1、 哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目： 基于单片机的电动车控制系统设计 院、 系： 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2012 年 6 月 24 日哈尔滨理工大学专科生毕业论文- I -目 录摘要 .IAbstractII第 1 章 绪论 11.1 课题的研究背景 .11.2 电动汽车发展的必要性 .11.3 电动汽车的基本机构 .21.3.1 电动汽车的工作原理与技术概述 21.3.2 电动汽车的基本结构 2第 2 章 基于单片机的系统控制策略研究 52.1 控制系统的整体构成 .52.2 系统主要控制策略概述 .62.2.1 位置及电流检测信号处理单元 62.2.2 速度调节
2、及检测方案 62.2.3 起动与换相控制方案 102.2.4 蓄电池检测方案 112.2.5 驱动、逆变电路控制方案 122.2.6 故障检测与系统保护 122.3 核心控制器件的选择 .13第 3 章 系统硬件设计 153.1 信号检测电路设计 .153.2 电机转速控制电路 .163.2.1 测速及换向调速电路 163.2.2 速度检测及给定环节 173.2.3 系统软件控制 183.3 PWM 波的控制单元 193.3.1 PWM 信号的产生及输出控制 .193.4 电池电压检测单元 .213.5 系统硬件可靠性设计 .223.5.1 电源与集成芯片去藕 223.5.2 隔离及电磁兼容设
3、计 22第 4 章 系统软件设计 244.1 主程序框图 .244.2 INT0 中断服务程序 254.3 子程序设计 .25哈尔滨理工大学专科生毕业论文- II -结论 27致谢 28参考文献. 29哈尔滨理工大学专科生毕业论文- III -哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题的研究背景汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。在能源方面，目前世界汽车保有量约 8 亿辆，并以每年 3000 万辆的速度递增，预计到 2020 年全球汽车保有量将达到 12 亿辆
4、，主要增幅来自发展中国家。我国汽车产销保持快速增长，2007 年汽车产量接近 900 万辆。作为能源消费大国，我国形势更为严峻，2007 年中国原油消费总量约为3.5 亿吨，其中净进口原油 1.6 亿吨，占原油消费总量的 45.7%，能源大量进口危及到国民经济正常运行和国家能源安全。在环境方面，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要原因之一。调查研究表明，平均而言大气污染的 42%来源于交通运输。据有关部门 2002 年统计，在全国 600 多座城市中，空气质量达到国家一级标准的城市不足 1%。汽车排出的气体使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题，并对人类和动植物
5、产生危害，严重威胁着人类的身体健康 1。由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车使用的能源是可以用于发电的一切能源。因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。 1.2 电动汽车发展的必要性电动汽车具有舒适干净、噪声低、不污染环境、操作简单可靠及使用费用低等优点，被称为绿色汽车。电动汽车技术则提供了对大气污染问题的一种解决方法，它不产生尾气排放，运行时几乎不产生污染，是一种真正意义上的零污染汽车。从汽车发展的历史来看电动汽车其实比燃油汽车还要早诞生几年，但受电池和驱动控制技术的局限,
6、其发展却远远落后于燃油汽车。电动汽车是以电池为动力的汽车，与燃油汽车有显著的区别。汽车虽给国民经济带来了发展给人类带来了方便，但也给人类带来了巨大的灾害，42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放，80%的城市噪声是由交通工具产生的，当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽车是消耗石油的大户！因而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 2 -1.3 电动汽车的基本机构1.3.1 电动汽车的工作原理与技术概述电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大
7、不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同 2。蓄电池电流电力调节器电动机动力传动系统驱动汽车行驶电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。它使用存储在电池中的电来发动。在驱动汽车时有时使用 12 或 24 块电池，有时则需要更多。蓄电池供电给，照明系统，测量系统，驱动系统。电动车技术特点： 无污染，噪声低。 能源效率高，多样化。 结构简单，使用维修方便。 动力电源使用成本高，续驶里程短。1.3.2 电动汽车的基本结构1、电源电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能
8、转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，许多新型电池也在发展中。这些电源（电池）主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。 2、驱动电动机驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BLDC
9、M） 、开关磁阻电动机和交流异步电动机所取代。3、电动机调速控制装置电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 3 -早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（如 GTO、MOSFET 、BTR 及
10、 IGBT 等）斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的旋向变换，这使得电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。4、传动装置电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带
11、负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。5、转向装置专项装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。6、制动装置电动汽车的制动装置同其他
12、汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。7、行驶装置行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。8、工作装置哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 4 -工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成 2。电动汽车的技术内容包括： 驱动电池技术：镍氢
13、电池，镍镉电池，铅酸电池，钠硫电池，锂离子电池、燃料电池等，应具有比功率和比能量高，能满足动力性和续驶里程的要求：充电时间短、充电动循环多，以方便使用和保证寿命。 电机技术：主要有四种电机：直流电机、永磁电机、开关磁阻电机、交流感应电机。要求重量轻、效率高、可靠性好。 驱动系统控制与集成技术：多采用单片机和功率器件配合作为控制系统，功率器件主要使用 IGBT（绝缘栅双极晶体管） 。 电池监视与管理系统技术。 充电系统技术。 电动汽车整车布置及匹配技术。哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 5 -第 2 章 基于单片机的系统控制策略研究2.1 控制系统的整体构成在其它硬件条件相同的情况下，控制系统决定
14、着电动车的性能，相当于系统的神经中枢发出控制命令及处理各种异常情况。它的作用如下 3。1、提高电机和蓄电池的效率，节省能源。2、保护电机及蓄电池。3、降低电动车在受到破坏时的损伤程度。4、保障使用者和他人的人身安全。本文设计的电动汽车控制系统主要由以下几部分组成：以单片机为核心的主控电路；以 IR2131S 为核心的驱动电路；功率逆变电路；位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围辅助电路。控制电路的主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护；驱动电路的主要功能是利用 IR2131S 的自举技术驱动功率 MOSFET管控制电机电流；而外围辅助电路主要完成信号的
15、采样、对电路的供电、发出报警信号等功能。系统原理框图如图 2-1 所示。报警信号单片机电源保护电路驱动电路 IR2131S电流信号处理电路位置信号处理电路 BLDCM整流稳压功率逆变器电池电压转速给定图 2-1 系统原理框图直流电源通过 MOSFET 构成的逆变桥向 BLDCM 供电，单片机在新的采样周期到来时，先判断系统的状态，如是静止状态则用软件开环起动，哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 6 -当达到一定速度后再切换到常规换相运行状态。 “软启”的电控方案解决了零状态起步耗电大的问题，大幅度地提高了一次充电的续行里程。常规的换相运行是直接根据位置传感器传来的信号进行换相控制，同时将电机速度反
16、馈信号和手把给定的速度信号相减，得出偏差，经过控制算法得出控制量。再把控制量以 PWM 的形式输出给驱动电路，由驱动电路调节逆变器的输出电压，就调节了电机的电流大小，从而调节电磁转矩；当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度便达到了给定。2.2 系统主要控制策略概述2.2.1 位置及电流检测信号处理单元在对无刷直流电机的控制中，磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。方波电流驱动无刷直流电机是借助于位置检测信号控制逆变器换流以达到在电机定子线圈中通以互差 120的方波电流才能正常运行 4。本系统采用霍尔元件式位置传感器来检测电机的位置信号。该传感器是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元
17、件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔 120电角度，永磁体的极弧宽为 180电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽为 180电角度、相位互差 120电角的矩形波信号。这三路信号经过一定的整形措施后被送到单片机的数字 I/0 口，以确定相位信息。霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、工作可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的稀土永磁无刷直流电动机应用场合
18、，大量使用霍尔元件式位置传感器 5。电流检测是系统电流环控制的重要环节，对于电流检测有两种方案: 1、采用电流检测模块。现在电流检测模块种类很多，以霍尔器件为主，反应很灵敏；但是，对于直流无刷机的控制特点，至少需要检测两相电流，需要两组传感器，这样就使成本提高了。2、采用一个分流电阻间接测流。在直流侧接相应阻值和瓦数的分流电阻，通过测量电阻上的电压，来测量直流回路的电流；然后检测三相绕组的相电压以确定采样的直流侧电流是哪一相的电流值。这种方案对于A/D 转换的精度和软件数据处理有一定要求，但是造价很低，本系统采用第 2 套方案。2.2.2 速度调节及检测方案本车采用的无刷直流电动机可以通过改变
19、电枢电路中的外串电阻或改哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 7 -变加在电动机电枢上的电压来调速。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。图 2-2 是对电机进行 PWM 调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 Us,t1 秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为 0,t2 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程14。U i0t0U oU mt 1tt 2T图 2-2 输入输出
20、电压波形电动机电枢绕组两端的电压平均值 为：u0(2-1) ttsssT*1210式中占空比 表示了在一个周期 T 里，开关管导通的时间与周期的比值， 变化范围为 01 之间。所以当电源电压 Us 不变时，电枢的端电压的平均值 U0 取决于占空比的大小，改变 值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。本系统利用 AVR 单片机的 PWM 口，通过软件编程改变占空比的大小控制电机调速。 最简单的调速系统为开环调速系统，但它的调速精度太低，不适用于电动车的调速系统。为了保证调速精度，本系统采用图 2-3 的电流、速度双闭环控制方案。这种控制方式把速度调节器作为主调节器，电流调节器作为辅助调节器
21、。速度给 n*与速度反馈 nf 送给速度调节器 (SR)，速度调节器的输出作为电流信号的参考值 iref，与电流信号的反馈值 if 一起送至电哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 8 -流调节器(CR )，电流调节器的输出为电压参考值 U*。与给定载波比较后，形成 PWM 调制波，控制逆变器的实际输出电压。逆变器反馈转速计算 位置信号n*ir e fS RC RP W MB L D C Mif位置传感器U*n f图 2-3 无刷直流电机速度、电流双闭环控制双闭环调速的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电机的转矩和电流。这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的差额及时控制电机的转矩，
22、在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值，在转速接近给定值时，又能使转矩自动减小，这样可避免过大的超调，以利于调速过程的快速性。本系统电流调节器用 PI 调节器，速度调节器为改进的 PI 调节器。数字 PI 控制是普遍采用的一种过程控制算法，P 是指比例项(Proportional )，是指积分项 (Integral)，基本的 PI 控制算法有位置型和增量型两种。I位置型 PI 算法的表达式是：(2-2) )(1)(0dteTiteKptu其中 是输入， 起控制作用， 为比例系数， 为积分时间常)(te)pTi数。增量型算法表达式是：(2-3) )()()(21
23、kekuq其中 。KpTiKpq21；它们两者在本质上是一样的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的优点：1、控制器只输出增量，所以由误动作造成的影响比较小。2、手动一自动切换的冲击小。3、式中不需要累加，增量只与最近的两次采样有关，容易获得较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时产生饱和的危险。哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 9 -所以，本系统电流调节器采用增量式 PI 控制。其中采样周期的选取要考虑以下三个因素：1、采样过程对保真度的影响，根据香农(Shannon)采样定理，采用频率至少为低通信号频谱最高频率的 2 倍。2、采样周期的大小和控制器的性能要求的影响，采样频率的提高必然要求控制
24、器有足够快的运算速度，以满足在两次采样数据之间完成必须的处理计算。3、采样周期和主电路的功率器件的承受能力有关，高的采样频率必然要求高的 PWM 频率，一方面，PWM 频率越高，输出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也越高，引起发热、散热的问题，另外，高的 PWM 频率可能使电磁辐射更加严重。综上各因素，考虑到使 PWM 频率在人耳敏感的频率范围 (300Hz 4kHz)外，在本系统中，电流环采样频率定为 5kHz，就基本达到了预期效果。对于速度环的控制本系统根据 AVR 单片机逻辑判断能力强、编程灵活的特点采用改进的 PI 算法一积分分离 PI 算法来实现。该算法的表达式为：(2-4
25、) 0)( 0)(,()EkTeKp EkTeKptukTe，积分分离算法要设置积分分离阀 , 时，采用 PI 控制，可保证系统的控制精度；当 时，也即偏差较大时，采用 PI 控制可使超调量大为降低。还有一种神经元自适应 PI 算法也是近些年来应用较多的控制算法，其表达式为：(2-5) 21)()(ikTxiwKkTu为对应与 的加权系数，K(0）为神经元比例系数。)21(，ikwx该控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能的，加权系数的调整采用有监督的 Hebb 学习规则。电机的转速是双闭环系统的一个重要反馈量，如果安装测速器来解决这个问题无疑会增加系统的硬件投资和整个系统的体积
26、。所以在本系统中将利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速。经过上拉、滤波后的脉冲信号如图 2-4 所示。它们是脉宽为 180 度，相位上互差 120度的方波信号。对其中的任一位置传感器而言，电动机每转能产生 P 个方哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 10 -波脉冲，P 为电动机的极对数，显然这种方波脉冲的频率是正比于电机转速的。H 1H 3H 20 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 转子位置 （ 电角度 ）1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 3 6 0 图
27、 2-4 三相位置信号2.2.3 起动与换相控制方案无刷直流电机的反电动势大小和电机的转速成正比，在电机静止时电动势为零，没有换相信号，电机不能自起动。有些文献提出了一些附加电路来控制起动的方案。这样就增加了系统成本且使系统复杂化。而本文基于 AVR 单片机的起动控制策略无需附加任何电路，由软件程序控制正常起动，体现“硬件软化”的设计思想。软起动控制策略为：先由程序控制给任意两相定子绕组通电而另一相关断，则电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，经过一段时间即可确定转子的初始位置。然后按照电机旋转方向的换相顺序由程序控制给相应绕组馈电，使电机起动。期间不进行位置检
28、测，换相时间间隔由软件延时控制，且该时间间隔不变，程序控制PWM 波占空比逐渐增大以提高电压，因此这是一种恒频升压的起动方式。开环起动过程持续一个换相周期后，电机己经具有一定的速度，可以通过位置传感器检测到转子的位置，此时就跳出开环起动过程，进入由位置检测信号控制电机换相的自控式运行状态。首先找出三个转子位置传感器信号 H1，H2, H3 的状态与六只功率管导通之间的关系，以表格形式存放在单片机的 EEPROM 中，如表 2-1 所示。这样单片机只需根据来自位置信号输入口的状态，查表即可决定下个时刻管子的导通顺序，从而控制哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 11 -电机的换相。表 2-1 换相表H
29、1 H2 H3 导通的管子1 0 1 V1.V21 0 0 V2.V31 1 0 V3.V40 1 0 V4.V50 1 1 V5.V60 0 1 V6.V10 0 0 电机静止，无导通管1 1 1 出错2.2.4 蓄电池检测方案电动汽车使用过程中实时监测蓄电池的容量情况将给用户带来很大的方便，它能提供蓄电池的电能大约能够使车辆行驶多少里程，蓄电池是否需要充电等信息。蓄电池的总容量通常以充足电后，放电至其端电压达到规定值时所释放出的总电量来表示。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量等于放电电流和放电时间的乘积：Q=IdTd (2-6)式中 Q 的单位为(Ah)。如果放电电流不是一个恒定的常数，蓄
30、电池的容量为不同的放电电流与相应时间的乘积之和：Q=Id1Td1+Id2Td2+IdnTdn (2-7)由于蓄电池的容量受到很多因素的影响，长时间的使用，反复的充放电，一些蓄电池的容量将逐渐减小，因此要准确测量蓄电池的容量比较困难。本方案利用蓄电池端电压与容量之间的关系，通过测量蓄电池的端电压来监测蓄电池的容量。蓄电池的电势是指蓄电池在开路时的端电压，由于蓄电池内阻 r 的存在，当蓄电池两端接上负载 R 时，内阻上就会产生压降，此时蓄电池的端电压不是电势 E，而是：U=E-Ir (2-8)而蓄电池的内阻与蓄电池的容量成反比，在充电过程中，内阻逐渐减小，在放电过程中增加，通过实验的办法可测出蓄电
31、池的容量与端电压的关系，并建立表格存于单片机的 EEPROM 中。实际运行中，就可利用软件让单片机对蓄电池端电压 U 进行测量、处理再和 EEPROM 中的数据进哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 12 -行比较得出容量的信息。这样的实时监测系统对蓄电池的保护、延长使用寿命有重要的意义。2.2.5 驱动、逆变电路控制方案驱动、逆变电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。功率场效应晶体管具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用。在本
32、控制系统中就采用了 MOSFET 组成逆变器的变换电路。由于半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独立，必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外一相电流也得到了控制。因此本方案采用全桥逆变电路来控制各相位的导通 6。逆变器的驱动形式主要有三种：双极性 PWM、单极性 PWM 和倍频PWM 。双极性 PWM 控制模式下，逆变器在任意时刻每一相桥臂中的上管与下管均处于 PWM 调制状态，上下管开关状态同步互补。为了避免在开关过程中桥臂出现直通短路，同一桥臂上下管切换期间需要
33、嵌入死区，即两者同时处于断开状态。且由于上、下管均需要调制，双极性 PWM 开关损耗相对较高。单极性 PWM 则仅对逆变器上半桥或下半桥进行 PWM调制。从单个桥臂来看，其上桥臂处于 PWM 状态时，对应下桥臂断开，反之亦然。基于同样的 PWM 调制频率，采用倍频型 PWM 则可以获得两倍于前两种 PWM 方式的压调制频率，可以进一步减小逆变器开关调制所对应的电流纹波。但对单片机的处理速度要求较高。综上分析，本文针对电动汽车应用的永磁无刷直流电机的驱动控制采用单极性 PWM 实现 7。2.2.6 故障检测与系统保护本系统设置了过压、欠压、过流及功率器件的保护等保护环节，并根据简单可靠原则设计了
34、具体的保护电路。过压和欠压保护主要是针对蓄电池设置的，在运行过程中，电池的稳定性对系统是至关重要的。对蓄电池特性分析得知，当端电压下降到其终止电压时，必须停止放电，否则会损坏电池。因此，要在蓄电池正极与地之间串上分压电阻，然后进行 A/D采样，单片机根据采样结果判断电池是否正常工作，如发生过压或欠压，立即发出警报，并切断电源以保护电池。以下是功率 MOSFET 的保护措施 8。1、静电击穿的防护功率 MOSFET 输入阻抗极高，在高静电场情况下，哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 13 -电荷难以泄漏，容易使栅极绝缘薄氧化层击穿，造成栅一源短路，或因功率太大使栅极引线断开造成栅极或源极开路。因此，
35、在电路中，要保证栅源间外施电压不要超过规定限制：而且在取用、搬运、焊接等过程中人体尽量不要直接接触 MOS 管，因为在干燥环境下活动的人体电位可高达几千伏甚至上万伏，如果处理不当就可能对器件造成永久性损坏。2、过电压保护由于栅源阻抗很高，漏一源间电压突然增加会通过极间电容藕合到栅极，使栅极绝缘击穿。若为正向栅一源电压增加，还会引起误导通。为此应在栅源间并联电阻或齐那二极管(约 20V)，绝对不允许开路。而漏一源之间也要外加保护电路以防止开关过程中因电压的突变而产生的漏极尖峰电压损坏管子。可以采取齐那二极管钳位、二极管 RC 钳位或 RC 缓冲电路等保护措施。另外，当电机因意外突然停转时，电机绕
36、组会产生瞬间的反向高压，损坏功率管。如在系统直流母线上并联一只高耐压电容,在意外停机时，母线上产生的瞬间高压会由于电容两端电压不能突变而得到抑制。3、过电流保护由于负载的变化可能会产生很大的冲击电流，以致超过器件的额定漏极峰值电流。在这种情况下，主回路的电流采样电阻能迅速的将电流的变化情况，通过单片机内部的 A/D 转换反映到电流调节环，要求系统能在微秒级的时间内将 MOS 管关断，这就需要选用的单片机有足够快的响应速度。过流保护电路如图 2-5 所示。R 1C 1R 2 R 3+-R 6。R 4 R 5+-+ 5 VR 7C 3R 8KL M 3 2 8D 1BL M 3 2 44 0 2
37、1图 2-5 过电流保护电路图2.3 核心控制器件的选择基于以上对控制策略的分析与研究，本系统是一个要求高速、高效、高可靠性的控制系统。要由一个能满足这些条件的控制器来控制系统的正常运行，并希望其价位适宜，这样才能更好的使研究成果向产品化发展。因此，单片机的选型十分重要。单片机概述如下：单片机微型计算机(Single-Chip Microcomputer)，简称单片机，因其哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 14 -主要用于控制，所以又称微控制器(MCU)。它在一块芯片上集成了一台微型计算机必需的基本功能部件，包括中央处理器(CPU)、只读寄存器(CROM)、输入输出口(I/0 口)，可编程定时器
38、/计数器等。单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点，它的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的功能，现在都可通过软件来完成。从 1974 年美国仙童公司生产出第一块单片机开始，在短短几十年中，单片机发展迅速，由 4 位、8 位一直到 16 位单片机，目前 32 位的超大规模集成电路单片机(T414)也已面世，同时性能也不断提高。目前单片机已成为工控领域、军事领域及日常生活中最广泛使用的控制系统。高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及
39、设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采用较高分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。Intel 公司推出的单片机，彻底打破这种就设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集 (RISC)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。在 AVR 大家庭中尤为突出的是一款新型 AVR 高档单片机 80C51。它是基于 AVR RISC、低功耗CMOS 的 8 位单片机，芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备高档单片机 MEGE 系列的全部性能和特点，但由于采
40、用了小引脚封装( 为 DIP 28 和 TQFP/1VILF32)，所以其价格仅与低档单片机相当，成为高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性能 价格比最好的品种 9。哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 15 -第 3 章 系统硬件设计整个系统主要包括转子位置检测电路、测速电路、调速电路、MOSFET 全桥电路、限流电路等，图 3-1 所示是其原理框图。其中无刷直流电机由电动机本体、转子位置检测器和电子开关电路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置检测器可随时检测转子的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而实现电子换向。单片机无刷直流电动机限流电路M O S E
41、 F T全桥电路转子位置传感器图 3-1 无刷直流电动机调速系统原理框图3.1 信号检测电路设计1、位置检测位置信号是电机控制的主要反馈信息，只有确定转子的当前位置，才能根据程序要求决定下一步的定子三相绕组的导电模式。本系统采用的是霍尔传感型位置检测器，一般霍尔位置传感器是集电极开路输出，所以要在检测环节加上拉电阻。另外，对于编码信号要根据检测波形采取一定的硬件滤波和软件防抖措施。经过电阻上拉和电容滤波后的信号被送到 AVR单片机的数字 I/O 口 10。位置检测电路见图 3-2。12543+ 5 VA （ 黄色 ）C （ 绿色 ）B （ 红色 ）G N D （ 接地 ）P C 3P C 4P
42、 C 5R 2 21 0 KR 2 11 0 KR 2 01 0 K图 3-2 位置检测电路哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 16 -2、电流检测电流反馈和过电流保护是所有驱动装置不可缺少的环节。本系统控制直流侧电流，测量的是母线电流，在功率管的近地端接入一个适当的负载电阻，将电流信号转换电压信号。由于 80C51 的 A/D 输入信号范围是05，用 LM358 构成的同相放大器，把信号进行低通滤波后再由 RC 电路籍位，然后送到单片机的 ADC 口，这样即有效的消除了尖峰噪声影响，又起到了过压保护的作用，电路如图 3-3 所示。R 1 2R 1 31 0 n+-R 1 41 KL M 3 8
43、51 K1 K1 K1 0 nR 1 51 0 n123+图 3-3 电流信号处理电路3、转子位置检测电路本设计中的无刷直流电动机有 2 对磁极，定子绕组采用三相型接法，3 个霍尔位置传感器的空间间距为 60即电角度为 120。3 个霍尔传感器的输出 H1、H2、H3 分别直接接到 80C51 的 26、27、28 脚，运用这三个脚的数模转换功能(ADC)可对霍尔信号进行采样和转换。3.2 电机转速控制电路3.2.1 测速及换向调速电路要对无刷直流电动机的转速进行准确的控制 首先要准确地测量出它的转速。本设计利用转子位置传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位置传感器信号经过采样调理电路
44、后送至单片机的 PD3 脚，该引脚可作为外部中断源的输入口。随着电动机的转动 PD3 将不断接收到脉冲信号。当 PD3 接收到一个上升沿时将启动定时器 T0 以开始计时，直至接收到下一个相邻的上升沿为止，定时器 T0 的计时结果便是电动机转动一圈所需的时间，据此即可计算出电动机的转速。无刷直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。由于前者所受的各类限制较多，且励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的是改变电枢端电压以实现调速的电枢电压控制法。设直流电哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 17 -源电压为 Ud，为电枢串联一个电阻 R 并接到电源 Ud，则电枢两端的电压Ua 为 U
45、aUdIaR ，显然,调节电阻 R 即可改变端电压，从而达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率较低。随着电力电子技术的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。PWM 脉宽调制就是其中之一，其基本原理如图 3-4 所示 11。U a0tT 1 T- U dU d图 3-4 PWM 波形图设加在电机电枢两端的矩形波的幅值电压为 Ud,则电机电枢两端电压的平均值为： （3-1）UdTTUda )2()1/2()1/()21( 其中 为占空比，通过改变 的值可达到调压目的。由于 , 0Ua 的范围是UdUd，因而电机可以在正、反两个方向调速运转。3.2.2 速度检测及给定环节速度反馈的准确性对电机的
46、调速控制非常重要，由上一章提出的软件测速法可以精确的对速度进行测量。为了提高脉冲信号的频率，便于单片机测量，本系统采用了双边沿单稳态触发电路，单相电路如图 3-5 所示。R+ 5 V。U 0U iABC图 3-5 单相脉冲信号双边沿单稳触发电路哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 18 -它由一个正沿微分电路和一个负沿微分电路组成。正沿微分电路的作用是在该相接通的时刻输出一个正脉冲；负沿微分电路的作用是在该相断开的时刻输出一个正脉冲。脉冲的宽度由电路的参数决定。该电路在某相信号有跳变时均产生一个正脉冲，电路中的二极管防止了输入 Ui 跳变时产生过高或过低的电压，起到了保护电路的作用。该电路工作原理是
47、：当输入 Ui 的正脉冲到来时，即该相由断开转为接通的时刻，经 RC 微分电路，使 U0 立刻由低电平跳升为高电平，输出。也由低电平变为高电平，电路进入暂稳状态。此后 U0电压按指数规律下降，当 U0 电压下降到与门的门坎电平时，与门重新关闭，输出 U0 变为低电平。电路经过一段时间回到原来的稳态。该过程中U0 波形为始于绕组导通时刻的正脉冲；当输入 Ui 的负脉冲到来时，经微分电路使 UA 立刻由高电平跳变为低电平，且与非门输出 U0 也立刻变为高电平，电路进入暂稳状态。随着电容器 C 放电的进行 UA 电位上升，当达到 UA=UT=1.4V 时，与非门重新开启，输出变为低电平，暂稳状态结束
48、。该过程中输出端 U0 波形为起始于绕组断开时刻的正脉冲。调速是电动车不可缺少的一个功能。该系统调速功能的实现是在加速踏板上安装一个光藕可调电阻，由脚动实现的；在实验中用的是电位器，接在 05V 之间，给出一个模拟电压，经过简单的滤波环节后接到单片机的 ADC 引脚上，其原理图如图 3-6 所示。K 点的电压 Uk 将随着可调电阻位置的变换而变换，向上调，Uk 值增大；向下调，Uk 值减小。C A P+ 5 VA D C 1C 2R E S 2R 2KR E S 3R 1图 3-6 电动汽车调速原理3.2.3 系统软件控制80C51 在软件上能有效支持 C 语言及汇编语言。C 语言目前已成为设
49、计嵌入式系统的标准语言，它既有普通高级语言结构化编程、可读性好、维护方便的特点，又具有汇编等低级语言对硬件访问方便、代码效率高的特点。本设计是用 C 语言编程实现的，具有很好的可移植性，其程序流程哈尔滨理工大学专科生毕业论文- 19 -图如图 3-7 所示 12。测电池电流采样踏板电压测电机工作电流侧电机速度定速停机P W M控制过流减速控制关闭 P W M 输出阻转偏大NY开始图 3-7 程序流程图3.3 PWM 波的控制单元3.3.1 PWM 信号的产生 及输出控制在电机控制系统中，PWM 被用来控制开关器件的开关时间，为电机绕组提供所需的能量，控制电机的转速和转矩。提供给电机的电压或者电流就是这种调制信号。要产生一个 PWM 信号，需要有一个合适的定时器来重复产生一个与 PWM
