基于單片機(jī)的電動車速度控制系統(tǒng)研究

1、目錄摘要IABSTRACTII第一章 緒論11.1課題的研究背景及發(fā)展?fàn)顩r11.1.1能源與環(huán)境問題11.1.2電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展21.1.3功率半導(dǎo)體器件與驅(qū)動電路的發(fā)展21.1.4電機(jī)控制器的發(fā)展31.1.5電機(jī)控制理論的發(fā)展31.2電動自行車的組成部分及其特點4第二章 關(guān)鍵部件的特性分析62.1蓄電池特性分析62.2電機(jī)特性分析62.2.1稀土永磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理62.2.2無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析92.2.3電機(jī)的運行特性分析112.2.4機(jī)械特性和調(diào)速特性分析15第三章 基于單片機(jī)的系統(tǒng)控制策略研究173.1控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成173.2系統(tǒng)主要控制策略概述183.2

2、.1位置檢測信號處理單元183.2.2電流檢測信號處理單元183.2.3速度調(diào)節(jié)方案193.2.4速度檢測方案223.2.5起動與換相控制方案233.2.6蓄電池檢測方案243.2.7驅(qū)動、逆變電路控制方案253.2.8故障檢測與系統(tǒng)保護(hù)263.3核心控制器件的選擇273.3.1單片機(jī)概述273.3.2 Atmega8特性介紹28第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計304.1信號檢測電路設(shè)計304.1.1位置檢測304.1.2電流檢測314.1.3轉(zhuǎn)子位置檢測電路324.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路324.2.1測速電路324.2.2換向調(diào)速電路324.2.3速度檢測334.2.4速度給定環(huán)節(jié)344.2.5系統(tǒng)軟件控制

3、354.3三相全橋逆變電路及其功率驅(qū)動的設(shè)計364.4 PWM波的控制單元374.4.1PWM信號的產(chǎn)生374.4.2 PWM波的輸出控制394.5電池電壓檢測單元404.6系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計404.6.1電源與集成芯片去藕404.6.2隔離技術(shù)414.6.3電磁兼容設(shè)計41第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計425.1主程序的設(shè)計425.2各功能模塊的設(shè)計思想435.2.1位置檢測模塊435.2.2換相控制模塊455.2.3 A/D采樣模塊455.2.4雙閉環(huán)控制模塊475.3軟件的可靠性設(shè)計495.3.1采用模塊化程序設(shè)計方法495.3.2合理安排中斷495.3.3程序“跑飛”與“死鎖”的解脫50第六章

4、結(jié)束語51參考文獻(xiàn)52致謝5352 基于單片機(jī)的電動車速度控制系統(tǒng)研究摘要 近年來，燃油交通工具因尾氣排放問題已造成了城市空氣的嚴(yán)重污染。于是發(fā)展綠色交通工具已成為一個重要的課題。 考慮到我國目前的國情，發(fā)展電動自行車具有重要的環(huán)保意義。而且靈活、輕巧、“零排放”、價格低廉等優(yōu)點，將使電動自行車迅速得到普及。 隨著電機(jī)技術(shù)及功率器件性能的不斷提高，電動自行車的控制器發(fā)展迅速。但是目前，市場上大多數(shù)的電動自行車產(chǎn)品均采用低集成度元件控制裝置。其缺點是功能過于簡單，不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的潛力及處理一些特殊的控制問題。本課題采用ATMEL公司的單片機(jī)ATmega8作為控制芯片，兼顧成本與性能要求，做了以

5、下方面的工作: 首先，在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)動力源無刷直流電機(jī)的特性進(jìn)行了研究; 其次，根據(jù)單片機(jī)的特點詳細(xì)設(shè)計了系統(tǒng)的控制策略:將電流檢測設(shè)計成分流電阻間接測流;將調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計為電流、速度雙閉環(huán)控制，以保證調(diào)速的精度和響應(yīng)速度，并在軟件中分別用PI算法來實現(xiàn);對于速度的檢測采用了“硬件軟化”的思想;制定了電機(jī)“軟起動” 控制方案;采用了高性能的驅(qū)動集成電路IR2131S來驅(qū)動MOSFET組成的全橋逆變電路，驅(qū)動形式為單極性PWM調(diào)制;將PWM波的發(fā)生及系統(tǒng)保護(hù)等功能采用主控芯片集中處理，增加了系統(tǒng)的可靠性; 最后，依據(jù)控制策略設(shè)計了系統(tǒng)軟、硬件，并討論了可靠性設(shè)計問題;由此得出結(jié)論:本課題

6、設(shè)計的基于單片機(jī)的電動車控制系統(tǒng)具有運行性能良好，可靠性高、升級換代容易的特點，為后續(xù)的研究工作提供了一定的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:單片機(jī) 控制系統(tǒng) 無刷直流電機(jī)Study on the Electric-Bike Control System Based onthe MicrocontrollerABSTRACT In recent years, the waste gas from the gasoline-automobiles has caused severe pollution problems in cities. So, it's more and more important

7、to develop the so called "green-automobiles". Considering our country's status, to develop the electric-bike will be helpful to solve the pollution problem. With the virtues of flexibility, slimness and zero waste-gas, electro-bike is more and more popular. By enhancing the driving-mot

8、or technology and power devices technology, the control system developed quickly. But nowadays, most of the electric-bicycle products in the markets adapt low-integration degree devices in their control system. The problem is that the function of these devices is too simple to fully utilize the syst

9、em's potential and to solve some specific but meaningful control questions. In this project, ATmega8 an MCU product of ATMEL company has been used. The consideration between low-cost and good-controlling performance has been well balanced by choosing this central-controlling unit. The following

10、works have been presented in this project. Firstly, the characteristic of the system's driving source-the Brushless-DC-Motor has been analyzed based on the mathematical model. Furthermore, the controlling strategy has been designed in detail based on the characteristic of MCU. This part includes

11、 the following works. The current is measured indirectly by using a shunt- resistor. In order to guarantee the velocity modulation's precision and quick-response, a double closed-loop control for current and velocity has been adopted and the control strategy is realized by the software using PI

12、algorithm. To the measurement of the velocity, a hardware-softening method has been adopted and the motor's soft-starting method has been designed. In order to drive the MOSEFET full-bridge rectifying circuit, the high-performance driving-IC IR2131S has been used and PWM driving strategy has bee

13、n adopted. The PWM wave's controlling and the system protection issues are integrated into the central controlling unit. This helps to increase the reliability of the whole system. At the last, the whole system's hardware and software have been designed based on the system's control stra

14、tegy and the reliable-designing question has been discussed in the paper. From the work which has been done in this project, the conclusion can be draw that the electric-bike control system based on the MCU has the virtues of high-performance, high-reliability and easy to further developing. This pa

15、per presented an experimental base for the futher research。KEY WORDS: Microcontroller Control system Brushless-DC-Motor第一章 緒論1.1課題的研究背景及發(fā)展?fàn)顩r1.1.1能源與環(huán)境問題二十一世紀(jì)是“綠色環(huán)?！钡氖兰o(jì)，環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約問題已成為新世紀(jì)最為突出的兩大主題。隨著工業(yè)的發(fā)展，城市汽車數(shù)量急劇上升，石油資源嚴(yán)重匾乏。研究表明，目前世界石油蘊藏量按照現(xiàn)在的消耗速度僅可供使用50到70年。自1993年開始，我國已變?yōu)槭蛢暨M(jìn)口國，2000年我國石油進(jìn)口量為7000萬噸，預(yù)

16、計2005年后將超過1.5億萬噸。近年來，石油價格猛漲，2004年，石油最高達(dá)到了每桶54.9美元。而石油與國家安全密切相關(guān)，其作為一種戰(zhàn)略物質(zhì)大量進(jìn)口則必然受制于人，該問題已引起各國的極大重視1。再從環(huán)境角度講，石油燃燒造成的大氣污染日益嚴(yán)重。在世界環(huán)境污染最為嚴(yán)重的十大城市中，我國就占了7個，形勢的嚴(yán)峻可見一斑。汽車排出的CO、H2S、NO2和微塵顆粒等，會對人類的身體健康造成危害;另外汽車排出的二氧化碳雖然對人體健康無害，但它造成的溫室效應(yīng)破壞大自然的生態(tài)平衡，對大氣造成嚴(yán)重影響。因此，這兩大問題成為了“綠色交通工具”研究開發(fā)和推廣應(yīng)用的積極因素。當(dāng)前，隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高

17、漲無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具引起了人們的普遍關(guān)注，同時也得到了極大的發(fā)展，電動自行車便是其中之一。它以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動能源，以電動機(jī)作動力，具有無廢氣污染、“零排放”、無噪音、輕便美觀等特點特別適合在人口較集中的大中城市中使用。但目前市場上的電動自行車還存在著一些不夠完善的地方，尤其是電機(jī)控制方面有待于進(jìn)一步提高。本文根據(jù)無刷直流電機(jī)的原理，利用美國Atmel公司2002年推出的一款新型高檔單片機(jī)ATmega8作為主控芯片設(shè)計了一種無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件設(shè)計靈活、適用面廣、價格低廉等優(yōu)點具有一定的實用價值。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家，一般家庭除了必備汽車

18、之外，通常還希望配備多輛小型交通工具，供短途交通或休閑娛樂用，這對沒有駕駛執(zhí)照的老人和未成年人尤其具有吸引力。亞洲城市，一般人口眾多，交通擁擠，自行車一直是大多數(shù)居民的主要交通工具。但隨著城市規(guī)模與人們?nèi)粘；顒臃秶臄U(kuò)大，騎車就比較辛苦，特別是遇到惡劣的天氣或路況時，就更加費勁。而目前普通居民的購買力有限，小轎車普遍進(jìn)入家庭還不太可能，況且燃油、環(huán)境和場地等多方因素都制約著汽車不可能成為大眾化的代步工具;燃油摩托車曾一度成為許多城市比較普及的交通工具，但由于交通安全和環(huán)境保護(hù)等因素的影響，近年來在許多大中城市已經(jīng)采取了限制措施。而電動自行車具有摩托車與自行車的綜合優(yōu)勢:輕便、無污染、低噪音且價

19、格較為低廉，它無疑將最有希望首先替代傳統(tǒng)的交通工具，成為私人交通工具的重要組成部分。這是一個極其巨大的市場，尤其在人口居各大洲首位的亞洲2。1.1.2電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展3 近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。由于應(yīng)用了電力電子技術(shù)，電機(jī)的控制技術(shù)變得更加靈活，效率也更高了。已由過去簡單的起?？刂?、提供動力為目的應(yīng)用，上升到對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制，以及這些被控量的綜合控制，使被控制的機(jī)械運動更符合預(yù)想要求。因此現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)離不開功率器件和電機(jī)控制器的發(fā)展。1.1.3功率半導(dǎo)體器件與驅(qū)動電路的發(fā)展自

20、從上個世紀(jì)5O年代，硅晶閘管問世以后，功率半導(dǎo)體器件的研究取得發(fā)展。60年代后期，可關(guān)斷晶閘管GTO實現(xiàn)了門極可關(guān)斷功能，并使斬波頻率擴(kuò)展到1kHZ以上。70年代到80年代，高功率晶體管、功率MOSFET和絕緣柵門控雙極性晶體管IGBT相繼問世，功率器件實現(xiàn)了全控功能，使得高頻應(yīng)用成為可能。在中小功率的電動機(jī)中功率變換器多由MOSFET或IGBT構(gòu)成，具有控制容易、開關(guān)頻率高、可靠性高等諸多優(yōu)點。在功率器件發(fā)展的同時，驅(qū)動電路也獲得了飛速的發(fā)展。驅(qū)動電路是將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放大、并向各功率管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。驅(qū)動電路的工作方式直接影響著功率管的一些參數(shù)和特性，從

21、而影響著整個電動機(jī)控制系統(tǒng)的正常工作。傳統(tǒng)的驅(qū)動電路大多是采用分立元件搭接而成，這種方法使得電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、可靠性差。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在每一類功率器件都有相應(yīng)的專用驅(qū)動集成電路可供選用。這些專用驅(qū)動集成電路都是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計而定型的，它的使用可大大提高整機(jī)的可靠性。已經(jīng)可以做到使用一片驅(qū)動器件，一個驅(qū)動電源來驅(qū)動三相逆變器的六個開關(guān)管，而不必為每個開關(guān)元件獨立提供電源、隔離驅(qū)動等，大大簡化了外圍電路特別是驅(qū)動電路的設(shè)計。1.1.4電機(jī)控制器的發(fā)展電機(jī)控制器是無刷直流電動機(jī)正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對各種信號進(jìn)行邏輯綜合，以給驅(qū)動電路提供各種控制信

22、號;產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速;對電機(jī)進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能;實現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)功能?，F(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與微處理器的發(fā)展息息相關(guān)，可以說，每一次微處理器的進(jìn)步都推動了控制技術(shù)的一次飛躍。在微處理器出現(xiàn)之前，控制器只能由模擬系統(tǒng)構(gòu)成。由模擬器件構(gòu)成的控制器只能實現(xiàn)簡單的控制，功能單一升級換代困難，而且由分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴(yán)重，使得維護(hù)成本增高，限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。隨著微處理器的迅速發(fā)展和推廣，控制器由模擬式轉(zhuǎn)換成了數(shù)模混合式，并進(jìn)一步發(fā)展到全數(shù)字式，技術(shù)的進(jìn)步使得許多模擬器件難以實現(xiàn)的功能都可以方便地用軟件實現(xiàn)

23、，使系統(tǒng)的可靠性和智能化水平大大提高。全數(shù)字系統(tǒng)簡化了硬件，縮小了裝置體積，消除了溫度變化的影響，升級換代十分容易，控制精度不斷提高，重復(fù)性能也更好了。目前市場上微處理器品種繁多，檔次、性能各不相同，不同的廠商生產(chǎn)的微處理器都各有特點。有的價格低廉但功能不夠完善，速度慢，如傳統(tǒng)的8051單片機(jī);有的具有高速的數(shù)字處理能力，能實現(xiàn)一些復(fù)雜的控制算法，但價格不菲，如DSP微處理器2。1.1.5電機(jī)控制理論的發(fā)展目前電動自行車控制系統(tǒng)采用的控制理論還是以傳統(tǒng)的控制理論為主，而現(xiàn)代控制理論及智能控制理論的應(yīng)用還有待進(jìn)一步推廣。如具有二次型性能指標(biāo)的最優(yōu)控制，可以用來設(shè)計最優(yōu)調(diào)節(jié)器和最優(yōu)反蹤器，提高控制

24、系統(tǒng)的動態(tài)性能;模型參考自適應(yīng)控制，可以使受控對象漸近跟蹤參考模型的輸出，從而獲得理想的控制性能;具有狀態(tài)估計功能的卡爾曼濾波器可以獲得系統(tǒng)無法實測的狀態(tài)信息，濾除模型及測量的隨即噪聲干擾，獲得以最小方差為指標(biāo)的最優(yōu)狀態(tài)估計;滑模變結(jié)構(gòu)控制可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在動態(tài)過程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時的偏差及導(dǎo)數(shù)以躍變方式作有目的的改變，使系統(tǒng)達(dá)到最佳指標(biāo);模糊控制不依賴被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)有較好的魯棒性;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性映射能力，可逼近任意線性和非線性模型，又具有自學(xué)習(xí)、自收斂的特性，對參數(shù)變化有較強的魯棒性。1.2電動自行車的組成部分及其特點電動自行車一般由動力部分、傳動部分、行車部分、操縱制

25、動部分、電氣儀表部分組成。.動力部分電動自行車的動力部分通常由蓄電池和電機(jī)構(gòu)成，是電動自行車的動力來源。其性能的好壞，直接影響電動自行車的動力性和經(jīng)濟(jì)性。.傳動部分電動自行車傳動部分的作用是將動力部分輸出的功率傳遞給驅(qū)動輪，驅(qū)使電動自行車行駛。通過變速器或調(diào)速器，使電動自行車獲得行駛所需要的驅(qū)動力和速度，并保證電動自行車的平穩(wěn)起步和停車。它由變速器、后傳動裝置組成。.行車部分行車部分的作用是使電動自行車構(gòu)成一個整體，支撐全車的總重量，將傳動部分傳遞的扭矩轉(zhuǎn)換成驅(qū)使電動自行車行駛的牽引力，同時承受吸收和傳遞路面作用于車輪上的各種反力，確保電動自行車正常、安全行駛。它主要由車架、前減震器、前后輪、

26、座墊等組成。.操縱制動部分操縱制動部分的作用是直接控制行車方向、行駛速度、制動等，以確保電動自行車行駛安全。它由車把、制動裝置、調(diào)速手把等組成。.電氣儀表部分電氣儀表裝置是保證車輛安全行駛并反映車輛運動狀態(tài)的主要裝置，它使騎行者能正確、有效地對車輛行駛適時地進(jìn)行控制。它由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器等組成4。第二章 關(guān)鍵部件的特性分析2.1蓄電池特性分析 相對于燃油類能源而言，目前蓄電池的能量密度較低，是限制和影響電動自行車性能的主要因素，因此在電動自行車的設(shè)計中恰當(dāng)?shù)倪x擇蓄電池顯得十分重要?？梢园凑针妱幼孕熊囈淮纬潆娝蟮男谐碳翱朔旭傋枇λ枳龅墓泶_定蓄電池容量和功率等級。 蓄電池的工作過程就

27、是化學(xué)能與電能相互轉(zhuǎn)換的變化規(guī)律。當(dāng)蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能而供電機(jī)使用時，叫放電過程;當(dāng)外界將反電流通入蓄電池，使其將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能并儲存起來，這時為充電過程。這種充放電的過程是可逆的，可循環(huán)的，這也是蓄電池的一大特性可重復(fù)性9。表2-1蓄電池基本工作性能參數(shù)及特性方程蓄電池工作參數(shù)定義符號說明端電壓UdUd=U0-Id×RiU0為蓄電池的開路電壓Ri為蓄電池的內(nèi)阻Id為放電電流輸出功率PdPd=Ud×Id放電時間tt=K×Id-nKn分別為與蓄電池型有關(guān)的參數(shù)放電效率=1-（Ri×Id/Ud）由表2-1中蓄電池的放電效率和放電時間特性方程可知，由于

28、內(nèi)阻的影響，蓄電池放電效率隨放電電流增大而線性下降，放電時間則相應(yīng)按指數(shù)曲線下降11。2.2電機(jī)特性分析2.2.1稀土永磁無刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理稀土永磁無刷直流電動機(jī)的基本構(gòu)成包括電動機(jī)本體、開關(guān)電路、位置傳感器三部分。原理框圖如圖2.1所示13。稀土永磁電動機(jī)本體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。常用的有三種結(jié)構(gòu)形式:轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體;轉(zhuǎn)子鐵心中嵌入矩形板狀稀土永磁體:轉(zhuǎn)子外套上一個整體粘結(jié)稀土磁環(huán)的環(huán)形永磁體。還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有稀土永磁極的轉(zhuǎn)子在外，嵌有繞組的定子在里。電機(jī)運行時，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)形式最適用于電動車輛的驅(qū)動。 直流電源開關(guān)電路電動

29、機(jī)位置傳感器 圖2.1直流無刷電動機(jī)的原理框開關(guān)電路由逆變器VF和驅(qū)動電路組成。逆變器主電路有橋式和非橋式(圖2.2)兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)。驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。轉(zhuǎn)子位置傳感器PS是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號的一種裝置。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動機(jī)同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置;其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。圖2.2非橋式逆變電路三個霍爾元件沿圓周均勻分別粘貼于電機(jī)端蓋上，彼此相差120度。電角度，并分別與定子三

30、相繞組首端所在槽中心線對齊，霍爾傳感器轉(zhuǎn)子永磁體為180度表2-2正轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系霍爾元件信號導(dǎo)通繞組導(dǎo)通管子Uha Uhb /Uhc/Uha Uhb /Uhc/Uha Uhb Uhc/Uha /Uhb UhcUha /Uhb UhcUha /Uhb Uhc電角度的薄片，與轉(zhuǎn)子同軸安裝，其產(chǎn)生的磁場的端面與霍爾元件的氣隙為lmm左右，傳感器永磁體軸線與轉(zhuǎn)子主磁極軸線垂直。電機(jī)轉(zhuǎn)一周時對應(yīng)的各相繞組導(dǎo)通順序和功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯以及三個霍爾元件輸出信號的邏輯關(guān)系，如表2-2所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60度電角度時，逆變器各開關(guān)管之間就進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次?？梢婋姍C(jī)有六個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都

31、是兩相導(dǎo)通，每相繞組中流過電流的時間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120度電角度。每個開關(guān)管的導(dǎo)通角為120度，故該逆變器為120度導(dǎo)通型。為便于直觀，將電機(jī)正轉(zhuǎn)時的三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系見圖2.3。圖2.3三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)詢頂序關(guān)系2.2.2無刷直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型分析由于稀土永磁無刷直流電動機(jī)的氣隙磁場、反電勢以及電流是非正弦的，因此采用直、交流坐標(biāo)變換己不是有效的分析法。而直接利用電動機(jī)本身的相變量來建立數(shù)學(xué)模型的方法即簡單又具有較好的準(zhǔn)確度8。假設(shè)磁路不飽和，不計渦流和磁損耗，三相繞組完全對稱，則三相繞組的電壓平衡方程可表示為: (2-1) 式中定子相繞組電壓(V); 定子相繞組電流(A)

32、; 定子相繞組電動勢(V); 每相繞組的自感(H); 每相繞組間的互感(H); 微分算子。 對于方波電動機(jī)，上式中三相方波電流和三相梯形波反電勢如圖2.5所示。由于轉(zhuǎn)子磁阻不隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化，因而定子繞組的自感和互感為常數(shù)。當(dāng)三相繞組為Y連接，且沒有中線，則有 (2-2)并且 (2-3)將式(2-2)和式(2-3)代入式(2-1)，得到電壓方程為 (2-4)電磁轉(zhuǎn)矩為 (2-5)根據(jù)電壓方程式(2-4)，可得電機(jī)的等效電路圖，如圖2.4所示。 圖2.4方波電動機(jī)的等效電路圖 2.2.3電機(jī)的運行特性分析 電動機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動機(jī)械。因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及

33、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電動機(jī)的運行特性可分為:起動特性、電動運行特性、制動特性、機(jī)械特性及調(diào)速特性。對于無刷直流電機(jī)，其電勢平衡方程式為: (2-6)中電源電壓(V); 電樞繞組反電勢(V); 一平均電樞電流(A); 電樞繞組的平均電阻(); 功率器件的飽和管壓降(V)。對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均可表示為: (2-7)式中電動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min); 反電勢系數(shù)(V/r/min)。由方程式(2-6)、(2-7)可知 (2-8)在轉(zhuǎn)速不變時，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為: （2-9）式中電磁轉(zhuǎn)矩(N*m) 輸出轉(zhuǎn)矩(N*m) 摩擦轉(zhuǎn)矩(N*m)這里 (2-10)

34、 轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m/A)。在轉(zhuǎn)速變動情況下，則有 (2-11)式中系數(shù): J轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量(); 一轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度()。下面從這些基本公式出發(fā)，來討論無刷直流電動機(jī)的各種運行特性5。1.起動特性由方程式(2-6)、(2-10)、(2-11)可知，電動機(jī)在起動時，由于反電勢為零，因此電樞電流(即起動電流)為 (2-12)其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動機(jī)可以很快起動，并能帶負(fù)載直接起動。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。2.電動運行特性在電動運行狀態(tài)下，6只開關(guān)管任意時刻只有2只開關(guān)管導(dǎo)通，分別屬

35、于上橋臂和下橋臂。 圖2.5動運行等效電路圖 由圖2.5的運行等效電路圖可得，在電動運行時Vl管和V6管導(dǎo)通時通電回路的回路電壓方程如下: (2-13)式中一A, B相電勢，電動運行時最大幅值E<Ud/2 相電阻，RA=Ra=R; 相電感，La =Lb =L ; 兩相互感，; 蓄電池電壓; 相電流;設(shè)，上式可改寫為: (2-14)在電動運行時，換相前電路電流為零，換相后會。由于R很小可以忽略，故在電路接通后過渡過程結(jié)束前，I正向增加，電路工作在吸收電功率狀態(tài)，吸收的電功率P1為: (2-15）電機(jī)的電磁功率Pem及電磁轉(zhuǎn)矩Tem的大小可以用下兩式計算: （2-16） (2-17)式中轉(zhuǎn)子

36、角速度。這時，電磁功率及電磁轉(zhuǎn)矩是正的，為電動性質(zhì)，與同向。對管和管進(jìn)行脈寬調(diào)制，改變占空比，就可控制電流了的平均值，從而控制平均轉(zhuǎn)矩。3.制動特性制動運行方式可以有反接制動和回饋制動兩種。（1）反接制動 該方法是使電動機(jī)工作在反接制動狀態(tài)下，蓄電池化學(xué)儲能向電能轉(zhuǎn)換，與車體動能一起通過電動機(jī)最終被轉(zhuǎn)換為熱能。蓄電池的能量輸出與制動過程有關(guān)。可見電動自行車的動能通過運動阻力和電機(jī)做功，被完全轉(zhuǎn)換成熱能，而熱能通常難以被系統(tǒng)回收利用，所以該制動過程是一個單方向的能量消耗過程。（2）回饋制動 本法不需要改接電源極性，且在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定空載轉(zhuǎn)速時可實現(xiàn)電磁制動，同時向電源(蓄電池)回饋能量，從而可

37、被系統(tǒng)再次利用。這一方案無疑提高了系統(tǒng)的運行效率，可以延長車輛的續(xù)行里程，該方案明顯優(yōu)于反接制動的方案根據(jù)無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動原理，當(dāng)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動時，施加在電機(jī)繞組上的是與繞組感生電動勢反向的PWM斬波直流電壓。當(dāng)外加電壓大于反電動勢時，電流流入繞組，電源將功率輸入電機(jī)。當(dāng)在繞組上施加相反方向的PWM電壓時，將使得流過電動機(jī)繞組的電流與驅(qū)動時的電流方向相反。這樣電動機(jī)將產(chǎn)生與驅(qū)動時相反方向的轉(zhuǎn)矩，也就是制動轉(zhuǎn)矩。制動電流值在理論上可以很大，其主要受控制器功率器件的電流限制。在制動過程中，為使電流連續(xù)，施加在繞組電感上的電壓平均值該大于零，即 （2-18）其中驅(qū)動的占空比此時平均電流為 (

38、2-19)電源輸入到電動機(jī)的功率為 (2-20)由此可見，當(dāng)時，電源可以從電動機(jī)側(cè)吸收制動能量。由 (2-21)又由當(dāng)=0時，可得，在時電源獲得最大功率的能量回饋，另一方面，由平均電流方程式可知，越大，則電動機(jī)的制動電流即制動轉(zhuǎn)矩越大。2.2.4機(jī)械特性和調(diào)速特性分析機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由方程式(2-6 )、(2-7)、(2-8)可知 (2-22) (2-23) 式(2-23)等號右邊的第一項是常數(shù)(當(dāng)不計U的變化和電樞反應(yīng)的影響時)。所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。當(dāng)速度為零時，即為起動電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)方程式(2-23)右邊兩項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為

39、零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。.實際上，由于電動機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因為功率晶體管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時。功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動機(jī)的反電勢也減小，電樞電流增加，DU增大，到一定值以后，增加較快。所以其機(jī)械特性是在接近堵轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)速很低)時，加快下跌。 如假定外加直流電壓一定，減小電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會提高，同時反電勢增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時，電機(jī)就維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。如果負(fù)載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升

40、高，逆變器的頻率提高，反電勢增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢，這樣就使電機(jī)維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。由此可見，由于無刷直流電動機(jī)的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動機(jī)非常相似，可通過調(diào)節(jié)直流電壓來實現(xiàn)。又從方程式(2-23)可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩(在同一轉(zhuǎn)速下)或(在同一負(fù)載下)。所以在電子換向線路及其它控制線路保持不變的情況下，無刷直流電動機(jī)調(diào)速性能很好，可以利用改變電源電壓來實現(xiàn)平滑的調(diào)速17。根據(jù)所需的系統(tǒng)運動特性，按表2- 3可確定電機(jī)應(yīng)該具備的機(jī)械特性，同時還要求所選擇或設(shè)計的電機(jī)可以在有限的電源電壓下正常運行。 表2-3電動機(jī)基本工作參數(shù)及特性方程

41、電動機(jī)參數(shù) 定義 符號說明 輸出功率 P=F*V/mm為機(jī)械傳動效率，F(xiàn)為行駛阻率，V為行駛速度 轉(zhuǎn)速n n=(60/2)*(iV/r)i為電動機(jī)與車輪的轉(zhuǎn)速r為車輪半徑 輸出轉(zhuǎn)矩T T=P/n 第三章 基于單片機(jī)的系統(tǒng)控制策略研究3.1控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成 在其它硬件條件相同的情況下，控制系統(tǒng)決定著電動自行車的性能，相當(dāng)于系統(tǒng)的神經(jīng)中樞發(fā)出控制命令及處理各種異常情況。它的作用如下6:1.使電動自行車操作靈活舒適;2.提高電機(jī)和蓄電池的效率，節(jié)省能源;3.保護(hù)電機(jī)及蓄電池;4.降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度;5.保障使用者和他人的人身安全。本文設(shè)計的電動自行車控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成:

42、以單片機(jī)為核心的主控電路;以工R2131S為核心的驅(qū)動電路;功率逆變電路;位置信號處理電路、電流信號處理電路以及一些外圍輔助電路?？刂齐娐返闹饕δ苁峭瓿呻姍C(jī)的起動、換相、調(diào)速、制動等控制并實現(xiàn)對電機(jī)、電池的保護(hù);驅(qū)動電路的主要功能是利用工R2131S的自舉技術(shù)驅(qū)動功率MOSFET管控制電機(jī)電流;而外圍輔助電路主要完成信號的采樣、對電路的供電、發(fā)出報警信號等功能。系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示。報警信號單片機(jī)電源保護(hù)電路驅(qū)動電路IR2131S電流信號處理電路位置信號處理電路BLDCM整流穩(wěn)壓功率逆變器電池電壓轉(zhuǎn)速給定圖3.1系統(tǒng)原理框圖 直流電源通過MOSFET構(gòu)成的逆變橋向BLDCM供電，單片機(jī)

43、在新的采樣周期到來時，先判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，如是靜止?fàn)顟B(tài)則用軟件開環(huán)起動，當(dāng)達(dá)到一定速度后再切換到常規(guī)換相運行狀態(tài)?！败泦印钡碾娍胤桨附鉀Q了零狀態(tài)起步耗電大的問題，大幅度地提高了一次充電的續(xù)行里程。常規(guī)的換相運行是直接根據(jù)位置傳感器傳來的信號進(jìn)行換相控制，同時將電機(jī)速度反饋信號和手把給定的速度信號相減，得出偏差，經(jīng)過控制算法得出控制量。再把控制量以PWM的形式輸出給驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩;當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時，系統(tǒng)的速度便達(dá)到了給定。3.2系統(tǒng)主要控制策略概述3.2.1位置檢測信號處理單元在對無刷直流電機(jī)的控制中，磁極位置的測定直

44、接決定了控制效果的好壞。方波電流驅(qū)動無刷直流電機(jī)是借助于位置檢測信號控制逆變器換流以達(dá)到在電機(jī)定子線圈中通以互差1200的方波電流才能正常運行16。本系統(tǒng)采用霍爾元件式位置傳感器來檢測電機(jī)的位置信號。該傳感器是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當(dāng)其不受外磁場作用時，其輸出端無信號。對于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)，三個霍爾元件在空間彼此相隔1200電角度，永磁體的極弧寬為1800電角度。這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，三個霍爾元件便交替輸出三個寬為1800電角度、相位互差1200電角的矩形波信號。這三路信號經(jīng)過一定的整形措施后被送到

45、單片機(jī)的數(shù)字I/0口，以確定相位信息?；魻栐轿恢脗鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低、工作可靠，但對工作溫度有一定要求，同時霍爾元件應(yīng)靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號電平太低，不能正常工作。因此，在對性能和環(huán)境要求不是很高的稀土永磁無刷直流電動機(jī)應(yīng)用場合，大量使用霍爾元件式位置傳感器10。3.2.2電流檢測信號處理單元電流檢測是系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，對于電流檢測有兩種方案20:1.采用電流檢測模塊?，F(xiàn)在電流檢測模塊種類很多，以霍爾器件為主，反應(yīng)很靈敏;但是，對于直流無刷機(jī)的控制特點，至少需要檢測兩相電流，需要兩組傳感器，這樣就使成本提高了。2.采用一個分流電阻間接測流。在直流側(cè)接相應(yīng)阻值和瓦

46、數(shù)的分流電阻，通過測量電阻上的電壓，來測量直流回路的電流;然后檢測三相繞組的相電壓以確定采樣的直流側(cè)電流是哪一相的電流值。這種方案對于A/D轉(zhuǎn)換的精度和軟件數(shù)據(jù)處理有一定要求，但是造價很低，本系統(tǒng)采用第2套方案。3.2.3速度調(diào)節(jié)方案本車采用的無刷直流電動機(jī)可以通過改變電樞電路中的外串電阻或改變加在電動機(jī)電樞上的電壓來調(diào)速。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點。本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制(PWM)來控制電動機(jī)電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速19。圖3.2是對電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制時的電樞繞組兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電

47、動機(jī)電樞繞組兩端有電壓Us, 秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為0, 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。圖3.2輸入輸出電壓波形電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值為: (3-1)式中占空比表示了在一個周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值，變化范圍為0 1之間。所以當(dāng)電源電壓不變時，電樞的端電壓的平均值取決于占空比的大小，改變值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本系統(tǒng)利用AVR單片機(jī)的PWM口，通過軟件編程改變占空比的大小控制電機(jī)調(diào)速。 最簡單的調(diào)速系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，但它的調(diào)速精度太低，不適用于電動自行車的調(diào)速系統(tǒng)。為了保證調(diào)速精度，本系

48、統(tǒng)采用圖3.3的電流、速度雙閉環(huán)控制方案。這種控制方式把速度調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器作為輔助調(diào)節(jié)器。速度給定與速度反饋送給速度調(diào)節(jié)器(SR)，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號的參考值，與電流信號的反饋值一起送至電流調(diào)節(jié)器(CR)，電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓參考值。與給定載波比較后，形成PWM調(diào)制波，控制逆變器的實際輸出電壓。U*irefn*if飛飛ibiaSRCRPWM逆變器BLOD反饋轉(zhuǎn)速計算位置信號位置傳感器nf 圖3.3無刷直流電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)控制雙閉環(huán)調(diào)速的特點是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流。這樣做的好處在于可以根據(jù)給定速度與實際速度的差額及時控制電機(jī)的

49、轉(zhuǎn)矩，在速度差值比較大時電機(jī)轉(zhuǎn)矩大，速度變化快，以便盡快地把電機(jī)轉(zhuǎn)速拉向給定值，在轉(zhuǎn)速接近給定值時，又能使轉(zhuǎn)矩自動減小，這樣可避免過大的超調(diào)，以利于調(diào)速過程的快速性。此外，電流環(huán)的等效時間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾時它能比較快速的作出響應(yīng)，抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，對速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起到了保護(hù)逆變橋的作用。本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器用PI調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器為改進(jìn)的PI調(diào)節(jié)器。數(shù)字PI控制是普遍采用的一種過程控制算法，P是指比例象(Proportional)，是指積分項(Integral)，基本的PI

50、控制算法有位置型和增量型兩種。位置型PI算法的表達(dá)式是: (3-2)其中是輸入，起控制作用，為比例系數(shù)，為積分時間常數(shù)。增量型算法表達(dá)式是: (3-3)其中它們兩者在本質(zhì)上是一樣的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的優(yōu)點:1.控制器只輸出增量，所以由誤動作造成的影響比較小;2.手動一自動切換的沖擊小;3.式中不需要累加，增量只與最近的兩次采樣有關(guān)，容易獲得較好的控制效果，并且消除了當(dāng)偏差存在時產(chǎn)生飽和的危險。所以，本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器采用增量式PI控制。其中采樣周期的選取要考慮以下三個因素17:1.采樣過程對保真度的影響，根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理，采用頻率至少為低通信號頻譜最高頻率的

51、2倍;2.采樣周期的大小和控制器的性能要求的影響，采樣頻率的提高必然要求控制器有足夠快的運算速度，以滿足在兩次采樣數(shù)據(jù)之間完成必須的處理計算。3.采樣周期和主電路的功率器件的承受能力有關(guān)，高的采樣頻率必然要求高的PWM頻率，一方面，PWM頻率越高，輸出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也越高，引起發(fā)熱、散熱的問題，另外，高的PWM頻率可能使電磁輻射更加嚴(yán)重。綜上各因素，考慮到使PWM頻率在人耳敏感的頻率范圍(300Hz 4kHz)外，在本系統(tǒng)中，電流環(huán)采樣頻率定為5kHz，就基本達(dá)到了預(yù)期效果。對于速度環(huán)的控制本系統(tǒng)根據(jù)AVR單片機(jī)邏輯判斷能力強、編程靈活的特點采用改進(jìn)的PI算法一積分分離PI算法來實現(xiàn)。該算法的表達(dá)式為: (3-4)積分分離算法要設(shè)置積分分離閥,時，采用PI控制，可保證系統(tǒng)的控制精度;當(dāng)時，