車用電機(jī)和控制器的設(shè)計(jì)摘要燃油燃耗引起的環(huán)境問(wèn)題正在被人們發(fā)現(xiàn)，隨著汽車的發(fā)展，石油短缺也成為了嚴(yán)重問(wèn)題，電動(dòng)汽車無(wú)疑是未來(lái)汽車的重點(diǎn)發(fā)展方向。電機(jī)和電機(jī)控制的好壞程度影響著新能源汽車的性能。在國(guó)內(nèi)大力推行新能源電動(dòng)汽車的同時(shí)，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)在2021年特別推出了電動(dòng)巴哈大賽。在符合電動(dòng)巴哈賽車的規(guī)則下，對(duì)電機(jī)控制器模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。介紹了車用電機(jī)和控制器的發(fā)展現(xiàn)狀，來(lái)確定本文所使用的電機(jī)為永磁同步電機(jī)。簡(jiǎn)單介紹了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，基于永磁同步電機(jī)的控多種控制策略，對(duì)不同的電機(jī)控制策略進(jìn)行介紹，最終確定使用永磁同步電機(jī)矢量控制策略作為本文電機(jī)的控制策略。并根據(jù)電動(dòng)巴哈大賽的要求，對(duì)永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要是電機(jī)控制器的硬件電路設(shè)計(jì)，選擇合適的主控芯片和IGBT等各種電子元器件，來(lái)完成電機(jī)控制器電路原理圖的設(shè)計(jì)。根據(jù)巴哈大賽的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一個(gè)電動(dòng)巴哈賽車的控制器殼體，應(yīng)選用鋁合金材料最為主要材料，完成建模過(guò)程，做后進(jìn)行靜力學(xué)分析。關(guān)鍵字：三相永磁同步電機(jī)的矢量控制策略，控制器電路原理圖，電機(jī)控制器殼體目錄TOC\o"1-2"\h\u1緒論 61.1選題的研究背景和意義 61.2電動(dòng)巴哈賽車發(fā)展現(xiàn)狀 61.3電機(jī)控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 72電機(jī)控制模式的開(kāi)發(fā) 82.1電動(dòng)汽車用電機(jī)的現(xiàn)狀 82.2電機(jī)的選擇 82.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型 102.3永磁同步電機(jī)的控制策略 112.4矢量控制的原理 122.5矢量控制的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制優(yōu)缺點(diǎn) 132.6本章小結(jié) 143控制器電路原理圖的設(shè)計(jì) 153.2控制器芯片TMS320F28335芯片 153.3驅(qū)動(dòng)模塊電路 203.4電壓電流采樣電路設(shè)計(jì) 223.5轉(zhuǎn)速位置信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 233.6本章小結(jié) 244電機(jī)控制器殼體設(shè)計(jì) 254.1電機(jī)控制器殼體建模 254.2電機(jī)控制器殼體強(qiáng)度校核 274.3本章小結(jié) 295結(jié)論 306參考文獻(xiàn) 311緒論1.1選題的研究背景和意義燃油燃燒引起的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視，隨著世界局勢(shì)不斷復(fù)雜和我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們對(duì)石油需求量不減反增，這給未來(lái)燃油汽車的發(fā)展提出了一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。目前在國(guó)內(nèi)，一方面石油資源相對(duì)于我國(guó)石油消耗量來(lái)說(shuō)是比較短缺的，主要依靠國(guó)外進(jìn)口，另一方面，我國(guó)的有車一族逐漸增多，給城市的環(huán)境帶來(lái)了巨大的污染。為了實(shí)現(xiàn)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展和減少碳排放等目標(biāo)，新能源汽車中純電動(dòng)汽車的發(fā)展最為迅速，電動(dòng)汽車是一種通過(guò)電能運(yùn)行、噪聲小、污染少的不同于傳統(tǒng)的燃油車的汽車，在節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境等方面顯得尤為突出，是未來(lái)新能源汽車發(fā)展的一個(gè)熱門方向，在我國(guó)也有著很好的發(fā)展條件和發(fā)展前景。中國(guó)政府為了提倡電動(dòng)汽車，在新能源汽車的研究和購(gòu)買方面都有著很多的鼓勵(lì)政策。中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)舉辦的電動(dòng)巴哈競(jìng)賽是為了鼓勵(lì)目前在校大學(xué)生了解汽車行業(yè)，并對(duì)汽車的生產(chǎn)制造裝配等過(guò)程有一定的了解，激發(fā)學(xué)生對(duì)汽車行業(yè)的興趣，并投入到汽車行業(yè)之中。在中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)提出電動(dòng)賽車比賽的思路后，電動(dòng)巴哈賽車在國(guó)內(nèi)處于起步階段，在借鑒電動(dòng)汽車的發(fā)展，電機(jī)控制模塊影響著整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)型等各個(gè)方面。電機(jī)控制模塊對(duì)于整個(gè)汽車而言無(wú)疑非常重要。中國(guó)汽車工學(xué)會(huì)舉辦巴哈大賽的主要目的是為了能夠搭建一個(gè)屬于國(guó)內(nèi)汽車相關(guān)高等院校能夠同臺(tái)競(jìng)技的一個(gè)平臺(tái)，同時(shí)鍛煉國(guó)內(nèi)汽車相關(guān)專業(yè)學(xué)生的綜合素質(zhì)，讓學(xué)生了解并參與到汽車的生產(chǎn)制造過(guò)程。2021年將正式啟動(dòng)電動(dòng)巴哈比賽，電動(dòng)巴哈賽車不同于傳統(tǒng)的燃油賽車，獨(dú)立于巴哈油車，是一個(gè)新的比賽項(xiàng)目。電動(dòng)汽車電機(jī)的控制模塊是新能源汽車的重要組成部分。電動(dòng)巴哈賽車的電機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)影響著電機(jī)的輸出功率和電機(jī)性能的發(fā)揮，也對(duì)整車的經(jīng)濟(jì)性和續(xù)航里程有著很大的影響，所以要選用合適的控制模式，來(lái)使電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，輸出效率快，功率足來(lái)滿足電動(dòng)巴哈越野競(jìng)賽的要求。在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的方式，培養(yǎng)并提高學(xué)生的綜合素質(zhì)及能力，為汽車產(chǎn)業(yè)提高更多的高素質(zhì)人才。1.2電動(dòng)巴哈賽車發(fā)展現(xiàn)狀電動(dòng)巴哈是在參考了2015-2019年在中國(guó)舉辦的BSC大賽的經(jīng)驗(yàn)上于2021年6月開(kāi)始舉辦的項(xiàng)目。中國(guó)汽車工學(xué)會(huì)電動(dòng)巴哈大賽是由中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)舉辦，在國(guó)內(nèi)各個(gè)高校之間開(kāi)展的小型越野賽車設(shè)計(jì)和制作必賽。比賽項(xiàng)目主要可分為兩項(xiàng)，一項(xiàng)是靜態(tài)項(xiàng)目，其主要項(xiàng)目有：賽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)成本、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面；一項(xiàng)是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，其主要項(xiàng)目有牽引力、直線加速、耐力等比賽組成。目前巴哈賽車大賽在國(guó)內(nèi)已經(jīng)成功舉辦了6屆賽事，不僅受到越來(lái)越多人的關(guān)注，更逐步成為國(guó)內(nèi)相關(guān)高等院校培養(yǎng)學(xué)生的人才基地。1.3電機(jī)控制器的發(fā)展現(xiàn)狀歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)新能汽車的起步遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于國(guó)內(nèi)，所以電機(jī)控制器技術(shù)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)。全球新能源汽車電機(jī)控制器市場(chǎng)在2021年銷量達(dá)到77億美元，國(guó)內(nèi)新能源汽車電機(jī)控制器市場(chǎng)變化明顯。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)是全球新能源汽車電機(jī)控制器最大的消費(fèi)市場(chǎng)，僅2019年就占據(jù)了超過(guò)60%的市場(chǎng)份額。新能源汽車電機(jī)控制器的研發(fā)主要是分為硬件和軟件兩部分進(jìn)行。就目前的生產(chǎn)能力而言，國(guó)內(nèi)的各大汽車廠家雖然能夠自主研發(fā)出新能源汽車電機(jī)控制器，但是還存在一些缺陷。總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)的電機(jī)控制技術(shù)和國(guó)外歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還是存在一定的差距。

2電機(jī)控制模式的開(kāi)發(fā)本章主要是對(duì)電動(dòng)巴哈賽車的電機(jī)進(jìn)行選擇，并且選擇合適控制策略。2.1電動(dòng)汽車用電機(jī)的現(xiàn)狀21世紀(jì)以來(lái)，在全球能源和環(huán)境的影響下，全世界所有國(guó)家和地區(qū)都大力投入人力和物力來(lái)研究新能源汽車，如燃料電池汽車、超級(jí)電容器汽車、電動(dòng)汽車等，其中電動(dòng)汽車發(fā)展迅速，受到很多國(guó)家的重視。在目前所有研究新能源汽車的國(guó)家和地區(qū)中，德國(guó)、美國(guó)和日本的技術(shù)是發(fā)張的最好的，例如美國(guó)的特斯拉為代表的新能源汽車推出了很多款新能源汽車，受到全世界人民的認(rèn)可與喜歡。把一輛新能源汽車來(lái)與人相比的話，電機(jī)系統(tǒng)就是整個(gè)新能源汽車最重要的組成部分，它是整個(gè)新能源汽車的心臟，為整車運(yùn)行過(guò)程提供強(qiáng)勁的動(dòng)力。電動(dòng)汽車用電機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)電機(jī)而言，更希望新能源車用電機(jī)的功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通電機(jī)。國(guó)外的主流的電動(dòng)汽車主要采用的電機(jī)是：永磁同步電機(jī)、交流異步電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。圖2-1車用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)2.2電機(jī)的選擇純電動(dòng)汽車常用電機(jī)的比較如圖：表1-1常見(jiàn)電機(jī)的比較電機(jī)類型直流電機(jī)永磁同步電機(jī)開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)感應(yīng)電機(jī)功率密度低高高中負(fù)荷功率（%）80-8785-87<9089-91可靠性一般良好好良好轉(zhuǎn)速范圍（r/min）4000-80004000-10000>1500012000-15000電機(jī)外形尺寸較大小小中峰值功率（%）85-8995-97<9095-95電機(jī)質(zhì)量較重輕輕一般電機(jī)成本一般較低高較低控制性能優(yōu)秀良好良好良好總體性能較差優(yōu)秀一般良好交流異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用于多種工況、制造成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠等等優(yōu)點(diǎn)。異步電機(jī)往往能具有很高的運(yùn)行效率，與此同時(shí)它的工作性能還可以十分穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的低轉(zhuǎn)速到高轉(zhuǎn)速的快速轉(zhuǎn)換，加速性能較強(qiáng)。目前被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械和電動(dòng)汽車。但是由于交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜且成本高不太適用于電動(dòng)巴哈賽車。圖2-2車用交流異步電機(jī) 永磁同步電機(jī)主要是由定子、轉(zhuǎn)子等各部分組成,其內(nèi)部主要是靠永磁體形成一個(gè)勵(lì)磁磁場(chǎng)的同步電機(jī)，具有很多優(yōu)點(diǎn)： （1）永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比較穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)區(qū)域。 （2）永磁同步電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和定子由永磁體構(gòu)成，電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)可以形成同步磁場(chǎng)，電能在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中損耗量很小，可以大大提高電機(jī)的功率。 （3）永磁同步電機(jī)的組成構(gòu)建比較簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)。 （4）永磁同步電機(jī)功率密度比比普通電機(jī)高，可以實(shí)現(xiàn)同等功率要求時(shí)，永磁同步電機(jī)的質(zhì)量、體積小于普通電機(jī)。（5）我國(guó)稀土資源比較豐富，很適合發(fā)展永磁同步電機(jī)。綜上所述，永磁同步電機(jī)對(duì)比交流異步電機(jī)具有響應(yīng)能力快、可以實(shí)現(xiàn)高功率、功率密度高，且國(guó)內(nèi)稀土資源豐富成本較低的優(yōu)勢(shì)。永磁同步電機(jī)時(shí)目前電動(dòng)汽車的主流電機(jī)，所以本文選用永磁同步電機(jī)作為寫(xiě)作對(duì)象。圖2-2車用永磁同步電機(jī)2.2永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型在構(gòu)建永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型之前，通常要要進(jìn)行一些假設(shè)：忽略永磁同步電機(jī)的內(nèi)部組件磁阻在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的消耗，（2）永磁材料必須使用絕緣材料，在運(yùn)性過(guò)程中不能導(dǎo)電。且永磁體內(nèi)部的磁導(dǎo)率不能大于一，基本和空氣的磁導(dǎo)率相等。 （3）忽略轉(zhuǎn)子的阻尼繞組。 （4）永磁體中產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)和三相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)在空氣中正弦分布。 （5）三相繞組中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形同樣是正弦分布?；谏鲜黾僭O(shè)，在永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)建模分析中，基于靜止坐標(biāo)系α、β軸數(shù)學(xué)模型與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d、q軸數(shù)學(xué)模型實(shí)在所有建模分析中最為常見(jiàn)的，這種建模方式通常是把旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸定義在了轉(zhuǎn)子的N極上，α軸和定子A相繞組保持一致。定子的電壓方程在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中為定子的磁鏈方程在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中為定子的電流方程旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中為..電磁轉(zhuǎn)矩方程旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中為在以上公式中：u是指定子的電壓，i是指定子電流，φ是指定子的磁鏈，Te是指定子的電磁轉(zhuǎn)矩分；d指定子的直軸分量，q是指定子的交軸分量；Rs是指電子繞組電阻值，Ld指的是定子繞組直軸分量，Lq是指定子繞組交軸電感；φf(shuō)是指轉(zhuǎn)子的永磁體磁鏈，ωr為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。2.3永磁同步電機(jī)的控制策略（1）PI控制PI控制器距今已有70多年的歷史，它是作為目前主流的工業(yè)控制技術(shù)的主要控制策略，其具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、工作穩(wěn)定、調(diào)解方便等優(yōu)點(diǎn)。目前被廣泛運(yùn)用的PI控制器主要是位置環(huán)、速度環(huán)等，在使用PI控制的控制系統(tǒng)中，通常系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性要高于其他控制策略的永磁同步電機(jī)。但是由于采用PI控制的永磁同步電機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載發(fā)生比較大的變化時(shí)，控制系統(tǒng)的控制能力下降，穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于其他控制策略的電機(jī)。巴哈大賽的比賽場(chǎng)地是屬于越野路況，有各種不確定的環(huán)境因素的影響，PI控制的性能會(huì)出現(xiàn)很大起伏，所以PI控制在巴哈大賽上會(huì)出現(xiàn)很多不足。（2）滑模變結(jié)構(gòu)控制滑模變結(jié)構(gòu)的控制是斷斷續(xù)續(xù)的，而目前主流的控制是不間斷的，這是滑模變結(jié)構(gòu)控制與目前主流控制的根本區(qū)別。采用滑模變節(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，它結(jié)構(gòu)會(huì)隨著時(shí)間的變化會(huì)產(chǎn)生一個(gè)類似開(kāi)關(guān)的變化。當(dāng)系統(tǒng)處于非滑動(dòng)模態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的狀態(tài)容易受到外部條件和原定參數(shù)的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)不能很好的對(duì)外界作出反應(yīng)。但是滑模塊控制的算法十分簡(jiǎn)單，比較容易實(shí)現(xiàn)。目前在實(shí)際應(yīng)用中，最理想情況下的滑模變結(jié)構(gòu)控制是不容易實(shí)現(xiàn)的。由于在實(shí)際過(guò)程中存在著慣性、時(shí)間延遲、空間滯后等因素，所以電機(jī)不能達(dá)到理想的滑模變結(jié)構(gòu)控制，很難實(shí)現(xiàn)完美的沿滑模線運(yùn)動(dòng)。在實(shí)際使用過(guò)程中，尤其是電動(dòng)巴哈大賽的越野路況，環(huán)境因素和負(fù)載狀況更加復(fù)雜，會(huì)造成滑膜變系統(tǒng)控制質(zhì)量下降，同時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。(3)自適應(yīng)控制自適應(yīng)控制不需要構(gòu)建一個(gè)精確的控制目標(biāo)，或者對(duì)控制目標(biāo)進(jìn)行估算，只需要找到一個(gè)合適的體系構(gòu)架，能實(shí)時(shí)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行跟蹤和在線識(shí)別，以及對(duì)控制對(duì)象的改變做出調(diào)整。但是由于自適應(yīng)控制技術(shù)目前還不大成熟，有嚴(yán)重缺點(diǎn)。如在線識(shí)別和校正過(guò)程往往需要較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)于需要系統(tǒng)進(jìn)行快速反應(yīng)的系統(tǒng)，效果很可能會(huì)大大折扣。尤其是電動(dòng)巴哈大賽是室外越野路況負(fù)載和外部環(huán)境更為復(fù)雜，自適應(yīng)控制系統(tǒng)反應(yīng)可能會(huì)需要更多的時(shí)間，不適用于巴哈大賽的越野路況。(4)模糊控制模糊控制于上世紀(jì)60年代提出，在工業(yè)上等到廣泛的應(yīng)用并快速發(fā)展的一種控制策略。模糊控制對(duì)控制對(duì)象不需要進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)模型控制，被廣泛用于其他控制策略無(wú)法解決的非線性、時(shí)變系統(tǒng)等等問(wèn)題。但是由于模糊控制不能達(dá)到模糊控制的最理想狀況，其本身有較大缺點(diǎn)。不適用于巴哈大賽的競(jìng)賽的要求。(5)直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制于上世紀(jì)80年代提出，是指通過(guò)直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制的一種控制方式，主要是指系統(tǒng)靠控制轉(zhuǎn)矩和用于磁鏈量的控制以及磁鏈自控制。直接把轉(zhuǎn)矩控制（directtorquecontrol）顧名思義就是直接控制轉(zhuǎn)矩，而不是和其他的控制策略一樣，通過(guò)經(jīng)過(guò)電流、磁鏈等方式間接的來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)矩持續(xù)控制。直接扭矩控制的最大特點(diǎn)是強(qiáng)制控制數(shù)值運(yùn)算在定子坐標(biāo)系中進(jìn)行，不需要地標(biāo)隨時(shí)變化，不需要定子中電流的非配合協(xié)調(diào)，簡(jiǎn)化了信息處理階段，大大提高了直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)的運(yùn)算速度。但是在理論和實(shí)踐上還存在著很大的進(jìn)步空間，技術(shù)不夠成熟。例如：轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、低速性能不理想等各種情況。2.4矢量控制的原理永磁同步電機(jī)矢量控制被廣泛用于永磁同步電機(jī)。目前市面上主流的永磁同步電機(jī)大多使用矢量控制。運(yùn)用矢量控制的永磁同步電機(jī)可以等同于直流電機(jī)，矢量控制通過(guò)模擬坐標(biāo)變換直接把磁鏈和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行簡(jiǎn)化，讓永磁同步電機(jī)內(nèi)部形成轉(zhuǎn)子磁鏈形成的兩相參考坐標(biāo)系。采用矢量控制策略的永磁同步電機(jī)具有永磁同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還具有直流電機(jī)的特性。永磁同步電機(jī)矢量控制策略的運(yùn)用條件不同，矢量控制策略方案就不同，主要以下幾種：（1）id=0控制；（2）滯環(huán)電流控制：（3）弱磁控制；（4）恒磁鏈控制；（5）最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。id=0控制永磁同步電機(jī)是一個(gè)具有很多變量的強(qiáng)耦合非線性系統(tǒng)，在id、iq之間存在著磁場(chǎng)互感的關(guān)系，正是因?yàn)榇嬖谥@種關(guān)系，永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)沒(méi)有辦法對(duì)id、iq、ωr進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)。永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩受勵(lì)磁電流的影響較小，所以通過(guò)控制id=0，定子電流就只剩下轉(zhuǎn)矩分量，這是永磁同步電機(jī)就相當(dāng)于一個(gè)直流電機(jī)。這種矢量控制的方案有下述幾個(gè)缺點(diǎn)：①運(yùn)用這種控制策略的永磁同步電機(jī)在負(fù)載較大時(shí)，表現(xiàn)比較差，不適合用于大載荷的工作狀況。②當(dāng)永磁同步電機(jī)的負(fù)載較大的時(shí)候，電抗上的壓降也隨之增大，系統(tǒng)功率因素會(huì)大大較低。由于上述的兩個(gè)缺點(diǎn)，id=0這個(gè)控制策略比較適用于容量要求較小，但同時(shí)對(duì)電機(jī)性能要求比較高的電機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)使用。滯留電環(huán)控制在電壓型逆變器中，滯環(huán)電流控制是一種控制暫態(tài)電流流出的方法。如果逆變器的開(kāi)關(guān)電流大于實(shí)際開(kāi)關(guān)電流，將通過(guò)比較給定電流和實(shí)際開(kāi)關(guān)電流來(lái)改變。相反，假如逆變器的開(kāi)關(guān)電流的值變?yōu)樾∮趯?shí)際開(kāi)關(guān)電流，則其將變?yōu)樾∮趯?shí)際開(kāi)關(guān)電流。通過(guò)這種方法，可以控制實(shí)際電流的變化，降低系統(tǒng)電流的誤差，降低系統(tǒng)功耗。具有滯環(huán)控制的逆變器系統(tǒng)一般包括速度控制和具有滯環(huán)控制的電流閉環(huán)，這種控制策略實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較容易，而且控制系統(tǒng)的抗干擾能力較強(qiáng)，反應(yīng)能力比較快。不需要特別好的電機(jī)，并且具有良好的魯棒性。然而，這種控制策略中逆變器的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)跟隨著電機(jī)的運(yùn)行而發(fā)生變化，并且這種變化的區(qū)間很大，而且規(guī)則不規(guī)律，會(huì)帶來(lái)很大的噪聲。（3）弱磁控制弱磁控制是一種通過(guò)增加電流的直軸退磁分量來(lái)削弱勵(lì)磁磁場(chǎng)，并且使使用這種控制策略的電機(jī)的轉(zhuǎn)速等到一定的提升。這種控制模式的缺點(diǎn)是，永磁同步電機(jī)內(nèi)部使用的永磁體的磁場(chǎng)是恒定的，這種控制模式在永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)比較難。只有通過(guò)改變定子的電流，才能擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，增加了使用的成本。永磁同步電機(jī)的弱磁控制主要適用于大功率控制系統(tǒng)。恒磁鏈控制恒磁鏈控制是一種控制方法，通過(guò)調(diào)整定子電流，使電機(jī)中永磁體的振幅等于定子交軸磁鏈的振幅。這種控制策略使電機(jī)的功率大幅度提高，適用于大功率控制系統(tǒng)。(5)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制最大轉(zhuǎn)矩電流比控制又被稱為單位電流最大轉(zhuǎn)矩的控制，就是通過(guò)控制id來(lái)得到最大的轉(zhuǎn)矩，最大轉(zhuǎn)矩電流比控制在永磁同步電機(jī)的控制方案中同樣廣泛運(yùn)用。在電機(jī)產(chǎn)生要求的最大轉(zhuǎn)矩的情況下，最大轉(zhuǎn)矩比控制相比其他的控制方式達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩所需定子電流小，因此電機(jī)的損耗下降，可以構(gòu)建一個(gè)適用于變流器的工作環(huán)境，讓電機(jī)的效率大大提高。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制和可以降低電機(jī)的銅的消耗耗，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，可以提高電機(jī)的工作效率，適用于競(jìng)賽和高轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合。上述的矢量控制的所有控制方案都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，主要是要考慮該永磁同步電機(jī)的使用工況，來(lái)選擇合適的矢量控制策略。本控制器主要用于電動(dòng)巴哈大賽，由于巴哈大賽的競(jìng)賽要求以及不同的越野路況，需要良好的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和較大的調(diào)速范圍，最大電流轉(zhuǎn)矩比控制可以提高電機(jī)的工作效率，特別適用于頻繁的啟動(dòng)、剎車、加速和減速的電動(dòng)汽車上。2.5矢量控制的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制優(yōu)缺點(diǎn)永磁同步電機(jī)中矢量控制是目前所有的控制策略中使用率最高的，而且矢量控制策略技術(shù)已經(jīng)得到發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)逐步成熟。矢量控制的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制策略它可以大大提高的電機(jī)的工作效率。在減少電機(jī)的銅耗時(shí)，減少電機(jī)的磨損量，延長(zhǎng)了永磁同步電機(jī)的使用壽命。最大轉(zhuǎn)矩電流比控制可以提供良好的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩和比較大的調(diào)速范圍，適用于巴哈大賽的頻繁剎車、起步、加速等多種情況的電動(dòng)汽車。但是由于永磁同步電機(jī)的參數(shù)在電機(jī)的使用過(guò)程中容易受到電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速等因素的影響，同時(shí)間接影響了最大轉(zhuǎn)矩電流比控制。2.6本章小結(jié)第二章永磁同步電機(jī)控制模式的開(kāi)發(fā)主要是確定了本文所用電機(jī)為永磁同步電機(jī)。講述了目前電動(dòng)汽車用電機(jī)的現(xiàn)狀。立體的講述了永磁同步電機(jī)，與其他車用電機(jī)進(jìn)行類比。同時(shí)建立了永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。從永磁同步電機(jī)的控制策略中介紹大部分等永磁同步電機(jī)的控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)。并確定了本文中永磁同步電機(jī)系統(tǒng)所使用的控制策略：矢量控制策略。一一介紹了永磁同步電機(jī)的矢量控制策略的各種控制方式，如：i=0控制、恒磁鏈控制、最大轉(zhuǎn)矩電流比控制等矢量控制的優(yōu)缺點(diǎn)，并選定了矢量控制的最大轉(zhuǎn)矩電流比控制為本文永磁同步電機(jī)的控制方式。3控制器電路原理圖的設(shè)計(jì)電機(jī)控制器的硬件部分和軟件部分組成了一個(gè)完整的永磁同步電機(jī)控制器。本章節(jié)主要對(duì)永磁同步電機(jī)的控制器硬件電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。3.1控制器電路原理圖設(shè)計(jì)軟件介紹在設(shè)計(jì)電機(jī)控制器硬件電路部分是主要是通過(guò)軟件AltiumDesigner來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。AltiumDesigner主要是一種電子產(chǎn)品開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，主要是適用于電路原理圖、PCB的設(shè)計(jì)，選擇AltiumDesigner的主要原因是其具有：（1）功能強(qiáng)大、完整統(tǒng)一的設(shè)計(jì)環(huán)境，簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)工作臺(tái)。（2）數(shù)字電路和邏輯電路可以在AltiumDesigner上實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)發(fā)。（3）可以把設(shè)計(jì)完成的電路原理圖直接轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的PCB項(xiàng)目。（4）簡(jiǎn)潔明了的操作界面，是簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)工具臺(tái)，可以快速學(xué)習(xí)和使用。（5）豐富使用的工具臺(tái)，目前常見(jiàn)的所有電子元器件都可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到。3.2控制器芯片TMS320F28335芯片永磁同步電機(jī)的控制器的核心部分就是控制器硬件電路，主要是通過(guò)控制器內(nèi)部的主控芯片來(lái)對(duì)永磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。文中永磁同步電機(jī)采用的矢量控制策略，這種控制策略對(duì)芯片的要求較高，因此需要選用功能強(qiáng)大、工作穩(wěn)定等多種功能的控制芯片。TMS320F28x系列DSP芯片具有較高的運(yùn)算精度和系統(tǒng)處理能力，TMS320F28x系列芯片高速的運(yùn)算能力能保證永對(duì)磁同步電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確穩(wěn)定的控制，提高整個(gè)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文中主芯片采用的是TMS320F28x系列芯片中的TMS320F28335，芯片主頻是150MHZ，芯片TMS320F28335具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，周期短，響應(yīng)快，所需工作電壓較低，運(yùn)行快，可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。（2）具有高性能32位CPU，功能強(qiáng)大，系統(tǒng)穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)快速中斷響應(yīng)和處理，具有統(tǒng)一的存儲(chǔ)器編碼模型，可以實(shí)現(xiàn)目前主流編程程序的控制。 （3）具有高達(dá)128K*16的閃存，34K*16SARAM等片上存儲(chǔ)器。 （4）芯片內(nèi)存大，存儲(chǔ)能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)在線編程控制。 （5）兩個(gè)事件管理器（EVA、EVB）可以與240xA、器件兼容等電機(jī)控制外設(shè)。 （7）可以分析和斷點(diǎn)功能，可以通過(guò)硬件來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試。 （8）支持休眠、待機(jī)、停機(jī)模式，不可以使用單獨(dú)的外設(shè)時(shí)鐘。（9）工作溫度合適。TMS320F28335芯片可以保持在150MHZ的時(shí)鐘速率不變的情況下，和以前的TMS320F28x系列芯片相比，整體性能得到大幅度的提高。TMS320F28335芯片運(yùn)算能力得到加強(qiáng)，在通過(guò)設(shè)置事件管理器內(nèi)部的存儲(chǔ)器就可以控制永磁同步電機(jī)輸出。通過(guò)設(shè)置捕獲單元，可以對(duì)編碼器進(jìn)行快速解碼，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子位置和電機(jī)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)監(jiān)控。要獲得定子電流、直流母線電壓的值，只需要對(duì)TMS320F28335芯片自帶的數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置就能實(shí)現(xiàn)。TMS320F28335芯片大幅度的簡(jiǎn)化了永磁同步電機(jī)控制器的外部電路，使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。圖3-1TMS320F28335芯片3.2.1DSP最小系統(tǒng)電路TMS320F28335型號(hào)的DSP系統(tǒng)主要由電源電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路和JTAGA接口電路組成。TMS320F28335型號(hào)的DSP系統(tǒng)電路如圖所示：圖3-2TMS320F2812DSP最小系統(tǒng)（1）電源電路給芯片供電的主要是通過(guò)電源電路來(lái)進(jìn)行供電，使芯片TMS320F28335能夠正常工作。芯片TMS320F28335正常工作需要兩個(gè)電源，一個(gè)3.3V能保證系統(tǒng)正常工作的電源，一個(gè)是芯片TMS320F28335內(nèi)核工作所需的1.9V電源。電機(jī)控制器電路中大部分的電子元器件的工作電壓是5V，由于5V電壓的需求量遠(yuǎn)大于芯片TMS320F28335的電壓需求量，所以該電機(jī)控制系統(tǒng)的電壓往往設(shè)計(jì)成5V的穩(wěn)定電壓。此時(shí)，需要設(shè)計(jì)專門的電路來(lái)對(duì)5V的穩(wěn)定電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成芯片TMS320F28335正常工作時(shí)做需要的電壓值，由于芯片TMS320F28335正常工作所需電壓有1.9V和3.3V,所以要設(shè)計(jì)兩個(gè)電平轉(zhuǎn)化電路來(lái)維持芯片TMS320F28335的正常工作。LM系列是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，當(dāng)它的負(fù)載電流為800mA時(shí)為可以輸出一個(gè)1.2V的穩(wěn)定電壓。其功能是可以將輸入電壓通過(guò)2個(gè)外部電阻可以實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化范圍大概在1.25~13.8V之間。當(dāng)選用根據(jù)前文所設(shè)計(jì)電路的需要，供電電源設(shè)計(jì)是為了提供±5V電源和IGBT模塊所需15V電源，整體控制系統(tǒng)電源我們采用36V供電，為了滿足多電壓等級(jí)需求，采用經(jīng)典線性電源LM7805、LM7905來(lái)提供5V的穩(wěn)定電壓。通過(guò)轉(zhuǎn)化電路就可以把系統(tǒng)的5V穩(wěn)定電壓轉(zhuǎn)化為芯片TMS320F28335工作所需的兩個(gè)電壓值。圖3-2±5V供電電源電路IGBT模塊模塊正常工作需要電壓為±15V的電壓，所以在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)供電電源為±15V的電源。為了達(dá)成設(shè)計(jì)要求，本文采用LM7815、LM7915來(lái)完成設(shè)計(jì)。圖3-3±15V供電電源電路本文設(shè)計(jì)采用TPS73HD301芯片提供內(nèi)核電壓（1.9V）與I/O供電電壓(3.3V)。在設(shè)計(jì)方面，可以在芯片兩個(gè)輸入端同時(shí)接入0.1μF的貼片電容，可以過(guò)濾掉一部分的濾波干擾。在電路的輸出部分，可以接入幾個(gè)10uF電容接地,來(lái)提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。3.3V電源可以直接輸出，1.9V的內(nèi)核電壓需要通過(guò)計(jì)算電阻R1和R2的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓，R1和R2的電阻值應(yīng)該通過(guò)下列計(jì)算得到:（4-1）其中Vref=1.182V。（4-2）（4-3）R1的電阻值應(yīng)為102.7千歐，R2的電阻值應(yīng)為169千歐。圖3-4DSP電源電路（2）復(fù)位電路復(fù)位電路的作用主要是為了讓看門狗恢復(fù)到初始位置，等同于計(jì)算其中的歸零作用。為了防止TMS320F28335型號(hào)的DSP系統(tǒng)出錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)看門計(jì)數(shù)器值的歸零，就需要對(duì)看門狗密匙寄存器周期性軟件寫(xiě)入0x55+0xAA來(lái)控制看門狗計(jì)數(shù)器，就可以保證看門狗恢復(fù)到初始位置，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)死機(jī)等情況，看門狗計(jì)數(shù)控制器的值無(wú)法歸零，系統(tǒng)會(huì)發(fā)生故障。當(dāng)復(fù)位引腳XRS收到低電平的信號(hào)時(shí)，看門狗及整個(gè)TMS320F28335型號(hào)的DSP系統(tǒng)恢復(fù)初始化，系統(tǒng)可以正常工作（3）晶振電路晶振電路的作用是為了給芯片TMS320F28335提供時(shí)鐘信號(hào)，讓芯片正常工作。目前主流的晶振電路設(shè)計(jì)主要有兩種。本文直接利用DSP內(nèi)部晶振提供工作頻率，在芯片TMS320F28335中的引腳X1和X2，兩個(gè)引腳外接出一個(gè)晶振，本文選用晶振為30MHZ，和24pF電容構(gòu)成晶振電路。同時(shí)TMS320F28335內(nèi)部可以根據(jù)我們需要編程設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，具有可編程鎖相環(huán)。圖3-5晶振電路(4)JTAG接口JTAG接口電路的主要作用是對(duì)TMS320F28335型號(hào)的DSP芯片進(jìn)行程序?qū)懭牒驮诰€仿真測(cè)試。圖3-6JTAG接口電路3.3驅(qū)動(dòng)模塊電路本文選用的逆驅(qū)動(dòng)模塊所使用的開(kāi)關(guān)管是英飛凌的BMS50GM120DN2的IGBT功率開(kāi)關(guān)，這種功率開(kāi)關(guān)需要15V的電壓才能正常工作，可以控制驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)。DSP輸出的控制信號(hào)電壓是3.3V的電壓，其電壓值較低，在主電路的開(kāi)關(guān)管附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰脈沖使DSP系統(tǒng)不能正常工作。為了保證電路能夠正常工作，需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路來(lái)對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)。選用2SC0108T驅(qū)動(dòng)模塊，其電源端口需要外接15V的電源來(lái)給芯片供電，通過(guò)這樣來(lái)限制電流沖擊，來(lái)保證芯片正常運(yùn)行。本色設(shè)計(jì)需要驅(qū)動(dòng)半橋結(jié)構(gòu)MMC，芯片驅(qū)動(dòng)模式需要外接電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)半橋驅(qū)動(dòng)模式的配置。因此根據(jù)資料需要使用一個(gè)71KΩ＜Rm＜181KΩ電阻將模式選擇（MOD）引腳對(duì)地短接。。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)間隔死區(qū)時(shí)間由電阻Rm計(jì)算決定公式如下: （4-18）（4-19）（4-20）根據(jù)公式（4-20）確定Rm阻值為100KΩ。通過(guò)下列計(jì)算，計(jì)算出管腳TB和GND之間需要的Rb的電阻值，根據(jù)Rb的電阻值來(lái)對(duì)阻斷時(shí)間Tb進(jìn)行設(shè)置：（4-21）（4-22）（4-23）根據(jù)公式（4-23）確定Rb的阻值為81KΩ。圖3-7驅(qū)動(dòng)模塊輸入電路CONCEPT建議使用Rthx=68KΩ。對(duì)于1200V和1700VIGBT，要設(shè)置一個(gè)Rax=來(lái)對(duì)對(duì)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行控制。圖3-8驅(qū)動(dòng)模塊輸出電路3.4電壓電流采樣電路設(shè)計(jì)直流母線電壓和定子相電流的數(shù)值在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中十分重要，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常運(yùn)行，必須對(duì)直流母線電壓和定子相電流的數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。（1）電流采樣電路設(shè)計(jì)電機(jī)電流采樣的準(zhǔn)確性和及時(shí)性是非常重要的指標(biāo)，必須對(duì)它進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以本文設(shè)計(jì)電流采樣電路來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。為本文所用電機(jī)為三相永磁同步電機(jī)，顧名思義三項(xiàng)永磁同步電機(jī)的三相電流的矢量和為零，所以在三相定子電流U、V、W中只需要往往只用檢測(cè)其中兩相電流基于可以計(jì)算得到第三相電流值。在本設(shè)計(jì)中，一相定子電流Ｕ相的采樣電路與Ｖ相相同。通過(guò)運(yùn)算放大器AD8542AR芯片可以確定輸電流和輸出電流的數(shù)學(xué)義系式，利用運(yùn)算放大器AD8542AR芯片就可以對(duì)三相電子電流實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控。圖3-9定子電流采樣電路（2）電壓采樣電路設(shè)計(jì)直流母線電壓通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算放大器AD8542AR芯片可以確定輸電壓和輸出電壓的數(shù)學(xué)義系式，利用運(yùn)算放大器AD8542AR芯片可以對(duì)直流母線電壓實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控與采集。圖3-10定子電壓采樣電路3.5轉(zhuǎn)速位置信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行中，通常把轉(zhuǎn)速作為被控量，把轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給永磁同步電機(jī)的矢量控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，知道轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，就可以根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置進(jìn)行計(jì)算得到系統(tǒng)此時(shí)的參考電壓，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的矢量控制。目前，對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)，有光電編碼器、霍爾傳感器、解析器等解決方案。光電編碼器，又稱軸編碼器、光電角位置傳感器，是光、機(jī)、電一體化的數(shù)字檢測(cè)裝置。按用途可分為增量式和絕對(duì)式光電編碼器?；魻杺鞲衅骶哂邪惭b簡(jiǎn)單、線性度好、體積小等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于電機(jī)位置的檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，使車輛按指令運(yùn)行，必須對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋。采用傳統(tǒng)的光電編碼器進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速采集，難以克服車輛實(shí)際運(yùn)行條件惡劣的環(huán)境問(wèn)題。由于該旋轉(zhuǎn)器具有更好的公差，因此設(shè)計(jì)中采用該旋轉(zhuǎn)器進(jìn)行速度反饋。轉(zhuǎn)子的角位移而變化，因此輸出電壓隨轉(zhuǎn)子的角位移會(huì)引起變壓器的一次繞組和二次繞組的相對(duì)位置變化，從而使系統(tǒng)輸出電壓會(huì)隨著轉(zhuǎn)子的角位移變化而產(chǎn)生變化。輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子角度呈正弦余弦函數(shù)關(guān)系，或保持一定的比例關(guān)系，或在一定的角度范圍內(nèi)與角度呈線性關(guān)系。在同步伺服系統(tǒng)和數(shù)字伺服系統(tǒng)中，解析器可以用來(lái)傳送角度或電信號(hào)。解析器用于電子同步伺服系統(tǒng)或數(shù)字伺服控制系統(tǒng)中傳送角電流或電信號(hào)。本文主要采用E6C2-C的編碼器用來(lái)做轉(zhuǎn)速位置信號(hào)檢測(cè)的原件，光電編碼器信號(hào)經(jīng)過(guò)AM26L31輸出，后根據(jù)要求經(jīng)過(guò)差分信號(hào)接收芯片AM26L32對(duì)信號(hào)進(jìn)行住轉(zhuǎn)化，輸入DSP最小系統(tǒng)。這種編碼器工作穩(wěn)定、功能強(qiáng)大可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。轉(zhuǎn)速位置信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖所示，其中R1是光耦輸入端的限流電阻，R2是輸出側(cè)上拉電阻，R3是光電編碼器必備電阻。圖3-11轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路3.6本章小結(jié)第三章永磁同步電機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)主要是通過(guò)軟件AltiumDesigner來(lái)完成永磁同步電機(jī)控制器的電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。第一步選定電機(jī)控制器的主控芯片TMS320F28335，然后圍繞著TMS320F28335進(jìn)行DSP最小系統(tǒng)的電路的設(shè)計(jì)，如電源電路，晶振電路等電路的設(shè)計(jì)。其次是永磁同步電機(jī)控制器中轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、定子電壓檢測(cè)電路、直流母線電壓檢測(cè)電路等各種電路設(shè)計(jì)過(guò)程。

4電機(jī)控制器殼體設(shè)計(jì)第四章電機(jī)控制器課題設(shè)計(jì)主要是為了確當(dāng)殼體的材料，并對(duì)永磁同步電機(jī)的控制器殼體進(jìn)行建模與有限元分析。4.1電機(jī)控制器殼體建模軟件本章節(jié)中對(duì)永磁同步電機(jī)的建模所采用的軟件是UG（UnigraphicsNX），UG是由西門子公司（SiemensPLMSoftware）出品，目前因?yàn)槠鋬?yōu)秀的性能和簡(jiǎn)潔的使用界面是目前三維建模所通用的建模軟件之一。本設(shè)計(jì)選用UG的主要原因是：UG的操作界面簡(jiǎn)潔明了，可以實(shí)現(xiàn)多種三維建模命令，可以對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)快捷設(shè)計(jì)，擁有強(qiáng)大的后期處理能力，被廣泛用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與后期處理。4.2電機(jī)控制器殼體建模4.2.1殼體部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成建模過(guò)程。永磁同步電機(jī)殼體建模主要先考慮盒子內(nèi)部PCB的大小才能完成建模過(guò)程。選用芯片TMS320F28335的封裝尺寸為9.2*5.3mm*2.9mm，調(diào)節(jié)器LM系列的封裝尺寸為6.5mm*3.50mm，BMS50GM120DN2的IGBT功率開(kāi)關(guān)長(zhǎng)寬高分別為94mm*34mm*30.5mm，2SC0108T是目前在工業(yè)應(yīng)用中最緊湊的驅(qū)動(dòng)核,尺寸僅有45mm*4.3mm,高度為16mm。旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)化芯片AD2S1210WDSTZ封裝尺寸9.20mm*7.20mm*1.6mm。芯片AM26L31尺寸為7.62mm，放大運(yùn)算器AD8542尺寸為0.154英寸，寬為3.90mm.再考慮PCB上電阻電容等各個(gè)模塊，及PCB的布線等要求，電機(jī)控制器殼體尺寸規(guī)格為120mm*65mm*50mm。建模如圖所示：圖4-1電機(jī)控制器殼體4.2.2控制器殼體部分的材料選取最優(yōu)化，滿足電動(dòng)巴哈賽車在不同工況下的需要。在對(duì)永磁同步電機(jī)的控制器殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)，不僅僅要考慮永磁同步電機(jī)控制器殼體的結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)該要考慮永磁同步電機(jī)控制器殼體的材料選取，不同的材料散熱性、抗腐蝕性等性能大不相同，如金屬材料和非金屬材料就有很大的區(qū)別，金屬材料具有很好的導(dǎo)熱性和較高的機(jī)械強(qiáng)度等各種優(yōu)點(diǎn)，但是也有加工困難、重量大和成本高等各種缺點(diǎn)，非金屬材料具有隔熱性好和硬度大等各種優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也具有延展性較差、材質(zhì)較脆等各種缺點(diǎn)。為了能夠選取最優(yōu)化的殼體材料，必須了解以下幾點(diǎn)：（1）控制器在巴哈大賽使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱，殼體材料必須選散熱性較好的材料。（2）電動(dòng)巴哈大賽屬于比賽性質(zhì)，所以在保證電動(dòng)巴哈賽車性能的情況下盡量對(duì)殼體進(jìn)行輕量化，是電機(jī)控制器的質(zhì)量較小，保證車輛性能，所以電機(jī)殼體材料應(yīng)該選擇密度小的材料。（3）電動(dòng)巴哈賽車工作情況較為復(fù)雜，有很多種工況的要求，會(huì)有野外顛簸不平的路面，所以在車輛行使過(guò)程中會(huì)有顛簸等情況，所以巴哈賽車控制器殼體的材料應(yīng)該具有良好的靠疲勞性。（4）電動(dòng)巴哈賽車工作情況較為復(fù)雜，有很多種工況的要求，控制器殼體直接暴露在空氣之中，又遇到路面積水、下雨等特殊情況，所以選擇的材料要有一定的抗腐蝕性。（5）在保證上述要求的情況下，應(yīng)該選取合適材料，做到成本做優(yōu)化。（6）電機(jī)控制器殼體材料考慮的加工工藝及密封性，做到密封性好，以滿足巴哈大賽越野要求。4.2.3控制器殼體材料的選擇為了保證控制器外殼的設(shè)計(jì)要求，大多數(shù)控制器外殼材料為金屬材料。在選擇控制器材料的金屬材料時(shí)，還必須考慮大多數(shù)金屬的物理性能，例如金屬材料密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性等各種物理性能性能；同時(shí)還應(yīng)該考慮大多數(shù)金屬材料的化學(xué)性能，如耐蝕性、抗氧化性等各種化學(xué)性能；同時(shí)金屬材料的力學(xué)性能也不能忽視，如強(qiáng)度、塑性、硬度、疲勞強(qiáng)度等力學(xué)性能；還要兼顧金屬材料的工藝性能，如鑄造性能、壓力加工性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等。在目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的所有金屬材料中，金屬銀毫無(wú)疑問(wèn)是最符合上述要求的，是最適合作為永磁同步電機(jī)控制器殼體的金屬銀具有良好的物理性能，同時(shí)具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、較高的延展性，但是由于金屬銀的價(jià)格昂貴、密度高且延展性過(guò)強(qiáng)不太適合用于殼體材料。其次較為符合的金屬材料還有金屬銅，金屬銅相比之下稍微比金屬銀遜色，但是由于銅的價(jià)格同樣較為昂貴且密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁，不易加工。其次是所有金屬材料中最為常見(jiàn)的金屬鐵，金屬鐵雖然價(jià)格低廉，抗拉強(qiáng)度較好，但是由于金屬鐵易氧化、腐蝕、密度遠(yuǎn)大于鋁、且導(dǎo)熱性不如鋁，但是由于純金屬雖然具有良好的物理、化學(xué)性能，如良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、耐腐蝕性等，但是大多數(shù)純金屬的剛度、硬度一般、且價(jià)格比較昂貴、制取困難等因素影響，純金屬不大適用于控制器殼體材料。但是由于純鋁的強(qiáng)度較低，在使用過(guò)程中容易發(fā)生變形。所以控制器殼體采用鋁合金，鋁合金具有較好的力學(xué)性能和工藝性能，且冶煉方便、價(jià)格低廉，容易加工，是制造各種機(jī)器、工程結(jié)構(gòu)、維修工具等最主要的材料，在汽車零件制造中也得到廣泛的應(yīng)用，汽車上的活塞、離合器罩、輪轂、底盤、變速器殼體、油箱等大部分零件都用到了鋁合金。鋁合金主要是為了提高鋁的物理性能、化學(xué)性能、工藝性能等特性，向其中加入一些微量元素的合金。表4-1常見(jiàn)金屬物理性能比較材料金銀銅鐵鋁密度（kg/m3）1963010500892078602700導(dǎo)熱系數(shù)31741438373228抗拉強(qiáng)度10018024517080成本高高高低低4.2.4控制器殼體實(shí)現(xiàn)輕量化。在保障控制器殼體的設(shè)計(jì)要求，控制器殼體材料一般選用金屬材料。金屬材料選用鋁合金的最大原因就是鋁合金密度小、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性耐腐蝕性都比鋼好。在選用鋁合金的情況下對(duì)殼體進(jìn)行輕量化研究。首先是保證殼體的強(qiáng)度，在電機(jī)控制器殼體的尺寸方面盡量小、結(jié)構(gòu)足夠緊湊、電機(jī)控制器殼體質(zhì)量足夠小、殼體厚度足夠薄等各個(gè)方面做到殼體的輕量化，盡可能降低電機(jī)控制器殼體的整備質(zhì)量，提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染，是汽車行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的主要手段之一。4.2.5控制器殼體的加工工藝及密封性。在保障控制器殼體的設(shè)計(jì)要求，既要考慮殼體的加工工藝，也要考慮殼體的密封性能。殼體的加工工藝對(duì)殼體的質(zhì)量、降低成本等有著巨大的影響，是對(duì)電機(jī)控制器殼體設(shè)計(jì)、制造、維修過(guò)程中必須考慮的因素。鋁合金在其鑄造性能方面有著優(yōu)良的表現(xiàn)，主要表現(xiàn)在其液態(tài)金屬的流動(dòng)性和收縮率等方面。在控制器殼體密封性方面，主要受到控制器殼體加工工藝好壞的影響。為了保證控制器殼體的密封性，在控制器殼體加工過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙來(lái)進(jìn)行加工，在螺栓裝配時(shí)，可以采用墊圈、墊片等方式來(lái)提高電機(jī)控制器殼體的密封性。4.2.6控制器殼體的散熱性能在電機(jī)控制器運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)控制器會(huì)發(fā)熱。其主要原因時(shí)因?yàn)榭刂破鲀?nèi)部芯片、MOS管等電氣元件在工作過(guò)程中放出大量熱，但是如果這些電氣元件長(zhǎng)時(shí)間在高溫狀態(tài)下工作，其使用壽命會(huì)大大縮短，所以就要加快熱量的散發(fā)。所以控制器殼體材料采用鋁合金，鋁合金的導(dǎo)熱性好，其導(dǎo)熱系數(shù)時(shí)204/W*(m*k)，比大部分的金屬材料都要好。采用鋁合金作為控制器殼體的材料已經(jīng)可以把大部分的熱量給消耗。如果覺(jué)得只靠鋁合金自身的導(dǎo)熱性能不可以完全散熱的話，可以在電機(jī)控制器殼體外面增加一個(gè)散熱結(jié)構(gòu)，比如增加水冷或者風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，本文考慮成本問(wèn)題，結(jié)合鋁合金自身的散熱能力，可以在鋁合金外殼上貼上散熱片，以此來(lái)增加電機(jī)控制器殼體的散熱能力。4.2電機(jī)控制器殼體強(qiáng)度校核在電動(dòng)巴哈運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)遇到很多種復(fù)雜工況，如陡坡、凹坑、路面不平等各種狀況，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)控制器外殼受到各種負(fù)載的外力。為了保證電機(jī)控制外殼在陡坡、凹坑、路面不平等各種狀況下具有足夠的強(qiáng)度和剛度，不會(huì)發(fā)生形變、斷裂等各種情況，從而使電機(jī)控制器內(nèi)部電子元器件受到破壞，從而對(duì)電機(jī)控制器外殼進(jìn)行靜態(tài)分析。有限元分析法是把力學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的一種分析方法，目前被廣泛應(yīng)用于汽車的生產(chǎn)與制造過(guò)程中。有限元分析法實(shí)際上是把一個(gè)整體結(jié)構(gòu)先進(jìn)行劃分，把其分割成一個(gè)個(gè)的小的構(gòu)件，這些構(gòu)件可以聯(lián)系起來(lái)形成原構(gòu)件。在分析過(guò)程中，把各個(gè)小的構(gòu)件的力學(xué)性能結(jié)合在一起，求解出應(yīng)力的變化，就可以進(jìn)一步反應(yīng)出原結(jié)構(gòu)的受力和位移。有限元分析所采用的軟件是Ansys。圖4-2殼體的網(wǎng)格劃分圖4-3殼體的變形效果圖圖4-4殼體的應(yīng)力效果圖根據(jù)上述的應(yīng)力與變形的效果圖可以看出，目前設(shè)計(jì)的鋁合金永磁同步電機(jī)控制器殼體可以符合要求，而且做到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、殼體輕量化等。4.3本章小結(jié)第四章永磁同步電機(jī)控制器殼體設(shè)計(jì)主要是通過(guò)UG來(lái)對(duì)圖形完成建模過(guò)程。在永磁同步電機(jī)控制器殼體建模之前要考慮電機(jī)控制器的殼體材料，在確定永磁同步電機(jī)控制器殼體材料為鋁合金后，對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，做到控制器殼體輕量化，同時(shí)考慮永磁同步電機(jī)控制器殼體的加工工藝、密封性能等各種方面。在永磁同步電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，電機(jī)控制器會(huì)嘗試一些熱量，這就需要永磁同步電機(jī)的就控制器殼體具有很強(qiáng)的散熱性，鋁合金本身就具有很強(qiáng)的散熱性能，能夠把永磁同步電機(jī)的控制器內(nèi)部電子元器件產(chǎn)生的熱量給散發(fā)到空氣中。然后再對(duì)永磁同步電機(jī)控制器外殼進(jìn)行有限元分析。

5結(jié)論在目前全球局勢(shì)日益復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)變化多端的變化和石油短缺、環(huán)境污染的情況下，傳統(tǒng)的燃油汽車已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)，目前大多數(shù)國(guó)家都頒布了對(duì)新能源汽車的研究和購(gòu)買政策，大力提倡新能源汽車。可以預(yù)見(jiàn)，隨著人們對(duì)新能源汽車的需求越來(lái)越大，人們會(huì)像以前對(duì)燃油車一樣，對(duì)新能源汽車的各種性能越來(lái)越重視。在2021年中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)巴哈大賽提出電動(dòng)巴哈大賽的情況下，來(lái)設(shè)計(jì)永磁同步電機(jī)的電機(jī)控制器模塊。本論文在設(shè)計(jì)和研究的過(guò)程中主要介紹了目前國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車通用的主流電機(jī)。并參考了許多文獻(xiàn)資料，確立了本文中所使用的電機(jī)是永磁同步電動(dòng)機(jī)。確定電動(dòng)機(jī)類型為永磁同步電機(jī)之后，又查閱了很多和電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)控制策略的相關(guān)資料，設(shè)計(jì)了永磁同步電