1、選題背景電動汽車成為研究熱點電動汽車驅動系統是三大核心技術之一 背景： 隨著世界經濟的快速發展,能源與環境已經成為人類發展和生存的重大問題.內燃機汽車使用的燃料均為一次性能源,開發使用后便不可再生.隨著全球能源消耗的增加,地球的礦物能源已面臨枯竭.環境問題也日益突出.第1頁/共64頁國外研究現國外研究現 狀狀 世界各國著名的汽車廠商都在加緊研制各類電動汽車，并且取得了一定程度的進展和突破。日本是電動汽車技術發展最好的國家之一。最有影響當數日本豐田的Prius，2008年它全球累積銷量已經突破百萬輛 。 另外歐美各大廠商，GM，Ford也分別推出了自己的新能源車輛計劃，積極發展新能源汽車。國內研

2、究現狀國內研究現狀 近幾年我國電動汽車的研究工作也進入了全面發展階段，電動汽車市場己初露端倪。在國家863計劃中特別設立電動汽車重大專項，選擇新一代電動汽車技術作為我國汽車科技創新的主攻方向，組織企業、高等院校和科研機構等聯合攻關。 在市場推廣方面，BYD公司的F3雙模動力車已順利上市，實現量產！第2頁/共64頁車用驅動電機的發展車用驅動電機的發展車用電機車用電機直流電機永磁無刷直流電機開關磁阻電機控制簡單機械換向矢量控制技術成熟驅動電路復雜，效率低體積小、效率高，免維護結構簡單，綜合效率高噪聲大，控制復雜感應電機第3頁/共64頁主要內容 無刷直流電機控制系統軟件設計無刷直流電機控制系統軟件設

3、計選題背景選題背景無刷直流電機控制系統硬件設計無刷直流電機控制系統硬件設計 無刷直流電機的無刷直流電機的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實驗結果與分析實驗結果與分析結論與展望結論與展望1234567第4頁/共64頁 設計一個電動汽車無刷直流電機控制系統設計一個電動汽車無刷直流電機控制系統 無刷直流電機選用的為內置位置檢測傳感器，三相八極星形無刷直流電機選用的為內置位置檢測傳感器，三相八極星形繞組接線，電壓繞組接線，電壓24v,24v,功率功率52w52w 控制系統核心為控制系統核心為TITI的的DSPTMS320F2812DSPTMS320F2812，產生，產生6 6路路PWMPWM波控

4、制波控制信號送入驅動模塊，驅動模塊由信號送入驅動模塊，驅動模塊由IRIR的的IR2130IR2130芯片構成，驅動芯片構成，驅動芯片接收到控制信號后，驅動三相全橋電路，全橋電路采用芯片接收到控制信號后，驅動三相全橋電路，全橋電路采用集成塊集成塊FB4710FB4710。無刷直流電機位置傳感器獲得的信號通過光。無刷直流電機位置傳感器獲得的信號通過光耦隔離后送入耦隔離后送入DSPDSP DSPDSP通過通過SCISCI接口與上位接口與上位PCPC機相接，上位機控制電機轉速和正機相接，上位機控制電機轉速和正反轉反轉 系統采用閉環增量式系統采用閉環增量式PIDPID控制，速度檢測由位置檢測傳感器獲控制

5、，速度檢測由位置檢測傳感器獲得得 二、設計簡介二、設計簡介第5頁/共64頁 無刷直流電機控制器由無刷直流電機控制器由DSPDSP模塊、驅動器模塊、功率變換模塊、位置傳感器模塊、電源模塊和上位機組成。模塊、驅動器模塊、功率變換模塊、位置傳感器模塊、電源模塊和上位機組成?？刂破鞯慕M成部分控制器的組成部分第6頁/共64頁 系統控制方框圖系統控制方框圖第7頁/共64頁 以三相兩極無刷直流電機為例，如下為三相半橋電路以三相兩極無刷直流電機為例，如下為三相半橋電路功率變換模塊的控制功率變換模塊的控制第8頁/共64頁三相半橋驅動電路繞組利用率低，轉矩波動大第9頁/共64頁 三相全橋二二導通方式三相全橋二二導

6、通方式第10頁/共64頁 本系統通過本系統通過PWMPWM調速方式，通過控制開關管的調速方式，通過控制開關管的PWMPWM觸發信號來改變占空比，從而觸發信號來改變占空比，從而改變端電壓改變端電壓U U來實現對無刷直流電機的調速。來實現對無刷直流電機的調速。 PWMPWM技術主要有兩種：單極性技術主要有兩種：單極性PWMPWM控制和雙極性控制和雙極性PWMPWM控制。圖控制。圖1 1所示為單極性所示為單極性PWMPWM控制的控制信號，六個開關管分別在控制的控制信號，六個開關管分別在6060。電角度的區域內處于導通狀態，另一。電角度的區域內處于導通狀態，另一個開關管處于個開關管處于PWMPWM狀態

7、；圖狀態；圖2 2所示為雙極性所示為雙極性PWMPWM控制的控制信號，兩個工作的開關控制的控制信號，兩個工作的開關管在每個管在每個6060。電角度區域內或者導通或者關斷。電角度區域內或者導通或者關斷。 通常情況下，為了減小電流脈動和開關管的損耗，電機控制系統都采用單極性通常情況下，為了減小電流脈動和開關管的損耗，電機控制系統都采用單極性的的PWMPWM控制技術控制技術調速技術調速技術第11頁/共64頁第12頁/共64頁第13頁/共64頁主要內容 無刷直流電機控制系統軟件設計無刷直流電機控制系統軟件設計選題背景選題背景設計簡介設計簡介無刷直流電機控制系統硬件設計無刷直流電機控制系統硬件設計 無刷

8、直流電機的無刷直流電機的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實驗結果與分析實驗結果與分析結論與展望結論與展望1234567第14頁/共64頁硬件設計電路圖硬件設計電路圖第15頁/共64頁 DSPDSP選用選用TITI公司的公司的TMS320F2812TMS320F2812，采用的是合肥零零電子生產的開發板，采用的是合肥零零電子生產的開發板 本設計中使用本設計中使用DSPDSP的六路的六路PWMPWM發生器和發生器和CAPCAP捕獲單元，在與上位機通信時使捕獲單元，在與上位機通信時使用用SCISCI接口，如圖：接口，如圖：1 1、DSPDSP模塊模塊第16頁/共64頁 驅動模塊采用驅動模塊采用

9、IRIR公司的公司的IR2130IR2130 IR2130IR2130是高性能三相橋式驅動器。可輸出是高性能三相橋式驅動器?？奢敵? 6路驅動信號，路驅動信號，擁有完善的保護功能，擁有完善的保護功能，IR2130IR2130可在不高于可在不高于600V600V的電路的電路中工作，輸出的上橋臂驅動電流峰值為中工作，輸出的上橋臂驅動電流峰值為250mA250mA，下橋臂，下橋臂驅動電流峰值為驅動電流峰值為500mA500mA。2 2、驅動模塊和功率變換電路、驅動模塊和功率變換電路第17頁/共64頁 功率變換電路采用功率變換電路采用6 6個個MOSFETMOSFET構成三相全橋電路構成三相全橋電路

10、MOSFETMOSFET采用采用IRIR公司的公司的FB4710FB4710 FB4710FB4710是是N N溝道溝道MOSFETMOSFET，最大電壓，最大電壓100v100v，電流，電流75A75AIR2130驅動芯片MOSFET組成的功率變換電路第18頁/共64頁 電機采用的是電機采用的是42BLF02,42BLF02,具體參數入下表所示：具體參數入下表所示：3 3、電機本體模塊、電機本體模塊第19頁/共64頁 電源使用的電源使用的HH1713 HH1713 雙路直流穩壓電源電壓范圍為（雙路直流穩壓電源電壓范圍為（0V-30V0V-30V）4 4、電源模塊、電源模塊第20頁/共64頁主

11、要內容 無刷直流電機控制系統軟件設計無刷直流電機控制系統軟件設計選題背景選題背景設計簡介設計簡介無刷直流電機控制系統硬件設計無刷直流電機控制系統硬件設計 無刷直流電機的無刷直流電機的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實驗結果與分析實驗結果與分析結論與展望結論與展望1234567第21頁/共64頁系統軟件設計 軟件設計采用CCS3.3調試仿真軟件進行開發調試。本設計使用C語言編程，程序模塊具體分為六大部分： 主程序及初始化程序主程序及初始化程序 位置檢測、轉向檢測程序位置檢測、轉向檢測程序 PID算法程序算法程序 定時測速子程序定時測速子程序 捕獲中斷子程捕獲中斷子程 串口接收中斷子程序串口

12、接收中斷子程序第22頁/共64頁 程序開始運行時，首先進行系統、系統時鐘、PIE等模塊的初始化 IO口初始化：分別根據要求將特定的IO口設為第二功能模式。將EVA的PWM1PWM6和CAP1CAP3設定為第二功能。 CAP初始化：使用了CAP1CAP3捕捉寄存器，其邊沿極性均配置為上升沿和下降沿均捕捉模式。 SCI初始化：串口通信參數設置為8位數據位、波特率9600、1位停止位、無校驗；一、主程序及初始化程序一、主程序及初始化程序第23頁/共64頁第24頁/共64頁二、位置檢測子程序二、位置檢測子程序 位置檢測子程序首先讀CAP1,CAP2,CAP3端口的電平，并放入變量H1,H2,H3中，在

13、根據上一時刻的霍爾傳感器的值來判斷轉子轉向，具體的位置在表1和表2中已列出。判斷好轉向后，更改相應的標志位nowd。最后更新傳感器標志位LH1,LH2,LH3。當前位置(H1，H2，H3）下一位置導通相001ANC011BNC010BNA110CNA100CNB101ANB當前位置（H1，H2，H31）下一位置導通相001BNA011CNA010CNB110ANB100ANC101BNC第25頁/共64頁第26頁/共64頁三、三、 PID控制子程序控制子程序 PID控制首先要算出給定轉速和實際測得的轉速的偏差e，偏差e的求法根據正反轉的設定不同而不同。求得偏差后再寫出控制量的方程。 在編程時發

14、現PID算法中積分和微分的編程較繁瑣，在這個簡單的系統中，僅僅使用比例環節即可，為了改善控制系統的動態特性，在此使用了分段PID算法，其控制思想與模糊PID的隸屬度劃分類似。 在偏差e=400|e=-400時使用比例系數為0.1，即zhankongbi=zhankongbi+0.1*e，當偏差在(e=200)|(e=-400)時，使用更小的比例系數，zhankongbi=zhankongbi+0.05*e。 這樣就能在較小的偏差時減小超調量，剩下的劃分與此類此。第27頁/共64頁第28頁/共64頁 定時器2定時為100ms，每隔20ms產生一次中斷，當中斷產生時，需要計算電機的轉速，計算公式為

15、n=(capn/3)*50*60 求出實際轉速后，需要立即執行PID算法，改變PWM的輸出占空比，從而達到快速性的要求 求出轉速后在，在使用計數標志位timer，當timer加到20次時，即時間為20*50ms=1s，此時用判斷語句，執行串口發送命令，發送實際轉速。四、定時器四、定時器2中斷程序中斷程序第29頁/共64頁第30頁/共64頁 捕獲中斷程序主要執行PWM的換向操作，換向時要根據電機設定的轉動的正反方向和轉子此時對應的位置來改變PWM的輸出，轉子位置有6種狀態，這6種狀態不斷循環，根據設定的正反轉方向，查表獲得下一時刻的輸出，使電機持續旋轉。 同時，每一次捕獲中斷的發生都要將capn

16、加1，capn就是轉速計算的標志位，當capn為3時，則表明轉子轉過一圈，再根據定時器2的定時就能定時算出轉子轉速。五、捕獲中斷程序五、捕獲中斷程序第31頁/共64頁第32頁/共64頁 串口發送程序不需要中斷，只需要定時發送即可，但是串口從上位機上接受轉速設定值需要執行接受中斷程序。 串口接收中斷發生時，依次接收五位數據，依次是轉速方向，轉速的千位，百位，十位和個位，如+4000.表示正轉4000rmp。六、六、串口接收中斷程序串口接收中斷程序第33頁/共64頁第34頁/共64頁主要內容 無刷直流電機控制系統軟件設計無刷直流電機控制系統軟件設計選題背景選題背景設計簡介設計簡介無刷直流電機控制系

17、統硬件設計無刷直流電機控制系統硬件設計 無刷直流電機的無刷直流電機的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實驗結果與分析實驗結果與分析結論與展望結論與展望1234567第35頁/共64頁 無刷直流電機的簡介無刷直流電機的簡介第36頁/共64頁無刷直流電機的原理無刷直流電機的原理第37頁/共64頁無刷直流電機的驅動電路無刷直流電機的驅動電路第38頁/共64頁無刷直流電機的控制策略無刷直流電機的控制策略第39頁/共64頁電機本體建模電機本體建模 電機本體數學模型第40頁/共64頁電機本體建模電機本體建模 電壓模塊與封裝第41頁/共64頁電機本體建模電機本體建模 電磁轉矩方程 電機運動方程第42頁/

18、共64頁電機本體模塊電機本體模塊 反電動勢模塊與封裝第43頁/共64頁電機本體建模電機本體建模 電機運動模塊封裝第44頁/共64頁速度控制模塊速度控制模塊 速度控制模塊 第45頁/共64頁參考電流模塊參考電流模塊 參考電流模塊第46頁/共64頁轉子位置與三相參考電流對應表轉子位置與三相參考電流對應表第47頁/共64頁電流滯環模塊及封裝電流滯環模塊及封裝第48頁/共64頁建模仿真參數的設定建模仿真參數的設定 電機定子相繞組電阻R2.8750 定子相繞組自感與自感之差L-M0.02 轉動慣量J0.005kgm2 阻尼系數B=0.0002Nms/rad 額定轉速n1000r/min 直流電源供電電壓

19、為220V 第49頁/共64頁PID參數設定參數設定 比例系數 Kp=3 積分系數Ki=0.02 微分系數Kd=0第50頁/共64頁最終模型最終模型第51頁/共64頁主要內容 無刷直流電機控制系統軟件設計無刷直流電機控制系統軟件設計選題背景選題背景設計簡介設計簡介無刷直流電機控制系統硬件設計無刷直流電機控制系統硬件設計 無刷直流電機的無刷直流電機的 MATLAB MATLAB 仿真仿真實驗結果與分析實驗結果與分析結論與展望結論與展望1234567第52頁/共64頁 位置信號檢測 電機轉子位置信號的正確檢測，是無刷直流電機正常工作的基礎。 MOSFET控制信號檢測 通過觀察控制信號的波形，判斷控

20、制是否正確。 端電壓檢測 本部分對電機端電壓、端電壓與位置信號的對應以及端電壓與控制信號的對應進行測試，以驗證驅動過程中換相的正確性六、實驗結果與分析六、實驗結果與分析第53頁/共64頁位置信號檢測位置信號檢測HALL信號圖第54頁/共64頁DSP輸出PWM波上三管圖DSP輸出PWM波下三管圖經過IR2130后的上三管經過IR2130后的下三管第55頁/共64頁第56頁/共64頁第57頁/共64頁結果分析結果分析 通過各路觀察HALL信號和PWM波得波形圖，得出電路的軟硬件都沒有問題，可以正常工作。第58頁/共64頁 名稱數量單價金額IR2130528140TLP521-424.591/4W電阻600.053電容100.33IRF74063188腳轉接板1331117-3.3224DSP維修1180180 備用驅動1套125125總計360費用統計第59頁/共64頁主要內容 無刷直流電機控制系統軟件設計無刷直流電機控制系統軟件設計選題背景選題背景設計簡介設計簡介無刷直流電機控制系統硬件設計無刷直流電機控制系統硬件設計 無刷直流電機的無刷直流電機的 MATLA