[優(yōu)秀畢業(yè)論文]電動汽車異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的的研究

1、畢 業(yè) 論 文電動汽車異步電動機驅(qū)動系統(tǒng)的的研究系 別 電氣工程系 專 業(yè) 機電一體化 班 級 機電3082 姓 名 學 號 摘要隨著 我 國 汽車保有量急劇增加，能源和環(huán)境問題將更加突出。人們迫切需要尋求一種低排放和節(jié)約能源的交通工具。電動汽車(ev)以其在節(jié)能和環(huán)保方面的巨大優(yōu)勢，已成為世界各國競相研究的重要熱點，必將成為21世紀重要的交通工具之一。電機 驅(qū) 動 系統(tǒng)是電動汽車最關鍵的部分之一，它將決定整車的性能.20世紀90年代以后，國外電動汽車開始使用的交流驅(qū)動系統(tǒng)來取代直流驅(qū)動系統(tǒng)，已成為驅(qū)動系統(tǒng)的主流。目前，我國交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)的研究在滿足電動汽車特殊要求方面還處于研究階段。本

2、論 文 根 據(jù)異步電機的多變量數(shù)學模型，運用電機統(tǒng)一理論、機電能量轉(zhuǎn)換以及在坐標變換理論基礎上發(fā)展起來的矢量控制理論，深入地研究電動汽車交流異步電機驅(qū)動系統(tǒng)控制的技術與方法。研究 過 程 中主要采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方法，通過矢量運算，做到分別控制dq0旋轉(zhuǎn)坐標中的磁場電流分量lm與轉(zhuǎn)矩電流分量1t，對交流異步電機實現(xiàn)類似直流電動機的轉(zhuǎn)速控制與調(diào)節(jié)，以獲得快速響應和精確控制的目標.為 實現(xiàn) 電 動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制要求快速敏捷、實時性高等特點，研究中選用了ti公司的電機控制專用dsp芯片tms320lf2407作為系統(tǒng)的核心控制芯片、高性能的智能功率模塊(ipm)逆變功率器件，設計了控制系統(tǒng)

3、的主回路、控制電路。在設計過程當中考慮了電磁干擾和電磁兼容問題。為驗證設計系統(tǒng)的可行性，運用matlab6.0中的動態(tài)仿真工具simulink對系統(tǒng)的動靜態(tài)性能進行了仿真研究，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的速度響應和位置控制能力。研究 中 設 計開發(fā)的以高性能的dsp芯片tms320lf2407為核心、基于矢量控制原理的電動汽車異步電機驅(qū)動系統(tǒng)，提出用一種新型的pwm調(diào)制方法一電壓空間矢量法(svpwm)實現(xiàn)對異步電機的高性能可靠控制關鍵詞: 矢量控制 電壓空間矢量法 數(shù)字信號處理器 目 錄目錄摘要1第一章緒論41.1引言41.2國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀41.3電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的概述51.4

4、本課題的意義和內(nèi)容9第二章 矢量控制92.1矢量控制原理92.2矢量控制方式11第三章dsp和pwm技術123.1 dsp123. 2 pwm技術15第四章 汽車電子調(diào)節(jié)器174.1單片式cm0s汽車電子調(diào)節(jié)器17第五章系統(tǒng)抗干擾和電磁兼容問題235.1電磁干擾(emi)分析235.2電磁兼容性24第六章矢量控制系統(tǒng)的仿真研究286.1 matlab6.0仿真工具簡介28參考文獻30第一章 緒論1.1引言目前，全 世界汽車石油消耗量占世界石油消耗量的一半以上，而石油資源僅能供人類使用43年左右，不到21世紀中葉，汽車燃用石油的時代將會結(jié)束。我國是一個石油匾乏的國家，從1993年起，我國己成為石

5、油“凈進口國”，2000年我國的石油進口量占總用量的30%以上。據(jù)世界能源組織預測，2010年中國石油進口量將超過1.5億噸、占總用量50%以上，到2002年進口石油量將超過4億噸、占80%以上。燃油汽車排放的co, nox, hc, pb, s僅、co 0,，等.已成為大氣污染的主要因素。隨著汽車保有量集聚增加，能源和環(huán)境問題將更加突出，我們迫切需要尋求一種低排放和節(jié)約能源的交通工具，開發(fā)電動汽車是解決這一問題的有效途徑之一80 年代 以 來，電動汽車0-c:a的研制熱潮在全世界范圍內(nèi)興起，其中在歐洲、北美和日本等部分國家水平比較高、發(fā)展較快，如法國標志一雪鐵龍，德國bwm,vw，美國的三大

6、汽車公司，日本的本田、豐田和日產(chǎn)等，正逐步由樣車試制向小批量商業(yè)化生產(chǎn)的方向發(fā)展。我國從1991年起，己將電動汽車的研制開發(fā)列入“八五”重點科技攻關項目，而到1996年，科技部更將其列為“九五”及跨世紀國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程。近年來，我國正在不斷地開發(fā)一些高技術、高標準的電動汽車及其系統(tǒng)，如電動大客車、微型客車、電動輕型客車、中型電動小客車等。電動 汽 車 包括純電動汽車(ev-e lectricalv ehicle),混合電動汽車(hev-hybrid electrical vehicle)和燃料電池汽車(fcv-fuel cell vehicle)三種型式，它是理想的零排放或低排放車輛。純電

7、動汽車在發(fā)展中受到了技術上的制約，有限的行駛里程和較長的充電時間使得它們的普及遇到困難。燃料電池汽車具有低排放、低噪音，其甲醇燃料有廣泛的來源，以及可再生等重大優(yōu)勢，已成為世界各大汽車集團新世紀激烈競爭的焦點，被喻為21世紀改變?nèi)祟惿畹氖蟾呖萍贾?，但產(chǎn)業(yè)化仍需要較長的時間?；旌蟿恿﹄妱悠囀菍⑿录夹g和老技術結(jié)合的最可行的產(chǎn)物，它同時具有純電動汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的優(yōu)點，既具有純電動汽車的高效率和低排放的性能，還具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車的行駛里程長和快速補充燃料的性能?；旌想妱悠嚦蔀楫斍敖鉀Q節(jié)能、環(huán)保問題切實可行的過渡方案。1.2國內(nèi)外電動汽車的發(fā)展現(xiàn)狀90 年 代 以 來 ，日本、美國、歐洲

8、各大汽車公司紛紛開始研制混合動力型汽車 。日本豐hl汽車公司率先于1997年12月將混合動力型prius轎車投放本國市場， 2000年初又開始投放北美市場，并將月產(chǎn)由1000輛調(diào)升到月產(chǎn)2000輛，三 年內(nèi)銷售了45萬輛。計劃到2005年時，混合動力汽車達到年產(chǎn)30萬輛。在日本 ，除了豐田公司以外，本田、日產(chǎn)等大公司也分別研制了自己的混合動力汽車 21di 11 1，其中本田公司己投產(chǎn)insight混合動力汽車，被美國環(huán)?？偸鹪u為200 1年美國十大節(jié)能汽車的第一名，第二名則為豐m汽車公司的prius混合動力 汽車。美 國 能 源 部 與三大汽車公司于1993年簽訂了混合動力汽車開發(fā)合同，啟動

9、下一 代汽車合作伙伴(pngv)項目，迄今己開發(fā)出多種形式的混合動力電動汽車，例如克菜斯勒的esx3、福特的prodigy 2000、通用的plecept和benz等，pngv項目在hev性能仿真、汽車集成動力模塊等技術領域取得了顯著成就。歐洲 各 大 汽車廠商爭先恐后地推出了本公司研制的混合動力電動汽車，法國psa集團先后推出了貝靈格型和xsara型混合動力電動汽車，德國的bosch等著名的零部件公司也積極與大汽車公司聯(lián)手開發(fā)混合動力電動汽車技術。專家普遍評價:混合動力電動汽車是21世紀初汽車產(chǎn)業(yè)界的一場革命，只有混合動力電動汽車刁能滿足新世紀之初對汽車的環(huán)保與節(jié)能要求。在 國 內(nèi) ，“電動

10、汽車技術研究”是國家科委“八五”科技攻關項目。在清華大學的組織下，研制出7輛16座電動輕型客車;“九五”期間，東風汽車公司承擔并完成了國家重大科技攻關項目“電動轎車概念車設汁”的整車(bf)研制工作?！熬盼濉蹦┢谖覈陔妱悠嚨娜箨P鍵技術領域(電池、電機、電控系統(tǒng))取得突破?？萍疾考簩㈦妱悠嚠a(chǎn)業(yè)化列為“十五”國家863重大科技攻關項目，“十五”期間，國家計劃投入近10億元來支持電動汽車的前瞻性研究。要求混合動力電動汽車實現(xiàn)批量生產(chǎn)，并通過國家汽車產(chǎn)品型式認證。在 “九 五 ”科技攻關計劃的推動下，我國開發(fā)出多種電控發(fā)動機，在電機控制方面取得了重大突破，電池管理系統(tǒng)的研究也取得一定的進展。但

11、在雙能量源混合動力電動汽車動力系統(tǒng)的自動控制方面剛剛起步，包括控制算法的研究和控制器的開發(fā)，還未有完 整的系統(tǒng)。1.3電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的概述1.3.1電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構電動 汽 車 是以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。它是涉及到機械、電力、電子、計算機控制等多種學科的高科技產(chǎn)品。電動汽車的關鍵技術包括蓄電池技術及電池管理，車體技術，電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動汽車是由車體、電機驅(qū)動系統(tǒng)、儲能電池和能量管理系統(tǒng)組成的，其中電機驅(qū)動系統(tǒng)是最關鍵的部分之一。電動 汽 車 驅(qū)動系統(tǒng)(:.1-(a51(sai(221 (4) 61”由牽引電機、控制系統(tǒng)(

12、包括電機驅(qū)動器、控制器及傳感器)、機械減速及傳動裝置、車輪等構成?？刂葡到y(tǒng)接收加速踏板(相 當于燃油車的油門)、剎車和pdrn(停車、前進、到車、空擋)、轉(zhuǎn)向盤的輸出信號，經(jīng)過信號處理，輸入到電機驅(qū)動器，控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，再通過機械傳動裝置，驅(qū)動車輪。1.3.2電動汽車工況對電機驅(qū)動系統(tǒng)的特殊要求電機 驅(qū) 動 系統(tǒng)除了具有普通電氣傳動的共性外，還應滿足電動汽車特定用途的要求。電動汽車是一種在陸地上露天運行、結(jié)構緊湊、具有車載能源的行走機械，工況復雜。既要能高速飛馳，又要能頻繁啟動、制動、上下坡、快速超車、緊急剎車;既要能適應雪天、雨天、盛夏、嚴冬、雪后撒鹽等惡劣天氣條件，又要能承受道路的

13、顛簸震動，還要保證司乘人員的舒適與安全。電動汽車的核心，是要用電氣傳動系統(tǒng)取代機械推進系統(tǒng)，用電池代替汽油作為車載能源，在零排放或少排放的前提下，滿足燃油汽車各項性能、價格指標的要求。因此，所設計的電機驅(qū)動系統(tǒng)應該滿足以下幾點要求51(1) 基 速 以下大轉(zhuǎn)矩以適應快速啟動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等要求，基速以上小轉(zhuǎn)矩、恒功率、寬范圍以適應最高車速和公路飛馳、超車等要求。(2) 整 個 轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)的效率最優(yōu)化，以謀求電池一次充電后的續(xù)駛里程盡可能長。(3) 電 機 及電控裝置結(jié)構堅固、體積小、重量輕、抗顛簸振動。(4) 操 縱 性能符合司機駕駛習慣，運行平穩(wěn)，乘坐舒適，電氣系統(tǒng)失效

14、保障措施完善。(5) 單 位 功率的系統(tǒng)設備價格盡可能的低。各種 電 動 汽車所要求的驅(qū)動系統(tǒng)電機輸出特性曲線如圖1-1所示?？梢?，電動汽車馳動電機典型的輸出特性主要包括兩個工作區(qū):(1)基速以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)，該區(qū)間主要保證電動汽車的載重能力。(2)基速以上的恒功率工作區(qū)，該區(qū)間保證電動汽車有充足的加速空間。中型車圖 1- 1 不 同 汽 車的 驅(qū) 動 輸 出 特 性fi g. 1 -1 d r iv e o ut pu t t ra i t of d i ff er ent vehicle電動 汽 車 用電動機與一般工業(yè)用電機的比較:電動 汽 車 驅(qū)動電機需要有4-5倍的過載以滿足短時加速

15、行駛與最大爬坡度的要求;而工業(yè)驅(qū)動電機只要求2倍過載就可以了。電動 汽 車 驅(qū)動電機的最高轉(zhuǎn)速要求達到在公路上巡航時基速的4-5倍;工業(yè)驅(qū)動電機只要求達到恒功率時基速的2倍。電動 汽 車 驅(qū)動電機應根據(jù)車型與駕駛員的駕駛習慣進行設計;而工業(yè)電機通常只根據(jù)典型的工作模式進行設計即可。電動 汽 車 驅(qū)動電機要求有高的功率密度和好的效率圖(在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率)，從而能夠降低車重，延長續(xù)駛里程:而工業(yè)驅(qū)動電機通常對功率密度、效率及成本進行綜合考慮，在額定工作點附近對效率進行優(yōu)化。電動 汽 車 驅(qū)動電機要求可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)性能好;而工業(yè)驅(qū)動電機只有某一種特定的性能要求。電動

16、 汽 車 驅(qū)動電機被安裝在機動車上，空間小，工作在高溫、壞天氣及頻繁振動等的惡劣的工作條件下;而工業(yè)驅(qū)動電機通常在某個固定的位置工作。1.3.3電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中各種電機性能研究目前 在 電 動汽車中，主要的電機驅(qū)動系統(tǒng)itt(3211y:1(491大體也可以分為直流電機調(diào)速系統(tǒng)、異步電機調(diào)速系統(tǒng)、永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)和開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng).下表是對各種主要驅(qū)動電機及其驅(qū)動系統(tǒng)的性能比較:表 1- 1 驅(qū) 動 電 機性能比較table/-1 drive motor capability compare直流電機(o m)異步電機(i m)永磁同步電機(p msm )開關磁阻電機(s r m )優(yōu)

17、點控制簡單，只用電壓控制，不需檢測磁極位置，小容量系統(tǒng)造價低結(jié)構簡單造價低廉，可高速運行，調(diào)速范圍大，轉(zhuǎn)動慣量小，維護簡單，技術成熟體積小， 重量輕， 功率密度大。低速輸出轉(zhuǎn)矩人，效率高，維護簡單結(jié)構簡單、牢固。效率高，起動轉(zhuǎn)矩大，價格低，免維護缺點有整流電刷，結(jié)構復雜，不適合高速、大轉(zhuǎn)矩運行，效率低，環(huán)境適應性差，維護難，容量增大造價大幅增加且制造困難控制復雜，容量小時效率降低，制動困難高速運行較im復雜，需檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，永磁體有退磁問題，造價較高噪音大，輸出轉(zhuǎn)矩脈動大從各 驅(qū) 動 電機性能特點看，直流電機驅(qū)動系統(tǒng)由于其控制簡單，動態(tài)性能好，70年代就已經(jīng)實用化。隨著電力電子技術和電機矢

18、量控制理論的完善，交流驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)越性日益明顯。相對于直流電機而言，交流電機具有體積小、功率大、效率高、結(jié)構簡單、易于維護等優(yōu)點，同時隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術的發(fā)展，其動態(tài)性能己經(jīng)達到或超過了直流電機的水平。交流電機克服了直流電機因換向器帶來的缺點，因此得到了廣泛的應用，交流驅(qū)動系統(tǒng)正逐步取代直流驅(qū)動系統(tǒng)成為電動汽車的主流驅(qū)動系統(tǒng).表 1-2 主 要 公 司電 動 汽 車 驅(qū) 動 電 機 資料table 1-2 drive motor data of ev in leading company公司名稱車型推出年份電機類型電機功率(k w )電機轉(zhuǎn)速(rpm)通用汽車ev-i轎車1996 im 10

19、0 7000/13000本iii ev plus轎車1998 pm sm 49 1700/8750厄桑altra ev旅行轎車1998 pmsm 62 13000人眾g olf iv概念車1998 im 52.51150 6000112000沃爾沃fl6貨車1997 im 65/185 4000/8000,i5鐵龍saxo轎車dc 11/20 1600/5500由表 卜2 看出，在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中，各大公司主要使用的是交流電機，可以見 ，今后絕大部分的電動汽車都將采用交流電機驅(qū)動。而在電動汽車交流驅(qū)動系統(tǒng)，采 用交流異步電機和采用永磁同步電機是兩大主流傾向。交 流 異 步電機以其結(jié)構簡單堅固

20、、成本低廉、工作可靠、維護方便等突出優(yōu)點，經(jīng) 被廣泛應用在電動車矢量控制系統(tǒng)中。與交流異步電機相比較，永磁同步電機體沙 ，重量輕，功率密度大，低速輸出轉(zhuǎn)矩大，效率高，維護簡單;但其高速運行與步電 機復雜，需檢測轉(zhuǎn)子磁極位置，永磁體有退磁問題，造價高。目前在電動汽車應 用較多的是交流異步電機。.1.3.4電 機主要調(diào)速控制方法總體 上 ， 電動汽車對其電機驅(qū)動系統(tǒng)的性能要求較高，主要包括:(1 ) 調(diào) 速范圍寬，無級變速:(2 ) 在 恒轉(zhuǎn)矩，恒功率區(qū)都可長期穩(wěn)定運行并保持高效率:(3 ) 動 態(tài)響應快，系統(tǒng)魯棒性好。傳 統(tǒng)的交流驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)速方式有:變壓調(diào)速、繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、級調(diào)

21、速、變極調(diào)速等等，但這些調(diào)速方式都存在著明顯的局限。隨著交流變頻技術、率電子器件和微處理器技術的迅速發(fā)展，交流電機控制技術也取得了突破性進展.l頻調(diào)速成為當前交流調(diào)速技術的主要發(fā)展方向，在電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)中得到廣應用。常用 的電機控制方法主要分為標量控制方法、矢量控制方法以及直接轉(zhuǎn)矩控制。、電動汽車對功率器件，1“的要求:在過 去幾十年里，功率半導體器件技術有了很大的發(fā)展。這些功率器件在功率額值以及性能方面有了革命性進展，在現(xiàn)有的功率器件中，功率二極管作為自由開關用而其他功率器件，如晶閘管、gto bjt mosfet igbt sit sith mct, ipm等，;是外部可控的，對高性

22、能的功率器件的研究正在進行。在選 用電力驅(qū)動的功率器件時，必須考慮以下幾項要求:額定 值 額定電壓根據(jù)蓄電池銘牌規(guī)定的電壓、充電時的最大電壓和再生制動的最大電壓確定，而電流的額定值取決于電動機額定功率的峰值以及所并聯(lián)的功率件的個數(shù)，當這些器件并聯(lián)時，其導通狀態(tài)和開關特性必須匹配好;轉(zhuǎn)換 效率 開關頻率較高，可減少濾波器的體積，并有利于滿足電磁干擾限制1要求。當開關頻率高于20khz時，可避免出現(xiàn)噪聲;功率 損耗 導通時的壓降或損耗應降到最小，同時開關損耗應盡可能小。由于的開關頻率會增加開關損耗，開關頻率在iokhz時可使能量密度，嗓聲及電磁干達到最優(yōu)。漏電電流應限制在1ma以內(nèi)，以使斷開狀態(tài)的

23、損耗最小?；鶚O 、門極的可驅(qū)動性 期間應考慮到簡單和安全的基極或門極驅(qū)動。相應的驅(qū)動信號或為觸發(fā)電壓、電流或為線性電壓、電流。電壓驅(qū)動模式能耗非常的低，通常被優(yōu)先采用。態(tài)特 性 期間的動態(tài)特性應足夠的好。以允許有較高的dudt和較高的didt能力，并容易進行并聯(lián)。內(nèi)部的續(xù)流二極管應該和外部的主器件具有相似的動態(tài)特性;堅 固 功率器件應該有足夠的抗過載能力以承受過電壓時的巨大能量，并能在過流時通過快速熔斷半導體保險絲加以保護，它應不用和盡量少用緩沖電路。由于電動汽車頻繁的加速減速，功率器件會引起頻繁的熱循環(huán)沖擊，它應在這種條件下可靠地工作;成 熟性 與 成本 由于功率器件的成本占整個電動汽車驅(qū)動

24、系統(tǒng)的大部分，所以功率器件應該盡量經(jīng)濟。最近的一些功率器件如高性能的mct等，還不能成熟的應用于電動汽車;.1.3.5電動汽車對逆變器性能的要求:功率 回 路 就是逆變裝置，用來給電機提供電源，通過編寫電機的控制軟件，可以實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及位置的控制。按照 逆 變 器直流濾波環(huán)節(jié)的不同結(jié)構，可以將逆變器分為電壓源逆變器(vsi)和電流源逆變器(csi) 兩類。其中，電流源逆變器由于直流濾波電感的存在.輸出電壓可迅速反向，因而無需增加設備即可實現(xiàn)再生能量回饋;但也因為電感的存在，使得逆變器的動態(tài)性能受到限制。由于電流源逆變器輸出電流非正弦，轉(zhuǎn)矩脈動問題使其低速時的性能較差.而電壓源逆變器由

25、于其簡單的拓撲結(jié)構、低廉的成本、較佳的電流響應性能，結(jié)合磁場定向控制技術可實現(xiàn)電機大范圍平滑調(diào)速等優(yōu)良性能，更適用于電動汽車需要的高性能驅(qū)動系統(tǒng)，因而也是本課題主要討論的逆變器。1.4本課題的意義和內(nèi)容鑒于我國電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，自主研究高性能電動汽車交流驅(qū)動控制系統(tǒng)是非常重要的。本文以異步電機為基礎，依據(jù)矢量控制原理，設計、開發(fā)一套基于dsp芯片tms320lf2407為核心的電動汽車異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng).論文 的 第 一章介紹了國內(nèi)外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀，分析了電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)，過對各種電機進行了比較，總結(jié)出電動車對其驅(qū)動系統(tǒng)的要求;第二章對用于電動車交流驅(qū)動系統(tǒng)的控制策略矢量

26、控制技術進行了分析:第三章介紹了dsp和pwm技術，并詳細介紹了電壓空間矢量(svpwm)技術;第四章設計了一種基于高速數(shù)字信號處理器的感應電動機控制器;第五章研究了系統(tǒng)的抗干擾和電磁兼容;第六章對矢量控制系統(tǒng)進行了仿真。第二章 矢量控制2.1矢量控制原理常用的矢量控制原理121有轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理、氣隙磁場定向矢量控制原理、定子磁場定向矢量控制原理以及電壓定向的矢量控制原理。2.1.1轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制原理對于一般電機調(diào)速系統(tǒng)而言，從轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速近似為一個積分環(huán)節(jié)，其積分的時間常數(shù)由電機和負載的機械慣量決定，為不可控量，因此轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關系到一個調(diào)速系統(tǒng)

27、的動靜態(tài)特性。交流 電 機 的轉(zhuǎn)矩一般和定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場及其夾角有關。因此，要想控制轉(zhuǎn)矩，必先檢測和控制磁通。在磁場定向矢量控制系統(tǒng)中，一般把d一9坐標系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場上，把靜止坐標系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標系中的直流量，并使d軸與轉(zhuǎn)子磁場方向重合，此時轉(zhuǎn)子磁通4軸分量為零(vi, = 0 )。目前大多數(shù)矢量控制系統(tǒng)都采用此方法。它的優(yōu)點是使系統(tǒng)達到完全的解禍控制，缺點是轉(zhuǎn)子磁通的檢測精度受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的影響較大，在某種程度上影響了系統(tǒng)的性能。該控制原理的出發(fā)點是，異步電機的轉(zhuǎn)矩主要取決于電機的轉(zhuǎn)差頻率。在運行狀態(tài)突變的動態(tài)過程中，電機的轉(zhuǎn)矩之所以出現(xiàn)偏差，是因為電機中出現(xiàn)了暫態(tài)電流，它阻礙

28、著運行狀態(tài)的突變，影響了動作的快速性。在控制過程中，保持電機轉(zhuǎn)子、定子和氣隙磁場中一個不變，電機的轉(zhuǎn)矩就和穩(wěn)態(tài)時工作一樣，主要由轉(zhuǎn)差率決定。其基本控制思想是以定子電流的幅值、相位和頻率為控制量，保持電機的旋轉(zhuǎn)磁場大小不變，而改變磁場的旋轉(zhuǎn)速度，以此控制電機，可得到無延時的轉(zhuǎn)矩響應。這種方法可以低速穩(wěn)定運行，因而在許多接近零速運行的系統(tǒng)中廣泛采用這種方法。但由于矢量控制方程沒有變，系統(tǒng)性能同樣受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。2.1.2轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理該控制原理的出發(fā)點是，異步電機的轉(zhuǎn)矩主要取決于電機的轉(zhuǎn)差頻率。在運行狀態(tài)突變的動態(tài)過程中，電機的轉(zhuǎn)矩之所以出現(xiàn)偏差，是因為電機中出現(xiàn)了暫態(tài)電流，它阻礙著

29、運行狀態(tài)的突變，影響了動作的快速性。在控制過程中，保持電機轉(zhuǎn)子、定子和氣隙磁場中一個不變，電機的轉(zhuǎn)矩就和穩(wěn)態(tài)時工作一樣，主要由轉(zhuǎn)差率決定。其基本控制思想是以定子電流的幅值、相位和頻率為控制量，保持電機的旋轉(zhuǎn)磁場大小不變，而改變磁場的旋轉(zhuǎn)速度，以此控制電機，可得到無延時的轉(zhuǎn)矩響應。這種方法可以低速穩(wěn)定運行，因而在許多接近零速運行的系統(tǒng)中廣泛采用這種方法。但由于矢量控制方程沒有變，系統(tǒng)性能同樣受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。2.1.3氣隙磁場定向矢量控制原理將d軸定向于氣隙磁場方向的控制方法即為氣隙磁場定向矢量控制原理。這類系統(tǒng)要比基于轉(zhuǎn)子磁通的控制方式復雜，但是它卻具有某些狀態(tài)能直接測量的優(yōu)點.例如氣隙

30、磁通。同時電機磁通的飽和程度與氣隙磁通一致，故基于氣隙磁通的控制方式更適合于處理飽和效應。2.1.4定子磁場定向矢量控制原理這種控制方法是將參考坐標的d軸放在定子磁場方向上，此時，定子磁通的r軸分量為零。通過檢測電機端的電壓、電流量計算出所需磁通，同時可以降低轉(zhuǎn)子參數(shù)對檢測精度的影響，該種控制方法成為近年來國內(nèi)外研究的熱點課題。2.3.5電壓定向矢量控制原理上述 磁 場 定向矢量控制的優(yōu)點是系統(tǒng)達到了完全的解禍控制，但缺點是系統(tǒng)的控制需要采用旋轉(zhuǎn)矢量變換，結(jié)構比較復雜。如果使參考坐標的d軸和定子電壓矢量的方向重合，則可以得到在過渡過程中也保持磁通恒定的動態(tài)控制規(guī)律，即電壓矢量控制。2.2矢量控

31、制方式矢量變換控制.3114)5,l是在電機統(tǒng)一理論、機電能量轉(zhuǎn)換和坐標變換理論的基礎上發(fā)展起來的，具有先進性、新穎性和實用性的特點，矢量控制的思想就是將異步電機模擬成直流電動機來進行控制。通過三相靜止軸系abc.-*兩相靜止軸系a(3-+兩相同步旋轉(zhuǎn)軸系mt兩次坐標變換。在mt坐標系下面，將定子電流矢量分量分解為按轉(zhuǎn)子磁場定向的兩個直流分量w , ill，并對其加以控制。控制&l，相當于控制磁通;控制ill相當于控制轉(zhuǎn)矩。這樣，便將異步電動機的多變量強禍合的非線性系統(tǒng)進行了解禍控制，實現(xiàn)象直流電動機的控制方式及效果。以上 即 為 矢 量 控制的基本原理和控制方程式?？梢娫趍t坐標系中，轉(zhuǎn)子的

32、磁鏈只決定于定子電流勵磁分量lm ，而電機的轉(zhuǎn)矩只與轉(zhuǎn)子磁鏈t2，以及定子電流的轉(zhuǎn)矩分量itl有關。在m軸上的勵磁分量和t軸上的轉(zhuǎn)矩分量之間已解除了禍合關系而互相獨立，因此電機轉(zhuǎn)矩的控制可以分別通過對定子電流在m, t軸上的分量獨立進行控制來實現(xiàn)，其情況與直流電動機完全相似。只是由于轉(zhuǎn)子繞組有時間常數(shù)t2的存在，控制定子勵磁電流im來改變甲:，存在一定的延時。但是若控制tm、使磁通保持恒定，則通過控制iti可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的瞬時控制，從而使異步電動機具有如同直流電動機那樣的控制特性。本試 驗 中 ，我們采取了轉(zhuǎn)速開環(huán)和磁通閉環(huán)，而且?guī)俣葌鞲衅鞯目刂品绞?而無速度傳感器的控制方式則是通過電流與速

33、度建立的模型來估算當前的速度，從而實現(xiàn)速度閉環(huán)?？?制系 統(tǒng) 根據(jù)電流模型進行轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測，通過檢測定子電流，并經(jīng)三相坐標系(abc)到轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系(m t)的變換，得到 在 m t坐標系上電機定子電流的轉(zhuǎn)矩分量hi和勵磁分量lml，根據(jù)電流模型即可得電機的轉(zhuǎn)子磁鏈，并經(jīng)過式(2-25)計算出轉(zhuǎn)差。:，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量通過各自的調(diào)節(jié)器輸出，并通過兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系變換到兩相靜止坐標系，再利用電壓空間矢量法來控制脈寬值，從而控制異步電動機。第三章 dsp和pwm技術隨著80年代dsp(數(shù)字信號處理)芯片出現(xiàn)和發(fā)展，數(shù)字信號處理技術的得到了巨大的提高，許多新系統(tǒng)、

34、新算法應運而生，其應用領域不斷拓展。和早期的dsp芯片相比，現(xiàn)在的dsp芯片在成本、體積、工作電壓、重量和功耗都有了很大程度的下降，而且軟件和硬件開發(fā)工具不斷完善。某些芯片己經(jīng)具有相應的集成開發(fā)環(huán)境，它支持斷點的設置和程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和dma的訪問及程序的單部運行和跟蹤等.并且可以采用高級語言編程，有些廠家甚至提供了通用的函數(shù)庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應用軟件開發(fā)更為方便，開發(fā)時間大大縮短，提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。目前，dsp芯片己廣泛應用于通信、自動控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領域。3.1 dsp3.1.1 dsp簡介1978年，ami公司宣布的s2811是世界上第一個ds

35、p芯片。在這種芯片中，還沒有現(xiàn)在dsp芯片中所必須的單周期乘法器。在后來的二十幾年中，dsp的芯片得到了突飛猛進的發(fā)展。現(xiàn)在dsp的生產(chǎn)廠家很多，其中最著名的四家:ti(德州儀器)公司、ad(模擬器件)公司、motoro以摩托羅拉)公司、lucent technologies(朗訊技術)公司。在眾 多 的 dsp芯片中，最成功的應為美國德州儀器公司的tms320系列產(chǎn)品。ti公司自從1982年推出第一代dsp芯片tms32010后，推出了從tms320cix到tms320c8x多代dsp芯片。ti公司在幾年前還提出了“dsp解決方案”(dsps)的理念，并將公司的戰(zhàn)略重心轉(zhuǎn)向了dsp. ti的

36、系列dsp產(chǎn)品是世界上最有影響的dsp芯片，ti公司的dsp市場份額占50%左右。tm s 32 0lf/lc24oxa系列的dsp芯片是ti公司推出的c2000系列dsp中的一個子系列，是ti公司針對數(shù)字電機控制而設計的。lf/lc240xa將高性能的dsp內(nèi)核和豐富的微控制器外設功能集于單片1c之中。從而為傳統(tǒng)的多微處理器單元(mcu)和昂貴的多片設計的理想替代產(chǎn)品。lf/lc240x執(zhí)行速度可以達到30mips。3.1.2 dsp特點dsp(r)uh u9nw是一種特別適合與進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。以dsp芯片為核心構造的數(shù)字信號處

37、理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲和高速實時處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足各個領域的應用。目前，dsp芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各類通用及專用的新型dsp芯片在不斷推出，應用技術和開發(fā)手段在不斷完善。同時各dsp生產(chǎn)廠家相繼把dsp核(core)的概念應用于dsp領域，即dsp生產(chǎn)商把dsp核(一般是dsp的cpu部分)和客戶要求的存儲器(包括cache, ram, rom, flash, eprom等以及固化的用戶軟件)、外設(包括串行口、并行口、主機接口、dma、定時器)和控制邏輯電路組成用戶專用的dsp，從而提高asic的應用水準、增加

38、產(chǎn)品保密性、提高可靠性、降低成本、縮短開發(fā)周期。dsp芯片一般具有以下主要特點：采用哈佛結(jié)構:將程序指令與數(shù)據(jù)的存儲空間分開，各有自己的地址與數(shù)據(jù)總線，這就使得處理指令和數(shù)據(jù)可以并行操作，從而大大提高了處理效率。流水技術：與哈佛結(jié)構相關，dsp芯片廣泛采用流水線技術支持流水線操作使取 指、譯碼、訪問數(shù)據(jù)和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行，從而減少了指令執(zhí)行時間，增強了處理器的處理能力。. 快 速 的乘累加運算：dsp中都設置了硬件乘法器，乘和累加可以在單個指令周期 內(nèi) 完 成 ， 使 得 dsp非常適合于數(shù)字信號處理;. 循 環(huán) 尋址和位倒序技求:為了滿足fft、卷積等數(shù)字信號處理的特殊要求，當前 的

39、d sp 大 多 在 指令系統(tǒng)中設置了循環(huán)尋址和位倒序指令:. 高 速 數(shù)據(jù)傳輸能力:新型的dsp大多設置了單獨的dma總線及其控制器，在不影 響 或 基 本 不 影 響dsp處理速度的情況下，作并行的數(shù)據(jù)傳送，這為dsp之間 的 串 聯(lián) 和 并 聯(lián) 提供了方便;. 良 好 的仿真開發(fā)技術:為了方便用戶的設計與調(diào)試，許多dsp在片上設置了jtag 仿 復接 口 和 高 級語言編譯器:當然 ， 與 通用地微處理器相比，dsp芯片地其他通用功能相對較弱些。數(shù)字信號處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號處理為基礎，因此具有數(shù)字信號處理的全部優(yōu)點:1. 接 口 方便。dsp系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術為基礎地系統(tǒng)或設備都是

40、相互兼容 ，系 統(tǒng) 擴 展 方 便 快捷。2. 編 程 方便。dsp系統(tǒng)中的可編程dsp芯片可使設計人員在開發(fā)過程中靈活方 便 地 對 軟 件 進 行修改和升級。3. 穩(wěn) 定 性好。dsp系統(tǒng)以數(shù)字信號處理為基礎，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小， 可 靠 性 高 ;4. 精 度 高.16位數(shù)字系統(tǒng)可達到10s的精度;5. 可 重 復性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù)字系統(tǒng) 基 本 _l 不 受 影 響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn);6. 集 成 方便。dsp系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。ds p系 統(tǒng) 在通信、語音、圖像、雷達、工業(yè)控制、儀器儀

41、表、生物醫(yī)學等許多領域得到越來越廣泛的應用。3.1.3電機控制專用芯片tms 32 0l f2407芯片是texasi nstruments公司生產(chǎn)的16位定點數(shù)字信號處理器tms320c2xx系家族中的一種，主要特性如下:采用 高 性 能靜態(tài)cmos技術，使得供電電壓降為3.3v ,減小了控制器的功耗;30m工ps的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns (30 mhz)，從而提高了控制器的實時控制能力。片內(nèi) 高 達 32k字的flash程序存儲器，高達1.5k 字的數(shù)據(jù)程序ram,5 44字的雙口ram (daram)和2k字的單口ram (saram)o兩個 事 件 管理器模塊eva和evb

42、，每個包括:兩個16位通用定時器;8個16位的脈寬調(diào)制(pwm)通道。他們能夠?qū)崿F(xiàn):三相反相器控制;pwm的對稱和非對稱波形:當外部引腳pdpintx出現(xiàn)低電平時快速關閉pwm通道;可編程的pwm死區(qū)控制以防止上下橋臂同時輸出觸發(fā)脈沖;3個捕獲單元;片內(nèi)光電編碼器接口電路;16通道ad轉(zhuǎn)換器.事件管理模塊適用于控制交流感應電機、無刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器?？蓴U 展 的 外部存儲器(lf2407)共192k字:64k字程序存儲器;64k數(shù)據(jù)存儲器;64k字uo尋址空mo看門 狗 定 時器模塊(wdt)10 位 a/ d轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時間為500ns，可選擇由兩個事件管

43、理器來觸發(fā)的兩個通道輸入a/d轉(zhuǎn)換器或一個16通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換器?？?制器 局 域網(wǎng)絡(can)2 .0b 模塊串行 通 信 接口(so)16 位 的串 行外設接口模塊(spi)基 于 鎖 相環(huán)的時鐘發(fā)生器高達 40 個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(gpio)5個 外 部 中斷(電機驅(qū)動保護、復位和兩個可屏蔽中斷)電源 管 理 模塊包括3種低功耗模式，并且能獨立將外設器件轉(zhuǎn)入低功耗模式作 為電 機 數(shù)字控制的專用芯片，tms320lf2407的最大特色在于內(nèi)置了兩個功能強大的事件管理模塊(event manager)，其完備的功能使得tms320lf2407幾乎可以實現(xiàn)各種電機的控

44、制。ev模塊主要由通用定時器單元、比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元組成。一、 通 用 定時器單元每個 事 件 管理模塊有兩個通用定時器(.p) 。定時器x( eva,x= 1,2 ;對evb,x= 3,4)包括:一個 16 位的定時器增/減計數(shù)的計數(shù)器txcnt，可讀寫;一個 16 位的定時器比較寄存器(雙緩沖，帶影子寄存器)txcmpr，可讀寫;一個 16 位的定時器周期寄存器(雙緩沖，帶影子寄存器)txpr，可讀寫:一個 16 位的定時器控制寄存器txcon，可讀寫;可選 擇 內(nèi)部或是外部輸入時鐘;用于 內(nèi) 部 或外部時鐘輸入的可編程的預定標器(qrescaler)控制 和 中 斷邏

45、輯用于4個可屏蔽的中斷一下溢、溢出、定時器比較和周期中斷;可選 擇 方 向的輸入引腳tdirx(當用雙向計數(shù)式時用來選擇向上或向下計數(shù)).二、 比 較 單元事件 管 理 器(eva)模塊中有3個全比較單元(比較單元1,2 和3),e vb模塊中同樣也有3個全比較單元(比較單元4, 5和6)。每個比較單元都有兩個相關的pwm輸出。比較單元的時基由通用定時器i (eva模塊)和通用定時器3 (evb模塊)提供。每 個 模 塊的比較單元包括:3個 1 6位 的比較寄存器，它們各自帶了一個可讀/寫的影子存儲器;一個 可 讀 /寫的比較控制寄存器一個 16 位的比較方式控制寄存器6個 比 較 /pwm(

46、三態(tài))輸出引腳控制 和 中 斷邏輯三 、正 交 編碼脈沖電路正交 編 碼 脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機械的位置和速率等信息。正交編碼脈沖是兩個頻率變化且正交(相位相差900)的脈沖。當它由電機軸上的光電編碼器產(chǎn)生時，電機的旋轉(zhuǎn)方向可通過檢測兩個脈沖序列中的哪一列先到達來確定，角位置和轉(zhuǎn)速可由脈沖數(shù)和脈沖頻率來確定.3. 2 pwm技術pwm控制技術10)67)( 1411 17)(25) 47)69，大致可以分為三類，正弦pwm(包括電壓，電流或磁通的正弦為目標的各種pwm方案，多重pwm也應歸于此類)，優(yōu)化pwm及隨機pwm.正弦pwm己為人們所熟知，其旨在改善輸出電壓、電流波形

47、，降低電源系統(tǒng)諧波的多重pwm技術在大功率變頻器中有其獨特的優(yōu)勢。而優(yōu)化pw 所追求的 則是實現(xiàn)電流諧波畸變率(thd)最小、電壓利用率最高、效率最優(yōu)及轉(zhuǎn)矩脈動最小以及其它特定優(yōu)化目標。隨機pwm方法的原理是隨機改變開關頻率使電機電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標系中，各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總 分貝數(shù)未變，但以固定開關頻率為特征的有色噪音強度大大削弱.正因為如此即使在igbt已被廣泛應用的今天，對于載波頻率必須限制在較低頻率的場合，隨機pwm仍然有其特殊的價值(直接轉(zhuǎn)矩控制即為一例)。隨著 新 型 電力電子器件的不斷涌現(xiàn)以及微電子技術的不斷發(fā)展，pwm變頻技術也獲得了飛速發(fā)

48、展，目前主要有三種形式:基于正弦波對三角波脈寬調(diào)制的spwm控制、基于電流滯環(huán)跟蹤的chpwm控制和電壓空間矢量svpwm控制。一 、pwm 技術sp w m 法是從電源的角度出發(fā)，著眼于如何生成一個可以調(diào)壓調(diào)頻的三相正弦波電源。spwm波形的生成有許多方法，例如等效面積法、自然采樣法、規(guī)則采樣法等等。自然采樣spwm法采用正弦波作為調(diào)制波，以等腰三角波作為載波，利用比較法以正弦波和三角波瞬時值相等的時刻即兩個波形交點作為跳變時刻，獲得經(jīng)調(diào)制的幅值相等、面積按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖信號。中值規(guī)則采樣法的基本思想是，將三角載波周期的中點(三角波的負峰值或正峰值)時刻對正弦采樣形成階梯波來代替正弦

49、波.自然采樣spwm法雖能確切反映正弦脈寬調(diào)制的原始方法，但其開關時刻求取困難，不適合微機實時控制，而中值規(guī)則采樣法偏離自然采樣法較小，脈寬的計算方法簡單，用計算機實現(xiàn)比較方便，運算量小，實時性好，是人們常用的一種spwm方法。二 、電 流追蹤型pwm技術電流 追 蹤 型pwm技術的基本思想是將一個正弦波定子電流給定信號和定子電流實測信號比較，若實際電流大于給定值，則通過逆變器開關器件的動作使之減少;反之，則使之增加，電流追蹤pwm變頻器由通常的pwm電壓源型變頻器和電流控制環(huán)組成。電流 追 蹤 型的pwm控制根據(jù)電流控制環(huán)(acr)的結(jié)構分為兩種方式:電流滯環(huán)跟蹤pwm和電流同步采樣pwm控

50、制。采 用電 流 滯環(huán)追蹤pwm控制，實際電流與給定電流的偏差值是固定的，但逆變器的開關頻率是變化的。開關頻率的大小與滯環(huán)寬度有關，環(huán)寬越小，電流控制的精度就越高，而開關頻率也就越大。由于受到功率器件允許開關頻率的限制，故環(huán)寬不可能選得很小。另外滯環(huán)控制的輸出電流不能太小，因為當給定電流太小時，滯環(huán)的調(diào)節(jié)作用將消失。為了克服這些缺點，可以采用電流同步采樣pwm控制，它不是依據(jù)偏差值的大小，而是根據(jù)偏差值符號，經(jīng)d觸發(fā)器以固定頻率將比較結(jié)果送至驅(qū)動電路，故其開關頻率固定不變.該種控制實際電流與給定電流的偏差值是變化的，但當功率器件具有足夠高的開關頻率時，變頻器的實際輸出電流能夠快速跟隨給定值。電

51、流 追 蹤 pwm技術的特點:硬件簡單，電流控制響應快，可以實現(xiàn)電壓和磁通的自動跟蹤控制:缺點是電流諧波比較大。三 、電 壓空間矢量pwm電壓 空 間 矢量svpmw控制是一種與spw控制不同的新穎的脈寬調(diào)制方法。它不是局限于如何使逆變器輸出按正弦規(guī)律變化的電源，而是將逆變器和電機看成一個整體，基于電壓空間矢量概念，用八種基本電壓空間矢量合成期望的電壓空間矢量，建立逆變器功率器件的開關狀態(tài)和空間矢量，并依據(jù)電機的定子磁鏈矢量與定子電壓之間的關系，直接達到控制電機定子磁鏈矢量幅值近似恒定、頂點沿圓形軌跡運動、平均速度可調(diào)的目的，從而實現(xiàn)對異步電機近似恒磁通變壓變頻調(diào)速。第四章 汽車電子調(diào)節(jié)器4.

52、1單片式cm0s汽車電子調(diào)節(jié)器在當前汽車電子化程度已成為國際上衡量汽車先進水平的重要標準的前提下，各國都竟相發(fā)展這一行業(yè)，不斷應用高新技術，提高汽車電氣化性能，以求獲得更大的市場。正是在這樣的環(huán)境下刺激和推動了汽車電子這一行業(yè)不斷向前發(fā)展。 眾所周知，穩(wěn)定性差和壽命短是目前汽車電壓調(diào)節(jié)器的通病，調(diào)節(jié)器的不穩(wěn)定會導致發(fā)電機輸出電壓的不穩(wěn)定，從而使整車用電設備的電源電壓存在很大的波動，這對整車電路的正常工作是不利的，同時也會降低用電沒備的壽命。調(diào)節(jié)器的壽命短不僅會帶來經(jīng)濟負擔，對發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)定也是不利的。 將電壓調(diào)節(jié)器設計成單片cmos集成電路，從而減小了調(diào)節(jié)器的體積，使其可以和交流發(fā)電機制

53、作在一起。這樣既提升了調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，提高了整車供電質(zhì)量，有效延長了汽車電子設備的使用壽命，又適應了當前汽車交流發(fā)電機體積小而輸出功率大的發(fā)展趨勢。同時該設計還適應了當前調(diào)節(jié)器“高性能、多功能、大功率、長壽命”的追求目標。4.1.1 電路原理與結(jié)構 汽車電子調(diào)節(jié)器的原理框圖如圖1所示。 當汽車啟動加入輸入電壓后，基準電壓源產(chǎn)生基準電壓提供給內(nèi)部電路使用；誤差放大器接收輸出電壓信號；過流保護電路取樣功率管的輸出電流；熱保護電路檢查電路的溫度；誤差放大、過流安全區(qū)保護和過熱保護電路共同送入功率管，當其中只要有一種異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，調(diào)整管將關斷，起到調(diào)整電壓和保護作用。4.1.2電路設計1 前端基準源

54、該設計的芯片電路中的前端基準電壓源是為了提供一個對電源電壓和溫度而言都很穩(wěn)定的基準電壓給后續(xù)的差分比較電路，再由差分比較電路將其與取樣自發(fā)電機輸出的電壓進行比較來控制發(fā)電機的輸出，其電路如圖2所示。圖2中m1，m2，m5組成鏡像電流源，使流過三管的電流相等，均為i；m3，m4組成電壓鉗制電路，使a，b兩點的電壓保持一致。鏡像電流源和電壓鉗制電路一起組成一個ptat源，用它的正溫度系數(shù)去補償p-n結(jié)的負溫度系數(shù)，從而得到基本上不隨溫度變化的基準電壓。2 差分比較電路 差分比較級電路的功能是將來自前端基準電壓源的基準電壓和發(fā)電機的取樣電壓進行比較。當發(fā)電機輸出電壓低于14 v時，勵磁電流調(diào)整管正常

55、工作，流過發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的勵磁電流迅速上升，發(fā)電機輸出電壓也迅速升高。當發(fā)電機輸出電壓達到14 v時，使差分輸出電壓足以驅(qū)動后續(xù)控制電路控制勵磁電流調(diào)整管柵極接地，將其柵極電流分走，降低了發(fā)電機動子繞組的勵磁電流，從而降低了發(fā)電機輸出電壓，達到電壓調(diào)節(jié)功能。其電路如圖3所示3 發(fā)電機輸出電壓取樣電路 汽車調(diào)節(jié)器的功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓，將其控制在某一值附近。既然要控制發(fā)電機的輸出電壓，就需要取樣發(fā)電機的輸出。電子調(diào)節(jié)器的電壓取樣方式有兩種，即取樣發(fā)電機的輸出電壓和取樣蓄電池的電壓。在分離器件調(diào)節(jié)器中大多采用雙取樣法，在本設計中前端基準電壓源已提供了一個精確的比較電壓，所以取樣交流發(fā)電機輸出

56、電壓即可。取樣電路如圖4所示。圖4中電阻r5，r6和m13組成節(jié)能電路，當汽車停止工作時，這部分電路切斷調(diào)節(jié)器電路與蓄電池的連接，避免了蓄電池電量的流失。4 溫度保護電路 功率器件處理的是高壓和大電流，高壓和大電流會引起器件溫度的升高，當溫度高到一定程度時器件會因過熱而損壞，所以在含有功率器件的集成電路中要設計過熱保護電路對其進行溫度保護。功率管的溫度保護電路如圖5所示。由于mos器件的溫度特性較好，其參數(shù)(主要是閾值電壓)隨溫度的變化都很小，所以這部分電路采用pnp管實現(xiàn)。電路中將q5管的b，c極相連構成一個p-n結(jié)，對功率管的溫度進行檢測，當功率管的溫度達到極限溫度(此處取150)時通過該

57、p-n結(jié)電壓控制nmos管m15(此管也是作開關管使用)導通，分走功率管柵極的輸入電流，使流過功率管的電流降低，從而降低功率管的溫度，達到對功率管的過熱保護作用。5 過流、過壓保護 調(diào)節(jié)器中功率管的過流、過壓保護電路如圖6所示。圖6中m17管為勵磁電流調(diào)整管(即大功率管)，電阻r9和m16組成過流保護電路，電阻r14穩(wěn)壓管dz2和m16管組成對功率管的過壓保護電路，其中m16和m14管一樣也是作開關管使用。4.1.3 整體電路及仿真1 電路整合 根據(jù)以上對該調(diào)節(jié)器芯片各部分的設計，將它們組合在一起就是要設計的調(diào)節(jié)器整體電路，如圖7所示。2 功能驗證 模擬驗證波形如圖8所示，其中橫坐標是發(fā)電機輸出電壓，縱坐標是勵磁調(diào)節(jié)管基極電壓的變化。圖8(a)為固定溫度下驗證波形，圖8(b)為全溫度下驗證波形。由圖8可見，當發(fā)電機輸出端電壓未達到調(diào)節(jié)電壓時，調(diào)節(jié)器基極電位接近零電位，此時調(diào)整管截止。由圖8(b)可得，調(diào)節(jié)器在不同的工作溫度下，調(diào)節(jié)器仍能獲得良好的調(diào)節(jié)性能。3結(jié)語 提出一種單片式cmos汽車電子調(diào)節(jié)器，該芯片主要是通過控制調(diào)整管的導通與截止來調(diào)整發(fā)電機勵磁線圈中電流的大小，進而穩(wěn)定輸出端電壓。用該芯片構成的汽車發(fā)電系統(tǒng)具有可靠性高，外圍元件數(shù)目少，成本低，使用方便等特點，對于打破國外對汽車電子核心技術的壟斷