
[5] 夏德钤,翁贻方.自动控制理论[M].机械工业出版社,2012．
[6] 梅晓榕,柏桂珍,张卯瑞.自动控制元件及线路(第五版)[M].科学出版社,2013．
[7] 阮毅,陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统(第4版)[M].机械工业出版社,2009．
鸣谢
在此感谢燕山大学电气工程学院对智能车大赛的支持，感谢本次三级项目给我此次机会在此陈述我的观点，也感谢两个队友一年来的支持与鼓励。