毕业论文-基于单片机的电动车速度控制系统研究

目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111课题的研究背景及发展状况1111能源与环境问题1112电机控制技术的发展2113功率半导体器件与驱动电路的发展2114电机控制器的发展3115电机控制理论的发展312电动自行车的组成部分及其特点4第二章关键部件的特性分析621蓄电池特性分析622电机特性分析6221稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理6222无刷直流电机的数学模型分析9223电机的运行特性分析11224机械特性和调速特性分析15第三章基于单片机的系统控制策略研究1731控制系统的整体构成1732系统主要控制策略概述18321位置检测信号处理单元18322电流检测信号处理单元18323速度调节方案19324速度检测方案22325起动与换相控制方案23326蓄电池检测方案24327驱动、逆变电路控制方案25328故障检测与系统保护2633核心控制器件的选择27331单片机概述27332ATMEGA8特性介绍28第四章系统硬件设计3041信号检测电路设计30411位置检测30412电流检测31413转子位置检测电路3242电机转速控制电路32421测速电路32422换向调速电路32423速度检测33424速度给定环节34425系统软件控制3543三相全桥逆变电路及其功率驱动的设计3644PWM波的控制单元37441PWM信号的产生37442PWM波的输出控制3945电池电压检测单元4046系统硬件可靠性设计40461电源与集成芯片去藕40462隔离技术41463电磁兼容设计41第五章系统软件设计4251主程序的设计4252各功能模块的设计思想43521位置检测模块43522换相控制模块45523A/D采样模块45524双闭环控制模块4753软件的可靠性设计49531采用模块化程序设计方法49532合理安排中断49533程序“跑飞”与“死锁”的解脱50第六章结束语51参考文献52致谢53基于单片机的电动车速度控制系统研究摘要近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成了城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已成为一个重要的课题。考虑到我国目前的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。而且灵活、轻巧、“零排放”、价格低廉等优点，将使电动自行车迅速得到普及。随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。但是目前，市场上大多数的电动自行车产品均采用低集成度元件控制装置。其缺点是功能过于简单，不能充分发挥系统的潜力及处理一些特殊的控制问题。本课题采用ATMEL公司的单片机ATMEGA8作为控制芯片，兼顾成本与性能要求，做了以下方面的工作首先，在数学模型的基础上对系统动力源无刷直流电机的特性进行了研究其次，根据单片机的特点详细设计了系统的控制策略将电流检测设计成分流电阻间接测流将调速系统设计为电流、速度双闭环控制，以保证调速的精度和响应速度，并在软件中分别用PI算法来实现对于速度的检测采用了“硬件软化”的思想制定了电机“软起动”控制方案采用了高性能的驱动集成电路IR2131S来驱动MOSFET组成的全桥逆变电路，驱动形式为单极性PWM调制将PWM波的发生及系统保护等功能采用主控芯片集中处理，增加了系统的可靠性最后，依据控制策略设计了系统软、硬件，并讨论了可靠性设计问题由此得出结论本课题设计的基于单片机的电动车控制系统具有运行性能良好，可靠性高、升级换代容易的特点，为后续的研究工作提供了一定的基础。关键词单片机控制系统无刷直流电机STUDYONTHEELECTRICBIKECONTROLSYSTEMBASEDONTHEMICROCONTROLLERABSTRACTINRECENTYEARS,THEWASTEGASFROMTHEGASOLINEAUTOMOBILESHASCAUSEDSEVEREPOLLUTIONPROBLEMSINCITIESSO,ITSMOREANDMOREIMPORTANTTODEVELOPTHESOCALLED“GREENAUTOMOBILES“CONSIDERINGOURCOUNTRYSSTATUS,TODEVELOPTHEELECTRICBIKEWILLBEHELPFULTOSOLVETHEPOLLUTIONPROBLEMWITHTHEVIRTUESOFFLEXIBILITY,SLIMNESSANDZEROWASTEGAS,ELECTROBIKEISMOREANDMOREPOPULARBYENHANCINGTHEDRIVINGMOTORTECHNOLOGYANDPOWERDEVICESTECHNOLOGY,THECONTROLSYSTEMDEVELOPEDQUICKLYBUTNOWADAYS,MOSTOFTHEELECTRICBICYCLEPRODUCTSINTHEMARKETSADAPTLOWINTEGRATIONDEGREEDEVICESINTHEIRCONTROLSYSTEMTHEPROBLEMISTHATTHEFUNCTIONOFTHESEDEVICESISTOOSIMPLETOFULLYUTILIZETHESYSTEMSPOTENTIALANDTOSOLVESOMESPECIFICBUTMEANINGFULCONTROLQUESTIONSINTHISPROJECT,ATMEGA8ANMCUPRODUCTOFATMELCOMPANYHASBEENUSEDTHECONSIDERATIONBETWEENLOWCOSTANDGOODCONTROLLINGPERFORMANCEHASBEENWELLBALANCEDBYCHOOSINGTHISCENTRALCONTROLLINGUNITTHEFOLLOWINGWORKSHAVEBEENPRESENTEDINTHISPROJECTFIRSTLY,THECHARACTERISTICOFTHESYSTEMSDRIVINGSOURCETHEBRUSHLESSDCMOTORHASBEENANALYZEDBASEDONTHEMATHEMATICALMODELFURTHERMORE,THECONTROLLINGSTRATEGYHASBEENDESIGNEDINDETAILBASEDONTHECHARACTERISTICOFMCUTHISPARTINCLUDESTHEFOLLOWINGWORKSTHECURRENTISMEASUREDINDIRECTLYBYUSINGASHUNTRESISTORINORDERTOGUARANTEETHEVELOCITYMODULATIONSPRECISIONANDQUICKRESPONSE,ADOUBLECLOSEDLOOPCONTROLFORCURRENTANDVELOCITYHASBEENADOPTEDANDTHECONTROLSTRATEGYISREALIZEDBYTHESOFTWAREUSINGPIALGORITHMTOTHEMEASUREMENTOFTHEVELOCITY,AHARDWARESOFTENINGMETHODHASBEENADOPTEDANDTHEMOTORSSOFTSTARTINGMETHODHASBEENDESIGNEDINORDERTODRIVETHEMOSEFETFULLBRIDGERECTIFYINGCIRCUIT,THEHIGHPERFORMANCEDRIVINGICIR2131SHASBEENUSEDANDPWMDRIVINGSTRATEGYHASBEENADOPTEDTHEPWMWAVESCONTROLLINGANDTHESYSTEMPROTECTIONISSUESAREINTEGRATEDINTOTHECENTRALCONTROLLINGUNITTHISHELPSTOINCREASETHERELIABILITYOFTHEWHOLESYSTEMATTHELAST,THEWHOLESYSTEMSHARDWAREANDSOFTWAREHAVEBEENDESIGNEDBASEDONTHESYSTEMSCONTROLSTRATEGYANDTHERELIABLEDESIGNINGQUESTIONHASBEENDISCUSSEDINTHEPAPERFROMTHEWORKWHICHHASBEENDONEINTHISPROJECT,THECONCLUSIONCANBEDRAWTHATTHEELECTRICBIKECONTROLSYSTEMBASEDONTHEMCUHASTHEVIRTUESOFHIGHPERFORMANCE,HIGHRELIABILITYANDEASYTOFURTHERDEVELOPINGTHISPAPERPRESENTEDANEXPERIMENTALBASEFORTHEFUTHERRESEARCH。KEYWORDSMICROCONTROLLERCONTROLSYSTEMBRUSHLESSDCMOTOR第一章绪论11课题的研究背景及发展状况111能源与环境问题二十一世纪是“绿色环保”的世纪，环境保护和能源节约问题已成为新世纪最为突出的两大主题。随着工业的发展，城市汽车数量急剧上升，石油资源严重匾乏。研究表明，目前世界石油蕴藏量按照现在的消耗速度仅可供使用50到70年。自1993年开始，我国已变为石油净进口国，2000年我国石油进口量为7000万吨，预计2005年后将超过15亿万吨。近年来，石油价格猛涨，2004年，石油最高达到了每桶549美元。而石油与国家安全密切相关，其作为一种战略物质大量进口则必然受制于人，该问题已引起各国的极大重视1。再从环境角度讲，石油燃烧造成的大气污染日益严重。在世界环境污染最为严重的十大城市中，我国就占了7个，形势的严峻可见一斑。汽车排出的CO、H2S、NO2和微尘颗粒等，会对人类的身体健康造成危害另外汽车排出的二氧化碳虽然对人体健康无害，但它造成的温室效应破坏大自然的生态平衡，对大气造成严重影响。因此，这两大问题成为了“绿色交通工具”研究开发和推广应用的积极因素。当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨无污染、能源可多样化配置的新型交通工具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便是其中之一。它以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作动力，具有无废气污染、“零排放”、无噪音、轻便美观等特点特别适合在人口较集中的大中城市中使用。但目前市场上的电动自行车还存在着一些不够完善的地方，尤其是电机控制方面有待于进一步提高。本文根据无刷直流电机的原理，利用美国ATMEL公司2002年推出的一款新型高档单片机ATMEGA8作为主控芯片设计了一种无刷直流电机调速控制系统，该系统具有硬件结构简单、软件设计灵活、适用面广、价格低廉等优点具有一定的实用价值。在经济发达国家，一般家庭除了必备汽车之外，通常还希望配备多辆小型交通工具，供短途交通或休闲娱乐用，这对没有驾驶执照的老人和未成年人尤其具有吸引力。亚洲城市，一般人口众多，交通拥挤，自行车一直是大多数居民的主要交通工具。但随着城市规模与人们日常活动范围的扩大，骑车就比较辛苦，特别是遇到恶劣的天气或路况时，就更加费劲。而目前普通居民的购买力有限，小轿车普遍进入家庭还不太可能，况且燃油、环境和场地等多方因素都制约着汽车不可能成为大众化的代步工具燃油摩托车曾一度成为许多城市比较普及的交通工具，但由于交通安全和环境保护等因素的影响，近年来在许多大中城市已经采取了限制措施。而电动自行车具有摩托车与自行车的综合优势轻便、无污染、低噪音且价格较为低廉，它无疑将最有希望首先替代传统的交通工具，成为私人交通工具的重要组成部分。这是一个极其巨大的市场，尤其在人口居各大洲首位的亚洲2。112电机控制技术的发展3近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步发展，新产品、新技术层出不穷。由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高了。已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，以及这些被控量的综合控制，使被控制的机械运动更符合预想要求。因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。113功率半导体器件与驱动电路的发展自从上个世纪5O年代，硅晶闸管问世以后，功率半导体器件的研究取得发展。60年代后期，可关断晶闸管GTO实现了门极可关断功能，并使斩波频率扩展到1KHZ以上。70年代到80年代，高功率晶体管、功率MOSFET和绝缘栅门控双极性晶体管IGBT相继问世，功率器件实现了全控功能，使得高频应用成为可能。在中小功率的电动机中功率变换器多由MOSFET或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展。驱动电路是将控制电路的输出信号进行功率放大、并向各功率管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。驱动电路的工作方式直接影响着功率管的一些参数和特性，从而影响着整个电动机控制系统的正常工作。传统的驱动电路大多是采用分立元件搭接而成，这种方法使得电路复杂、调试困难、可靠性差。随着集成电路技术的发展，现在每一类功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。这些专用驱动集成电路都是经过优化设计而定型的，它的使用可大大提高整机的可靠性。已经可以做到使用一片驱动器件，一个驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件独立提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。114电机控制器的发展电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能对各种信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各种控制信号产生PWM调制信号，实现电机的调速对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能实现短路、过流、欠压等故障保护功能。现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，可以说，每一次微处理器的进步都推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前，控制器只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一升级换代困难，而且由分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用。随着微处理器的迅速发展和推广，控制器由模拟式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术的进步使得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现，使系统的可靠性和智能化水平大大提高。全数字系统简化了硬件，缩小了装置体积，消除了温度变化的影响，升级换代十分容易，控制精度不断提高，重复性能也更好了。目前市场上微处理器品种繁多，档次、性能各不相同，不同的厂商生产的微处理器都各有特点。有的价格低廉但功能不够完善，速度慢，如传统的8051单片机有的具有高速的数字处理能力，能实现一些复杂的控制算法，但价格不菲，如DSP微处理器2。115电机控制理论的发展目前电动自行车控制系统采用的控制理论还是以传统的控制理论为主，而现代控制理论及智能控制理论的应用还有待进一步推广。如具有二次型性能指标的最优控制，可以用来设计最优调节器和最优反踪器，提高控制系统的动态性能模型参考自适应控制，可以使受控对象渐近跟踪参考模型的输出，从而获得理想的控制性能具有状态估计功能的卡尔曼滤波器可以获得系统无法实测的状态信息，滤除模型及测量的随即噪声干扰，获得以最小方差为指标的最优状态估计滑模变结构控制可以使系统结构在动态过程中根据系统当时的偏差及导数以跃变方式作有目的的改变，使系统达到最佳指标模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型，对系统动态响应有较好的鲁棒性神经网络具有非线性映射能力，可逼近任意线性和非线性模型，又具有自学习、自收敛的特性，对参数变化有较强的鲁棒性。12电动自行车的组成部分及其特点电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、操纵制动部分、电气仪表部分组成。动力部分电动自行车的动力部分通常由蓄电池和电机构成，是电动自行车的动力来源。其性能的好坏，直接影响电动自行车的动力性和经济性。传动部分电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，驱使电动自行车行驶。通过变速器或调速器，使电动自行车获得行驶所需要的驱动力和速度，并保证电动自行车的平稳起步和停车。它由变速器、后传动装置组成。行车部分行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将传动部分传递的扭矩转换成驱使电动自行车行驶的牵引力，同时承受吸收和传递路面作用于车轮上的各种反力，确保电动自行车正常、安全行驶。它主要由车架、前减震器、前后轮、座垫等组成。操纵制动部分操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行驶速度、制动等，以确保电动自行车行驶安全。它由车把、制动装置、调速手把等组成。电气仪表部分电气仪表装置是保证车辆安全行驶并反映车辆运动状态的主要装置，它使骑行者能正确、有效地对车辆行驶适时地进行控制。它由数据显示装置、充电器等组成4。第二章关键部件的特性分析21蓄电池特性分析相对于燃油类能源而言，目前蓄电池的能量密度较低，是限制和影响电动自行车性能的主要因素，因此在电动自行车的设计中恰当的选择蓄电池显得十分重要。可以按照电动自行车一次充电所要求的行程及克服行驶阻力所需做的功来确定蓄电池容量和功率等级。蓄电池的工作过程就是化学能与电能相互转换的变化规律。当蓄电池将化学能转化为电能而供电机使用时，叫放电过程当外界将反电流通入蓄电池，使其将电能转变成化学能并储存起来，这时为充电过程。这种充放电的过程是可逆的，可循环的，这也是蓄电池的一大特性可重复性9。表21蓄电池基本工作性能参数及特性方程蓄电池工作参数定义符号说明端电压UDUDU0IDRIU0为蓄电池的开路电压RI为蓄电池的内阻ID为放电电流输出功率PDPDUDID放电时间TTKIDNKN分别为与蓄电池型有关的参数放电效率1（RIID/UD）由表21中蓄电池的放电效率和放电时间特性方程可知，由于内阻的影响，蓄电池放电效率随放电电流增大而线性下降，放电时间则相应按指数曲线下降11。22电机特性分析221稀土永磁无刷直流电机的基本结构和工作原理稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、开关电路、位置传感器三部分。原理框图如图21所示13。稀土永磁电动机本体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。常用的有三种结构形式转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。还有一种外转子式结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转子旋转。这种结构形式最适用于电动车辆的驱动。直流电源开关电路电动机位置传感器图21直流无刷电动机的原理框开关电路由逆变器VF和驱动电路组成。逆变器主电路有桥式和非桥式图22两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态。驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通和可靠关断的驱动信号。转子位置传感器PS是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信号的一种装置。它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。图22非桥式逆变电路三个霍尔元件沿圆周均匀分别粘贴于电机端盖上，彼此相差120度。电角度，并分别与定子三相绕组首端所在槽中心线对齐，霍尔传感器转子永磁体为180度表22正转时相互位置关系霍尔元件信号导通绕组导通管子UHAUHB/UHCBAV61/UHAUHB/UHCC2/UHAUHBUHC3/UHA/UHBUHC4UHA/UHBUHCA5UHA/UHBUHCBV6电角度的薄片，与转子同轴安装，其产生的磁场的端面与霍尔元件的气隙为LMM左右，传感器永磁体轴线与转子主磁极轴线垂直。电机转一周时对应的各相绕组导通顺序和功率开关管的导通逻辑以及三个霍尔元件输出信号的逻辑关系，如表22所示。当转子每转过60度电角度时，逆变器各开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见电机有六个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子转过120度电角度。每个开关管的导通角为120度，故该逆变器为120度导通型。为便于直观，将电机正转时的三相绕组与各开关管导通顺序的关系见图23。图23三相绕组与各开关管导询顶序关系222无刷直流电机的数学模型分析由于稀土永磁无刷直流电动机的气隙磁场、反电势以及电流是非正弦的，因此采用直、交流坐标变换己不是有效的分析法。而直接利用电动机本身的相变量来建立数学模型的方法即简单又具有较好的准确度8。假设磁路不饱和，不计涡流和磁损耗，三相绕组完全对称，则三相绕组的电压平衡方程可表示为21ECBAIPMLICBARUC0式中定子相绕组电压VUCBA,定子相绕组电流AI定子相绕组电动势VE,每相绕组的自感HL每相绕组间的互感HM微分算子。PDT/对于方波电动机，上式中三相方波电流和三相梯形波反电势如图25所示。由于转子磁阻不随转子位置变化而变化，因而定子绕组的自感和互感为常数。当三相绕组为Y连接，且没有中线，则有220ICBIA并且23M将式22和式23代入式21，得到电压方程为24ECBAIPLICBARUC0电磁转矩为251IIAT根据电压方程式24，可得电机的等效电路图，如图24所示。图24方波电动机的等效电路图223电机的运行特性分析电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。因此我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化而变化的规律。据此，电动机的运行特性可分为起动特性、电动运行特性、制动特性、机械特性及调速特性。对于无刷直流电机，其电势平衡方程式为26UEURIACP中电源电压V电枢绕组反电势VE一平均电枢电流AIACP电枢绕组的平均电阻R功率器件的饱和管压降V。U对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为27NKE式中电动机转速R/MINN反电势系数V/R/MIN。KE由方程式26、27可知28KEUEENRIACP在转速不变时，转矩平衡方程式为（29）T01式中电磁转矩NMT输出转矩NM1摩擦转矩NM0这里210IACPKTT转矩系数NM/A。KT在转速变动情况下，则有211DTJT01式中系数J转动部分的转动惯量MNS2一转子的机械角加速度。DT/RAD下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性5。1起动特性由方程式26、210、211可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流即起动电流为212RIACPNU其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势E增加，电磁转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。2电动运行特性在电动运行状态下，6只开关管任意时刻只有2只开关管导通，分别属于上桥臂和下桥臂。图25动运行等效电路图由图25的运行等效电路图可得，在电动运行时VL管和V6管导通时通电回路的回路电压方程如下EILIMRIILRIEUBBABABBABAAADDTTDTDTT213式中一A,B相电势，电动运行时最大幅值EUD/2BA,相电阻，RARARR相电感，LALBLLBA,两相互感，MMBA蓄电池电压UD相电流IBA,设，上式可改写为I21421EUBADRIDTIML在电动运行时，换相前电路电流为零，换相后会。由于R021EUBAD很小可以忽略，故在电路接通后过渡过程结束前，I正向增加，电路工作在吸收电功率状态，吸收的电功率P1为215）IUPD1电机的电磁功率PEM及电磁转矩TEM的大小可以用下两式计算（216）IEBAEM217TE式中转子角速度。这时，电磁功率及电磁转矩是正的，为电动性质，与TEM同向。对管和管进行脉宽调制，改变占空比，就可控制电流了的平均值，从而V16控制平均转矩。3制动特性制动运行方式可以有反接制动和回馈制动两种。（1）反接制动该方法是使电动机工作在反接制动状态下，蓄电池化学储能向电能转换，与车体动能一起通过电动机最终被转换为热能。蓄电池的能量输出与制动过程有关。可见电动自行车的动能通过运动阻力和电机做功，被完全转换成热能，而热能通常难以被系统回收利用，所以该制动过程是一个单方向的能量消耗过程。（2）回馈制动本法不需要改接电源极性，且在电机转速低于额定空载转速时可实现电磁制动，同时向电源蓄电池回馈能量，从而可被系统再次利用。这一方案无疑提高了系统的运行效率，可以延长车辆的续行里程，该方案明显优于反接制动的方案根据无刷直流电动机的驱动原理，当对电机进行调速驱动时，施加在电机绕组上的是与绕组感生电动势反向的PWM斩波直流电压。当外加电压大于反电动势时，电流流入绕组，电源将功率输入电机。当在绕组上施加相反方向的PWM电压时，将使得流过电动机绕组的电流与驱动时的电流方向相反。这样电动机将产生与驱动时相反方向的转矩，也就是制动转矩。制动电流值在理论上可以很大，其主要受控制器功率器件的电流限制。在制动过程中，为使电流连续，施加在绕组电感上的电压平均值该大于零，即（201212UEUEUAV18）其中驱动的占空比PWM此时平均电流为219RIAAVE212电源输入到电动机的功率为2202211RRIIPAAAVAVAVUE由此可见，当时，电源可以从电动机侧吸收制动能量。由22104222RUPAAVUED又由当0时，可得，在时电源获得最大功率PAVUEDUE21的能量回馈，另一方面，由平均电流方程式可知，越大，则电动机的制动电流即制动转矩越大。224机械特性和调速特性分析机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由方程式26、27、28可知222RKIACPEACPACPNU223KACPTRACPTACPTT式223等号右边的第一项是常数当不计U的变化和电枢反应的影响时。所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加。当速度为零时，即为起动电磁转矩。当方程式223右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时。功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系。所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加，DU增大，到一定值以后，增加较快。所以其机械特性是在接近堵转即转速很低时，加快下跌。如假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈现减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于无刷直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直流电压来实现。又从方程式223可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转矩在同一转速下或在同一负载下。所以在电子换向线路及其它控制线路保持不变的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变电源电压来实现平滑的调速17。根据所需的系统运动特性，按表23可确定电机应该具备的机械特性，同时还要求所选择或设计的电机可以在有限的电源电压下正常运行。表23电动机基本工作参数及特性方程电动机参数定义符号说明输出功率PFV/MM为机械传动效率，F为行驶阻率，V为行驶速度转速NN60/2IV/RI为电动机与车轮的转速R为车轮半径输出转矩TTP/N第三章基于单片机的系统控制策略研究31控制系统的整体构成在其它硬件条件相同的情况下，控制系统决定着电动自行车的性能，相当于系统的神经中枢发出控制命令及处理各种异常情况。它的作用如下61使电动自行车操作灵活舒适2提高电机和蓄电池的效率，节省能源3保护电机及蓄电池4降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度5保障使用者和他人的人身安全。本文设计的电动自行车控制系统主要由以下几部分组成以单片机为核心的主控电路以工R2131S为核心的驱动电路功率逆变电路位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围辅助电路。控制电路的主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护驱动电路的主要功能是利用工R2131S的自举技术驱动功率MOSFET管控制电机电流而外围辅助电路主要完成信号的采样、对电路的供电、发出报警信号等功能。系统原理框图如图31所示。报警信号单片机电源保护电路驱动电路IR2131S电流信号处理电路位置信号处理电路BLDCM整流稳压功率逆变器电池电压转速给定图31系统原理框图直流电源通过MOSFET构成的逆变桥向BLDCM供电，单片机在新的采样周期到来时，先判断系统的状态，如是静止状态则用软件开环起动，当达到一定速度后再切换到常规换相运行状态。“软启动”的电控方案解决了零状态起步耗电大的问题，大幅度地提高了一次充电的续行里程。常规的换相运行是直接根据位置传感器传来的信号进行换相控制，同时将电机速度反馈信号和手把给定的速度信号相减，得出偏差，经过控制算法得出控制量。再把控制量以PWM的形式输出给驱动电路，由驱动电路调节逆变器的输出电压，就调节了电机的电流大小，从而调节电磁转矩当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度便达到了给定。32系统主要控制策略概述321位置检测信号处理单元在对无刷直流电机的控制中，磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。方波电流驱动无刷直流电机是借助于位置检测信号控制逆变器换流以达到在电机定子线圈中通以互差1200的方波电流才能正常运行16。本系统采用霍尔元件式位置传感器来检测电机的位置信号。该传感器是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔1200电角度，永磁体的极弧宽为1800电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽为1800电角度、相位互差1200电角的矩形波信号。这三路信号经过一定的整形措施后被送到单片机的数字I/0口，以确定相位信息。霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、工作可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的稀土永磁无刷直流电动机应用场合，大量使用霍尔元件式位置传感器10。322电流检测信号处理单元电流检测是系统电流环控制的重要环节，对于电流检测有两种方案201采用电流检测模块。现在电流检测模块种类很多，以霍尔器件为主，反应很灵敏但是，对于直流无刷机的控制特点，至少需要检测两相电流，需要两组传感器，这样就使成本提高了。2采用一个分流电阻间接测流。在直流侧接相应阻值和瓦数的分流电阻，通过测量电阻上的电压，来测量直流回路的电流然后检测三相绕组的相电压以确定采样的直流侧电流是哪一相的电流值。这种方案对于A/D转换的精度和软件数据处理有一定要求，但是造价很低，本系统采用第2套方案。323速度调节方案本车采用的无刷直流电动机可以通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速19。图32是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压US,秒后，栅T1极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0,秒后，栅极输入重2新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。图32输入输出电压波形电动机电枢绕组两端的电压平均值为U031TTUSSST01210式中占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，变化范围为01之间。所以当电源电压不变时，电枢的端电压的平均值取决USU0于占空比的大小，改变值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。本系统利用AVR单片机的PWM口，通过软件编程改变占空比的大小控制电机调速。最简单的调速系统为开环调速系统，但它的调速精度太低，不适用于电动自行车的调速系统。为了保证调速精度，本系统采用图33的电流、速度双闭环控制方案。这种控制方式把速度调节器作为主调节器，电流调节器作为辅助调节器。速度给定与速度反馈送给速度调节器SR，速度调节器的输出作为电流信号的参NF考值，与电流信号的反馈值一起送至电流调节器CR，电流调节器的输出为电IREJIF压参考值。与给定载波比较后，形成PWM调制波，控制逆变器的实际输出电压。UUIREFNIF飞飞IBIASRCRPWM逆变器BLOD反馈转速计算位置信号位置传感器NF图33无刷直流电机速度、电流双闭环控制双闭环调速的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电机的转矩和电流。这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的差额及时控制电机的转矩，在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值，在转速接近给定值时，又能使转矩自动减小，这样可避免过大的超调，以利于调速过程的快速性。此外，电流环的等效时间常数比较小，当系统受到外来干扰时它能比较快速的作出响应，抑制干扰的影响，提高系统的稳定性和抗干扰能力。而且双闭环系统以速度调节器的输出作为电流调节器的给定值，对速度调节器的输出限幅就限定了电枢中的电流，起到了保护逆变桥的作用。本系统电流调节器用PI调节器，速度调节器为改进的PI调节器。数字PI控制是普遍采用的一种过程控制算法，P是指比例象PROPORTIONAL，是指积分项IINTEGRAL，基本的PI控制算法有位置型和增量型两种。位置型PI算法的表达式是3210DTETITKPTU其中是输入，起控制作用，为比例系数，为积分时间常数。TETKPTI增量型算法表达式是3321TKETKUQ其中PIKPQ1它们两者在本质上是一样的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的优点1控制器只输出增量，所以由误动作造成的影响比较小2手动一自动切换的冲击小3式中不需要累加，增量只与最近的两次采样有关，容易获得较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时产生饱和的危险。所以，本系统电流调节器采用增量式PI控制。其中采样周期的选取要考虑以下三个因素171采样过程对保真度的影响，根据香农SHANNON采样定理，采用频率至少为低通信号频谱最高频率的2倍2采样周期的大小和控制器的性能要求的影响，采样频率的提高必然要求控制器有足够快的运算速度，以满足在两次采样数据之间完成必须的处理计算。3采样周期和主电路的功率器件的承受能力有关，高的采样频率必然要求高的PWM频率，一方面，PWM频率越高，输出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也越高，引起发热、散热的问题，另外，高的PWM频率可能使电磁辐射更加严重。综上各因素，考虑到使PWM频率在人耳敏感的频率范围300HZ4KHZ外，在本系统中，电流环采样频率定为5KHZ，就基本达到了预期效果。对于速度环的控制本系统根据AVR单片机逻辑判断能力强、编程灵活的特点采用改进的PI算法一积分分离PI算法来实现。该算法的表达式为340,0,EKTEKPEKTEKPTUKTE积分分离算法要设置积分分离阀,时，采用PI控制，可保证系统的控制精度当时，也即偏差较大时，采用P控制可使超调量大为降低。还有一种神经元自适应PI算法也是近些年来应用较多的控制算法，其表达式为3521IKTXIWKKTU为对应与的加权系数，为神经元比例系数。,I0K该控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能的，加权系数的调整采用有监督的HEBB学习规则。324速度检测方案电机的转速是双闭环系统的一个重要反馈量，如果安装测速器来解决这个问题无疑会增加系统的硬件投资和整个系统的体积。所以在本系统中将利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速。经过上拉、滤波后的脉冲信号如图34所示。它们是脉宽为180度，相位上互差120度的方波信号。对其中的任一位置传感器而言，电动机每转能产生P个方波脉冲，P为电动机的极对数，显然这种方波脉冲的频率是正比于电机转速的16。图34三相位置信号325起动与换相控制方案无刷直流电机的反电动势大小和电机的转速成正比，在电机静止时电动势为零，没有换相信号，电机不能自起动。有些文献提出了一些附加电路来控制起动的方案。这样就增加了系统成本且使系统复杂化。而本文基于AVR单片机的起动控制策略无需附加任何电路，由软件程序控制正常起动，体现“硬件软化”的设计思想。软起动控制策略为先由程序控制给任意两相定子绕组通电而另一相关断，则电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，经过一段时间即可确定转子的初始位置。然后按照电机旋转方向的换相顺序由程序控制给相应绕组馈电，使电机起动。期间不进行位置检测，换相时间间隔由软件延时控制，且该时间间隔不变，程序控制PWM波占空比逐渐增大以提高电压，因此这是一种恒频升压的起动方式。开环起动过程持续一个换相周期后，电机己经具有一定的速度，可以通过位置传感器检测到转子的位置，此时就跳出开环起动过程，进入由位置检测信号控制电机换相的自控式运行状态。首先找出三个转子位置传感器信号H1，H2,H3的状态与六只功率管导通之间的关系，以表格形式存放在单片机的EEPROM中，如表31所示。这样单片机只需根据来自位置信号输入口的状态，查表即可决定下个时刻管子的导通顺序，从而控制电机的换相。表31换相表H1H2H3导通的管子101V1V2100V2V3110V3V4010V4V5011V5V6001V6V1000电机静止，无导通管111出错326蓄电池检测方案电动自行车在使用过程中实时监测蓄电池的容量情况将给用户带来很大的方便，它能提供蓄电池的电能大约能够使车辆行驶多少里程，蓄电池是否需要充电等信息。蓄电池的总容量通常以充足电后，放电至其端电压达到规定值时所释放出的总电量来表示。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量等于放电电流和放电时间的乘积QIDTD38式中Q的单位为AH。如果放电电流不是一个恒定的常数，蓄电池的容量为不同的放电电流与相应时间的乘积之和QID1TD1ID2TD2IDNTDN39由于蓄电池的容量受到很多因素的影响，长时间的使用，反复的充放电，一些蓄电池的容量将逐渐减小，因此要准确测量蓄电池的容量比较困难。本方案利用蓄电池端电压与容量之间的关系，通过测量蓄电池的端电压来监测蓄电池的容量。蓄电池的电势是指蓄电池在开路时的端电压，由于蓄电池内阻R的存在，当蓄电池两端接上负载R时，内阻上就会产生压降，此时蓄电池的端电压不是电势E，而是UEIR（310）而蓄电池的内阻与蓄电池的容量成反比，在充电过程中，内阻逐渐减小，在放电过程中增加，通过实验的办法可测出蓄电池的容量与端电压的关系，并建立表格存于单片机的EEPROM中。实际运行中，就可利用软件让单片机对蓄电池端电压U进行测量、处理再和EEPROM中的数据进行比较得出容量的信息。这样的实时监测系统对蓄电池的保护、延长使用寿命有重要的意义。327驱动、逆变电路控制方案驱动、逆变电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。功率场效应晶体管具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用。在本控制系统中就采用了MOSFET组成逆变器的变换电路。由于半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独立，必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外一相电流也得到了控制。因此本方案采用全桥逆变电路来控制各相位的导通18。全桥型逆变电路有六个功率开关器件，若每个开关器件都用一单独的驱动电路驱动，则造成系统硬件结构复杂且可靠性也会下降。而美国国际整流公司推出的工R2131S是一款MOS功率器件专用的栅极驱动集成电路。其可输出的最大正向峰值驱动电流为250MA，而反向峰值驱动电流为500MA它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS功率管。它巧妙的运用自举技术，使得功率元件的驱动电路仅需一个输入电流源就可工作，还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信号产生2US的互锁延时时间，而且其自身工作和电源电压的范围较宽320V。所以本系统用IR2131S来驱动MOSFET组成的全桥逆变器，驱动时采用1200导通方式，即任一时刻仅有两个开关处于闭合状态。逆变器的驱动形式主要有三种双极性PWM、单极性PWM和倍频PWM。双极性P枷控制模式下，逆变器在任意时刻每一相桥臂中的上管与下管均处于PWM调制状态，上下管开关状态同步互补。为了避免在开关过程中桥臂出现直通短路，同一桥臂上下管切换期间需要嵌入死区，即两者同时处于断开状态。且由于上、下管均需要调制，双极性PWM开关损耗相对较高。单极性PWM则仅对逆变器上半桥或下半桥进行PWM调制。从单个桥臂来看，其上桥臂处于PWM状态时，对应下桥臂断开，反之亦然。基于同样的PWM调制频率，采用倍频型PWM则可以获得两倍于前两种PWM方式的压调制频率，可以进一步减小逆变器开关调制所对应的电流纹波。但对单片机的处理速度要求较高。综上分析，本文针对电动自行车应用的永磁无刷直流电机的驱动控制采用单极性PWM实现13。328故障检测与系统保护一个控制系统能否正常工作，除了各环节能保证正常工作外，各环节之间参数不一定能绝对匹配，加之一些外在干扰因素对系统的影响，系统有可能发生故障。当系统出现意外故障时，如不及时处理，便会造成损坏功率管和其它设备的严重后果。所以必须设置保护环节，及时封锁系统输出，切断主回路电源，使系统停止工作。完善的保护环节不但可以延长系统的使用寿命，而且使其可靠性大大提高，也保障了使用者的安全。本系统设置了过压、欠压、过流及功率器件的保护等保护环节，并根据简单可靠原则设计了具体的保护电路。过压和欠压保护主要是针对蓄电池设置的，在运行过程中，电池的稳定性对系统是至关重要的。由第二章对蓄电池特性分析可知，当端电压下降到其终止电压时，必须停止放电，否则会损坏电池。因此，要在蓄电池正极与地之间串上分压电阻，然后进行A/D采样，单片机根据采样结果判断电池是否正常工作，如发生过压或欠压，立即发出警报，并切断电源以保护电池。过流保护由两个部分组成，一个是直流回路的过流保护，另一个是相电流的过流保护。前者是在直流侧近地端串上一个电阻，将放大后的信号传给驱动集成电路IR2131S,利用其内部的过流、直通、过压、欠压等检测功能，在发生故障时将故障信号输出给单片机，有单片机对PWM的脉宽进行钳位，使加在绕组上的电压值不能太高，这样就起到了过流保护作用。相电流的保护与直流侧主回路的保护是相近的，都