電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 摘要在當(dāng)前全球汽車(chē)工業(yè)面臨金融危機(jī)和能源環(huán)境問(wèn)題的巨大挑戰(zhàn)的情況下，發(fā)展電動(dòng)汽車(chē)，利用無(wú)污染的綠色能源，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)能源動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化，推動(dòng)傳統(tǒng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，在國(guó)際上已經(jīng)形成了廣泛共識(shí)。本課題以電動(dòng)汽車(chē)他勵(lì)電機(jī)控制器為例，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的加、減速，起、制動(dòng)等基本功能以與一些特殊情況下的處理。以開(kāi)發(fā)出高可靠性、高性能指標(biāo)、低成本并且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為目的。主要包括硬件電路板的設(shè)計(jì)，以與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件部分的仿真調(diào)試。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，這里主控制芯片采用ATMEL公司的ATmega64芯片。功率模塊采用多MOSFET并聯(lián)的方式，有效的節(jié)約了成本。電源

2、模塊采用基于UC3842的開(kāi)關(guān)電源電路。選用IR公司的IR2110作為驅(qū)動(dòng)芯片，高端輸出驅(qū)動(dòng)電流可到19A，低端輸出驅(qū)動(dòng)電流可到2.3A，能夠提供7個(gè)MOSFET并聯(lián)時(shí)驅(qū)動(dòng)電流。對(duì)于電流檢測(cè)模塊，本文沒(méi)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(cè)電路，這種方式即節(jié)約了成本也保證了檢測(cè)精度。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，主要實(shí)現(xiàn)的功能為：開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)處理，故障檢測(cè)，串口通訊，勵(lì)磁、電樞控制，報(bào)警功能等。針對(duì)他勵(lì)電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和加速性能。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠很好的運(yùn)行在電動(dòng)汽車(chē)上，性能可靠、結(jié)構(gòu)

3、簡(jiǎn)單，并且節(jié)約了成本，使電動(dòng)汽車(chē)的性?xún)r(jià)比大大提高，有利于電動(dòng)汽車(chē)的普與。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)，ATmega64，他勵(lì)直流電機(jī)，PID模糊控制目錄摘要1第一章 緒論1.1純電動(dòng)汽車(chē)在國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r31.2 國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀31.3 本課題的任務(wù)和主要工作4第二章 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的控制理論基礎(chǔ)21他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與制動(dòng)5211直流電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩5212 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性6第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)31系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)方案1032主控制器MCU的介紹10321 MCU的選擇10322 ATmega64的特性與部結(jié)構(gòu)1133開(kāi)關(guān)電源模塊1234電流檢測(cè)模塊1335驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)1636電

4、壓檢測(cè)電路1737溫度檢測(cè)電路1838加減速踏板信號(hào)檢測(cè)電路1939 開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)20310蜂鳴器報(bào)警電路20311通訊模塊電路設(shè)計(jì)21312硬件抗干擾的設(shè)計(jì)22313本章小結(jié)23第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 電動(dòng)汽車(chē)的控制策略研究24411再生制動(dòng)控制策略24412驅(qū)動(dòng)控制策略2442 主要任務(wù)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)26421主程序2642.2 勵(lì)磁、電樞PWM控制模塊27423 電動(dòng)機(jī)速度測(cè)量2843 本章小結(jié)29第五章 總結(jié)30參考文獻(xiàn)31第一章 緒論1.1 純電動(dòng)汽車(chē)在國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r與世界其他國(guó)家一樣，電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)工作在我國(guó)也正在如火如荼的進(jìn)行著：“十五”期間，國(guó)家從維護(hù)我國(guó)能源安全、改善大氣環(huán)

5、境、提高汽車(chē)工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略高度考慮，設(shè)立“電動(dòng)汽車(chē)重大科技專(zhuān)項(xiàng)，通過(guò)組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)，集中國(guó)家、地方、企業(yè)、高校、科研院所等方面的力量進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。為此，從2001年10月起，國(guó)家共計(jì)撥款88億元作為這一重大科技專(zhuān)項(xiàng)的經(jīng)費(fèi)1。我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)重大科技專(zhuān)項(xiàng)實(shí)施4年來(lái)，經(jīng)過(guò)200多家企業(yè)、高校和科研院所的2 000多名技術(shù)骨干的努力，目前已取得重要進(jìn)展：燃料電池汽車(chē)已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出性能樣車(chē)，燃料電池轎車(chē)?yán)塾?jì)運(yùn)行4000km，燃料電池客車(chē)?yán)塾?jì)運(yùn)行8000km：混合動(dòng)力客車(chē)已在等地公交線(xiàn)路上試驗(yàn)運(yùn)行超過(guò)140000km：純電動(dòng)轎車(chē)和純電動(dòng)客車(chē)均已通過(guò)國(guó)家有關(guān)認(rèn)證試

6、驗(yàn)。國(guó)主要汽車(chē)制造商對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的開(kāi)發(fā)和研制也投入了相當(dāng)?shù)娜肆臀锪?，并取得了一定的成果。奧運(yùn)會(huì)期間，奇瑞、長(zhǎng)安、東風(fēng)、一汽、京華與福田等汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合清華大學(xué)、理工大學(xué)等單位，向社會(huì)提供了自主研發(fā)的55輛純電動(dòng)鋰電池汽車(chē)、25輛混合動(dòng)力客車(chē)、75輛混合動(dòng)力轎車(chē)、20輛燃料電池轎車(chē)，以與400輛純電動(dòng)場(chǎng)地車(chē)等各種新能源汽車(chē)為奧運(yùn)會(huì)服務(wù)。奧運(yùn)會(huì)后，科技部還將計(jì)劃連續(xù)3年在國(guó)10個(gè)以上有條件的大中城市開(kāi)展千輛級(jí)混合動(dòng)力汽車(chē)、純電動(dòng)汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)、以與提供基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模示，到2010年底節(jié)能與新能源汽車(chē)達(dá)到1萬(wàn)輛。最近，比亞迪公司新推出一款商業(yè)化的電動(dòng)汽車(chē)比亞迪e6，為我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)做出了

7、重大貢獻(xiàn)。1.2 國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀近二十多年來(lái)，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家把電動(dòng)汽車(chē)的研究開(kāi)發(fā)看是作解決環(huán)境問(wèn)題和能源問(wèn)題的一種有效手段。美國(guó)政府動(dòng)員全美所有科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)(Electric vehicle，簡(jiǎn)稱(chēng)EV)的研究，在1991年，美國(guó)通用汽車(chē)公司、福特汽車(chē)公司、克萊斯勒汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)所需要的高性能電池。為實(shí)現(xiàn)新的節(jié)能車(chē)而能保持現(xiàn)有汽車(chē)的價(jià)格和性能，美國(guó)先后推出了PNGV、Freedom CAR、AVP計(jì)劃。法國(guó)政府推出“PREDIT m-20022006"計(jì)劃，并給購(gòu)買(mǎi)EV的用戶(hù)提供5000法郎的補(bǔ)貼。德國(guó)政

8、府同9個(gè)主要公司簽訂了一份理解備忘錄，為創(chuàng)建一個(gè)清潔能源城市(柏林)而結(jié)成同盟。英國(guó)、意大利等歐洲國(guó)家都在開(kāi)展電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)工作。而日本政府更是特別重視電動(dòng)汽車(chē)的研究和開(kāi)發(fā)。1998年日本東京電力公司聯(lián)合日本電池公司，共同開(kāi)發(fā)了“ZA一牌電動(dòng)汽車(chē)，該電動(dòng)汽車(chē)采用了高新技術(shù)，使其具有當(dāng)時(shí)EV的世界最高水平。而豐田汽車(chē)公司在1996年就已成功地研制出燃料電池汽車(chē)的生產(chǎn)樣車(chē)，并先于其他汽車(chē)廠(chǎng)家在1997年開(kāi)始批量生產(chǎn)混合動(dòng)力電池汽車(chē)，成為環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域和世界電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化的領(lǐng)頭羊。以上各國(guó)政府在大力扶持大型汽車(chē)集團(tuán)的同時(shí)，紛紛通過(guò)制定環(huán)保和節(jié)能法規(guī)，采取投資、稅收優(yōu)惠、政府補(bǔ)貼促進(jìn)消費(fèi)的政策，旨在搶占

9、電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。代表著當(dāng)代EV先進(jìn)水平的福特汽車(chē)公司的Think、通用汽車(chē)公司的Impact、豐田汽車(chē)公司的Ecorn、Prius電動(dòng)汽車(chē)、本田公司的Civic電動(dòng)汽車(chē)正是這種競(jìng)爭(zhēng)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(jì)基于A(yíng)Tmega64的他勵(lì)電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)。本文的主要工作歸納為以下幾點(diǎn)：1 介紹了他勵(lì)電動(dòng)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(jì)做好了準(zhǔn)備。2. 討論系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。詳細(xì)討論了開(kāi)關(guān)電源模塊電路、電流檢測(cè)電路、串口通信電路、驅(qū)動(dòng)電路、與抗干擾電路的設(shè)計(jì)。3. 討論系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序整體框架、各任務(wù)模塊程

10、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(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行硬件調(diào)試和軟件調(diào)試，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與圖表，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。第二章 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的控制理論基礎(chǔ)21他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與制動(dòng)為了滿(mǎn)足各種生產(chǎn)機(jī)械對(duì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的要求，在實(shí)際應(yīng)用中需通過(guò)設(shè)法改變電動(dòng)機(jī)的各種控制參數(shù)來(lái)達(dá)到所需的人為機(jī)械特性。由于他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的可控參數(shù)多，易實(shí)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)汽車(chē)中一般也是選用他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)作為直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。因此，需要給出直流電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩的兩個(gè)數(shù)學(xué)公式，從而導(dǎo)出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)方程式，即電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和

11、轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系式n=f(t)，然后才能說(shuō)明如何改變方程式中的相關(guān)參數(shù)來(lái)獲得所需人為機(jī)械特性。211直流電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1)電樞電動(dòng)勢(shì)。電樞電動(dòng)勢(shì)是指直流電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電樞繞組切割氣隙磁通所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。無(wú)論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，只要電樞旋轉(zhuǎn)切割磁通就有電樞電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)前述直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理可導(dǎo)出直流電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)Ea為： （2.1）式(21)中 P電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；N電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)；a電樞繞組的支路對(duì)數(shù)；電動(dòng)機(jī)每極磁通(Wb)；n電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(rmin)；c（e）電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。2)電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩是指直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組流過(guò)電流時(shí)，這些載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受力而形成的總轉(zhuǎn)矩。同

12、樣按直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理可推得直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為： （2.2）式(22)中 I（a）電樞電流(A)；C（t）轉(zhuǎn)矩常數(shù)。電動(dòng)勢(shì)常數(shù)C(e)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)C(t)都是決定于電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，對(duì)于一臺(tái)已制的電動(dòng)機(jī)C(e)和C(T)都是恒定不變的常數(shù)，并且從式(21)和式(22)可知兩者之間的關(guān)系為： 212 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性得出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)方程式： (2.3)式（2.3）中 R（a）電樞繞組電阻； R（c）電樞外串聯(lián)電阻； n(0) 理想空載轉(zhuǎn)速；機(jī)械特性斜率其中， 213他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速通過(guò)對(duì)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)方程式(23)的分析，可知改變其中U、R（c）三

13、個(gè)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(lái)獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；弱磁調(diào)速是通過(guò)改變勵(lì)磁電流I(f)，從而改變電動(dòng)機(jī)磁通量來(lái)獲得恒功率調(diào)速；串電阻調(diào)速是通過(guò)逐級(jí)改變電樞回路中所串電阻R(c)來(lái)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(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，即通過(guò)逐級(jí)減小電樞回路中所串電阻來(lái)減小起動(dòng)電流。而前兩種調(diào)速方法目前用得較多，并也是電動(dòng)汽車(chē)中需配合采用的方法，現(xiàn)分別具體介紹如下：(1) 降低電源電壓的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速保持他勵(lì)直流電動(dòng)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(shí)，則可獲

14、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(shí)，其工作點(diǎn)為e，電動(dòng)機(jī)為額定轉(zhuǎn)速n(e)；當(dāng)電壓降低到U1時(shí)，工作點(diǎn)為A，轉(zhuǎn)速為n(a)；電壓為U2時(shí)，工作點(diǎn)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(shí)，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(guò)額定值，即采用連續(xù)降低電源電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)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(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)均已在磁通近飽和狀態(tài)，故一般只能采用減弱磁通量的

15、方法來(lái)調(diào)速。保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電源為額定值，電樞回路不串聯(lián)電阻，通過(guò)減小電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流I(f)，即減弱電動(dòng)機(jī)磁通時(shí)，其機(jī)械特性方程式為： (2.4)從式(24)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n將升高，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(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載互運(yùn)行于固有機(jī)械特性e點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速為n(e)。當(dāng)磁通從(e)降到(1)時(shí)，轉(zhuǎn)速n未能與時(shí)變化，而電樞電動(dòng)勢(shì)E(a)= c(e) n(e

16、)，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(shí)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(diǎn)由e點(diǎn)過(guò)渡到=1的人為機(jī)械特性曲線(xiàn)上的C點(diǎn)。由于T>T(L)，轉(zhuǎn)速n上升，E(a)隨之增大，I(a)與T也跟著下降，當(dāng)T下降到T=T(L)時(shí)，又建立新的轉(zhuǎn)矩平衡，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至n(a)穩(wěn)定運(yùn)行于A(yíng)點(diǎn)。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(shí)，則輸出轉(zhuǎn)矩T=C(T)I(e)，代

17、人式(23)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(dòng)機(jī)輸出的功率公式有該式說(shuō)明了弱磁調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)允許輸出功率為常數(shù)，與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)；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(lì)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(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電源的電壓，即可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)的弱磁恒功率調(diào)速，以獲得如圖23所示的低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的調(diào)速特性。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，受電動(dòng)機(jī)換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，一般他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速只能升到額定轉(zhuǎn)速n(e)的1

18、22倍，對(duì)于特制的調(diào)速電動(dòng)機(jī)才可升到ne的34倍。在此需特別注意的是勵(lì)磁電流I(f)，在運(yùn)行中絕對(duì)不能為0，否則趨近于0，n趨近于無(wú)窮即將產(chǎn)生飛車(chē)，因此必須采取相應(yīng)的互鎖保護(hù)措施。為滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)能有較寬的速度要求，可把降低電樞電壓和減弱磁通兩種調(diào)速方法合起來(lái)實(shí)用，以獲得低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的調(diào)速特性。7-9第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章主要介紹了他勵(lì)直流電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)控制器的硬件設(shè)計(jì)，其中包括了控制器整體電路模塊的設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)、電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)和通信模塊設(shè)計(jì)等。下面做具體的介紹。31系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)方案本電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)是基于他勵(lì)直流電機(jī)設(shè)計(jì)的，控制器的硬件設(shè)計(jì)既要達(dá)到動(dòng)

19、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(duì)他勵(lì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)提出的性能要求結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)的操控性要求，設(shè)計(jì)了如圖31所示的硬件系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)包括對(duì)電樞和勵(lì)磁的分別PWM控制模塊，電源模塊，開(kāi)關(guān)量處理模塊，和模擬量處理模塊，硬件性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可在此硬件系統(tǒng)上對(duì)MCU進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，從而達(dá)到最終的控制要求。32主控制器MCU的介紹321 MCU的選擇MCU是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和通訊等功能。選擇一款合適的控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于明確應(yīng)用對(duì)象的系統(tǒng)，選擇功能過(guò)少的控制器，難于完成控制任務(wù)，外圍器件的擴(kuò)展也會(huì)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

20、擇功能過(guò)強(qiáng)的控制器，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。目前，市面上的控制器不僅種類(lèi)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(jiǎn)單容易上手且系統(tǒng)對(duì)速度要求不高，因此本系統(tǒng)選用一款高性?xún)r(jià)比的單片機(jī)充當(dāng)MCU。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇單片機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：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(chǔ)器容量，中斷能力與可用IO口引腳數(shù)量等。(2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門(mén)狗，AD功能，雙串口，RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，EEPROM，CAN接口等。(3)單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)，對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器和OTP(一次性可編程)存儲(chǔ)器相比較，最好是選擇Flash存儲(chǔ)器。(4)芯片的封裝

21、形式，如DIP封裝，PLCC封裝與表面貼附封裝等。(5)芯片工作溫度圍符合工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)還是商業(yè)級(jí)，如果設(shè)計(jì)戶(hù)外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)芯片。(6)單片機(jī)的工作電壓是否在常用圍。(7)單片機(jī)的抗干擾性能。(8)編程器以與仿真器的價(jià)格，單片機(jī)開(kāi)發(fā)是否支持高級(jí)語(yǔ)言以與編程環(huán)境要好用易學(xué)。(9)供貨渠道是否暢通，價(jià)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(shí)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322 ATmega64的特性與部結(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IM

22、IPSMHz(百萬(wàn)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(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)如下：6(1)自帶廉價(jià)的程序存儲(chǔ)器(FLASH)和非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(EEPROM)。這些存儲(chǔ)器可可擦寫(xiě)1000次以上，新工藝AVR器件，程序存儲(chǔ)器擦寫(xiě)可達(dá)1萬(wàn)次以上，基本不再會(huì)有報(bào)廢品產(chǎn)生。這樣使程序開(kāi)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)外接一樣晶振條件下，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與低功率、非揮發(fā)的CMOS工藝，一般耗電在12

23、5mA，典型功耗情況，WDT關(guān)閉時(shí)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(jí)產(chǎn)品。具有大電流輸出可直接驅(qū)動(dòng)SSR和繼電器，有看門(mén)狗定時(shí)器，防止程序跑飛，從而提高了產(chǎn)品的抗干擾能力。工作電壓圍寬(27"-6ov)，電源抗干擾性強(qiáng)。IO口功能強(qiáng)、驅(qū)動(dòng)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(shí)情況。IO口有輸入輸出，三態(tài)高阻輸入，也可設(shè)定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?xiě)入(用萬(wàn)用編程器)，也可用串行ISP(通過(guò)PC機(jī)RS232H或打印E1)在線(xiàn)編程擦

24、寫(xiě)。也就是說(shuō)不需要將IC芯片拆下拿到萬(wàn)用編程器上擦寫(xiě)，可直接在電路板上進(jìn)行程序修改、燒錄等操作，方便產(chǎn)品升級(jí)。(5)具有模擬比較器、脈寬調(diào)制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。AVR帶模擬比較器，IO口可作AD轉(zhuǎn)換用，可組成廉價(jià)的AD轉(zhuǎn)換器。使得工業(yè)控制中的模擬信號(hào)處理更為簡(jiǎn)單方便。(6)強(qiáng)大的通訊功能。置了同步串行接HSH、通用串行接HUART、兩線(xiàn)串行總線(xiàn)接HTWI(12C)，使網(wǎng)絡(luò)控制、數(shù)據(jù)傳送更為方便。(7)超級(jí)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)，F(xiàn)lash位單元深藏于芯片部，無(wú)法用電子顯微鏡看到位，可多次燒寫(xiě)的Flash且具有多重密碼保護(hù)鎖死(LOCK)功能，因

25、此可快速完成產(chǎn)品商品化，并可多次更改程序(產(chǎn)品升級(jí))而不必浪費(fèi)IC芯片或電路板，大大提高產(chǎn)品質(zhì)量與競(jìng)爭(zhēng)力。由上述容可知，ATmega64的處理速度快且功耗低，部自帶的EPROM能夠滿(mǎn)足車(chē)輛運(yùn)行曲線(xiàn)參數(shù)的存儲(chǔ)，F(xiàn)OE的推挽設(shè)計(jì)使抗干擾能力更加增強(qiáng)，在線(xiàn)仿真功能使得程序開(kāi)發(fā)更加簡(jiǎn)單，兩USARTD滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要(232和485)，部各種增強(qiáng)功能的設(shè)計(jì)使得控制器外設(shè)更加簡(jiǎn)單。因此，本系統(tǒng)選用ATmega64作為主控制芯片。33開(kāi)關(guān)電源模塊、近年來(lái)，隨著電源技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源朝著高頻化，集成化的方向發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。高頻開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源與線(xiàn)性電源相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1)效率高；2)

26、體積小、重量輕；3)穩(wěn)壓圍廣；4)性能靈活、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；5)可靠性高，當(dāng)開(kāi)關(guān)損壞時(shí)，也不會(huì)有危與負(fù)載的高低壓出現(xiàn)。而傳統(tǒng)的開(kāi)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(kāi)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(dòng)態(tài)特性得以明顯改善，特別是其在的限流能力和并聯(lián)均流能力可以使控制電路簡(jiǎn)單可靠。目前，小功率開(kāi)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(zhuān)為離線(xiàn)和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)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)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比

27、控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖肌⒏咴鲆嬲`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(dòng)功率MOSFET的理想器件。本文以UC3842為核心控制部件，設(shè)計(jì)了DC60 V輸入、DCl2V輸出的單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)PI控制系統(tǒng)。主要的功能模塊包括：?jiǎn)?dòng)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33所示。在電路設(shè)計(jì)中，利用UC3842控制芯片部的誤差放大器、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，利用芯片部的比較器與由R5電流檢測(cè)和R4、C2濾波電路構(gòu)成的電流反饋電路構(gòu)成電流閉環(huán)。外接的定時(shí)電阻R（T）和定時(shí)電容C（

28、T），決定系統(tǒng)的工作頻率，f=18R（T）C（T）。系統(tǒng)中取R（T）為75K，取C，為001uf。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(yùn)放工作提供負(fù)電源。34電流檢測(cè)模塊在功率變換器中，經(jīng)常要對(duì)流過(guò)主功率開(kāi)關(guān)器件的電流進(jìn)行檢測(cè)，其目的主要有兩個(gè)：1)對(duì)功率變換器進(jìn)行過(guò)流保護(hù)；2)作為功率變換器控制器的電流反饋檢測(cè)量。通常的做法是在功率變換器的直流母線(xiàn)上安裝電流霍爾或電流互感器以提供電流反饋檢測(cè)量。由于流過(guò)主開(kāi)關(guān)器件的電流通常都較大，所采用的霍爾器件或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(shí)現(xiàn)功率變換器的高功率密度。文中介紹一

29、種用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的電流檢測(cè)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(zhuān)用集成電路(ASIC)。341 MOSFET電流檢測(cè)原理MOSFET的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，約為04一08，有利于采用多MOSFET管并聯(lián)。多只元件并聯(lián)工作時(shí)，MOSFET間可以自動(dòng)均流。當(dāng)MOSFET功率開(kāi)關(guān)流過(guò)通態(tài)電流時(shí)，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，該壓降與器件的通態(tài)電流成正比。所以，檢測(cè)出主開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)壓降也就是檢測(cè)流過(guò)器件的電流大小。即： （3.1）式（3.1）中，V（

30、DSN）OS開(kāi)關(guān)的漏源通態(tài)壓降； R（D）溝道等效電阻；Id漏極電流。342他勵(lì)直流電機(jī)電流檢測(cè)方法他勵(lì)直流電機(jī)控制器要采集的電流信號(hào)是電樞電流信號(hào)和勵(lì)磁電流信號(hào)，電樞電流只有一相，勵(lì)磁電流要采集的信號(hào)有兩相，如圖31硬件結(jié)構(gòu)框圖所示，電樞電流采集流過(guò)下橋MOSFET的電流，勵(lì)磁采集流過(guò)H橋下橋MOSFET的電流。因?yàn)樵矶际且粯拥?，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(xiàng)都是多個(gè)MOSFET管并聯(lián)251。他勵(lì)電機(jī)電樞電流檢測(cè)電路如圖34所示。電路工作原理：Vlow驅(qū)動(dòng)下橋MOSFET管，當(dāng)Vlow為低電平時(shí)，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)

31、向輸入端為固定電平，此時(shí)U1輸出為低電平，U2輸出也為低電平，經(jīng)過(guò)U3，正反輸入端都為0，所以U3輸出為0。MCU電流采樣點(diǎn)V04為O。當(dāng)Vlow為高電平時(shí)，D2右端電壓為高電平，此時(shí)U1輸出為高阻態(tài)，Vol的電壓為MOSFET電流在阻上的壓降加上D1的管壓降，因?yàn)榧由狭薉1的管壓降，所以檢測(cè)的電流不準(zhǔn)，故我們采用了U2來(lái)去除管壓降，此時(shí)U2輸出為高阻態(tài)，V02的電壓為二極管管壓降。 V03=K*(V01V02)；K=(R9R8)為電壓放大倍數(shù)；V03經(jīng)過(guò)C1和R10組成的濾波電路可得電壓V04，此時(shí)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(kāi)關(guān)管管壓降和電流檢測(cè)電

32、路相關(guān)點(diǎn)的波形分析如圖35所示。T1和T3是導(dǎo)通時(shí)刻，T2是MOSFET關(guān)斷時(shí)刻，Vl是導(dǎo)通時(shí)D3的管壓降，V2是運(yùn)放的零飄電壓。35驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是實(shí)現(xiàn)主電路中的電力電子器件按照預(yù)定設(shè)想運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。采用性能良好的驅(qū)動(dòng)電路，可以使電力電子器件工作在較為理想的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，縮短開(kāi)關(guān)時(shí)間，減小開(kāi)關(guān)損耗。此外，對(duì)器件或整個(gè)裝置的一些保護(hù)措施也往往設(shè)在驅(qū)動(dòng)電路中，或通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)，因此驅(qū)動(dòng)電路對(duì)裝置的運(yùn)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(dòng)功率器件，常見(jiàn)的MOSFET柵極集成驅(qū)動(dòng)器為IR公司生產(chǎn)的IR21XX系列高壓浮動(dòng)MOS

33、柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，該集成電路將驅(qū)動(dòng)一個(gè)高壓側(cè)和一個(gè)低壓側(cè)MOSFET所需的絕大部分功能集成在一個(gè)封裝，它們依據(jù)自舉原理工作，驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)和低壓側(cè)兩個(gè)元件時(shí)，不需要獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電源，因而使電路得到簡(jiǎn)化，而且開(kāi)關(guān)速度快，可以得到理想的驅(qū)動(dòng)波形。在設(shè)計(jì)功率主電路的驅(qū)動(dòng)電路中，要綜合考慮減小開(kāi)關(guān)損耗、驅(qū)動(dòng)的一致性、抑制感生電壓等問(wèn)題，因此驅(qū)動(dòng)電路對(duì)系統(tǒng)的可靠性有重要的影響。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用IR2110作為驅(qū)動(dòng)芯片。圖36為單橋臂的驅(qū)動(dòng)電路的原理圖。在MOSFET柵極串聯(lián)一個(gè)限流電阻Rl，降低MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，減小電壓電流的變化率，降低EMI，且對(duì)動(dòng)態(tài)均流有顯著的作用，但增大了MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗

34、，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，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(dòng)電壓過(guò)高，損壞功率管。36電壓檢測(cè)電路在驅(qū)動(dòng)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(guò)高時(shí)，功率器件會(huì)因過(guò)壓而損壞，所以電壓信號(hào)的檢測(cè)是很重要的一個(gè)信號(hào)量。電壓檢測(cè)電路如圖37所示。我們需要測(cè)量蓄電池電壓值，在信號(hào)的采樣點(diǎn)的選擇上，我可以選擇鑰匙開(kāi)關(guān)的接口點(diǎn)KEY作為蓄電池電壓的采樣點(diǎn)，為了配合系統(tǒng)的故障檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)，選擇B+點(diǎn)作為蓄電池電壓采樣點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)先通過(guò)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(shí)lS后，通過(guò)檢測(cè)B+

35、點(diǎn)的電壓，電壓過(guò)低，可以判斷功率電路出現(xiàn)故障，發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)；電壓過(guò)高，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。如果系統(tǒng)正常，吸合主接觸器，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，但也存在主接觸器不能可靠吸合在運(yùn)行的過(guò)程中斷開(kāi)的故障情況，此時(shí)B+點(diǎn)的電壓將下降，系統(tǒng)應(yīng)與時(shí)停止運(yùn)行。當(dāng)功率電路出現(xiàn)故障時(shí)，充電電路的電流較大，PTC功率電阻溫度升高，其阻值升高，起到抑制充電電流，保護(hù)電路板的功能。37溫度檢測(cè)電路在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的功率電路中利用MOSFET的關(guān)斷與導(dǎo)通來(lái)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(guò)高時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性將會(huì)下降，甚至造成功率器件損壞。因此控制器設(shè)計(jì)時(shí)，考慮功率器件溫

36、升情況，通過(guò)采集功率結(jié)構(gòu)散熱器的溫度信號(hào)，間接檢測(cè)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(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)聲音，提醒用戶(hù)；當(dāng)功率器件的工作環(huán)境溫度大于70時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將強(qiáng)制停止運(yùn)行，并發(fā)出報(bào)警聲音，等待功率器件的工作環(huán)境溫度小于60時(shí)，重新恢復(fù)正常工作狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中電路設(shè)計(jì)中，溫度信號(hào)的檢測(cè)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(shí)，其電阻值變小，通過(guò)查閱器件資料，可得到具體型號(hào)的NTC熱敏電阻在不同環(huán)境溫度下所對(duì)應(yīng)的阻值。通過(guò)電阻分壓，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸入微處理器的AD口。溫度檢測(cè)電路如圖38所

37、示。38加減速踏板信號(hào)檢測(cè)電路電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度由加速踏板的加速器控制。在本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，加速器采用線(xiàn)性霍爾測(cè)量駕駛員的速度給定信號(hào)，其輸出為05V45V的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)RC濾波和電壓跟隨器后送人微處理器的AD口。加速信號(hào)處理電路如圖39所示。在加減速踏板中，安裝了微動(dòng)開(kāi)關(guān)，配合加速器的使用，可以提高系統(tǒng)的可靠性，微動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)加速器的信號(hào)進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，微動(dòng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，速度為零，轉(zhuǎn)入靜止準(zhǔn)備狀態(tài)。39 開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)控制系統(tǒng)中使用的開(kāi)關(guān)量輸入有：加速器部的微動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)、檔位信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)使能開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)外部的開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，相應(yīng)的IO口接收到4V的高電平信號(hào)；當(dāng)外

38、部的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，相應(yīng)的I0口接收到0的低電平信號(hào)。開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)處理電路如圖310所示。310蜂鳴器報(bào)警電路故障報(bào)警器件采用12V壓電式蜂鳴器。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)發(fā)生電池電壓在不允許的圍、散熱器溫度超限，系統(tǒng)接線(xiàn)故障，功率橋損壞等故障時(shí)蜂鳴器將根據(jù)故障的情況，發(fā)出不同的報(bào)警提示聲音。報(bào)警電路如圖311所示。311通訊模塊電路設(shè)計(jì)通訊模塊包括JTAG接口和USART接口。JTAG接口用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境與所開(kāi)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(chǎng)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(jì)時(shí)，ATmega64的

39、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(jì)如圖312-313所示。JTAG接口同過(guò)仿真器與PC連接，JTAG接口圖如圖312所示：312硬件抗干擾的設(shè)計(jì)合格的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)方面：系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與良好的抗干擾能力。干擾不僅會(huì)使電子元器件性能降級(jí)或失效，使處理器工作失常；同時(shí)還可能使輸入輸出與控制信號(hào)發(fā)生偏移或嚴(yán)重失真，導(dǎo)致計(jì)量誤差。系統(tǒng)的干擾信號(hào)主要來(lái)自以下幾個(gè)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(cè)值嚴(yán)重失真，直接影響系統(tǒng)整體系能。313本章小

40、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(jì)方案，并詳細(xì)描述了各硬件模塊的電路實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(jì)的電路具有簡(jiǎn)單可靠成本低等特點(diǎn)。第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1 電動(dòng)汽車(chē)的控制策略研究控制器是分工況對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的。純電動(dòng)汽車(chē)的行駛工況分為以下五種：1啟動(dòng)。2勻速行駛。3加速行駛。4減速行駛。5制動(dòng)。對(duì)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(dòng)汽車(chē)的響應(yīng)方式，而且能優(yōu)化控制效果。411再生制動(dòng)控制策略1長(zhǎng)下坡時(shí)的再生制動(dòng)控制策略純電動(dòng)汽車(chē)行駛在下坡路況，當(dāng)坡度角大于某一數(shù)值時(shí)，電樞電流小于零，電機(jī)從電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)過(guò)渡到再生制動(dòng)狀態(tài)，

41、向蓄電池充電，再生制動(dòng)所產(chǎn)生能量經(jīng)功率變換器存儲(chǔ)到純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力蓄電池中。坡度越大，回饋的能量越多。當(dāng)坡度過(guò)大時(shí)，回饋電流將大于動(dòng)力蓄電池最大允許充電電流，這種情況下必須對(duì)充電電流進(jìn)行限制，此時(shí)采用再生制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的制動(dòng)方式來(lái)保證動(dòng)力蓄電池的安全充電與行車(chē)安全。2中輕度剎車(chē)時(shí)的再生制動(dòng)策略中輕度剎車(chē)是車(chē)輛行駛過(guò)程中最常見(jiàn)的一種剎車(chē)。中輕度剎車(chē)時(shí)，若所需制動(dòng)力小于動(dòng)力蓄電池允許最大充電電流等效的制動(dòng)力，機(jī)械能直接通過(guò)PWM變換器給蓄電池充電；若所需制動(dòng)力大于動(dòng)力蓄電池允許最大充電電流等效的制動(dòng)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(dòng)消耗。3急剎車(chē)時(shí)的再生制動(dòng)策略當(dāng)駕駛

42、員在駕駛過(guò)程中遇到時(shí)緊急情況時(shí)會(huì)進(jìn)行緊急剎車(chē)行為，此時(shí)考慮到行車(chē)的安全性，應(yīng)使用機(jī)械制動(dòng)迅速停車(chē)。412驅(qū)動(dòng)控制策略在現(xiàn)代控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，PID控制是應(yīng)用最廣泛的控制策略。PID算法不僅具有簡(jiǎn)單而固定的形式，而且在很寬的工作圍都能保持較好的魯棒性。然而常規(guī)PID控制器難以滿(mǎn)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)的大圍變化以與非線(xiàn)性因素的影響。模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)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(guò)程。其最大的特點(diǎn)是將專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)表示為語(yǔ)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(lài)于被控制對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型

43、，能夠克服非線(xiàn)性因素的影響，對(duì)被控制對(duì)象的參數(shù)具有較強(qiáng)的魯棒性。純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中，環(huán)境的變化具有不可預(yù)知的特點(diǎn)，因此常規(guī)的PID控制算法在控制系統(tǒng)中較難取得滿(mǎn)意的控制效果。所以，對(duì)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(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改。7如圖43所示：PID參數(shù)自整定的實(shí)現(xiàn)思想是先找出PID的三個(gè)參數(shù)與誤差e和誤差變化率eg之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行過(guò)不斷檢測(cè)e和eg，再根據(jù)模糊控制原理來(lái)對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)修改，以滿(mǎn)足不同e和ec時(shí)對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。 確定系統(tǒng)中連續(xù)變量e，ec的變化圍

44、，本系統(tǒng)中速度變化圍為(O-3000rmin)。那么速度誤差e圍是(-3000，3000)；而誤差變化率ec的變化圍可以設(shè)定為(-5000，5000)。將e，ec的變化圍整定到模糊論域E=(-7，7)：由此，可以得到速度誤差與誤差變化率的整定公式為(41)，(42)：e=7/3000e (4.1) ec=7/5000ec (4.2)這樣就得到模糊量e，cc。在模糊論域，將e和ec的語(yǔ)言變量定義為：NB=負(fù)大NM=負(fù)中NS=負(fù)小ZE=零PS=正小PM=正中PB=正大將e和ec量化為15個(gè)等級(jí)，分別為7，6，5，4，3，2，1，0，1，2，3，4，5，6，7。那么e和ec的論域?yàn)椋篹=-7，一6，

45、一5，-4，一3，一2，-l，0，1，2，3，4，5，6，7，ec=-7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7。Kp、Ki的輸出圍都為(一O3，03)，Kd的輸出圍為(-02，02)。同理，將輸出量Kp、Ki和Kd也量化為15個(gè)等級(jí)，即Kp、Ki、Kd的論域?yàn)?7，-6，-5，-4，-3，-2，-1， 0， 1，2， 3，4， 5，6， 7。該部分主要代碼如下：RAM： sectionabsentry fllzvarfuzvar：ds.b 7 ；inputsNB： equ 0 ；負(fù)大N1Vl- equ l ；負(fù)中NS： equ 2 ：負(fù)小ZE： equ 3 ；零P

46、S： equ4 ；正小,PM： equ4 ：正中PB： equ4 ：正大output membership variablesabsentry fuzoutfuzout：dsb 4 ；outputsNB： equ 0 ：負(fù)大NM： equ l ：負(fù)中NS： equ 2 ：負(fù)小ZE： equ 3 ；零PS： equ4 ；正小PM： equ4 ：正中PB： equ4 ；正大42 主要任務(wù)模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)421主程序系統(tǒng)上電后首先對(duì)系統(tǒng)實(shí)施初始化和自檢，然后管理層根據(jù)駕駛員的操作，結(jié)合當(dāng)時(shí)車(chē)輛狀況與環(huán)境狀況完成工況判斷后，對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)分工況控制，并完成實(shí)時(shí)通訊等工作。主程序流程圖如圖42所示。42.2

47、 電樞PWM控制模塊PWM信號(hào)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)整PWM信號(hào)的占空比，控制電機(jī)電樞兩端電壓的大小，從而控制轉(zhuǎn)速。PWM輸出控制信號(hào)的處理時(shí)應(yīng)該避免由于系統(tǒng)干擾造成PWM占空比變化過(guò)于頻繁和IGBT瞬間產(chǎn)生大電流損壞電動(dòng)機(jī)。系統(tǒng)程序?yàn)椋?*FILE NAME: dc_motor.cCHIP TYPE: ATMEGA64CLOCK FREQUENCY: 8MHZIDE: VSMStudioCOMPILER: AVR-GCCTIME: September 2011*/#include <avr/io.h>#include <util/delay.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/* Low level port/pin definitions */#define sbit(x,PORT) (PORT) |= (1<<x)#define cbit(x,PORT) (PORT) &= (1<<x)#define pin(x,PIN) (PIN) & (1<<x)/* Main Program */int main(void) SPL = 0x5f; / Init