電動汽車用直流電機驅(qū)動控制技術(shù)研究

1、 高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目電動汽車用直流電機驅(qū)動控制技術(shù)研究 學(xué) 生 王強 學(xué) 號 1412026001015 聯(lián)系電話指導(dǎo)教師 朱炳坤 評 閱 人 教學(xué)站點 西安站 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 完成日期 2016年9月 高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書論文題目電動汽車用直流電機驅(qū)動控制技術(shù)研究學(xué)生姓名王強教學(xué)站西安站專業(yè)班級機械設(shè)計制造及其自動化內(nèi)容與要求設(shè)計（論文）起止時間2015年12月15日至2016年9月10日指導(dǎo)教師簽名學(xué)生簽名摘 要隨著全球環(huán)境的惡化和能源匱乏的日趨嚴重，世界上各個國家都越來越關(guān)注電動汽車的開發(fā)和研究。有著零排放、低噪音和

2、高效率等優(yōu)點的電動汽車，必將有著廣闊的市場前景。本論文主要研究了永磁電動汽車用無刷直流電機的控制技術(shù)。文章首先介紹了電動汽車的研究背景和目前的國內(nèi)、外的發(fā)展現(xiàn)狀等，分析了電動汽車的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，車用直流電機控制原理及控制方法。其次對電機驅(qū)動系統(tǒng)具體的硬件電路進行了設(shè)計，然后完成了基于DSP的控制程序的軟件設(shè)計。在控制器的硬件設(shè)計中，采用芯片DSP2407A作為主控芯片。功率主電路選擇智能功率模塊（IPM）作為逆變模塊。并設(shè)計了故障保護電路，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要根據(jù)模塊化思想進行。根據(jù)油門踏板信號的輸入，調(diào)整DSP的PWM波輸出以達到無刷直流電機調(diào)制的目的。設(shè)計呈模塊化的軟

3、件設(shè)計，各模塊簡潔明了，便于程序的移植和擴展。在控制算法上，選用增量式PID控制算法，并在DSP芯片中進行調(diào)試。最后，通過實驗驗證了本控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的合理性，對實驗數(shù)據(jù)進行了分析證明了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。關(guān) 鍵 詞：電動汽車；永磁無刷直流電機；PWM控制；DSP芯片；DSP2407A芯片論文類型：理論研究30西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）ABSTRACT With the energy crisis and worsening pollution,the development of vehicles is increasing concerned by countries

4、 all over the world. Electric Vehicle (EV) has many advantages such as zero pollution, low noise and high efficiency, Therefore, it has extensive market. The major work of this thesis is to complete the design of a controller of electric vehicles based on BLDC motor. First of all,we summarize the ba

5、ckground to the study of electric vehicles, research condition and development of technologies, analyse Electric Vehicle structure, controlled theory and method of BLDC motor.Then the thesis takes the overall plan design and detailed hardware circuit design to the motors drive system,and carries on

6、basic software design based DSP. In the part of hardware design,we adopts DSP2407A as the master controlling chip. The thesis selected intelligent power module(IPM) as the inverter module. And then designed fault protection circuit in order to enhance the reliability of the system. Then, the thesis

7、designed software of the system with module. The main function of system software is to adjust the DSPs PWM wave output in order to achieve the purpose of BLDCM speed control, with the accelerator pedal signal input. Module desing is concise and convinent to migrate and expand the programs. The thes

8、is selected the incremental PID control algorithm and tested with the DSP. The experiments verifys the rationality of hardware and software of the control system. The data of experiments indicated the stability and reliability of the system.KEY WORDS: Electric Vehicle; BLDCM; PWM control; DSP; DSP24

9、07A chipTYPE OF THESIS: Application Fundamentals西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）目 錄1 緒論71.1 課題背景及選題意義71.2 電動汽車發(fā)展及現(xiàn)狀81.3 電動汽車系統(tǒng)構(gòu)成及原理101.4 電動汽車用驅(qū)動電機101.5 本課題的主要工作132 電動汽車用永磁無刷直流電機基本原理142.1 無刷直流電機的基本構(gòu)造142.2電動機本體142.3無刷直流電機的工作原理152.3.1永磁無刷直流電機電流控制技術(shù)163 永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計193.1 電動汽車用直流電機控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)193.1.1 電源設(shè)計193.1.2 位

10、置檢測電路203.1.3 相電流檢測電路203.1.4 異步串行通訊接口電路213.1.5 保護電路214 電動汽車驅(qū)動電機控制技術(shù)軟件設(shè)計234.1 軟件整體設(shè)計234.2 主程序234.3 中斷服務(wù)244.3.1 位置檢測244.4 其他程序254.4.1 換向調(diào)節(jié)254.4.2 轉(zhuǎn)速計算255結(jié)論26參考文獻27附 錄291緒論1.1 課題背景及選題意義當今社會，汽車已經(jīng)相當?shù)钠占?，它的保有量在不斷的上升。上個世紀中后期，人們開始大量地使用燃油汽車，由此導(dǎo)致的能源匱乏和環(huán)境污染也變得日趨顯著1、2。目前，環(huán)境污染和石油資源匱乏已成為世界汽車工業(yè)的持續(xù)發(fā)展所面臨的兩大問題。燃油汽車所排放的

11、廢棄對人體健康有著嚴重的危害性，主要含有二氧化碳、一氧化碳、碳氫化合物、鉛化物、氮氧化合物和二氧化硫等，這些污染物形成光化學(xué)煙霧、酸雨及酸霧，對農(nóng)作物、人類健康、禽獸、自然生態(tài)系統(tǒng)、森林和建筑，均有著巨大的危害。而且，由燃油汽車的大量使用而導(dǎo)致的城市噪聲污染也是不可忽視的。因為高分貝的噪聲對人的神經(jīng)、聽覺、消化、心血管、免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌等造成相當大的危害。目前，世界上污染最嚴重的10個城市中有7個在中國3,4。再者，長期以來，我國石油供給量總是趕不上需求量。1993年我國從原來的石油凈出口國轉(zhuǎn)變成了石油進口國，從國外進口的油品和原油總量遠遠的超過了出口總量。2010年世華財訊報道，2009年中

12、國石油表觀消費量為40837.5萬噸，僅次于美國，位居世界第二。預(yù)計2012年中國石油消費量還將增長5，供需結(jié)構(gòu)任然偏緊。電動汽車是在道路交通、安全法規(guī)各項要求的約束下，以電動車的車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動而行駛的車輛。它不排放污染氣體，固有“零污染”車輛（ZEV）的美稱。在環(huán)境污染和能源匱乏日益顯著的情況下，電動汽車引起了世界各國的廣泛關(guān)注。曾有資料表明，運行在同一城市環(huán)境下的電動汽車和汽油車，前者的能量消耗比后者減少0.65KWHKM。能源消耗中包含電力輸送過程中的損耗、能源轉(zhuǎn)化和開礦。調(diào)研表明，運行在擁擠的城市道路中的電動汽車和汽油車，前者的能源效率較后者要高40。再者，電動汽車

13、可以利用水、煤炭、核、天然氣、潮汐、太陽、風(fēng)等能源轉(zhuǎn)化為蓄電池所需的電力，它的廣泛應(yīng)用可有效地降低內(nèi)燃機汽車對石油的依賴性。此外，電動汽車還可避開用電的高峰時間，利用晚上地時間給蓄電池充電，這樣，有利于減少費用和均衡電網(wǎng)的負荷。表格1-1列出的是內(nèi)燃機汽車與電動汽車性能和用途的對比，該表格直觀地顯示出了電動汽車的諸多優(yōu)點：噪聲低，無污染，花樣多，能效高，結(jié)構(gòu)簡單，使用和維修較方便。電動汽車的費用支出較多、初期投入較大，只因它的價格比內(nèi)燃機汽車要高。但隨著使用年限的增加，電動汽車的使用費用會越來越低，甚至?xí)葍?nèi)燃機汽車的還低，因為電動汽車的維修和保養(yǎng)費用較低。如圖1-1為兩者應(yīng)用成本比較。表1-

14、1內(nèi)燃機汽車與電動汽車用途和性能對比表5項目性能用途機動性廢氣排放噪聲震動操作難易能源補給購置費用維修費用作業(yè)范圍連續(xù)作業(yè)不通風(fēng)場所低噪聲場所狹窄場所易燃爆場所低溫場所汽油汽車好差好一般好好差好好一般一般差一般一般柴油汽車好一般差一般好一般一般好好一般差差一般一般電動汽車好好一般好一般差好差一般好好好好好1.2 電動汽車發(fā)展及現(xiàn)狀我國從“八五”起開始了對電動汽車的研究和開發(fā)，并在這方面取得了一系列豐碩的成果，正在向著產(chǎn)業(yè)化方向轉(zhuǎn)化。電動汽車的三大關(guān)鍵技術(shù)是電機、電池和電控系統(tǒng)領(lǐng)域，有資料顯示，我國于“九五”后在這三方面取得了巨大的進步。其中，獲得了質(zhì)的飛躍的是高性能動力電池。雖然我國的電動汽車

15、在產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性、一致性等方面的現(xiàn)有水平還沒能超越外國，均需作進一步地努力，但在這個基礎(chǔ)上，我國已經(jīng)開始進入了電動汽車整車開發(fā)的新階段，并朝著產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。發(fā)展電動汽車已經(jīng)被我國當作一項較大的科技攻關(guān)項目。這次攻關(guān)不光是要突破三大技術(shù)-電動控制、電機和電池，而且還要加大努力去向產(chǎn)業(yè)化的方向發(fā)展。純電動汽車不僅要突破關(guān)鍵技術(shù)，還需初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化：引導(dǎo)企業(yè)將混合動力電動汽車形成規(guī)?；笈可a(chǎn)；燃料電池汽車成為我們的中一個長期目標。十五期間，全國在電動汽車攻關(guān)方面的總投資可能都已達100億元。國內(nèi)各地在產(chǎn)業(yè)化和科研方面，除投入大量的資金之外，還做了不少的努力，最明顯的表現(xiàn)就是制定了與眾不同

16、科技體制。全國在啟動“十五”863項目的前后，涌現(xiàn)出了各種形式的以天津市所組建的“東風(fēng)電動車輛股份有限公司和天津電動車輛研究中心”等為代表性的新型體制的科研實體，他們在電動汽車產(chǎn)業(yè)化行業(yè)和科研中形成了新的動力，均承擔(dān)了此項目的重大課題。我國對新能源汽車方面的開發(fā)集中體現(xiàn)在電動汽車方面。各廠家和科研院所也大力投入，開發(fā)出了各種型式的電動汽車，并具有相當?shù)乃?。我國與國外電動汽車的水平對比，尚且存在著一定的差距，但是相對于內(nèi)燃機汽車而言，這個差距小的多。美國在政府政策的推動下，電動車產(chǎn)業(yè)化進程有了很快發(fā)展。1993年美國先進項目局（ARPA）制訂了混合動力電動汽車和電動汽車項目。同年9月美國三大汽

17、車企業(yè)負責(zé)人與政府共同提出了旨在開發(fā)新一代高效節(jié)能汽車的“新一代汽車合作計劃”6,7。在出售電動汽車的國家里，法國是少數(shù)之一。1990年，政府出臺政策資助開發(fā)電動汽車，并且在稅收方面對采購電動汽車的用戶進行優(yōu)惠。法國電動汽車生產(chǎn)商每生產(chǎn)一輛電動汽車，電力公司就給于一萬法郎的補助。1995年7月起，采購電動汽車的法國用戶政府將給予5000法郎的補貼。諸多措施都為法國電動汽車的迅速發(fā)展提供了良好的環(huán)境。在1989年，法國的標致一雪鐵龍集團躍為全球首家制造商業(yè)車隊與城市銷售電動大蓬車企業(yè)，在巴黎使用了135臺電動垃圾車，全國為300臺，用的電池幾乎全都是鉛酸電池。后來SAFT公司又著力于鎳福電池的研

18、究，并制定了名為“綠色”事業(yè)的電動車發(fā)展規(guī)劃，其四個實施階段分別為：(1)推廣“標致”牌JI與“雪鐵龍”牌C15E以及C25新型電動汽車；(2)于1995年推廣“標致”牌106型與“雪鐵龍”牌AX電動汽車，這兩種車型不光供車隊使用同時也可為家用，該車已取得試制成功；(3)花費10年時間推出另外一種新型電動汽車“希特拉”牌；(4)發(fā)展陸路渦輪式電動汽車，即在電動汽車上裝有渦輪發(fā)動機，可提供長途行駛所需的動力。另外，德國、意大利、英國等在電動汽車開發(fā)方面都投入了巨資，并擬制了相應(yīng)的優(yōu)惠政策。1.3 電動汽車系統(tǒng)構(gòu)成及原理隨著高性能永磁材料的問世以及電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，永磁無刷直流電機是成為一種

19、新型電機。如圖1-1圖1-1 電動汽車基本構(gòu)造1.4 電動汽車用驅(qū)動電機最早應(yīng)用于電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)上的電動機是直流電動機。上個世紀80年代以前，由于直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性優(yōu)良，起步加速牽引力大，有著簡單的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此，絕大多數(shù)的車輛牽引電機均采用直流電機。如今，在城市無軌電車上仍廣泛采用直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。與之相匹配的變流器是斬波器，它是主要依靠調(diào)磁調(diào)速和調(diào)壓調(diào)速把固定的直流電壓變成可調(diào)的直流電壓。直流電機的運轉(zhuǎn)速度不能太高，其最高轉(zhuǎn)速為6000-8000r/min，這是因為這類電機有機械換向器，當電機處于強負荷的高速運行狀態(tài)時，就會在換向器的表面產(chǎn)生火花。有著電刷和換向器的直流電機常

20、常需要定期保養(yǎng)維護。伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的性能優(yōu)良電機驅(qū)動技術(shù)也隨之問世。感應(yīng)電動機的轉(zhuǎn)速可達1萬-1.2萬r/min，功率容量覆蓋面較為寬廣，它可采用液體或者空氣方式冷卻的自由度高，對環(huán)境適應(yīng)性較好，而且可以實現(xiàn)再生反饋制動，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，運行較可靠，價格也不貴，方便維修，經(jīng)久耐用，具備較好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。電動汽車要求啟動快，根據(jù)不同的路況均有較好的動態(tài)特性，且能在低速下穩(wěn)定的輸出大轉(zhuǎn)矩。提高電動汽車電機的工作效率對于延長其一次充電續(xù)駛里程有著明顯的意義。提高電動汽車運行效率的途徑有兩種，第一是提高牽引驅(qū)動狀態(tài)時的效率，第二是回收處于制動狀態(tài)時產(chǎn)生的制動能量。交流異步電機處在額

21、定負載和額定轉(zhuǎn)速區(qū)域時的運行效率是最為高的，可實際運行中，電機常常工作在小負載且低速運行的狀況，這個時候大量的能量是消耗在銅損與鐵損上。所以，找出損耗與控制量之間的關(guān)系，實現(xiàn)最大效率的控制規(guī)律，使得電機不管在哪種工況下均可實現(xiàn)效率最大化。困擾交流異步電機廣泛使用的問題之一還有開關(guān)損耗與噪音問題。交流異步電機在高轉(zhuǎn)速區(qū)工作時，因電機電感比較小，極易產(chǎn)生較大的峰值電流，進而引發(fā)大量的噪聲與開關(guān)損耗。故需控制功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率，抑止噪聲與能量損耗。開關(guān)磁阻電動機(SRM)是一種雙凸極磁阻電動機，在磁阻最小原理下工作。其定子與轉(zhuǎn)子均由硅鋼片疊片構(gòu)成，且極數(shù)不相同，有不同的組合方式，較為常見的有四相

22、(8/6極)結(jié)構(gòu)和三相(6/4極)結(jié)構(gòu)，實際應(yīng)用當中以8/6結(jié)構(gòu)居多。SRM較其他任意電動機都要更簡單，只需將一個勵磁繞組安裝在電動機的定子上即可，隨著轉(zhuǎn)子位量的改變，各相磁路的磁阻也隨之而跟隨著發(fā)生相應(yīng)的變化，它的電動機轉(zhuǎn)子沒有繞組、永久磁鐵和滑環(huán)等。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可至1.5萬r/min，主要依賴于電磁力來運轉(zhuǎn)的。這一類電機的起動電流小，而起動轉(zhuǎn)矩較大，轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比和功率密度都比較高，動態(tài)晌應(yīng)用時少，實現(xiàn)四象限控制較為方便，效率在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)都居高不下，所以它不但有著異步電動機高效率、高可靠性的矢量控制系統(tǒng)，也有著直流調(diào)速系統(tǒng)的較好控制特性，特別適合HEV與EV的動力性能的要求。除此之外，開關(guān)

23、磁阻電動機結(jié)構(gòu)堅固且不復(fù)雜，可靠性能較好，但缺點是轉(zhuǎn)矩脈動大，控制系統(tǒng)不簡單，體積和工作噪聲也大。開關(guān)磁阻電動機的主要控制變量有4個，分別是相電流、外施電壓、開始導(dǎo)通角與關(guān)斷角。SRM的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速控制，常常在速度較小時采取電流轎波控制，為了獲得恒轉(zhuǎn)矩特性；速度較高時使用相角控制，它是通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通角，從而調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。在電機運行到恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域時，它的開通角同樣定在電機效率的最高位置。在轉(zhuǎn)速超過了基速的時候，調(diào)整每一相電流的開通角，這樣電機就提前開通，可獲得具有恒功率特性，這個時候電機效率等便下降。在導(dǎo)通角增大到最大值的時候，串勵直流電動機的這點特性電動機也就具備了。永磁無刷電動機簡寫為BLD

24、CM，其系統(tǒng)有兩大類，第一類永磁同步電動機系統(tǒng)(PMSM)，第二類是是方波驅(qū)動下的無刷直流電動機系統(tǒng)。與它勵同步電動機上的轉(zhuǎn)子勵磁繞組不同，永磁同步電機是用永久磁鐵來將它代替，然后把磁鐵插入轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，就可以形成同步旋轉(zhuǎn)的磁極。它的定子輸入信號是三相正弦交流，電刷與電勵磁繞組等為轉(zhuǎn)子提供輸入勵磁電流，轉(zhuǎn)子不再使用集電環(huán)。這一種類的電動機的構(gòu)造較為簡單，有著良好的適應(yīng)環(huán)境性、可靠的性能，質(zhì)量輕且體積不大，響應(yīng)較快。在高速運轉(zhuǎn)時永磁同步電動機有著良好的可靠性，運轉(zhuǎn)起來平穩(wěn)，電流損耗較小、容易實現(xiàn)弱磁控制，運行時的噪聲小。因此，這種電機特別適合作電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)。BLDC的控制與控制策略和感應(yīng)電機

25、較類似，例如矢量控制(FOC)與變頻變壓控制(VVVF)還可使用。且使用d-q坐標變換，當電動機處在恒功率運行下也容易實現(xiàn)成熟的弱磁控制技術(shù)。與BLDC相似，永磁無刷直流電機也有永磁轉(zhuǎn)子，但其轉(zhuǎn)子磁鋼結(jié)構(gòu)是經(jīng)過專門的磁路設(shè)計，而使電機可獲取梯形波的氣隙磁場。電機不再使用機械式換向器與電刷，它采用的是由轉(zhuǎn)子位置檢測器與固態(tài)逆變器構(gòu)成的電子換向裝置。在運轉(zhuǎn)過程中，可用來檢測轉(zhuǎn)子所處位置的器件是位置傳感器，它是將位置信息轉(zhuǎn)變成電信號，從而為每一相繞組提供準確的換流。這一類電動機在運行時，把方波電流直接輸入到永磁無刷直流電機的定子里，從而控制永磁無刷直流電機工作。其優(yōu)點是效率高，高速操作性較好，起動轉(zhuǎn)

26、矩較大，沒有電刷，過載能力比較強，構(gòu)造牢固簡單，維護方便，體積和質(zhì)量小。缺點是有轉(zhuǎn)矩脈動，電流損耗與工作噪聲大8。上面介紹的電動機各有其優(yōu)點和缺點，表1-2給出了這些驅(qū)動電機性能的比較。就當前來看感應(yīng)電機的性能相對較好。但我國是稀土資源最豐富的國家之一，開發(fā)出高性能稀土直流無刷電機控制系統(tǒng)將發(fā)揮我國在資源方面的先天優(yōu)勢。如果永磁無刷電機的技術(shù)更成熟些，成本再降低一點，這種電機將會成為最受歡迎的一類電機。本文針對電動汽車用永磁直流無刷電機作為驅(qū)動電機，對電動汽車用該電機的控制技術(shù)進行研究。表1-2 幾種驅(qū)動電機性能比較9永磁無刷電機感應(yīng)電機直流電機開關(guān)磁阻電機功率密度53.52.53.5效率53

27、.52.53.5可控性4453可靠性4535成熟性4554成本3544綜合252622231.5 本課題的主要工作本文講述電動汽車的發(fā)展背景和現(xiàn)狀，分析電動汽車的基本構(gòu)造及其工作原理，主要對電動汽車用永磁無刷直流電機控制技術(shù)進行研究。本論文的主要工作包括： 1）介紹電動汽車驅(qū)動電機的工作原理； 2）分析電動汽車驅(qū)動電機，主要是直流電機； 3）對直流電機的位置和電流檢測等進行研究； 4）基于DSP的直流電機控制器硬件設(shè)計、軟件設(shè)計；2 動汽車用永磁無刷直流電機基本原理無刷直流電機(Brushless DC Motor)經(jīng)歷了40多年的發(fā)展，是近10多年才得以迅速發(fā)展起來的一種新型電機，由于稀土永

28、磁材料、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和微機的發(fā)展為無刷直流電機的研究和制造提供了基礎(chǔ)。它沒有換向器與電刷形成的機械接觸結(jié)構(gòu)，而是利用電子換相取代機械換相，它有著直流電動機良好的調(diào)速性能，又有著交流電機簡單的結(jié)構(gòu)，因此，在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。本章主要介紹電機的運行原理及其控制方法等。2.1 無刷直流電機的基本構(gòu)造無刷直流電機又名自控式同步電機，它實際上是一臺利用電子換相取代機械換相裝置的直流電機。無論是結(jié)構(gòu)還是控制方式，無刷直流電動機與傳統(tǒng)的直流電機均有許多相似的地方。無刷直流電機常常由永磁電動機本體、控制器與轉(zhuǎn)子位置傳感器構(gòu)成，如圖2-1所示。圖2-1 永磁無刷直流電機系統(tǒng)框圖2.2電動機

29、本體圖2-2為電動機本體圖，電動本體在結(jié)構(gòu)上依然有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。電動機的電樞作為定子部分，在其上有齒槽，轉(zhuǎn)子極對數(shù)和齒槽數(shù)相關(guān)。轉(zhuǎn)子可以使得電動機氣隙中建立起強度足夠的磁場，這是它起的主要作用，它是利用永磁材料制成的具有一定磁極對數(shù)的永磁體。由于轉(zhuǎn)子磁鋼的幾何形狀不同，使得轉(zhuǎn)子磁場在空間的分布可分為方波、正弦波和梯形波三種形式。因此，當電機運行時，在定子上產(chǎn)生的反電動勢也分為方波、正弦波和梯形波三種形式。一般，反電動勢為方波或是梯形波的電機我們稱之為永磁無刷電機（BLDCM），反電動勢為正弦波的我們稱之為永磁同步電機（PSPM）。圖2-2 電動機本體圖2.3無刷直流電機的工作原理無刷

30、直流電機的運行原理與有刷直流電機大致相同。在磁通密度分布恒定的磁極下，流入電樞繞組中的電流總量也恒定不變，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩恒定，而且電樞電流的大小決定著轉(zhuǎn)矩。正常工作時的無刷直流電機是利用轉(zhuǎn)子位置傳感器來獲得轉(zhuǎn)子位置信號，并通過與電樞繞組連接的各功率開關(guān)管的狀態(tài)，去控制繞組，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)。電樞是否通電由位置傳感器上連續(xù)地送出的信號改變，保證從同一個導(dǎo)體中流出的電流方向恒定。從而使的轉(zhuǎn)矩恒定，BLDCM運轉(zhuǎn)起來。根據(jù)逆變器所采用的不同器件，又可分為兩大類：一類是使用晶閘管作為逆變器功率器件的通常稱為晶閘管無換向器電機；另一類使用GTR、MOSFET、IGBT等自關(guān)斷器件逆變器的功率器件。

31、按照繞組相數(shù)的不同，可分為單相、兩相、三相和多相；根據(jù)繞組方式的差異，將逆變器又分為星形繞組與封閉繞組；依據(jù)反電勢波形的不同，分為方波與正弦波。按照繞組主回路換向線路和繞組連接方式的不同還可分為半控與全控兩種。下文所討論的是三相全控橋式星形連接的無刷直流電動機，如圖2-3所示。圖 2-3永磁無刷直流電機的三相星形連接全橋驅(qū)動電路2.3.1永磁無刷直流電機電流控制技術(shù)1）電機驅(qū)動系統(tǒng)的電流和轉(zhuǎn)矩的控制要求10、11（1）保證電流在功率開關(guān)器件的允許范圍內(nèi)；（2）電動汽車在制動、起動以及加速的過程中，對驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩實施閉環(huán)控制，這就要求驅(qū)動系統(tǒng)能給出相應(yīng)的制動轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。從而看出對電機驅(qū)動系

32、統(tǒng)的動態(tài)性能有著很高的要求。（3）蓄電池供電的電機驅(qū)動系統(tǒng)，電池的功率，電池的瞬間放電的最大電流值都是要認真考慮的。2）永磁無刷直流電機電流檢測方法研究12從電機基本公式得出，相電流正比于電磁轉(zhuǎn)矩，無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩可通過電機的相電流的控制來實現(xiàn)。所以說，對電機相電流的閉環(huán)控制可以說是對轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。（1）兩相電流采樣法無刷直流電機的導(dǎo)通方式為兩相導(dǎo)通，在加速或起動等電動情況下，每一時間都是兩相方向相反，大小相等的導(dǎo)通電流，所以我們可以通過檢測一相電流來求出另一相；導(dǎo)通的邏輯關(guān)系告訴我們，控制電機的三相電流可通過采樣兩相電流來實現(xiàn)。無論如何，采樣電流是進行電流閉環(huán)控制的必須途徑。發(fā)電回饋制動

33、原理告訴大家，控制電機的相電流可以通過采樣兩相電流，因為工作在發(fā)電回饋狀態(tài)時的無刷直流電機，滿足任一時間的電流第三相懸空，只導(dǎo)通兩相方向相反，大小相等的關(guān)系。對于電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，任意時刻從逆變器開關(guān)器件上通過的瞬時電流值必須明確，預(yù)防逆變器電流過大；還要控制直流母線的電流值在電源的允許范圍。兩相電流采樣法可很方便的限制逆變器瞬時峰值電流。對電機相電流的檢測和控制也即為對已經(jīng)導(dǎo)通了的開關(guān)器件電流的檢測和控制。電機相電流和流過逆變器器件上的電流一樣，在控制導(dǎo)通相電流的時間里，逆變器上出現(xiàn)了瞬時電流的最大值。由功率守恒可以求出來直流母線電流，這是由于電動機的銅耗和電磁功率的和等于它的輸入功率。電機

34、驅(qū)動系統(tǒng)要求控制直流母線電流滿足其的平均值即可，這個要求比電機相電流要低，即： （2-14）式中：PCU為電機銅耗，Pl為蓄電池輸入電機的功率，PEM為電機的電磁功率，在不計電機銅耗的情況下有： （2-15）式中：I是直流母線上的電流，UDC是蓄電池電壓。通過這個式子我們可大概地求出相應(yīng)的直流母線電流，而對其實施監(jiān)控。這是因為電勢系數(shù)和電池電壓是已知量，通過測量又可獲得相電流和轉(zhuǎn)速。(2)直流母線電流采樣法22兩相電流采樣法，一方面它需要用到兩個電流傳感器，而且還不能直接將蓄電池放電電流反映出來。那么，是否有比亮相電流采樣法簡單的方法控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩呢?在許多參考文獻都提出過直接采樣直流

35、母線電流法，這種方法就是控制通過直流母線電流而得出的電機相電流；也可以說是直接控制直流母線電流。在電動汽車電機控制系統(tǒng)中，放電電流的大小和電池的輸出功率與直流母線電流值有著直接的關(guān)系。但相電流的值并不能由檢測直流母線電流的大小直接反映出來，當然流過功率器件上的瞬時電流值也不能。還有采樣開關(guān)器件導(dǎo)通(或關(guān)斷)中點時刻直流母線電流法，這種方法的采用效果和交流側(cè)一樣，且成本更低，僅僅一個電流傳感器就夠了。不過，這種方法對采樣放大電路有著很高的設(shè)計要求，對采樣芯片和控制芯片的速度也有著較高的要求。從上面的分析可以看出來，采用兩相電流法可靠性高、能夠滿足電動汽車對電機控制系統(tǒng)的要求。直流母線電流采樣法，

36、只對動態(tài)性能要求較低的場合適合，對電機控制系統(tǒng)的動態(tài)性能產(chǎn)生較大的影響13-16。3 永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1電動汽車用直流電機控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)電動汽車的核心部件是電機驅(qū)動系統(tǒng)，其任務(wù)是把蓄電池的電能轉(zhuǎn)變成車輪所需的動能，或把車輪所產(chǎn)生的動能送回蓄電池。它的電氣部分就是該控制系統(tǒng)，圖3-1是該驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)硬件框圖，圖中主要包括以核心控制芯片TMS320LF2407A為主的電源電路、時鐘電路、驅(qū)動電路、功率模塊、位置檢測、轉(zhuǎn)速檢測、通信接口和保護電路。圖 31硬件系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)框圖3.1 電源設(shè)計本文選用了TPS7333QD電源轉(zhuǎn)換芯片，它能將5V電源轉(zhuǎn)換為DSP內(nèi)核

37、所需的3.3V電源。TMS320LF2407A對電源的需求屬于多樣化的，其中FLASH編程VCCP的供電電壓為5V的數(shù)字電壓，而其它端口有采用3.3V模擬電壓，也有相同的數(shù)字電壓17。這就需要解決5V到3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。圖3-3中VCC的電壓為5V，電感L1、L2、L3和電容C1、C2、C3構(gòu)成三路LC濾波，保證輸出電壓穩(wěn)定在3.3V。圖33 電源電路設(shè)計圖3.1.1位置檢測電路本系統(tǒng)中無刷直流電機采用霍爾式位置傳感器對轉(zhuǎn)子位置進行實時檢測，從而保證電機不間斷運行。它有兩個主要作用：一是本系統(tǒng)中所應(yīng)用的，在BLCDM的軸上裝一霍爾傳感器，把傳感器輸出的轉(zhuǎn)子位置信號再送給功率變換器，然后送往D

38、SP的CAP捕獲單元，根據(jù)位置信號的反饋結(jié)果，可計算出速度的大小。二是DSP通過對轉(zhuǎn)子位置的檢測輸出PWM波，從而進行換相。圖36 位置信號檢測電路圖3.1.2相電流檢測電路通常，采樣電流信號的方式有兩種18：采樣電阻和電流傳感器。在本方案中，使用了采樣電阻的方式，在三相全控功率變換電路的下端功率橋臂和地之間接入電阻，圖3-7所示。采樣電阻可把主電路的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘杺鹘o控制電路，使得輸出電壓與主電路流過的電流成正比關(guān)系。圖37 電機相電流檢測電路圖3.1.3異步串行通訊接口電路SCI是指TMS320LF2407A 內(nèi)的一個通信模塊19，它可以實現(xiàn)PC 機和DSP之間的串行通訊。美國EI

39、A使不同設(shè)備之間靈活對接，給串行通信接口制定了幾個標準，主要的有RS-422/3、RS-232C、RS-485等。在工業(yè)計算機與PC中以RS-232應(yīng)用的最為廣泛，本設(shè)計中采用的就是這個標準。該標準必須加入電平轉(zhuǎn)換電路，以實現(xiàn)DSP系統(tǒng)里的電平標準(03.3V) 與該標準里邏輯電平(-3-15V,+3+15V)之間的匹配，圖3-8為電平轉(zhuǎn)換接口電路。圖3-8 電平轉(zhuǎn)換接口電路3.1.4保護電路無刷直流電機控制系統(tǒng)有兩種保護電路，分別為過流、欠壓保護。過流保護的作用是當電機在起動、過載和故障工作狀態(tài)下，瞬間產(chǎn)生過大的電流，損害電機本體和功率開關(guān)管，這個時候，DSP就會啟動過流保護電路，做出相應(yīng)的

40、動作來保護整個系統(tǒng)。欠壓保護是當系統(tǒng)發(fā)生短路時，輸入端的直流電壓將比設(shè)定的門限電壓小，PWM輸出引腳被DSP置高阻態(tài)， PWM的輸出的信號被封鎖，電機和逆變電路得到保護。1)欠壓保護電路如圖3-9所示，欠壓保護電路主要是在電阻分壓的方式下，采樣主電路的直流電壓，并將其分壓到合適的值，輸入到 AD轉(zhuǎn)換電路中，接受DSP的監(jiān)測。若采樣電壓比閉值還小的時候，PWM輸出引腳被DSP置高阻態(tài)， PWM的輸出的信號被封鎖，電機和逆變電路得到保護。圖3-9欠壓保護電路2）過流保護電路在BLDCM起動時，調(diào)速系統(tǒng)主回路的起動電流會瞬間增大；或者電路遇到誤配線、誤動作時，出現(xiàn)短路等故障，功率變換器開關(guān)元件瞬間電

41、流也會增大。此時，電路能迅速檢測到過大的電流，自動斷開還未損壞的功率變換器開關(guān)元件。本文設(shè)有兩級過流保護環(huán)節(jié)20：第一級驅(qū)動電路利用了集成芯片EXB841來完成對 IGBT的過流檢測和保護。驅(qū)動電路在遇到 IGBT 的電流過大時， 使IGBT關(guān)斷，與此同時輸出過流信號，導(dǎo)通光耦器件，輸出過流保護信號為低電平。第二級是快速響應(yīng)霍爾電流傳感器通過對直流側(cè)母線電流進行檢測來實現(xiàn)的。圖3-10過流保護電路4 電動汽車驅(qū)動電機控制技術(shù)軟件設(shè)計本章詳細的介紹電機驅(qū)動系統(tǒng)軟件總體設(shè)計思路和各個功能子程序的流程圖。4.1 軟件整體設(shè)計本文軟件整體設(shè)計包括三大部分，如圖4-1所示：主程序、中斷程序和其他程序。其

42、主程序主要實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化；中斷程序主要介紹了位置檢測、速度控制、PWM周期中斷和故障保護；其他程序介紹了換向調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速計算。系統(tǒng)軟件中斷程序PWM周期中斷故障保護位置檢測速度控制其他程序系統(tǒng)初始化主程序換向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速計算圖4-1 軟件整體設(shè)計框圖4.2 主程序主程序的主要作用是初始化各個模塊，包括系統(tǒng)參數(shù)的預(yù)置、中斷邏輯的設(shè)置、轉(zhuǎn)子位置的檢測等，另外還要和控制面板連接串口通信，及時地獲取電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向。圖4-2是主程序流程，讀取參數(shù)是指讀取上一次運行時EZPROM中存放的參數(shù)，若設(shè)置沒變就繼續(xù)使用原來的參數(shù)，系統(tǒng)故障認定為連續(xù)三次都沒讀到正確的參數(shù)，接著發(fā)送故障信息，中斷關(guān)閉，進入系統(tǒng)復(fù)位等

43、待期間。如沒有系統(tǒng)故障出現(xiàn)，串口就啟動并開始發(fā)送、接收信息。隨時監(jiān)控面板一旦判斷到有沒有按下的鍵，就改變輸出的參數(shù)，進而使電機的工作狀態(tài)作相應(yīng)的改變21。系統(tǒng)初始化是對事件管理器中的各個控制寄存器、IO端口、系統(tǒng)中斷、看門狗、系統(tǒng)時鐘等的設(shè)置，還包括輔助寄存器和各變量的初始化以及A/D轉(zhuǎn)換模塊和串口的初始化設(shè)置。圖4-3是這個子程序的流程圖。 圖4-2 主程序流程圖 圖4-3 系統(tǒng)初始化子程序流程圖4.3 中斷服務(wù)4.3.1 位置檢測DSP的事件管理器中有四個可以產(chǎn)生中斷的捕獲單元，且都有著獨立的中斷向量。除此之外，還可通過設(shè)置CAP1、CAP2、CAP3的上、下降沿，來捕捉經(jīng)過光耦后的霍爾傳

44、感器的輸出信號。電機每次旋轉(zhuǎn)1800，事件管理器的信號的捕獲中斷就會被該路信號觸發(fā)一次。圖4-4為轉(zhuǎn)子位置檢測流程圖。圖44 位置檢測中斷流程圖4.4 其他程序4.4.1 換向調(diào)節(jié)表4-1是通過對三個霍爾位置傳感器和無刷直流電機運轉(zhuǎn)方向的檢測，得出轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)與逆變器功率開關(guān)管之間的導(dǎo)通關(guān)系真值表。電機轉(zhuǎn)子位置與逆變器功率開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系是無刷直流電機的正常運行的必要條件。當轉(zhuǎn)子霍爾位置信號發(fā)生變化時，逆變器的功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯也將發(fā)生變化。表41 霍爾信號與功率開關(guān)管真值表Hall信號狀態(tài)導(dǎo)通功率開關(guān)管電機導(dǎo)通相比較控制寄存器控制字100T3、T2B、A0x0FD3101T5、T2C、

45、A0x0DF3010T5、T4C、B0x0D3F110T1、T4A、B0x0F3D010T1、T6A、C0x03FD110T3、T6B、C0x03DF4.4.2 轉(zhuǎn)速計算電機轉(zhuǎn)速的測量對于永磁直流無刷電機調(diào)速而言，是一個非常重要的環(huán)節(jié)。DSP2407A具有的捕獲單元這一特殊功能模塊，因此不需要其它輔助電路就可以測量電機轉(zhuǎn)速。因為直流無刷電機有三個霍爾位置傳感器，所以其轉(zhuǎn)速可以根據(jù)位置信號和DSP內(nèi)部模塊計算出來。常用的電機轉(zhuǎn)速測量方法一般分為 “法”和“法”， 在本設(shè)計中，選擇法作為電機的測速方案22。圖46為轉(zhuǎn)速計算模塊的流程圖。圖46 電機轉(zhuǎn)速計算流程圖5總結(jié)本文以電動汽車用無刷直流電機為

46、研究對象，以DSP2407A為主控制芯片，主要研究無刷直流電機的運行特點以及控制系統(tǒng)方案的實現(xiàn)。本文的主要研究工作總結(jié)如下：（1）本文分析了電動汽車的發(fā)展及現(xiàn)狀，結(jié)合當前研究現(xiàn)狀，指出了電動汽車研究的關(guān)鍵問題及技術(shù)方向。（2）在分析無刷直流電機的運行原理和驅(qū)動方法的基礎(chǔ)上，以DSP來作為電機控制系統(tǒng)的主控制芯片，主電路設(shè)計選用智能功率模塊，完成了基于DSP2407A的硬件平臺設(shè)計。該方法簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。（3）采用模塊化編程思想設(shè)計了系統(tǒng)的軟件程序，利用DSP編程環(huán)境和C語言實現(xiàn)了系統(tǒng)的位置檢測、系統(tǒng)中斷以及保護等功能。軟件包括主程序模塊設(shè)計、中斷模塊子程序設(shè)計和其他子程序

47、設(shè)計三大部分，硬件平臺上調(diào)試時均能穩(wěn)定運行，完成預(yù)計功能。（4）為了驗證硬件和軟件設(shè)計的合理性，通過實驗驗證了所設(shè)計的軟硬件系統(tǒng)能正確檢測轉(zhuǎn)子位子，并根據(jù)采樣到的指令值輸出不同占空比的PWM信號達到電機調(diào)速的目的。西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）參考文獻1 松本廉平.汽車環(huán)保新技術(shù)M.曹秉剛，康龍云，賈要勤,等譯.西安:西安交通大學(xué)出版社,2005:2-5.2 （日本）電氣學(xué)會 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)查專門委員會. 電動汽車最新技術(shù)M. 康龍云譯北京: 機械工業(yè)出版社, 2008:1-3.3 陳清泉，孫逢春，祝嘉光. 現(xiàn)代電動汽車技術(shù)M. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2002.1-120.4 C.CC.TheStateofthe Art of Electric and Hybrid VehiclesJ. Proceedings of the