電動汽車控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文設(shè)計

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！ )摘要在當(dāng)前全球汽車工業(yè)面臨金融危機(jī)和能源環(huán)境問題的巨大挑戰(zhàn)的情況下，發(fā)展電動汽車，利用無污染的綠色能源，實現(xiàn)汽車能源動力系統(tǒng)的電氣化，推動傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，在國際上已經(jīng)形成了廣泛共識。本課題以電動汽車他勵電機(jī)控制器為例， 以實現(xiàn)電動汽車的加、 減速，起、制動等基本功能以及一些特殊情況下的處理。以開發(fā)出高可靠性、高性能指標(biāo)、低成本并且具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電動汽車電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)為目的。主要包括硬件電路板的設(shè)計，以及驅(qū)動系統(tǒng)的軟件部分的仿真調(diào)試。在驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計中，這里主控制芯片采用 ATMEL公司的 ATmega64 芯片。功率模塊

2、采用多 MOSFET并聯(lián)的方式，有效的節(jié)約了成本。電源模塊采用基于 UC3842的開關(guān)電源電路。選用 IR 公司的 IR2110 作為驅(qū)動芯片，高端輸出驅(qū)動電流可到 1 9A，低端輸出驅(qū)動電流可到 2.3A ，能夠提供 7個MOSFET并聯(lián)時驅(qū)動電流。對于電流檢測模塊，本文沒有采用電流傳感器或者是康銅絲 , 而是采用了一種基于 MOSFET管壓降的電流檢測電路，這種方式即節(jié)約了成本也保證了檢測精度。驅(qū)動系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，主要實現(xiàn)的功能為：開關(guān)量的檢測處理，故障檢測，串口通訊，勵磁、電樞控制，報警功能等。針對他勵電機(jī)電動汽車的控制特性，提出了節(jié)能控制算法和最大轉(zhuǎn)矩控制算法，用于提高電動汽車的續(xù)航

3、里程和加速性能。他勵直流電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)能夠很好的運行在電動汽車上，性能可靠、結(jié)構(gòu)簡 ATmega64PID11.131.231.3421521152 1 263 11032MCU103 2 1MCU103 2 2 ATmega64113 3123 4133 5163 6173 7183 8193 9203 10203 11213 12223 13234.124411244122442264 2 1264 2.2PWM274 2 328432930311.1 “ ” “ 2001108814 200 2 000 4000km8000km140000km：純電動轎車和純電動客車均已通過國家有關(guān)認(rèn)證

4、試驗。國內(nèi)主要汽車制造商對純電動汽車的開發(fā)和研制也投入了相當(dāng)?shù)娜肆臀锪Γ⑷〉昧艘欢ǖ某晒?。北京奧運會期間，奇瑞、長安、東風(fēng)、一汽、京華及福田等汽車生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合清華大學(xué)、北京理工大學(xué)等單位，向社會提供了自主研發(fā)的55輛純電動鋰電池汽車、25輛混合動力客車、75輛混合動力轎車、20輛燃料電池轎車，以及400輛純電動場地車等各種新能源汽車為奧運會服務(wù)。奧運會后，科技部還將計劃連續(xù)3年在國內(nèi) 10個以上有條件的大中城市開展千輛級混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車、以及提供基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模示范，到2010年底節(jié)能與新能源汽車達(dá)到 1萬輛。最近，比亞迪公司新推出一款商業(yè)化的電動汽車比亞迪e6，為我

5、國電動汽車產(chǎn)業(yè)做出了重大貢獻(xiàn)。1.2國外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀近二十多年來，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家把電動汽車的研究開發(fā)看是作解決環(huán)境問題和能源問題的一種有效手段。美國政府動員全美所有科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行電動汽車 (Electricvehicle，簡稱 EV)的研究，在 1991年，美國通用汽車公司、福特汽車公司、克萊斯勒汽車公司共同協(xié)議，成立了“先進(jìn)電池聯(lián)合體” (USABC)，共同研發(fā)新一代電動汽車所需要的高性能電池。為實現(xiàn)新的節(jié)能車而能保持現(xiàn)有汽車的價格和性能，美國先后推出了PNGV、Freedom CAR、 AVP計劃。法國政府推出“PREDIT m-20022006" 計劃，并給購買 EV的用戶

6、提供 5000法郎的補(bǔ)貼。德國政府同 9個主要公司簽訂了一份理解備忘錄，為創(chuàng)建一個清潔能源城市 ( 柏林 ) 而結(jié)成同盟。英國、意大利等歐洲國家都在開展電動汽車的研發(fā)工作。而日本政府更是特別重視電動汽車的研究和開發(fā)。1998年日本東京電力公司聯(lián)合日本電池公司，共同開發(fā)了“ZA一牌電動汽車，該電動汽車采用了高新技術(shù)，使其具有當(dāng)時EV的世界最高水平。而豐田汽車公司在 1996 年就已成功地研制出燃料電池汽車的生產(chǎn)樣車，并先于其他汽車廠家在 1997年開始批量生產(chǎn)混合動力電池汽車，成為環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域和世界電動汽車產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)頭羊。以上各國政府在大力扶持大型汽車集團(tuán)的同時，紛紛通過制定環(huán)保和節(jié)能法規(guī)，采取

7、投資、稅收優(yōu)惠、政府補(bǔ)貼促進(jìn)消費的政策，旨在搶占電動汽車產(chǎn)業(yè)制高點。代表著當(dāng)代EV先進(jìn)水平的福特汽車公司的 Think 、通用汽車公司的 Impact 、豐田汽車公司的 Ecorn 、Prius電動汽車、本田公司的 Civic 電動汽車正是這種競爭的產(chǎn)物。1.3本課題的任務(wù)和主要工作本文在廣泛查閱相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于 ATmega64的他勵電機(jī)電動汽車控制系統(tǒng)。本文的主要工作歸納為以下幾點：1 介紹了他勵電動機(jī)的控制理論基礎(chǔ)與調(diào)速系統(tǒng)的仿真，為后章系統(tǒng)硬件與軟件的設(shè)計做好了準(zhǔn)備。2. 討論系統(tǒng)的硬件設(shè)計。詳細(xì)討論了開關(guān)電源模塊電路、電流檢測電路、串口通信電路、驅(qū)動電路、及抗干擾電路的設(shè)計

8、。3. 討論系統(tǒng)的軟件設(shè)計。設(shè)計系統(tǒng)的程序整體框架、各任務(wù)模塊程序、中斷服務(wù)程序和抗干擾程序。4. 進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與實驗。系統(tǒng)設(shè)計完成后進(jìn)行硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，搭建實驗平臺，記錄實驗數(shù)據(jù)及圖表，進(jìn)行實驗分析。第二章他勵電動機(jī)的控制理論基礎(chǔ)2 1他勵直流電動機(jī)的調(diào)速與制動為了滿足各種生產(chǎn)機(jī)械對負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的要求，在實際應(yīng)用中需通過設(shè)法改變電動機(jī)的各種控制參數(shù)來達(dá)到所需的人為機(jī)械特性。由于他勵直流電動機(jī)的可控參數(shù)多，易實現(xiàn)所需要的人為機(jī)械特性，所以在直流調(diào)速中較多地采用他勵直流電動機(jī)，電動汽車中一般也是選用他勵直流電動機(jī)作為直流驅(qū)動電動機(jī)。因此，需要給出直流電動機(jī)電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的兩個數(shù)學(xué)公式，

9、從而導(dǎo)出他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)方程式，即電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系式n=f(t)，然后才能說明如何改變方程式中的相關(guān)參數(shù)來獲得所需人為機(jī)械特性。2 1 1直流電動機(jī)電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1) 電樞電動勢。電樞電動勢是指直流電動機(jī)正常工作時，電樞繞組切割氣隙磁通所產(chǎn)生的電動勢。無論是發(fā)電機(jī)還是電動機(jī)，只要電樞旋轉(zhuǎn)切割磁通就有電樞電動勢。根據(jù)前述直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理可導(dǎo)出直流電動機(jī)電樞電動勢 Ea為：（ 2.1 ）式 (2 1) 中P電動機(jī)極對數(shù)；N電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)；a電樞繞組的支路對數(shù)； 電動機(jī)每極磁通(Wb)；n電動機(jī)轉(zhuǎn)速(rmin)；c（ e）電動勢常數(shù)。2) 電磁轉(zhuǎn)矩。電磁

10、轉(zhuǎn)矩是指直流電動機(jī)的電樞繞組流過電流時，這些載流導(dǎo)體在磁場中所受力而形成的總轉(zhuǎn)矩。同樣按直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)原理可推得直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T為：（ 2.2 ）式 (2 2) 中I（ a）電樞電流(A) ；C（t ）轉(zhuǎn)矩常數(shù)。電動勢常數(shù) C(e) 和轉(zhuǎn)矩常數(shù) C(t) 都是決定于電動機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，對于一臺已制的電動機(jī)C(e) 和 C(T) 都是恒定不變的常數(shù)，并且從式 (2 1) 和式 (2 2)可知兩者之間的關(guān)系為：2 1 2 他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性得出他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)方程式：(2.3)式（ 2.3 ）中R （ a）電樞繞組內(nèi)電阻；R （ c）電樞外串聯(lián)電阻；n(0)理想空載轉(zhuǎn)速；

11、機(jī)械特性斜率其中，2 1 3他勵直流電動機(jī)的調(diào)速通過對他勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)方程式(2 3) 的分析，可知改變其中 U、 、 R（ c）三個參數(shù)即可改變其轉(zhuǎn)速n。因此相應(yīng)的調(diào)速方法也要降壓、弱磁、串電阻三種：降壓調(diào)速是改變電源電壓 U來獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；弱磁調(diào)速是通過改變勵磁電流 I(f) ，從而改變電動機(jī)磁通量 來獲得恒功率調(diào)速；串電阻調(diào)速是通過逐級改變電樞回路中所串電阻 R(c) 來進(jìn)行調(diào)速，它使機(jī)械特性變軟，并增加了功耗，所以目前很少采用，主要用在大電動機(jī)的起動過程，即通過逐級減小電樞回路中所串電阻來減小起動電流。而前兩種調(diào)速方法目前用得較多，并也是電動汽車中需配合采用的方法，現(xiàn)分別

12、具體介紹如下：(1) 降低電源電壓的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速保持他勵直流電動機(jī)的磁通為額定值，電樞回路不串電阻，若將電源電壓分別降低為 U1、U2、U3等不同數(shù)值時，則可獲得與固有機(jī)械特性平行的人為機(jī)械特性，如圖 21所示。圖中所示的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在電源電壓為額定值 U(e) 時，其工作點為 e，電動機(jī)為額定轉(zhuǎn)速 n(e) ；當(dāng)電壓降低到 U1時，工作點為 A，轉(zhuǎn)速為 n(a) ；電壓為 U2時，工作點為 B，轉(zhuǎn)速為 n(b) 等。即轉(zhuǎn)速隨電源電壓降低， 調(diào)速方向是從基數(shù) ( 額定轉(zhuǎn)速 N(e) 向下調(diào)節(jié)，并且電源電壓為不同值時，其機(jī)械特性的斜率都與固有機(jī)械特性斜率相等，即特性較硬。通常電源電壓不超過額

13、定值，即采用連續(xù)降低電源電壓來實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級調(diào)速，以獲得如圖 23所示的從基速到零速段的調(diào)速控制。(2) 減弱磁通的恒功率調(diào)速由于通常電動機(jī)額定運行時均已在磁通近飽和狀態(tài)，故一般只能采用減弱磁通量的方法來調(diào)速。保持他勵直流電動機(jī)電源為額定值，電樞回路不串聯(lián)電阻，通過減小電動機(jī)的勵磁電流I(f) ，即減弱電動機(jī)磁通 時，其機(jī)械特性方程式為：(2.4)從式 (2 4) 中可看出 n(0) 隨 的減弱成反比例增加，而n隨 的二次方成反比地增加，若將近飽和額定磁通 (e)的比例定為 l ，減弱后其比例也就小于 l ，平方后其比例是減小，因此n(0)比 n增加得快，即減弱磁通 后電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 n將升高，

14、調(diào)速方向是從基速( 額定轉(zhuǎn)速 n(e) 向上調(diào)節(jié)。弱磁調(diào)速的機(jī)械特性如圖22所示。設(shè)電動機(jī)拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載互運行于固有機(jī)械特性e點上，轉(zhuǎn)速為n(e) 。當(dāng)磁通從 (e) 降到 (1) 時，轉(zhuǎn)速 n未能及時變化， 而電樞電動勢 E(a)= c(e) n(e) ，則因 下降而減小，使電樞電流 I(a)=(U-E(a)R(a) 增大。由于 R(a) 較小， E(a) 稍有減小就能使 I(a) 增加很多，此時雖然 減小了 , 但它減小的幅度小于 I(a) 增加的幅度，所以電磁轉(zhuǎn)矩 T=c(t) I(a) 還是增大了。增大后的電磁轉(zhuǎn)矩即為圖4-9 中的 T，工作點由e點過渡到 = 1的人為機(jī)械特性曲線上的

15、C點。由于 T>T(L)，轉(zhuǎn)速 n上升，E(a)隨之增大，I(a)及 T也跟著下降，當(dāng)T下降到T=T(L)時，又建立新的轉(zhuǎn)矩平衡，電動機(jī)轉(zhuǎn)速升至n(a)穩(wěn)定運行于A點。在弱磁調(diào)速中，電樞電壓 U為額定電壓 U(e) ，若保持電樞電流 I(a) 為額定電流 I(e) 不變時，則輸出轉(zhuǎn)矩 T=C(T) I(e) ，代人式 (2 3) 即可得變化磁通 與轉(zhuǎn)速 n的關(guān)系式：(2.5)式（ 2.5 ）中 C1常數(shù) 1；于是電磁轉(zhuǎn)矩可表示為，（ 2.6 ）式（ 2.6 ）中 C2常數(shù)， C2=C1C(T)I(e) 。帶入電動機(jī)輸出的功率公式有該式說明了弱磁調(diào)速時電動機(jī)允許輸出功率為常數(shù)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)；

16、允許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比變化，即屬恒功率調(diào)速方式。由于勵磁電流一般較小，因此弱磁調(diào)速控制較方便、功耗也小，通過連續(xù)調(diào)節(jié)勵磁電源的電壓，即可實現(xiàn)無級的弱磁恒功率調(diào)速，以獲得如圖2 3所示的低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的調(diào)速特性。他勵直流電動機(jī)弱磁升速能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，受電動機(jī)換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，一般他勵直流電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速只能升到額定轉(zhuǎn)速n(e) 的 122倍，對于特制的調(diào)速電動機(jī)才可升到ne的 34倍。在此需特別注意的是勵磁電流I(f)，在運行中絕對不能為0，否則 趨近于 0， n趨近于無窮即將產(chǎn)生飛車，因此必須采取相應(yīng)的互鎖保護(hù)措施。為滿足電動汽車行駛時能有較寬的速度要求，可把降低電樞電壓和

17、減弱磁通兩種調(diào)速方法合起來實用，以獲得低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的調(diào)速特性?！?-9 】第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計本章主要介紹了他勵直流電機(jī)電動汽車控制器的硬件設(shè)計，其中包括了控制器整體電路模塊的設(shè)計、電源模塊設(shè)計、驅(qū)動模塊設(shè)計、電流檢測模塊設(shè)計和通信模塊設(shè)計等。下面做具體的介紹。3 1系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計方案本電動汽車動力系統(tǒng)是基于他勵直流電機(jī)設(shè)計的，控制器的硬件設(shè)計既要達(dá)到動力性能要求，也要達(dá)到便捷的操控性要求。根據(jù)第二章對他勵直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)提出的性能要求結(jié)合電動汽車的操控性要求，設(shè)計了如圖 3 1所示的硬件系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)包括對電樞和勵磁的分別PWM控制模塊，電源模塊，開關(guān)量處理模塊，和模擬量處理

18、模塊，硬件性能滿足設(shè)計要求，可在此硬件系統(tǒng)上對 MCU進(jìn)行軟件設(shè)計，從而達(dá)到最終的控制要求。3 2主控制器 MCU的介紹3 2 1 MCU的選擇MCU是整個系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、存儲和通訊等功能。選擇一款合適的控制器對整個系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。對于明確應(yīng)用對象的系統(tǒng)，選擇功能過少的控制器，難于完成控制任務(wù)，外圍器件的擴(kuò)展也會使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜從而使精確度降低。選擇功能過強(qiáng)的控制器，則會造成資源浪費，使產(chǎn)品的性能價格比下降。目前，市面上的控制器不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同?？紤]到單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡單容易上手且系統(tǒng)對速度要求不高，因此本系統(tǒng)選用一款高性價比的單片機(jī)充當(dāng) MC

19、U。在實際應(yīng)用中，選擇單片機(jī)時應(yīng)考慮以下幾點：【5】(1) 單片機(jī)的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量，中斷能力及可用 IO 口引腳數(shù)量等。(2) 單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗， AD功能，雙串口， RTC(實時時鐘 ) ， EEPROM， CAN接口等。(3) 單片機(jī)的存儲介質(zhì)，對于程序存儲器來說，F(xiàn)lash存儲器和OTP(一次性可編程) 存儲器相比較，最好是選擇Flash存儲器。(4) 芯片的封裝形式，如 DIP封裝， PLCC封裝及表面貼附封裝等。(5) 芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級、軍品級還是商業(yè)級，如果設(shè)計戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級芯片。(6) 單片機(jī)的工作電壓是否在常用范圍

20、內(nèi)。(7) 單片機(jī)的抗干擾性能。(8) 編程器以及仿真器的價格，單片機(jī)開發(fā)是否支持高級語言以及編程環(huán)境要好用易學(xué)。(9) 供貨渠道是否暢通，價格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合本系統(tǒng)實際情況，儀表選用ATMEL公司生產(chǎn)的 ATmega64單片機(jī)作為主控模塊的核心芯片3 2 2 ATmega64的特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)ATmega64是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8位 AVR高檔微處理器，采用 RISC結(jié)構(gòu)，具備 IMIPSMHz(百萬條指令每秒兆赫茲) 的高速處理能力，有效緩減了系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。它可以廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表

21、、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。其主要特點和優(yōu)點如下：【6】(1) 自帶廉價的程序存儲器 (FLASH) 和非易失的數(shù)據(jù)存儲器 (EEPROM)。這些存儲器可可擦寫 1000次以上，新工藝 AVR器件，程序存儲器擦寫可達(dá) 1萬次以上，基本不再會有報廢品產(chǎn)生。這樣使程序開發(fā)更加方便，工作更可靠。(2) 高速度，低功耗。在和M51單片機(jī)外接相同晶振條件下，AVR單片機(jī)的工作速度是M51單片機(jī)的 30- 一 40倍；并且增加了休眠功能及低功率、非揮發(fā)的 CMOS工藝，一般耗電在1 25mA，典型功耗情況，WDT關(guān)閉時為100hA，其功耗遠(yuǎn)低于M51單片機(jī)，更適用于電池供電的應(yīng)用設(shè)備。(3) 工業(yè)級產(chǎn)

22、品。具有大電流輸出可直接驅(qū)動SSR和繼電器，內(nèi)有看門狗定時器，防止程序跑飛，從而提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。工作電壓范圍寬 (2 7"-6 ov)，電源抗干擾性強(qiáng)。IO口功能強(qiáng)、驅(qū)動能力大。AVR的 IO口是真正的IO口，能正確反映IO口輸入輸出的真實情況。IO 口有輸入輸出，三態(tài)高阻輸入，也可設(shè)定內(nèi)部拉高電阻作輸入端的功能，便于作各種應(yīng)用特性所需 ( 多功能 IO口 ) 。(4) 程序下載方便。 AVR程序?qū)懭肟梢圆⑿袑懭?( 用萬用編程器 ) ，也可用串行 ISP( 通過 PC機(jī) RS232H或打印 E1) 在線編程擦寫。也就是說不需要將IC 芯片拆下拿到萬用編程器上擦寫，可直接在電

23、路板上進(jìn)行程序修改、燒錄等操作，方便產(chǎn)品升級。(5) 具有模擬比較器、脈寬調(diào)制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。AVR內(nèi)帶模擬比較器， IO口可作 AD轉(zhuǎn)換用，可組成廉價的AD轉(zhuǎn)換器。使得工業(yè)控制中的模擬信號處理更為簡單方便。(6) 強(qiáng)大的通訊功能。內(nèi)置了同步串行接HSH、通用串行接 HUART、兩線串行總線接HTWI(12C)，使網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)傳送更為方便。(7) 超級保密功能，應(yīng)用程序可采用多重保護(hù)鎖功能。不可破解的位加密鎖 Lock bit技術(shù)， Flash 保密位單元深藏于芯片內(nèi)部，無法用電子顯微鏡看到保密位，可多次燒寫的Flash 且具有多重密碼保護(hù)鎖死(LOCK)功能，因此可快速完成產(chǎn)品商品化，并

24、可多次更改程序( 產(chǎn)品升級 ) 而不必浪費 IC 芯片或電路板，大大提高產(chǎn)品質(zhì)量及競爭力。由上述內(nèi)容可知， ATmega64的處理速度快且功耗低，內(nèi)部自帶的 EPROM能夠滿足車輛運行曲線參數(shù)的存儲，F(xiàn)OE的推挽設(shè)計使抗干擾能力更加增強(qiáng)，在線仿真功能使得程序開發(fā)更加簡單，兩USARTD滿足系統(tǒng)的需要(232和 485) ，內(nèi)部各種增強(qiáng)功能的設(shè)計使得控制器外設(shè)更加簡單。因此，本系統(tǒng)選用 ATmega64作為主控制芯片。3 3開關(guān)電源模塊、近年來，隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓電源朝著高頻化，集成化的方向發(fā)展，開關(guān)電源已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。高頻開關(guān)穩(wěn)壓電源與線性電源相比，具有如下優(yōu)點1) 效率高；

25、 2) 體積小、重量輕；3) 穩(wěn)壓范圍廣；4) 性能靈活、驅(qū)動能力強(qiáng)； 5) 可靠性高，當(dāng)開關(guān)損壞時，也不會有危及負(fù)載的高低壓出現(xiàn)。而傳統(tǒng)的開關(guān)電源普遍采用電壓型PWM技術(shù)。電流型 PWM是近年興起的新技術(shù)，與電壓型PWM相比，電流型 PWM開關(guān)電源具有更好的電壓和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性得以明顯改善，特別是其內(nèi)在的限流能力和并聯(lián)均流能力可以使控制電路簡單可靠。目前，小功率開關(guān)電源正從電壓控制模式向電流控制模式方向轉(zhuǎn)化。UC3842是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計，為設(shè)計人員提供只需要最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。此集成電路具有可微調(diào)的振

26、蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖?、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出， 是驅(qū)動功率 MOSFET的理想器件。 本文以 UC3842為核心控制部件，設(shè)計了 DC60 V輸入、 DCl2V輸出的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源控制電路是一個電壓、電流雙閉環(huán) PI 控制系統(tǒng)。主要的功能模塊包括：啟動電路、反饋電路、保護(hù)電路、整流電路。系統(tǒng)電源電路原理圖如圖3 3所示。在電路設(shè)計中，利用 UC3842控制芯片內(nèi)部的誤差放大器、由 R1、R2構(gòu)成的電壓反饋電路，和 R3、C1共同構(gòu)成電壓閉環(huán) PI 調(diào)節(jié)器，利用芯片內(nèi)部的比較器與由 R5電流檢測和 R4、C2濾波電路構(gòu)成的電

27、流反饋電路構(gòu)成電流閉環(huán)。外接的定時電阻 R（ T）和定時電容 C（ T），決定系統(tǒng)的工作頻率， f=1 8R（ T）C（ T）。系統(tǒng)中取 R（ T）為 7 5K ，取 C，為 0 01uf 。系統(tǒng)的工作頻率 f=24KHz 。采用 LM7905變換芯片產(chǎn)生 -5V 電源，給運放工作提供負(fù)電源。3 4電流檢測模塊在功率變換器中，經(jīng)常要對流過主功率開關(guān)器件的電流進(jìn)行檢測，其目的主要有兩個：1) 對功率變換器進(jìn)行過流保護(hù)；2) 作為功率變換器控制器的電流反饋檢測量。通常的做法是在功率變換器的直流母線上安裝電流霍爾或電流互感器以提供電流反饋檢測量。由于流過主開關(guān)器件的電流通常都較大，所采用的霍爾器件或

28、電流互感器的額定參數(shù)也必須很大，不僅成本高、體積大、安裝不方便，且不便于實現(xiàn)功率變換器的高功率密度。文中介紹一種用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電流檢測電路，可以直接布置在功率變換器的控制器的印制板上，不僅成本低廉，體積小，安裝方便，而且性能良好，還可以同功率變換器固化在一起形成專用集成電路(ASIC) 。3 4 1 MOSFET電流檢測原理MOSFET的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，約為0 4一 0 8，有利于采用多MOSFET管并聯(lián)。多只元件并聯(lián)工作時，MOSFET間可以自動均流。當(dāng)MOSFET功率開關(guān)流過通態(tài)電流時，由于通態(tài)導(dǎo)通電阻的存在，在其導(dǎo)通溝道上有一定的壓降，又因器件的導(dǎo)通溝道電阻基本穩(wěn)定，該壓降

29、與器件的通態(tài)電流成正比。所以，檢測出主開關(guān)器件的通態(tài)壓降也就是檢測流過器件的電流大小。即：（ 3.1 ）式（ 3.1 ）中， V（ DSN） OS開關(guān)的漏源通態(tài)壓降；R （ D）溝道等效電阻； Id 漏極電流。3 4 2他勵直流電機(jī)電流檢測方法他勵直流電機(jī)控制器要采集的電流信號是電樞電流信號和勵磁電流信號，電樞電流只有一相，勵磁電流要采集的信號有兩相，如圖31硬件結(jié)構(gòu)框圖所示，電樞電流采集流過下橋MOSFET的電流，勵磁采集流過H橋下橋MOSFET的電流。因為原理都是一樣的，故只分析采集電樞電流的電路。由于電機(jī)所需功率比較大，所以每一項都是多個MOSFET管并聯(lián)【 251。他勵電機(jī)電樞電流檢測

30、電路如圖 3 4所示。電路工作原理： Vlow驅(qū)動下橋 MOSFET管，當(dāng) Vlow 為低電平時， D2右端也被鉗位為低電平， U1的正向輸入端即為低電平， U1的負(fù)向輸入端為固定電平，此時 U1輸出為低電平， U2輸出也為低電平，經(jīng)過 U3，正反輸入端都為 0，所以 U3輸出為 0。 MCU電流采樣點 V04為 O。當(dāng) Vlow為高電平時， D2右端電壓為高電平， 此時 U1輸出為高阻態(tài)， Vol 的電壓為 MOSFET電流在內(nèi)阻上的壓降加上 D1的管壓降， 因為加上了 D1的管壓降，所以檢測的電流不準(zhǔn)，故我們采用了U2來去除管壓降，此時U2輸出為高阻態(tài)， V02的電壓為二極管管壓降。V03

31、=K*(V01V02) ；K=(R9R8)為電壓放大倍數(shù)；V03經(jīng)過 C1和 R10組成的濾波電路可得電壓V04，此時 V04的電壓即能準(zhǔn)確 Ql 上的管壓降，將 V04的電壓送入 MCU進(jìn)行處理。開關(guān)管管壓降和電流檢測電路相關(guān)點的波形分析如圖3 5所示。T1和 T3是導(dǎo)通時刻，T2是 MOSFET關(guān)斷時刻， Vl 是導(dǎo)通時 D3的管壓降，V2是運放的零飄電壓。3 5驅(qū)動電路的設(shè)計驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是實現(xiàn)主電路中的電力電子器件按照預(yù)定設(shè)想運行的重要環(huán)節(jié)。采用性能良好的驅(qū)動電路，可以使電力電子器件工作在較為理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗。此外，對器件或整個

32、裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動電路中，或通過驅(qū)動電路實現(xiàn)，因此驅(qū)動電路對裝置的運行效率、可靠性和安全性都有重要的影響。功率MOSFET為電壓型驅(qū)動功率器件，常見的MOSFET柵極集成驅(qū)動器為IR公司生產(chǎn)的 IR21XX系列高壓浮動MOS柵極驅(qū)動集成電路，該集成電路將驅(qū)動一個高壓側(cè)和一個低壓側(cè)MOSFET所需的絕大部分功能集成在一個封裝內(nèi)，它們依據(jù)自舉原理工作，驅(qū)動高壓側(cè)和低壓側(cè)兩個元件時，不需要獨立的驅(qū)動電源，因而使電路得到簡化，而且開關(guān)速度快，可以得到理想的驅(qū)動波形。在設(shè)計功率主電路的驅(qū)動電路中，要綜合考慮減小開關(guān)損耗、驅(qū)動的一致性、抑制感生電壓等問題，因此驅(qū)動電路對系統(tǒng)的可靠性有重要的影

33、響。在系統(tǒng)設(shè)計中，選用IR2110 作為驅(qū)動芯片。圖 3 6為單橋臂的驅(qū)動電路的原理圖。在 MOSFET柵極串聯(lián)一個限流電阻Rl ，降低 MOSFET的開關(guān)速度，減小電壓電流的變化率，降低 EMI，且對動態(tài)均流有顯著的作用，但增大了 MOSFET的開關(guān)損耗， 經(jīng)過反復(fù)實驗， 取 R1的電阻值為 15 ；電阻 R2是防靜電電阻，以免由于靜電燒損功率管；采用 15V的 TvS防止驅(qū)動電壓過高，損壞功率管。3 6電壓檢測電路在驅(qū)動控制系統(tǒng)中使用的功率器件是IRFB4310，其耐壓值為 100V，當(dāng)電壓過高時，功率器件會因過壓而損壞，所以電壓信號的檢測是很重要的一個信號量。電壓檢測電路如圖37所示。我

34、們需要測量蓄電池電壓值，在信號的采樣點的選擇上，我可以選擇鑰匙開關(guān)的接口點KEY作為蓄電池電壓的采樣點，為了配合系統(tǒng)的故障檢測功能的實現(xiàn)，選擇B+點作為蓄電池電壓采樣點。在驅(qū)動系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)先通過二極管和PTC功率熱敏電阻給功率電路中的濾波電容充電，延時 lS 后，通過檢測 B+點的電壓， 電壓過低，可以判斷功率電路出現(xiàn)故障，發(fā)出故障報警信號；電壓過高，發(fā)出報警信號。如果系統(tǒng)正常，吸合主接觸器，系統(tǒng)進(jìn)入運行狀態(tài)，但也存在主接觸器不能可靠吸合在運行的過程中斷開的故障情況，此時B+點的電壓將下降，系統(tǒng)應(yīng)及時停止運行。當(dāng)功率電路出現(xiàn)故障時，充電電路的電流較大，PTC功率電阻溫度升高，其阻值升高，起

35、到抑制充電電流，保護(hù)電路板的功能。3 7溫度檢測電路在驅(qū)動控制系統(tǒng)的功率電路中利用MOSFET的關(guān)斷與導(dǎo)通來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 MOSFET的損耗都轉(zhuǎn)換成熱量，并變成溫升， 但 MOSFET溫度過高時，驅(qū)動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將會下降，甚至造成功率器件損壞。因此控制器設(shè)計時，考慮功率器件溫升情況，通過采集功率結(jié)構(gòu)散熱器的溫度信號，間接檢測功率器件工作的環(huán)境溫度，當(dāng)功率器件的工作環(huán)境溫度大于 60時，驅(qū)動系統(tǒng)將發(fā)出警報聲音，提醒用戶；當(dāng)功率器件的工作環(huán)境溫度大于 70時，驅(qū)動系統(tǒng)將強(qiáng)制停止運行，并發(fā)出報警聲音，等待功率器件的工作環(huán)境溫度小于60時，重新恢復(fù)正常工作狀態(tài)。在驅(qū)動控制系統(tǒng)中電路設(shè)計

36、中，溫度信號的檢測采用玻封的 NTC熱敏電阻裝在散熱器上作為溫度傳感器， NTC熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)溫度升高時，其電阻值變小，通過查閱器件資料，可得到具體型號的NTC熱敏電阻在不同環(huán)境溫度下所對應(yīng)的阻值。 通過電阻分壓， 將溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入微處理器的 AD口。溫度檢測電路如圖 3 8所示。3 8加減速踏板信號檢測電路電動機(jī)的運轉(zhuǎn)速度由加速踏板的加速器控制。在本驅(qū)動系統(tǒng)中，加速器采用線性霍爾測量駕駛員的速度給定信號，其輸出為0 5V4 5V的電壓信號，該信號經(jīng)過RC濾波和電壓跟隨器后送人微處理器的AD口。加速信號處理電路如圖3 9所示。在加減速踏板中，安裝了微動開關(guān)，配合

37、加速器的使用，可以提高系統(tǒng)的可靠性， 微動開關(guān)閉合時， 系統(tǒng)根據(jù)加速器的信號進(jìn)入電動狀態(tài)運行，微動開關(guān)斷開時，系統(tǒng)進(jìn)入制動狀態(tài)，速度為零，轉(zhuǎn)入靜止準(zhǔn)備狀態(tài)。3 9 開關(guān)量輸入信號控制系統(tǒng)中使用的開關(guān)量輸入有：加速器內(nèi)部的微動開關(guān)信號、檔位信號及電機(jī)驅(qū)動使能開關(guān)信號。當(dāng)外部的開關(guān)閉合時，相應(yīng)的IO口接收到4V的高電平信號；當(dāng)外部的開關(guān)斷開時，相應(yīng)的I0 口接收到 0的低電平信號。開關(guān)輸入信號處理電路如圖3 10所示。3 10蜂鳴器報警電路故障報警器件采用12V壓電式蜂鳴器。當(dāng)系統(tǒng)運行時發(fā)生電池電壓在不允許的范圍內(nèi)、散熱器溫度超限，系統(tǒng)接線故障，功率橋損壞等故障時蜂鳴器將根據(jù)故障的情況，發(fā)出不同的

38、報警提示聲音。報警電路如圖311所示。3 11通訊模塊電路設(shè)計通訊模塊包括JTAG接口和 USART接口。 JTAG接口用于系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與所開發(fā)系統(tǒng)之間的通訊，主要用于處理器的熔絲位設(shè)定、程序下載、系統(tǒng)調(diào)試等。 USART0接口用于和上位機(jī)完通訊完成成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和各種控制任務(wù)，控制器提供了一種通信接口即RS232。在設(shè)計時，ATmega64的USART0121用于負(fù)責(zé)本 RS232接口通信，電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232，具體接口電路設(shè)計如圖3 12 -3 13所示。JTAG接口同過仿真器與PC連接， JTAG接口圖如圖 312所示：3 12硬件抗干擾的設(shè)計合格的硬件系統(tǒng)設(shè)計包括兩個方面：系統(tǒng)

39、功能的實現(xiàn)與良好的抗干擾能力。干擾不僅會使電子元器件性能降級或失效，使處理器工作失常；同時還可能使輸入輸出及控制信號發(fā)生偏移或嚴(yán)重失真，導(dǎo)致計量誤差。系統(tǒng)的干擾信號主要來自以下幾個方面：1) 元器件布局不合理造成的干擾；2) 數(shù)字地和模擬地的相互影響； 3) 寄生耦合； 4) 電磁干擾； 5) 靜電干擾等。這些干擾使 MCU的檢測值嚴(yán)重失真，直接影響系統(tǒng)整體系能。3 13本章小結(jié)本章根據(jù)系統(tǒng)提出的要求，提出了硬件電路總體設(shè)計方案，并詳細(xì)描述了各硬件模塊的電路實現(xiàn)。對影響系統(tǒng)的干擾進(jìn)行了分析，給出了具體的抗干擾措施。設(shè)計的電路具有簡單可靠成本低等特點。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1電動汽車的控制策略

40、研究控制器是分工況對純電動汽車進(jìn)行實時控制的。純電動汽車的行駛工況分為以下五種：1啟動。2勻速行駛。3加速行駛。4減速行駛。5制動。對不同的行駛工況采用不同的控制策略，這樣不僅能改善純電動汽車的響應(yīng)方式，而且能優(yōu)化控制效果。4 1 1再生制動控制策略1長下坡時的再生制動控制策略純電動汽車行駛在下坡路況，當(dāng)坡度角大于某一數(shù)值時，電樞電流小于零，電機(jī)從電動運行狀態(tài)過渡到再生制動狀態(tài)，向蓄電池充電，再生制動所產(chǎn)生能量經(jīng)功率變換器存儲到純電動汽車動力蓄電池中。坡度越大，回饋的能量越多。當(dāng)坡度過大時，回饋電流將大于動力蓄電池最大允許充電電流，這種情況下必須對充電電流進(jìn)行限制，此時采用再生制動和機(jī)械制動相

41、結(jié)合的制動方式來保證動力蓄電池的安全充電及行車安全。2中輕度剎車時的再生制動策略中輕度剎車是車輛行駛過程中最常見的一種剎車。中輕度剎車時，若所需制動力小于動力蓄電池允許最大充電電流等效的制動力，機(jī)械能直接通過 PWM變換器給蓄電池充電；若所需制動力大于動力蓄電池允許最大充電電流等效的制動力，則用最大允許充電電流向蓄電池充電，多余部分能量由機(jī)械制動消耗。3急剎車時的再生制動策略當(dāng)駕駛員在駕駛過程中遇到時緊急情況時會進(jìn)行緊急剎車行為，此時考慮到行車的安全性，應(yīng)使用機(jī)械制動迅速停車。4 1 2驅(qū)動控制策略在現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計中，PID控制是應(yīng)用最廣泛的控制策略。PID算法不僅具有簡單而固定的形式，而且

42、在很寬的工作范圍內(nèi)都能保持較好的魯棒性。然而常規(guī)PID控制器難以滿足高精度、快響應(yīng)的控制要求，常常不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)的大范圍變化以及非線性因素的影響。模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它從行為上模擬人的模糊推理和決策過程。其最大的特點是將專家的經(jīng)驗和知識表示為語言控制規(guī)則，并用這些控制規(guī)則去控制系統(tǒng)，這樣它可以不依賴于被控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對被控制對象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。純電動汽車在行駛過程中，環(huán)境的變化具有不可預(yù)知的特點，因此常規(guī)的 PID控制算法在控制系統(tǒng)中較難取得滿意的控制效果。所以，對速度的控制策略采用將 PID控制和模糊控制相結(jié)合的方法一模糊自適應(yīng)整定PID控制，即利用模糊控制規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改?！?】如圖 4 3所示：PID參數(shù)自整定的實現(xiàn)思想是先找出PID的三個參數(shù)與誤差e和誤差變化率 eg之間的模糊關(guān)系，在運行中通過不斷檢測e和 eg，再根據(jù)模糊控制原理來對三個參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同e和 ec時對控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態(tài)性能。確定系統(tǒng)中連續(xù)變量e， ec的變化范圍，本系統(tǒng)中