畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）電動(dòng)車電氣控制系統(tǒng)（全套完整版）

1、摘 要 石油資源的日益減少、大氣環(huán)境的污染嚴(yán)重，讓人們?nèi)找骊P(guān)注電動(dòng)車。電氣驅(qū)動(dòng) 是電動(dòng)汽車的心臟，為了增加電動(dòng)汽車的行駛里程，必須開發(fā)高功率密度、高效率、 高可靠性以及價(jià)格合理的電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 電控技術(shù)的進(jìn)步是以無刷電機(jī)的成功應(yīng)用為標(biāo)志的；同時(shí)，控制器進(jìn)入了快速發(fā) 展的階段，以單片微控制器（mcu）的廣泛應(yīng)用為主要特征，而一批有較強(qiáng)的自主開發(fā) 能力的電子技術(shù)企業(yè)迅速崛起。 本文主要研究的是電動(dòng)車的電氣控制系統(tǒng)；它由電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng) 機(jī)等組成。電子控制器包括傳感器、電氣連接電路和微處理器 ,實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、 傳輸和處理；功率轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)。嵌入微處理器，可以使電動(dòng)車安全駛行

2、， 并提升操控性能。在這里，作者以新型主流 mcu 產(chǎn)品 stm8 作為核心，成功地設(shè)計(jì)了這 套電氣控制系統(tǒng)；在軟件上，設(shè)計(jì)了數(shù)字控制的 pid 算法，構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)。所制作 的模擬裝置，啟動(dòng)、帶載、調(diào)速性良好且運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，成為了一款新型實(shí)用的控制系統(tǒng)。 關(guān)鍵字：電氣驅(qū)動(dòng) 無刷電機(jī) pwm 技術(shù) 電子換向 直流逆變技術(shù) 完整版全套設(shè)計(jì)，聯(lián)系完整版全套設(shè)計(jì)，聯(lián)系 153893706 abstract the dwindling oil resources, the pollution of the atmospheric environment seriously, make people pay

3、 more attention to electric vehicle. electric driving is the heart of an electric car, in order to increase the electric vehicle mileage, a high power density, high efficiency, high reliability and reasonable price of electric drive system must be developed. electronic control technology is marked w

4、ith brushless motor widely used successfully. at the same time, the controller enters a stage of rapid development, a microprocessor ( cpu ) is widely used as the main character, and a number of strong ability of independent development of the electronic technology industry rises quickly. this paper

5、 mainly studies the vehicle electrical control system witch consists of electronic controller, power converter, motor and other components. the electronic controller comprises a sensor, electrical connection circuit and the microprocessor, signal acquisition, conversion, transmission and processing;

6、 power converter for driving and braking. embedded microprocessor can make electric car safety sail, and enhance the control performance. here, the author used mainstream mcu stm8 products as the core, successfully designed the electrical control system; in software, designed a digital pid algorithm

7、 controller, constitutes a closed-loop system. the imitation device made by author, is good and stable operation by start, load and speed control, being a new practical control system. keywordskeywords: : electrical drive; brushless motor; pwm technology; electronic commutation; dc inverter technolo

8、gy 目 錄 引言 -5 第一章 緒 論 -6 1.1 選題背景及研究意義 -6 1.2 研究步驟、方法 -6 第二章 系統(tǒng)的方案理論分析-7 2.1 無刷電機(jī)的組成 -7 2.2 直流無刷電機(jī)的控制原理 -8 2.3 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩計(jì)算 -9 2.4 三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用 -12 2.4.1 三相半控方式-12 2.4.2 三相 y 聯(lián)結(jié)方式-12 2.3 無刷電機(jī)對單片機(jī)資源預(yù)計(jì) -14 第三章 系統(tǒng)方案的選擇 -15 3.1 系統(tǒng)方方案概述 -15 3.2 單片機(jī)選型及介紹 -15 3.3 功率驅(qū)動(dòng)器件選用 -17 第四章 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) -18 4.1 單片機(jī)與外設(shè)接口 -18 4

9、.3 驅(qū)動(dòng)主電路逆變橋 -19 4.4 逆變橋驅(qū)動(dòng)電路 -20 4.5 檢測模塊 -20 4.5.1 電機(jī)位置檢測-20 4.5.2 相電流電壓檢測-21 4.5.3 電源總電流與電壓檢測-21 4.6 輸入裝置 -21 4.7 系統(tǒng)的 emc 設(shè)計(jì) -22 第五章 5 軟件設(shè)計(jì) -23 5.1 無刷電機(jī)換向?qū)崿F(xiàn) -23 5.2 調(diào)速的閉環(huán)算法 -24 5.3 剎車、制動(dòng)算法 -25 5.4 軟件多線程系統(tǒng) -26 第六章 結(jié)論 -27 謝 辭-28 附錄 圖 a1（硬件原理圖:stm8 單片機(jī)主控系統(tǒng)）-30 附錄 圖 a2（硬件原理圖:接口與電源系統(tǒng)）-31 附錄 圖 a3（硬件原理圖:檢

10、測與電機(jī)驅(qū)動(dòng)部件）-32 附錄 圖 a4（硬件 pcb 圖）-33 附錄 源代碼 b1（軟件部分代碼）-34 引言 在汽車業(yè)界，如何削減汽車的二氧化碳排放量已成為重要課題。作為一個(gè)有效的 解決途徑，電動(dòng)汽車已成為各大汽車廠商競爭的焦點(diǎn)。電動(dòng)車是一種安全、經(jīng)濟(jì)、清 潔的綠色交通工具，不僅在能源、環(huán)境方面有其獨(dú)特的優(yōu)越性和競爭力，而且能夠更 方便地采用現(xiàn)代控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)其機(jī)電一體化的目標(biāo)，因而具有廣闊的發(fā)展前景。 無論何種電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，均具有基本相同的結(jié)構(gòu)，都可以分成能源供給子系 統(tǒng)、電氣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)子系統(tǒng)三部分，其中電氣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)是電動(dòng)車的心臟， 主要包括電動(dòng)機(jī)、功率電子元器件及控制部

11、分;電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均具有相同或相似的功 能模塊。 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪 和工作裝置。目前電動(dòng)汽車上廣泛采用直流串激電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)具有軟的機(jī)械特性， 與汽車的行駛特性非常相符。但直流電動(dòng)機(jī)由于存在換向火花，比功率較小、效率較 低，維護(hù)保養(yǎng)工作量大，隨著電機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，勢必逐漸被直流無刷 電動(dòng)機(jī)（bcdm）、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)（srm）和交流異步電動(dòng)機(jī)所取代。 如何從電機(jī)設(shè)計(jì)和控制策略兩方面加以改進(jìn)是現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。永磁電動(dòng)機(jī)電氣 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以轉(zhuǎn)速更高、用磁鐵更省、可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子輕小緊湊、低成本化設(shè)計(jì)而成為研 究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。在控制器件方面

12、，應(yīng)用新一代功率電子器件，可使變頻器有更高的 功率密度和效率，結(jié)構(gòu)也更牢固，更適于電動(dòng)車所用。在控制策略方面，變結(jié)構(gòu)控制、 模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制以及專家系統(tǒng)等新的控制方法正逐漸應(yīng)用于電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 中，并取得越來越好的效果。 第一章第一章 緒緒 論論 1.1 選題背景及研究意義選題背景及研究意義 電動(dòng)車有著悠久的歷史，可追溯至 1881 年 8 月在巴黎舉行的國際電器展覽會(huì)上， 法國人特魯夫展出了世界上第一輛交通工具一輛電動(dòng)三輪車。電動(dòng)車按類型分可 分為：電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、電動(dòng)汽車、電力機(jī)車等等；其電氣控制系統(tǒng)涵蓋的 內(nèi)容更加廣泛，本文從電動(dòng)車最主要的方面著手展開研究，針對電機(jī)控制研制

13、一套的 經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電氣控制系統(tǒng)。 電機(jī)的選擇決定了本文的研究最基本、最重要的問題：直流電動(dòng)機(jī)，因?yàn)殡娝⒋?在換向火花使其壽命宿短，產(chǎn)生噪聲和電磁干擾而被變頻調(diào)速的異步電機(jī)取代，當(dāng)今 電力電子技術(shù)迅猛發(fā)展，以及數(shù)字信號(hào)控制器出現(xiàn)，使得逐線圈換向技術(shù)制造的跟蹤 器，電子換向取代換向器和電刷成為了可能。變壓調(diào)速的旋轉(zhuǎn)磁場直流電動(dòng)機(jī)比變頻 器實(shí)現(xiàn)起來簡易可靠，其優(yōu)越的轉(zhuǎn)矩性能和調(diào)速性能，又是變頻控制無法比擬的。 無刷電機(jī)的換向、驅(qū)動(dòng)方案的研究，其目的使其在運(yùn)轉(zhuǎn)中平穩(wěn)可靠，為深入地學(xué) 習(xí)和探究，推廣這種新型技術(shù)，所以選擇該課題。無刷電機(jī)有著廣闊的市場，其相應(yīng) 的控制器也總需要更新?lián)Q代，無刷電機(jī)的應(yīng)用不僅

14、僅在交通工具上，仍至電力傳動(dòng)領(lǐng) 域、數(shù)控設(shè)備、家用電器、工業(yè)生產(chǎn)上。本文對電動(dòng)車控制器的研究就主要圍繞著無 刷直流電機(jī)的控制方法展開。 1.2 研究步驟、方法研究步驟、方法 針對無刷直流電機(jī)控制的主流方案目前有三大類：一是采用專用集成電路制作的 控制器；一是采用通用單片機(jī)制作；一是采用專用數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)制作。以專用 集成電路制作控制器, 技術(shù)成熟；此類芯片系統(tǒng)集成度較高,保護(hù)電路動(dòng)作快,有配套 的其他集成電路,使用便利，但不夠靈活。dsp 對輸入輸出數(shù)據(jù)能進(jìn)行高速處理,且提供 了高度專業(yè)化的指令集,使得它在控制器的規(guī)則實(shí)施、矢量控制和矩陣方面具有優(yōu)勢, 可以完成一些較復(fù)雜的控制功能，

15、但制作成本也相對較高。 以通用單片機(jī)制作控制器,機(jī)動(dòng)靈活,容易進(jìn)行功能擴(kuò)展, 應(yīng)導(dǎo)師要求和指示，選 用這種方式；但單片機(jī)處理能力有限，實(shí)時(shí)性和精度要求高時(shí)，應(yīng)帶有針對性選用外 設(shè)充足，功能相對足夠的系列和型號(hào)。 電動(dòng)車的電氣系統(tǒng)應(yīng)分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，電機(jī)是最主要，本設(shè)計(jì)最核心的部分：第 一：根據(jù)電動(dòng)車行駛的特點(diǎn)，選擇功率大小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相適應(yīng)的電機(jī)，獲取無刷電機(jī) 的相關(guān)資料，充分理解無刷電機(jī)的工作原理；再者：為適應(yīng)于電機(jī)，選擇合適的電力 電子器件，隨著電力電子工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的高性能半導(dǎo)體功率器件，如 gtr,mosfet 和 igbt 等相繼出現(xiàn)，為創(chuàng)造新型的無刷直流電動(dòng)機(jī)帶來生機(jī)。為適應(yīng)

16、于整 個(gè)系統(tǒng)并針對無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，選擇一款易于編程，外設(shè)豐富，穩(wěn)定性好的微處理器 軟件方面：參考無刷電機(jī)的換向控制的時(shí)序，通過檢測位置或者速度信息，正確 換向。計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)閉環(huán)算法，提高操作性能。在控制器的基礎(chǔ)上采用什么樣 的控制技術(shù)也非常重要。 基本都是采用 pwm 技術(shù)通過控制電機(jī)端電壓來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 一般情況下,在要求不高時(shí)采用開環(huán)調(diào)速控制；而對于動(dòng)態(tài)性能要求較高的負(fù)載,可采 用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)?？刂齐妱?dòng)車電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、進(jìn)退、速度、停 止。其中可以使用仿真軟件，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，確保方案的正確性。充分利用微處理 器外設(shè)，進(jìn)行功能擴(kuò)展，設(shè)計(jì)故障診斷，保護(hù)功能：溫度檢測、

17、過壓欠壓保護(hù)、過流 保護(hù)、電量檢測等等。 第二章第二章 系統(tǒng)的方案理論分析系統(tǒng)的方案理論分析 2.1無刷電機(jī)的組成無刷電機(jī)的組成 直流無刷永磁電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。 其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等） ，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對數(shù) （2p=2,4,）組成。圖 2.1 所示為三相兩極直流無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)。 圖 2.1 三相兩極直流無刷電機(jī)組成 直流無刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，也就是說電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場 的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)(p)影響： . (2-1) p f n 120 在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流

18、無刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動(dòng))器，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電 機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。也就是 說直流無刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的 轉(zhuǎn)速。 直流無刷驅(qū)動(dòng)器包括電源部及控制部件如圖 2.2：電源部提供三相電源給電機(jī)， 控制部則依需求轉(zhuǎn)換輸入電源頻率。 電源直接以直流電輸入(一般為 24v)或以交流電輸入(110v/220 v)，如果輸入是 交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成直流。不論是直流電輸入或交流電輸入，要轉(zhuǎn)入電機(jī)線圈 前須先將直流電壓由換流器轉(zhuǎn)成三相電壓來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。換流器一般由 6 個(gè)功率晶體管 (q1

19、q6)分別為 q1、q3、q5(這些稱為上臂功率晶體管)；q2、q4、q6(這些稱為下臂功 率晶體管)連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇縿t提供 pwm(脈沖寬度調(diào)制) 決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器換相的時(shí)機(jī)。直流無刷電機(jī)一般希望使用在當(dāng)負(fù)載 變動(dòng)時(shí)速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)變動(dòng)太大的速度控制，所以電機(jī)內(nèi)部裝有能感應(yīng) 磁場的霍爾傳感器，作為相序控制的依據(jù)，同時(shí)也用作為閉回路控制的速度檢測。但 這只是用來做為速度控制并不能拿來做為定位控制。 圖 2.2 直流無刷驅(qū)動(dòng)器 2.2 直流無刷電機(jī)的控制原理直流無刷電機(jī)的控制原理 要讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，首先控制部就必須根據(jù)霍爾傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目

20、前所 在位置，然后依照定子繞線決定開啟(或關(guān)閉)換流器中電力器件的順序，如下圖 2.3 換流器中之上臂 ah,bh,ch 及下臂 al,bl,cl，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈產(chǎn)生順向(或逆 向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵磁場相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電 機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開啟下一組功率晶 體管，如此循環(huán)電機(jī)就可以依同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到控制部決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止則關(guān) 閉功率晶體管(或只開一路臂功率晶體管)，要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則功率晶體管開啟順序相 反。 圖 2.3 換流器 基本上功率晶體管的打開次序可舉例如下： ah,blah,clbh,clbh,al

21、ch,alch,bl；往后便是下一周期。 但不能將 ah，al 或 bh，bl 或 ch，cl 同時(shí)打開。此外由于電子器件總有開關(guān)的響 應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將器件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng) 上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使 功率晶體管過流而燒毀，即便不是這樣，也將導(dǎo)致逆變橋效率下降。 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，控制部中心會(huì)再根據(jù)驅(qū)動(dòng)器設(shè)定的速度及加/減速率所組成的命令 與霍爾信號(hào)變化的速度加以比對(或由軟件運(yùn)算)再來決定由下一組(ah,bl 或 ah,cl 或 bh,cl)開關(guān)導(dǎo)通，以及作用時(shí)間長短。速度低則延長，速度過高則縮短，此部份

22、 工作就由 pwm 來完成。pwm 是決定電機(jī)轉(zhuǎn)速快或慢的方式，如何產(chǎn)生這樣的 pwm 才是要 達(dá)到較精準(zhǔn)速度控制的核心。高轉(zhuǎn)速的速度控制必須考慮到系統(tǒng)的時(shí)鐘分辨率是否足 以掌握處理軟件指令的時(shí)間，另外對于霍爾信號(hào)變化的資料存取方式也影響到處理器 效能與判定正確性、實(shí)時(shí)性。至于低轉(zhuǎn)速的速度控制尤其是低速起動(dòng)則因?yàn)榛貍鞯幕?爾信號(hào)變化變得更慢，怎樣擷取信號(hào)方式、處理時(shí)機(jī)以及根據(jù)電機(jī)特性適當(dāng)配置控制 參數(shù)值就顯得非常重要?；蛘咚俣然貍鞲淖円越獯a器變化為參考，使信號(hào)分辨率增加 以期得到更佳的控制，電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)順暢而且響應(yīng)良好。 2.3 轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩計(jì)算轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩計(jì)算 假設(shè)轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度在電

23、動(dòng)機(jī)氣隙中是按正弦規(guī)律分布的，即 .這樣，如果定子某一相繞組中通一持續(xù)的直流電流，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為:sinxbb (2-2)sinilrbztmdx 式中， zd每相繞組的有效導(dǎo)體數(shù)； l繞組中導(dǎo)線的有效長度，即磁鋼長度； r電動(dòng)機(jī)中氣隙半徑； i繞組相電流。 就是說某一相通以不變的直流電后，它和轉(zhuǎn)子磁場作用所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也將隨轉(zhuǎn)子 位置的不同而按正弦規(guī)律變化，如圖 2.4 所示。 圖 2.4 在恒定電流下的單相轉(zhuǎn)矩 它對外負(fù)載講，所得的電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為零。但在直流無刷電動(dòng)機(jī)三相半控電 路的工作情況下，每相繞組中通過 1/3 周期的矩形波電流。該電流和轉(zhuǎn)子磁場作用所 產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也只是正弦轉(zhuǎn)矩曲線

24、上相當(dāng)于 1/3 周期的一段，且這一段曲線與繞組開始 通電時(shí)的轉(zhuǎn)子相對位置有關(guān)。顯然在圖 2.5a 所示的瞬間導(dǎo)通晶體管，則可產(chǎn)生最大的 平均轉(zhuǎn)矩。因?yàn)樵谶@種情況下，繞組通電 120 度的時(shí)間里，載流導(dǎo)體正好處在比較強(qiáng) 的氣隙磁場中。 圖 2.5a 所以它所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)脈動(dòng)最小，平均值較大。習(xí)慣上把這一點(diǎn)選作晶體管開始導(dǎo) 通的基準(zhǔn)點(diǎn)，定為.在=0 度的情況下，電動(dòng)機(jī)三相繞組輪流通電時(shí)所產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩 如圖 2.5b 所示。 圖 2.5b 如若晶體管的導(dǎo)通時(shí)間提前或滯后，則均將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)值增加，平均值減小。 當(dāng)=30 度時(shí)，電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩過零點(diǎn)，這就是說，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到某幾個(gè)位置時(shí)，電動(dòng) 機(jī)產(chǎn)生的

25、轉(zhuǎn)矩為零，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生死點(diǎn)。當(dāng) 30 度后，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)值 將出現(xiàn)負(fù)值，則總輸出轉(zhuǎn)矩的平均值更小。因此，在三相半控的情況下，特別是在起 動(dòng)時(shí)， 不宜大于 30 度，而在直流無刷電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，總是盡力把角調(diào)整到 0 度，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩最大。當(dāng) =0 度時(shí)，可以求得輸出轉(zhuǎn)矩的平均值 ： ; (2-3)m m atd t t827 . 0 sin 2 3 6 5 6 . (2-4)rilbztmdm 電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)后，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁場就要切割定子繞組，在各相 繞組上感生出電動(dòng)勢，當(dāng)其轉(zhuǎn)速 n 不變時(shí)，該電動(dòng)勢波形也是正弦波，相位同轉(zhuǎn)矩相 位一致。在本電路中，每相繞組

26、在一個(gè)周期中只通電 ，因此僅在這 期間對外加電壓 起作用。所以對外加電壓而言，感生電動(dòng)勢波形如圖 2.6 所示。 圖 2.6 三相直流無刷電動(dòng)機(jī)半控電路的反電動(dòng)勢 同理可按下式求得感生電動(dòng)勢的平均值 ： ; (2-5)m m aed e e827 . 0 sin 2 3 6 5 6 . (2-6)mlbzempm 從上面的平均轉(zhuǎn)矩和平均反電動(dòng)勢，便可求得直流無刷電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電壓 平衡方程式，為此首先定義反電動(dòng)勢系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)： ; (2-7) n e k a c . (2-8) i t k a t 對于某個(gè)具體的電動(dòng)機(jī)，它們?yōu)槌?shù)。當(dāng)然，其大小同主回路的接法以及功率晶 體管的換相方式有關(guān)

27、。直流無刷電動(dòng)機(jī)三相半控橋的電壓平衡方程組為 ; (2-9)ireuua 其中 ; (2-10)nkeca . (2-11)iktta 將其代入上式整理后，可得其機(jī)械特性方程為 . (2-12) a tcc t kk r k uu n 式中 , n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min ） ； u電源電壓（v） ； u 功率管管壓降（v） ； kc電動(dòng)勢系數(shù)； ta電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)轉(zhuǎn)矩平均值（n*m） ； kt轉(zhuǎn)矩系數(shù)； r電動(dòng)機(jī)的內(nèi)阻（）. 2.4 三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用三相直流無刷電動(dòng)機(jī)的典型應(yīng)用 2.4.1 三相半控方式三相半控方式 在三相半控電路中，其轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)在 tm 到 tm/2 之間，這是

28、直流無刷電動(dòng)機(jī)不利 的一面。 圖 2.7 三相半控橋電路 常見的三相半控電路如圖 2.7 所示，圖中 la、lb、lc 為電動(dòng)機(jī)定子 a、b、c 三相 繞組，vf1、vf2、vf3 為三只 mosfet 功率管，主要起開關(guān)作用。h1、h2、h3 為來自轉(zhuǎn) 子位置傳感器的信號(hào)。如前所述，在三相半控電路中，要求位置傳感器的輸出信號(hào) 1/3 周期為高電平，2/3 周期為低電平，并要求各傳感器信號(hào)之間的相位也是 1/3 周期。 和一般電動(dòng)機(jī)一樣，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由于其轉(zhuǎn)速很低，故轉(zhuǎn)子磁通切割定子繞 組所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢很小，因而可能產(chǎn)生過大電流 i。為此，通常需要附加限流電路。 2.4.2 三相三相 y

29、 聯(lián)結(jié)方式聯(lián)結(jié)方式 三相半控電路結(jié)構(gòu)簡單，但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低，每個(gè)繞組只通電 1/3 周期， 沒有得到充分的利用，而且在運(yùn)行中轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大。在要求較高的場合，一般均采用 如圖 2.8 所示的三相全控電路。三相全控電路有兩兩換相和三三換相兩種方式 圖 2.8 三相全控電路 在該電路中，電動(dòng)機(jī)的三相繞組為 y 聯(lián)結(jié)。如采用兩兩通電方式，當(dāng)電流從功率 管 vf1 和 vf2 導(dǎo)通時(shí)，電流從 vf1 流入 a 相繞組，再從 c 相繞組經(jīng) vf2 流回到電源。 如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負(fù)，他們合 成的轉(zhuǎn)矩大小為 ，方向在 ta和-tc角平分線上。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過

30、 60 度后，由at3 vf1,vf2 通電換成 vf2,vf3 通電。這時(shí)，電流從 vf3 流入 b 相繞組，再從 c 相繞組流出 經(jīng) vf2 回到電源，此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩大小同樣為；但合成轉(zhuǎn)矩 t 的方向轉(zhuǎn)過了 60 度at3 電角度。而后每次換相一個(gè)功率管，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過 60 度電角度。所以， 采用三相 y 聯(lián)結(jié)全控電路兩兩換相方式，合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔 60 度電角度換3 相一次，每個(gè)功率管通電 120 度，每個(gè)繞組通電 240 度，其中正向通電和反向通電各 120 度。其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖 2.9 所示。從圖中可以看出，三相全控室的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比三 相半控時(shí)小，從 0.87tm

31、到 tm。 圖 2.9 全控橋輸出波形圖 三三通電方式，這種通電的順序?yàn)?vf1-vf2-vf3、vf2-vf3-vf4、vf3-vf4-vf5 當(dāng) vf6vf1vf2 導(dǎo)通時(shí)，電流從 vf1 管流入 a 相繞組，經(jīng) b 和 c 相繞組分別從 vf6 和 vf2 流出。經(jīng)過 60 度電角度后，換相到 vf1vf2vf3 通電，這時(shí)電流分別從 vf1 和 vf3 流入， 經(jīng) a 和 b 相繞組再流入 c 相繞組，經(jīng) vf2 流出。在這種通電方式里，每瞬間均有三個(gè) 功率管通電。每隔 60 度換相一次，每次有一個(gè)功率管換相，每個(gè)功率管通電 180 度。 合成轉(zhuǎn)矩為 1.5ta. 三相 聯(lián)結(jié)電路也可以

32、分為兩兩通電和三三通電兩種控制方式。 兩兩通電方式的通電順序是 vf1-vf2、vf2-vf3、vf3-vf4、vf4-vf5、vf5- vf6、vf6-vf1、vf1-vf2，當(dāng) vf1-vf2 導(dǎo)通時(shí)，電流從 vf1 流入，分別通過 a 相繞組和 b、c 兩相繞組，再從 vf2 流出。這時(shí)繞組的聯(lián)結(jié)是 b、c 兩相繞組串聯(lián)后再通 a 相繞組 并聯(lián)，如果假定流過 a 相繞組的電流為 i，則流過 b、c 相繞組的電流分別為 i/2。這 里的合成轉(zhuǎn)矩為 a 相轉(zhuǎn)矩的 1.5 倍。 三三通電方式的順序也是 vf1-vf2-vf3、vf2-vf3-vf4、vf3-vf4-vf5、vf4-vf5- v

33、f6當(dāng) vf6-vf1-vf2 通電時(shí)，電流從 vf1 管流入，同時(shí)經(jīng) a 和 b 相繞組，再分別從 vf6 和 vf2 管流出，c 相繞組則沒有電流通過，這時(shí)相當(dāng)于 a、b 兩相繞組并聯(lián)。這時(shí) 相當(dāng)于 a、b 兩繞組并聯(lián)，合成轉(zhuǎn)矩為 a 相轉(zhuǎn)矩的倍。3 2.3 無刷電機(jī)對單片機(jī)資源預(yù)無刷電機(jī)對單片機(jī)資源預(yù)計(jì)計(jì) 無刷直流電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制(驅(qū)動(dòng)器)，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻 率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機(jī)特性的方式。 也就是當(dāng)成功同步換相以后，它的調(diào)速方式是變壓調(diào)速。 這樣電機(jī)便引入了一個(gè)很重要的參數(shù)：無刷電機(jī) kv 值。無刷電機(jī) kv 值定義為 轉(zhuǎn)

34、 速/v，意思為輸入電壓增加 1 伏特，無刷電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加的轉(zhuǎn)速值。從這個(gè)定義來 看，我們能知道，無刷電機(jī)電壓的輸入與電機(jī)空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速是遵循嚴(yán)格的線性比例關(guān)系的。 對于電動(dòng)車而言，假定限速 v=60km/h，帶其變速箱速比 n=2 時(shí)，輪子半徑 d=0.36m 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速約為 r/min.1769 2 d v 對于一個(gè)三相四極無刷電機(jī)，三三通電方式下，其換向頻率為 hz. 6 . 707 60 6 p f 最小換向時(shí)間 1.41ms.為了確保換向順暢，控制平穩(wěn)，單片機(jī)換向事件響應(yīng)時(shí)間至多 100us,單得機(jī)輸出 pwm 頻率至少為 5khz. 如果換向保守估計(jì)程序量是 400 條，全速下

35、，所選擇單片機(jī)程序執(zhí)行能力至少是 4mips，并且有可控、獨(dú)立的 pwm 輸出模式。 第三章第三章 系統(tǒng)方案的選擇系統(tǒng)方案的選擇 3.1 系統(tǒng)方方案概述系統(tǒng)方方案概述 如下圖 3.1 所示，為本系統(tǒng)的總方案的簡圖：由電源部分、操作輸入、主控器、 顯示輸出、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及電機(jī)等組成。 圖 3.1 電動(dòng)車電氣控制系統(tǒng)簡圖 1電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有芯片，用電部件的電源分配，在功耗小，對電源穩(wěn)定度、紋 波要求苛刻的地方應(yīng)使用線性穩(wěn)壓器；而在功耗大，如電力驅(qū)動(dòng)主電路，背光等，則 使用直流斬波方式的開關(guān)電源；充分考電磁兼容性，對噪聲源和抗干能力弱的部件加 以區(qū)分，獨(dú)立使用電源，并分別加入濾波器。 2輸入裝

36、置包括調(diào)速轉(zhuǎn)把、剎車斷電把以及作為調(diào)整其控制性能，更改各種配置設(shè)置 的按鍵等輸入裝置。 3儀表顯示能指示當(dāng)前車速，行駛里程值，剩余電量 4電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也就是一個(gè)三相逆變橋，6 個(gè)橋臂，用微控制芯片通過光耦或者緩沖 器連接送以脈沖，控制著電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的換相，并以 pwm 進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速。 3.2 單片機(jī)選型及介紹單片機(jī)選型及介紹 市場上單片機(jī)的種類的廠商非常多，同一廠商，其生產(chǎn)的單片機(jī)也會(huì)有不同的系 列和不同的型號(hào)，它們主要是針對不同的應(yīng)用而被開發(fā)出來，恰到好處地選擇一款外 設(shè)功能充足，而又非多余的單片機(jī)來完成一個(gè)工程，將使得設(shè)計(jì)變得簡單可靠而且成 本合理。 本設(shè)計(jì)使用了意法半導(dǎo)體（st）公司的 8

37、位通用微控制器 stm8，它是 st 公司的 全新 8 位通用控制器產(chǎn)品系列，結(jié)合了過去多年單片機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)中的領(lǐng)先創(chuàng)新和寶貴 經(jīng)驗(yàn)，采用了 0.13um 技術(shù)工藝，高性價(jià)比。sttm8 被廣泛應(yīng)用于：工業(yè)自動(dòng)化、汽車、 家電、消費(fèi)電子、儀器儀表等等。如下圖 3.2，是該單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖。 圖 3.2 stm8 內(nèi)部結(jié)構(gòu) stm8 作為高性能的通用控制平臺(tái)所具有的特點(diǎn)： 1內(nèi)核和架構(gòu)： 獨(dú)立的數(shù)據(jù)和指令總線 讀寫操作在同一個(gè)周期執(zhí)行 獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 哈佛架構(gòu)，3 級(jí)流水線 2線性內(nèi)存架構(gòu)： 最多 128kb flash，10k 次擦寫 最多 6kb ram 可以單字節(jié)或塊/字編程

38、支持在應(yīng)用編程，在系統(tǒng)編程 3性能： 峰值性能 20mipsfcpu=24mhz 32 位指令總線 32 個(gè)中斷向量 96 條指令 低功耗：全速運(yùn)行下 1ma+0.6ma/mhz 強(qiáng)抗干擾能力，高可靠性，簡單靈活 stm8105 產(chǎn)品系列的特點(diǎn)如下表 3.1 所示： 芯片 型號(hào) 引 腳 gpio 數(shù)目 捕獲比 較通道 a/d 轉(zhuǎn) 換通道 flash程序 (字節(jié)) eeprom (字節(jié)) ram (字節(jié)) 外設(shè) c64838910 32k c44838910 16k s6443489 32k s4443489 16k k6322587 32k k4322587 中 等 密 度 16k 10242

39、k 高級(jí)控制定時(shí)器 (tim1) 通用定時(shí)器(tim2和 tim3) 基本定時(shí)器(tim4) spi，i2c，uart 窗 口看門狗，獨(dú)立看門 狗 adc 表 3.1 stm8s105 系列單片機(jī)資源對比 stm8s105s4 的外設(shè)資源： 1高速內(nèi)部 16mhz rc 振蕩器，精度2%；2us 轉(zhuǎn)換時(shí)間的主時(shí)鐘開關(guān)，切換靈 活方便，易于構(gòu)建低功耗系統(tǒng)； 2中斷管理: 帶有 32 個(gè)中斷的嵌套中斷控制器, 6 個(gè)外部中斷向量，最多 37 個(gè) 外部中斷,可以設(shè)置成上升/下降沿觸發(fā)； 3定時(shí)器：2 個(gè) 16 位通用定時(shí)器，帶有 2+3 個(gè) capcom 通道(ic、oc 或 pwm)， 16 位高

40、級(jí)控制定時(shí)器，4 個(gè) capcom 通道，3 個(gè)互補(bǔ)輸出，死區(qū)插入和靈活的 同步, 具有針對馬達(dá)控制的六步 pwm 輸出; 4模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)：10 位，1lsb 的 adc，最多有 10 路通道，掃描模式和模 擬看門狗功能 5i/o 端口：48 腳封裝芯片上最多有 38 個(gè) i/o，包括 16 個(gè)高吸收電流輸出，非 常強(qiáng)健的 i/o 設(shè)計(jì)，對倒灌電流有非常強(qiáng)的承受能力，并且任意管腳任何時(shí)候 都可以配置成上拉/開漏輸入方式，或者上拉，推挽輸出方式。 3.3 功率驅(qū)動(dòng)器件選用功率驅(qū)動(dòng)器件選用 三相逆變橋是用來驅(qū)動(dòng)無刷電機(jī)的，感性的無刷電機(jī)的定子繞組是逆變橋的負(fù)載， 因而三相六組電力電子開關(guān)必

41、定是全控型的?？梢赃x用的常用功率型器件有：電力雙 極型晶體管 bjt、電力場效應(yīng)管 mosfet 以及絕緣柵雙極型晶體管 igbt 等等。 圖 3.3a 圖 3.3b 其中電力場效應(yīng)管工作頻率高、通態(tài)電阻較小，驅(qū)動(dòng)方式簡易，在低壓裝置中使 用最廣泛，于電動(dòng)車而言，在 48v 的 1kw 的系統(tǒng)中，選用 mosfet 將是恰當(dāng)?shù)模粝卤?要的定額余量，選擇 100v 耐壓，大于 20a 的 mosfet 是必要的。 型號(hào)耐壓通態(tài)體電阻漏極電流 irf540100v55m22a irf280775v13m82a 表 3.2：幾種 mosfet 參數(shù) 第四章第四章 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn) 4.

42、1 單片機(jī)與外設(shè)接口單片機(jī)與外設(shè)接口 stm8s105s4是一個(gè)44引腳的高集成度芯片，stm8的管腳功能圖及l(fā)qfp封裝圖： 圖4.1a 原理圖符號(hào) 圖4.1b 裝封 具有特殊功能的i/o口被映射到固定的管腳上，并且在st官方技術(shù)資料上被提及， 下面根據(jù)設(shè)計(jì)要求，合理分配i/o口，這是設(shè)計(jì)的首要任務(wù)： 1逆變橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)：stm8s105系列具有控制電機(jī)的六步pwm信號(hào)輸出，名 為tim1_ch1-3及tim1_ch1-3n三個(gè)通道的正反極性信號(hào)，分別被映射 在19-21，24-26號(hào)管腳上； 2位置-速度檢測：使用了通用i/o口pe0，pe1，pe2； 3儀表顯示器：使用12864液晶模塊，

43、占用一組8位的pd0-8，以及使用了 pg0，pg1，pc7分別作為片選、使能、讀寫信號(hào)； 4a/d模塊：使用了六步pwm輸出模塊后，芯片的部分模擬通道被占用，剩 下的四路：ain4-7，三相電流采樣分別使用ain4-6，ain7利用四路模 擬開關(guān)擴(kuò)展通道，分時(shí)地對總電流、總電壓以及調(diào)速轉(zhuǎn)把的電位器電位值 進(jìn)行采樣。模擬天關(guān)的通道選擇由pa5,pa6控制。 5按鍵輸入：充分利用芯片gpio的上拉/推挽/輸入/輸出切換功能，完全可以 將按鍵與顯示數(shù)據(jù)口復(fù)用。 6其他外設(shè)：pa4輸出信號(hào)控制lcd12864背光，pc5連接至數(shù)字編程溫度 傳感器，pc6作剎車輸入，pe5控制蜂鳴器報(bào)警，pe6控制l

44、ed指示mcu 工作狀態(tài)。 4.3 驅(qū)動(dòng)主電路逆變橋驅(qū)動(dòng)主電路逆變橋 下圖4.2所示，為無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)主電路，是一個(gè)三相全橋逆變電路： q10 irf540 q11 irf540 q12 irf540 r28 75 r29 75 r30 75 q4 8550 q5 8550 q6 8550 r21 3k3 r22 3k3 r23 3k3 d4 diode d5 diode d6 diode r32 1 gnd phase_aphase_bphase_c ocaocbocc +12v_power g_ag_bg_c paopbopco q7 d669 q8 d669 q9 d669 圖4.2 三

45、相全橋逆變電路 該電路每一相都由上下橋臂組成，下橋臂是電力場效應(yīng)管，使用運(yùn)算放大器直接 驅(qū)動(dòng)，換相時(shí)，根據(jù)當(dāng)前相序，信號(hào)由控制器相應(yīng)的比較輸出通道給出。上橋臂由光 耦合器驅(qū)動(dòng)的達(dá)林頓形式來控制電力晶體管，根據(jù)當(dāng)前相序輸出的是pwm信號(hào)。 4.4 逆變橋驅(qū)動(dòng)電路逆變橋驅(qū)動(dòng)電路 微控制器 i/o 口無法直接驅(qū)動(dòng)功率器件，或?qū)?dǎo)致不穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)電路如下圖 4.3 所示。 u4a 74ls00 6 5 7 u3b lm358 r19 220 ic1 optoiso1 2.5v r24 15k r31 47 pao g_a vdd2 oca bah bal brg_a_h brg_a_l 圖4.3 驅(qū)動(dòng)電

46、路 brg_a_h,brg_a_l分別連至微控制器的tim1_ch1與tim_1ch1n，兩信號(hào)通過與門點(diǎn) 亮光耦，僅當(dāng)al信號(hào)為高時(shí)，ah才被選通，pwm可以送到電力晶體管，由lm358反向作 用，此時(shí)下橋臂的場效應(yīng)管是關(guān)斷的；如果al信號(hào)為低，下橋臂打開，但是由于邏輯 與門輸出高電平，ah便無法送pwm至光耦；這樣的設(shè)計(jì)，可以防止由于上電時(shí)或軟件錯(cuò) 誤出現(xiàn)上下橋短路的嚴(yán)重后果。 4.5 檢測模塊檢測模塊 4.5.1 電機(jī)位置檢測電機(jī)位置檢測 霍爾元件被安放在無刷電機(jī)內(nèi)部，只需提供相應(yīng)的接口，送給其電源便能正常工 作，如圖4.4a所示，a,b,c三相分別分別送至pe0，pe1，pe2；這類霍

47、爾元件屬于開漏 輸出型器件，因此需要加上拉電阻： 1 2 3 4 5 j5 hall signal vdd2 gnd r58 10k r57 10k r56 10k hall_a hall_b hall_c hac hab haa c26 100 c27 100 c28 100 圖4.4a 圖4.4b 4.5.2 相電流電壓檢測相電流電壓檢測 以下是單獨(dú)一相的電流檢測電路，運(yùn)放使用單電源供電，vssa 是微控制器的模 擬地，與電源地的網(wǎng)絡(luò)不同，這樣便大大減小了由于電源地的共模干擾，使檢測的值 更精確可靠。 運(yùn)放的增益為 2，其中二極管存在的理由是，即使在電流為零時(shí)為運(yùn)放附加一個(gè) 偏壓，使運(yùn)放差

48、動(dòng)輸入端處于其工作范圍之內(nèi)。 2 3 84 1 u3a lm358 vssa d3 4148 r20 22k r27 10k r26 20k +12vcc gnd paor25 1k c8 222 phase_ua pua 圖4.5 相電流檢測電路 4.5.3 電源總電流與電壓檢測電源總電流與電壓檢測 以下圖 4.5 以及圖 4.6 分別是總電流檢測與電壓檢測部分，電流檢測電路是一個(gè)增 益為 6 的正向放大器；電壓檢測是一個(gè)射隨器。 r32 1 gnd 2 3 84 1 u6a lm358 d8 4148r37 22k r43 6k r42 36k r41 1k vssa +12vcc gnd

49、 c10 222 is_u mis 6 5 7 u6b lm358 dw1 7v5 r50 10k us_u c11 102 r47 10k r49 10k gnd mus +12v_power 圖4.6 總電流檢測電路 圖4.7 電壓檢測電路 4.6 輸入裝置輸入裝置 1輸入裝置有調(diào)速轉(zhuǎn)把、剎車斷電把；如下圖4.8、圖4.9所示。 1 2 3 j1 speed handle gnd vdda sphdl c15 102 sph 1 2 j2 brake gnd bkin brk 圖4.8 調(diào)速轉(zhuǎn)把接口 圖4.9 剎車把接口 2用于設(shè)置某些參數(shù)值的輕觸按鍵，如下圖4.10，是一個(gè)與lcd128

50、64數(shù)據(jù)口復(fù)用 的方法，以節(jié)省單片機(jī)i/o口。 r6 4k7 s2 sw-pb r5 10k vdd1 gnd i/o_port_d0 lcd_d0 圖4.10 按鍵與lcd復(fù)用原理 工作原理如：當(dāng)控制器要向液晶寫數(shù)據(jù)時(shí)，將i/o口設(shè)置為推挽輸出，這時(shí)按鍵不 起作用，不會(huì)影響端口電平；當(dāng)控制器要掃描鍵盤時(shí)，單片機(jī)設(shè)置成弱上拉方式，先 關(guān)閉液晶使能，釋放數(shù)據(jù)總線，然后讀取端口電平，便獲得了鍵值。 4.7 系統(tǒng)的系統(tǒng)的 emc 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 要保證輛安全平穩(wěn)行駛，電磁兼容問題是電動(dòng)車電氣系統(tǒng)最重要最突出的問題之 一，本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的emc設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面，原理圖設(shè)計(jì)及pcb布板，這里只粗略提原 理圖設(shè)計(jì)

51、的emc問題： 1電源系統(tǒng)的emc問題： 整個(gè)系統(tǒng)的電源由蓄電池供電，所有部件的電能最終端均來自一個(gè)電源，就 是電池，由于電池，包括其引線，都會(huì)有內(nèi)阻，供給系統(tǒng)的電源不是一個(gè)恒壓源， 注意到系統(tǒng)電能流動(dòng)量最高的部分是電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際上它是一個(gè)頻率不確 定的噪聲源，由不確定換相速度的較低的頻率成分大約在零至3khz，以及一個(gè)來 自pwm的較高的頻率成分大約在15k（可自行設(shè)定）；這兩個(gè)分量疊加而成。 這樣，使用了電容濾波器可以減小高頻噪聲，無法消除低頻分量，對整個(gè)系 統(tǒng)，各模塊電壓等級(jí)可能不同，使用高頻開關(guān)電源斬波降壓，再使用低壓差線性 穩(wěn)壓器過濾，這樣便得到穩(wěn)定的電源。 2.系統(tǒng)的信號(hào)傳輸

52、的emc問題： 這里又有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的區(qū)別：模擬信號(hào)如調(diào)速轉(zhuǎn)把輸入，其地端與 電源地獨(dú)立；軟件方面應(yīng)該有數(shù)字濾波器。還有電流電壓采樣的前端放大器，模 擬地與電源地不共用網(wǎng)絡(luò)。pwm驅(qū)動(dòng)晶體管使用光耦隔離，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)mos管采用差 動(dòng)輸入的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，減少了共模干擾，柵極存在極間電容，串入 電阻以減少振鈴。 第五章第五章 5 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 5.1 無刷電機(jī)換向?qū)崿F(xiàn)無刷電機(jī)換向?qū)崿F(xiàn) 無刷電機(jī)的換向，是要根據(jù)由霍爾元件的輸出取出位置信息，來驅(qū)動(dòng)逆變橋，改 變電機(jī)的通電相序。首先對電機(jī)進(jìn)行測試，得到電機(jī)的相序與霍爾信號(hào)時(shí)序相對應(yīng)的 關(guān)系表。 這里可以看到，三位二進(jìn)制霍爾信號(hào)以格雷碼

53、的形式指示著其位置，對于一個(gè)三 相四極無刷電機(jī)，每重復(fù)一個(gè)周期，電機(jī)便轉(zhuǎn)過90度，如下表5.1所示： 位置（角度） 0153045607590 元件1電平 1100011 元件2電平 0001110 霍爾信 號(hào)時(shí)序 元件3電平 0111000 通電相a相 -0+0- b相 +0-0+ 序 c相 0-0+0 表格5.1：無刷電機(jī)相序 電機(jī)的三根相線，由逆變橋控制，在上面的表格中，“+”、“-”、“0”分別表 示通電方向的正、負(fù)及懸空狀態(tài)。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)，某相通電為負(fù)，便打開下橋臂的場 效應(yīng)管；通電為正，關(guān)閉下橋臂，同時(shí)給上橋臂送pwm；懸空狀態(tài)，則上下橋臂都關(guān)閉。 這樣，相應(yīng)寄存器設(shè)置如下表5.2

54、： 輸出狀態(tài)橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)信號(hào)輸出值比較輸出模式輸出極性 chi 任意 “-” chin0 強(qiáng)制無效 ccinp=0 chipwm “+” chin1 pwm模式 ccinp=1 chi0 “0” chin1 強(qiáng)制無效 ccinp=1 表格5.2：更改寄存器設(shè)置 由此可得每個(gè)霍爾信號(hào)的值對應(yīng)寄存器預(yù)設(shè)： const char ccmr1_f7=0 x48,0 x48,0 x48,0 x48,0 x68,0 x48,0 x68; const char ccmr2_f7=0 x48,0 x68,0 x48,0 x48,0 x48,0 x68,0 x48; const char ccmr3_f7=0

55、x48,0 x48,0 x68,0 x68,0 x48,0 x48,0 x48; const char ccer1_f7=0 x99,0 x91,0 x19,0 x91,0 x99,0 x99,0 x19; const char ccer2_f7=0 x09,0 x09,0 x09,0 x09,0 x01,0 x01,0 x09; 隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，換向變快，駐留時(shí)間短至2ms，前面已得出的結(jié)論；為使控制 器實(shí)時(shí)響應(yīng)，提高效率，采用中斷方式，將這三個(gè)連接至霍爾元件的i/o口設(shè)置為上升 沿或者下降沿中斷；恰得益于這種格雷碼的編碼形式，出錯(cuò)率低，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。 不僅如此，軟件可以將霍爾信號(hào)時(shí)序存于

56、rom，通過數(shù)組移相檢驗(yàn)當(dāng)前正反轉(zhuǎn)信息， 或者是出現(xiàn)了錯(cuò)誤的值： const unsigned char hall_next8=0,5,3,1,6,4,2,0; if(hall_nexthall=hall_new) /正向換相 hall = hall_new;/覆蓋原先的值 中斷方式保證了實(shí)時(shí)響應(yīng)，但是輸出確因?yàn)槌绦驁?zhí)行霍爾判誤、給寄存器賦值時(shí) 產(chǎn)生了時(shí)延，輸出將不是及時(shí)的。為了克服這個(gè)問題，stm8為用戶提供了一個(gè)預(yù)裝功 能，用戶先行預(yù)裝下一步換向所需的設(shè)置，在軟件置位了換相事件相應(yīng)的位時(shí)才起作 用，于是中斷服務(wù)函數(shù)的第一件事情是： tim1_egr |=0 x20;/設(shè)置換相事件 再取出相

57、應(yīng)的寄存器預(yù)裝值進(jìn)行預(yù)裝： tim1_ccmr1 = ccmr1_fhall; tim1_ccmr2 = ccmr2_fhall; tim1_ccmr3 = ccmr3_fhall; tim1_ccer1 = ccer1_fhall; tim1_ccer2 = ccer2_fhall; 5.2 調(diào)速的閉環(huán)算法調(diào)速的閉環(huán)算法 在無刷電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，速度調(diào)節(jié)器由單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，連續(xù)的模擬控制要 變?yōu)殡x散控制，其中比例控制常用用kp，積分項(xiàng)采用突斯汀變換，微分項(xiàng)用一階后向 差分法離散化，可得數(shù)字式pid調(diào)節(jié)器： kp kit(z+1)/2(z-1) kd(z-1)/tz pwm + + + u(

58、k) 圖5.1 數(shù)字式pid算法 pid是閉環(huán)控制常用的算法之一，運(yùn)算量小，參數(shù)容易整定： ess = sp_c; ess -= speed;/計(jì)算偏差 spc = ess*kp;/比例部分 spc /=10; essa += ess*ki/10;/積分部分 if(essa100) essa =100; if(essa0)/正轉(zhuǎn)標(biāo)致正轉(zhuǎn)標(biāo)致 hall = hall_new; if(dir126) dir+; else/ hall = hall_prehall_new; tim1_ccmr1 = ccmr1_fhall; tim1_ccmr2 = ccmr2_fhall; tim1_ccmr3

59、= ccmr3_fhall; tim1_ccer1 = ccer1_fhall; tim1_ccer2 = ccer2_fhall; tim1_egr |=0 x20;/set comg hall =0; if(dir=0)/正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn) hall = hall_new; dir+; else/轉(zhuǎn)向翻轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)向翻轉(zhuǎn)為正 dir =0; else if(hall_prehall=hall_new) hall = hall_prehall_new; if(dir-126) dir-; else tim1_ccmr1 = ccmr1_fhall; tim1_ccmr2 = ccmr2_fhall; ti

60、m1_ccmr3 = ccmr3_fhall; tim1_ccer1 = ccer1_fhall; tim1_ccer2 = ccer2_fhall; tim1_egr |=0 x20;/set comg hall =0; if(dir=0) hall = hall_prehall; dir-; else dir =0; else hall =0; tim1_ccmr1 = ccmr1_fhall; tim1_ccmr2 = ccmr2_fhall; tim1_ccmr3 = ccmr3_fhall; tim1_ccer1 = ccer1_fhall; tim1_ccer2 = ccer2_f