1、選題背景電動汽車成為研究熱點(diǎn)電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)是三大核心技術(shù)之一 背景： 隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源與環(huán)境已經(jīng)成為人類發(fā)展和生存的重大問題.內(nèi)燃機(jī)汽車使用的燃料均為一次性能源,開發(fā)使用后便不可再生.隨著全球能源消耗的增加,地球的礦物能源已面臨枯竭.環(huán)境問題也日益突出.第1頁/共64頁國外研究現(xiàn)國外研究現(xiàn) 狀狀 世界各國著名的汽車廠商都在加緊研制各類電動汽車，并且取得了一定程度的進(jìn)展和突破。日本是電動汽車技術(shù)發(fā)展最好的國家之一。最有影響當(dāng)數(shù)日本豐田的Prius，2008年它全球累積銷量已經(jīng)突破百萬輛 。 另外歐美各大廠商，GM，F(xiàn)ord也分別推出了自己的新能源車輛計(jì)劃，積極發(fā)展新能源汽車。國內(nèi)研

2、究現(xiàn)狀國內(nèi)研究現(xiàn)狀 近幾年我國電動汽車的研究工作也進(jìn)入了全面發(fā)展階段，電動汽車市場己初露端倪。在國家863計(jì)劃中特別設(shè)立電動汽車重大專項(xiàng)，選擇新一代電動汽車技術(shù)作為我國汽車科技創(chuàng)新的主攻方向，組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)等聯(lián)合攻關(guān)。 在市場推廣方面，BYD公司的F3雙模動力車已順利上市，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)！第2頁/共64頁車用驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展車用驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展車用電機(jī)車用電機(jī)直流電機(jī)永磁無刷直流電機(jī)開關(guān)磁阻電機(jī)控制簡單機(jī)械換向矢量控制技術(shù)成熟驅(qū)動電路復(fù)雜，效率低體積小、效率高，免維護(hù)結(jié)構(gòu)簡單，綜合效率高噪聲大，控制復(fù)雜感應(yīng)電機(jī)第3頁/共64頁主要內(nèi)容 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)

3、計(jì)選題背景選題背景無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)論與展望結(jié)論與展望1234567第4頁/共64頁 設(shè)計(jì)一個電動汽車無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個電動汽車無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) 無刷直流電機(jī)選用的為內(nèi)置位置檢測傳感器，三相八極星形無刷直流電機(jī)選用的為內(nèi)置位置檢測傳感器，三相八極星形繞組接線，電壓繞組接線，電壓24v,24v,功率功率52w52w 控制系統(tǒng)核心為控制系統(tǒng)核心為TITI的的DSPTMS320F2812DSPTMS320F2812，產(chǎn)生，產(chǎn)生6 6路路PWMPWM波控

4、制波控制信號送入驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊由信號送入驅(qū)動模塊，驅(qū)動模塊由IRIR的的IR2130IR2130芯片構(gòu)成，驅(qū)動芯片構(gòu)成，驅(qū)動芯片接收到控制信號后，驅(qū)動三相全橋電路，全橋電路采用芯片接收到控制信號后，驅(qū)動三相全橋電路，全橋電路采用集成塊集成塊FB4710FB4710。無刷直流電機(jī)位置傳感器獲得的信號通過光。無刷直流電機(jī)位置傳感器獲得的信號通過光耦隔離后送入耦隔離后送入DSPDSP DSPDSP通過通過SCISCI接口與上位接口與上位PCPC機(jī)相接，上位機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正機(jī)相接，上位機(jī)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn) 系統(tǒng)采用閉環(huán)增量式系統(tǒng)采用閉環(huán)增量式PIDPID控制，速度檢測由位置檢測傳感器獲控制

5、，速度檢測由位置檢測傳感器獲得得 二、設(shè)計(jì)簡介二、設(shè)計(jì)簡介第5頁/共64頁 無刷直流電機(jī)控制器由無刷直流電機(jī)控制器由DSPDSP模塊、驅(qū)動器模塊、功率變換模塊、位置傳感器模塊、電源模塊和上位機(jī)組成。模塊、驅(qū)動器模塊、功率變換模塊、位置傳感器模塊、電源模塊和上位機(jī)組成?？刂破鞯慕M成部分控制器的組成部分第6頁/共64頁 系統(tǒng)控制方框圖系統(tǒng)控制方框圖第7頁/共64頁 以三相兩極無刷直流電機(jī)為例，如下為三相半橋電路以三相兩極無刷直流電機(jī)為例，如下為三相半橋電路功率變換模塊的控制功率變換模塊的控制第8頁/共64頁三相半橋驅(qū)動電路繞組利用率低，轉(zhuǎn)矩波動大第9頁/共64頁 三相全橋二二導(dǎo)通方式三相全橋二二導(dǎo)

6、通方式第10頁/共64頁 本系統(tǒng)通過本系統(tǒng)通過PWMPWM調(diào)速方式，通過控制開關(guān)管的調(diào)速方式，通過控制開關(guān)管的PWMPWM觸發(fā)信號來改變占空比，從而觸發(fā)信號來改變占空比，從而改變端電壓改變端電壓U U來實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的調(diào)速。來實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的調(diào)速。 PWMPWM技術(shù)主要有兩種：單極性技術(shù)主要有兩種：單極性PWMPWM控制和雙極性控制和雙極性PWMPWM控制。圖控制。圖1 1所示為單極性所示為單極性PWMPWM控制的控制信號，六個開關(guān)管分別在控制的控制信號，六個開關(guān)管分別在6060。電角度的區(qū)域內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，另一。電角度的區(qū)域內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，另一個開關(guān)管處于個開關(guān)管處于PWMPWM狀態(tài)

7、；圖狀態(tài)；圖2 2所示為雙極性所示為雙極性PWMPWM控制的控制信號，兩個工作的開關(guān)控制的控制信號，兩個工作的開關(guān)管在每個管在每個6060。電角度區(qū)域內(nèi)或者導(dǎo)通或者關(guān)斷。電角度區(qū)域內(nèi)或者導(dǎo)通或者關(guān)斷。 通常情況下，為了減小電流脈動和開關(guān)管的損耗，電機(jī)控制系統(tǒng)都采用單極性通常情況下，為了減小電流脈動和開關(guān)管的損耗，電機(jī)控制系統(tǒng)都采用單極性的的PWMPWM控制技術(shù)控制技術(shù)調(diào)速技術(shù)調(diào)速技術(shù)第11頁/共64頁第12頁/共64頁第13頁/共64頁主要內(nèi)容 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選題背景選題背景設(shè)計(jì)簡介設(shè)計(jì)簡介無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無刷

8、直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)論與展望結(jié)論與展望1234567第14頁/共64頁硬件設(shè)計(jì)電路圖硬件設(shè)計(jì)電路圖第15頁/共64頁 DSPDSP選用選用TITI公司的公司的TMS320F2812TMS320F2812，采用的是合肥零零電子生產(chǎn)的開發(fā)板，采用的是合肥零零電子生產(chǎn)的開發(fā)板 本設(shè)計(jì)中使用本設(shè)計(jì)中使用DSPDSP的六路的六路PWMPWM發(fā)生器和發(fā)生器和CAPCAP捕獲單元，在與上位機(jī)通信時使捕獲單元，在與上位機(jī)通信時使用用SCISCI接口，如圖：接口，如圖：1 1、DSPDSP模塊模塊第16頁/共64頁 驅(qū)動模塊采用驅(qū)動模塊采用

9、IRIR公司的公司的IR2130IR2130 IR2130IR2130是高性能三相橋式驅(qū)動器。可輸出是高性能三相橋式驅(qū)動器。可輸出6 6路驅(qū)動信號，路驅(qū)動信號，擁有完善的保護(hù)功能，擁有完善的保護(hù)功能，IR2130IR2130可在不高于可在不高于600V600V的電路的電路中工作，輸出的上橋臂驅(qū)動電流峰值為中工作，輸出的上橋臂驅(qū)動電流峰值為250mA250mA，下橋臂，下橋臂驅(qū)動電流峰值為驅(qū)動電流峰值為500mA500mA。2 2、驅(qū)動模塊和功率變換電路、驅(qū)動模塊和功率變換電路第17頁/共64頁 功率變換電路采用功率變換電路采用6 6個個MOSFETMOSFET構(gòu)成三相全橋電路構(gòu)成三相全橋電路

10、MOSFETMOSFET采用采用IRIR公司的公司的FB4710FB4710 FB4710FB4710是是N N溝道溝道MOSFETMOSFET，最大電壓，最大電壓100v100v，電流，電流75A75AIR2130驅(qū)動芯片MOSFET組成的功率變換電路第18頁/共64頁 電機(jī)采用的是電機(jī)采用的是42BLF02,42BLF02,具體參數(shù)入下表所示：具體參數(shù)入下表所示：3 3、電機(jī)本體模塊、電機(jī)本體模塊第19頁/共64頁 電源使用的電源使用的HH1713 HH1713 雙路直流穩(wěn)壓電源電壓范圍為（雙路直流穩(wěn)壓電源電壓范圍為（0V-30V0V-30V）4 4、電源模塊、電源模塊第20頁/共64頁主

11、要內(nèi)容 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選題背景選題背景設(shè)計(jì)簡介設(shè)計(jì)簡介無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)論與展望結(jié)論與展望1234567第21頁/共64頁系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用CCS3.3調(diào)試仿真軟件進(jìn)行開發(fā)調(diào)試。本設(shè)計(jì)使用C語言編程，程序模塊具體分為六大部分： 主程序及初始化程序主程序及初始化程序 位置檢測、轉(zhuǎn)向檢測程序位置檢測、轉(zhuǎn)向檢測程序 PID算法程序算法程序 定時測速子程序定時測速子程序 捕獲中斷子程捕獲中斷子程 串口接收中斷子程序串口

12、接收中斷子程序第22頁/共64頁 程序開始運(yùn)行時，首先進(jìn)行系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘、PIE等模塊的初始化 IO口初始化：分別根據(jù)要求將特定的IO口設(shè)為第二功能模式。將EVA的PWM1PWM6和CAP1CAP3設(shè)定為第二功能。 CAP初始化：使用了CAP1CAP3捕捉寄存器，其邊沿極性均配置為上升沿和下降沿均捕捉模式。 SCI初始化：串口通信參數(shù)設(shè)置為8位數(shù)據(jù)位、波特率9600、1位停止位、無校驗(yàn)；一、主程序及初始化程序一、主程序及初始化程序第23頁/共64頁第24頁/共64頁二、位置檢測子程序二、位置檢測子程序 位置檢測子程序首先讀CAP1,CAP2,CAP3端口的電平，并放入變量H1,H2,H3中，在

13、根據(jù)上一時刻的霍爾傳感器的值來判斷轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向，具體的位置在表1和表2中已列出。判斷好轉(zhuǎn)向后，更改相應(yīng)的標(biāo)志位nowd。最后更新傳感器標(biāo)志位LH1,LH2,LH3。當(dāng)前位置(H1，H2，H3）下一位置導(dǎo)通相001ANC011BNC010BNA110CNA100CNB101ANB當(dāng)前位置（H1，H2，H31）下一位置導(dǎo)通相001BNA011CNA010CNB110ANB100ANC101BNC第25頁/共64頁第26頁/共64頁三、三、 PID控制子程序控制子程序 PID控制首先要算出給定轉(zhuǎn)速和實(shí)際測得的轉(zhuǎn)速的偏差e，偏差e的求法根據(jù)正反轉(zhuǎn)的設(shè)定不同而不同。求得偏差后再寫出控制量的方程。 在編程時發(fā)

14、現(xiàn)PID算法中積分和微分的編程較繁瑣，在這個簡單的系統(tǒng)中，僅僅使用比例環(huán)節(jié)即可，為了改善控制系統(tǒng)的動態(tài)特性，在此使用了分段PID算法，其控制思想與模糊PID的隸屬度劃分類似。 在偏差e=400|e=-400時使用比例系數(shù)為0.1，即zhankongbi=zhankongbi+0.1*e，當(dāng)偏差在(e=200)|(e=-400)時，使用更小的比例系數(shù)，zhankongbi=zhankongbi+0.05*e。 這樣就能在較小的偏差時減小超調(diào)量，剩下的劃分與此類此。第27頁/共64頁第28頁/共64頁 定時器2定時為100ms，每隔20ms產(chǎn)生一次中斷，當(dāng)中斷產(chǎn)生時，需要計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式為

15、n=(capn/3)*50*60 求出實(shí)際轉(zhuǎn)速后，需要立即執(zhí)行PID算法，改變PWM的輸出占空比，從而達(dá)到快速性的要求 求出轉(zhuǎn)速后在，在使用計(jì)數(shù)標(biāo)志位timer，當(dāng)timer加到20次時，即時間為20*50ms=1s，此時用判斷語句，執(zhí)行串口發(fā)送命令，發(fā)送實(shí)際轉(zhuǎn)速。四、定時器四、定時器2中斷程序中斷程序第29頁/共64頁第30頁/共64頁 捕獲中斷程序主要執(zhí)行PWM的換向操作，換向時要根據(jù)電機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)動的正反方向和轉(zhuǎn)子此時對應(yīng)的位置來改變PWM的輸出，轉(zhuǎn)子位置有6種狀態(tài)，這6種狀態(tài)不斷循環(huán)，根據(jù)設(shè)定的正反轉(zhuǎn)方向，查表獲得下一時刻的輸出，使電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)。 同時，每一次捕獲中斷的發(fā)生都要將capn

16、加1，capn就是轉(zhuǎn)速計(jì)算的標(biāo)志位，當(dāng)capn為3時，則表明轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈，再根據(jù)定時器2的定時就能定時算出轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。五、捕獲中斷程序五、捕獲中斷程序第31頁/共64頁第32頁/共64頁 串口發(fā)送程序不需要中斷，只需要定時發(fā)送即可，但是串口從上位機(jī)上接受轉(zhuǎn)速設(shè)定值需要執(zhí)行接受中斷程序。 串口接收中斷發(fā)生時，依次接收五位數(shù)據(jù)，依次是轉(zhuǎn)速方向，轉(zhuǎn)速的千位，百位，十位和個位，如+4000.表示正轉(zhuǎn)4000rmp。六、六、串口接收中斷程序串口接收中斷程序第33頁/共64頁第34頁/共64頁主要內(nèi)容 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選題背景選題背景設(shè)計(jì)簡介設(shè)計(jì)簡介無刷直流電機(jī)控制系

17、統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)論與展望結(jié)論與展望1234567第35頁/共64頁 無刷直流電機(jī)的簡介無刷直流電機(jī)的簡介第36頁/共64頁無刷直流電機(jī)的原理無刷直流電機(jī)的原理第37頁/共64頁無刷直流電機(jī)的驅(qū)動電路無刷直流電機(jī)的驅(qū)動電路第38頁/共64頁無刷直流電機(jī)的控制策略無刷直流電機(jī)的控制策略第39頁/共64頁電機(jī)本體建模電機(jī)本體建模 電機(jī)本體數(shù)學(xué)模型第40頁/共64頁電機(jī)本體建模電機(jī)本體建模 電壓模塊與封裝第41頁/共64頁電機(jī)本體建模電機(jī)本體建模 電磁轉(zhuǎn)矩方程 電機(jī)運(yùn)動方程第42頁/

18、共64頁電機(jī)本體模塊電機(jī)本體模塊 反電動勢模塊與封裝第43頁/共64頁電機(jī)本體建模電機(jī)本體建模 電機(jī)運(yùn)動模塊封裝第44頁/共64頁速度控制模塊速度控制模塊 速度控制模塊 第45頁/共64頁參考電流模塊參考電流模塊 參考電流模塊第46頁/共64頁轉(zhuǎn)子位置與三相參考電流對應(yīng)表轉(zhuǎn)子位置與三相參考電流對應(yīng)表第47頁/共64頁電流滯環(huán)模塊及封裝電流滯環(huán)模塊及封裝第48頁/共64頁建模仿真參數(shù)的設(shè)定建模仿真參數(shù)的設(shè)定 電機(jī)定子相繞組電阻R2.8750 定子相繞組自感與自感之差L-M0.02 轉(zhuǎn)動慣量J0.005kgm2 阻尼系數(shù)B=0.0002Nms/rad 額定轉(zhuǎn)速n1000r/min 直流電源供電電壓

19、為220V 第49頁/共64頁P(yáng)ID參數(shù)設(shè)定參數(shù)設(shè)定 比例系數(shù) Kp=3 積分系數(shù)Ki=0.02 微分系數(shù)Kd=0第50頁/共64頁最終模型最終模型第51頁/共64頁主要內(nèi)容 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選題背景選題背景設(shè)計(jì)簡介設(shè)計(jì)簡介無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)論與展望結(jié)論與展望1234567第52頁/共64頁 位置信號檢測 電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的正確檢測，是無刷直流電機(jī)正常工作的基礎(chǔ)。 MOSFET控制信號檢測 通過觀察控制信號的波形，判斷控

20、制是否正確。 端電壓檢測 本部分對電機(jī)端電壓、端電壓與位置信號的對應(yīng)以及端電壓與控制信號的對應(yīng)進(jìn)行測試，以驗(yàn)證驅(qū)動過程中換相的正確性六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析第53頁/共64頁位置信號檢測位置信號檢測HALL信號圖第54頁/共64頁DSP輸出PWM波上三管圖DSP輸出PWM波下三管圖經(jīng)過IR2130后的上三管經(jīng)過IR2130后的下三管第55頁/共64頁第56頁/共64頁第57頁/共64頁結(jié)果分析結(jié)果分析 通過各路觀察HALL信號和PWM波得波形圖，得出電路的軟硬件都沒有問題，可以正常工作。第58頁/共64頁 名稱數(shù)量單價金額IR2130528140TLP521-424.591/4W電阻600.053電容100.33IRF74063188腳轉(zhuǎn)接板1331117-3.3224DSP維修1180180 備用驅(qū)動1套125125總計(jì)360費(fèi)用統(tǒng)計(jì)第59頁/共64頁主要內(nèi)容 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選題背景選題背景設(shè)計(jì)簡介設(shè)計(jì)簡介無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)的無刷直流電機(jī)的 MATLA