电动汽车用直流电机驱动控制技术研究

1高等继续教育毕业设计（论文）题 目电动汽车用直流电机驱动控制技术研究 学 生 王强 学 号 1412026001015 联系电话指导教师 朱炳坤 评 阅 人 教学站点 西安站 专 业 机械设计制造及其自动化 完成日期 2016 年 9 月 2高等继续教育毕业设计（论文）任务书论文题目 电动汽车用直流电机驱动控制技术研究学生姓名 王强 教学站 西 安 站专 业 班 级 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化内容与要求设计（论文）起止时间 2015 年 12 月 15 日至 2016 年 9 月 10 日指 导 教 师 签 名学 生 签 名3摘 要随 着 全 球 环 境 的 恶 化 和 能 源 匮 乏 的 日 趋 严 重 ， 世 界 上 各 个 国 家 都 越 来 越关 注 电 动 汽 车 的 开 发 和 研 究 。 有 着 零 排 放 、 低 噪 音 和 高 效 率 等 优 点 的 电 动 汽车 ， 必 将 有 着 广 阔 的 市 场 前 景 。本 论 文 主 要 研 究 了 永 磁 电 动 汽 车 用 无 刷 直 流 电 机 的 控 制 技 术 。 文 章 首 先介 绍 了 电 动 汽 车 的 研 究 背 景 和 目 前 的 国 内 、 外 的 发 展 现 状 等 ， 分 析 了 电 动 汽车 的 系 统 结 构 ， 车 用 直 流 电 机 控 制 原 理 及 控 制 方 法 。 其 次 对 电 机 驱 动 系 统 具体 的 硬 件 电 路 进 行 了 设 计 ， 然 后 完 成 了 基 于 DSP 的 控 制 程 序 的 软 件 设 计 。在 控 制 器 的 硬 件 设 计 中 ， 采 用 芯 片 DSP2407A 作 为 主 控 芯 片 。 功 率 主电 路 选 择 智 能 功 率 模 块 （ IPM） 作 为 逆 变 模 块 。 并 设 计 了 故 障 保 护 电 路 ，增 强 了 系 统 的 稳 定 性 和 可 靠 性 。系 统 的 软 件 设 计 主 要 根 据 模 块 化 思 想 进 行 。 根 据 油 门 踏 板 信 号 的 输 入 ，调 整 DSP 的 PWM 波 输 出 以 达 到 无 刷 直 流 电 机 调 制 的 目 的 。 设 计 呈 模 块 化 的软 件 设 计 ， 各 模 块 简 洁 明 了 ， 便 于 程 序 的 移 植 和 扩 展 。 在 控 制 算 法 上 ， 选 用增 量 式 PID 控 制 算 法 ， 并 在 DSP 芯 片 中 进 行 调 试 。最 后 ， 通 过 实 验 验 证 了 本 控 制 系 统 软 硬 件 设 计 的 合 理 性 ， 对 实 验 数 据 进行 了 分 析 证 明 了 系 统 运 行 的 稳 定 性 和 可 靠 性 。关 键 词 ： 电 动 汽 车 ； 永 磁 无 刷 直 流 电 机 ； PWM 控 制 ； DSP 芯 片 ；DSP2407A 芯 片论 文 类 型 ： 理 论 研 究西 安 石 油 大 学 高 等 继 续 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）4ABSTRACTWith the energy crisis and worsening pollution,the development of vehicles is increasing concerned by countries all over the world. Electric Vehicle (EV) has many advantages such as zero pollution, low noise and high efficiency, Therefore, it has extensive market.The major work of this thesis is to complete the design of a controller of electric vehicles based on BLDC motor. First of all,we summarize the background to the study of electric vehicles, research condition and development of technologies, analyse Electric Vehicle structure, controlled theory and method of BLDC motor.Then the thesis takes the overall plan design and detailed hardware circuit design to the motors drive system,and carries on basic software design based DSP.In the part of hardware design,we adopts DSP2407A as the master controlling chip. The thesis selected intelligent power module(IPM) as the inverter module. And then designed fault protection circuit in order to enhance the reliability of the system.Then, the thesis designed software of the system with module. The main function of system software is to adjust the DSPs PWM wave output in order to achieve the purpose of BLDCM speed control, with the accelerator pedal signal input. Module desing is concise and convinent to migrate and expand the programs. The thesis selected the incremental PID control algorithm and tested with the DSP.The experiments verifys the rationality of hardware and software of the control system. The data of experiments indicated the stability and reliability of the system.西 安 石 油 大 学 高 等 继 续 教 育 毕 业 设 计 （ 论 文 ）5KEY WORDS: Electric Vehicle; BLDCM; PWM control; DSP; DSP2407A chipTYPE OF THESIS: Application Fundamentals西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）6目 录1 绪 论 .71.1 课 题 背 景 及 选 题 意 义 .71.2 电 动 汽 车 发 展 及 现 状 .81.3 电 动 汽 车 系 统 构 成 及 原 理 .101.4 电 动 汽 车 用 驱 动 电 机 .101.5 本 课 题 的 主 要 工 作 .132 电 动 汽 车 用 永 磁 无 刷 直 流 电 机 基 本 原 理 .142.1 无 刷 直 流 电 机 的 基 本 构 造 .142.2 电 动 机 本 体 .142.3 无 刷 直 流 电 机 的 工 作 原 理 .152.3.1 永 磁 无 刷 直 流 电 机 电 流 控 制 技 术 .163 永 磁 无 刷 直 流 电 机 控 制 系 统 的 硬 件 设 计 .193.1 电 动 汽 车 用 直 流 电 机 控 制 系 统 硬 件 整 体 结 构 .193.1.1 电 源 设 计 .193.1.2 位 置 检 测 电 路 .203.1.3 相 电 流 检 测 电 路 .203.1.4 异 步 串 行 通 讯 接 口 电 路 .213.1.5 保 护 电 路 .214 电 动 汽 车 驱 动 电 机 控 制 技 术 软 件 设 计 .234.1 软 件 整 体 设 计 .234.2 主 程 序 .234.3 中 断 服 务 .244.3.1 位 置 检 测 .244.4 其 他 程 序 .254.4.1 换 向 调 节 .254.4.2 转 速 计 算 .255 结 论 .26参 考 文 献 .27附 录 .29西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）71 绪 论1.1 课 题 背 景 及 选 题 意 义当 今 社 会 ， 汽 车 已 经 相 当 的 普 及 ， 它 的 保 有 量 在 不 断 的 上 升 。 上 个 世 纪中 后 期 ， 人 们 开 始 大 量 地 使 用 燃 油 汽 车 ， 由 此 导 致 的 能 源 匮 乏 和 环 境 污 染 也变 得 日 趋 显 著 1、 2。目 前 ， 环 境 污 染 和 石 油 资 源 匮 乏 已 成 为 世 界 汽 车 工 业 的 持 续 发 展 所 面 临的 两 大 问 题 。 燃 油 汽 车 所 排 放 的 废 弃 对 人 体 健 康 有 着 严 重 的 危 害 性 ， 主 要 含有 二 氧 化 碳 、 一 氧 化 碳 、 碳 氢 化 合 物 、 铅 化 物 、 氮 氧 化 合 物 和 二 氧 化 硫 等 ，这 些 污 染 物 形 成 光 化 学 烟 雾 、 酸 雨 及 酸 雾 ， 对 农 作 物 、 人 类 健 康 、 禽 兽 、 自然 生 态 系 统 、 森 林 和 建 筑 ， 均 有 着 巨 大 的 危 害 。 而 且 ， 由 燃 油 汽 车 的 大 量 使用 而 导 致 的 城 市 噪 声 污 染 也 是 不 可 忽 视 的 。 因 为 高 分 贝 的 噪 声 对 人 的 神 经 、听 觉 、 消 化 、 心 血 管 、 免 疫 系 统 、 内 分 泌 等 造 成 相 当 大 的 危 害 。 目 前 ， 世 界上 污 染 最 严 重 的 10 个 城 市 中 有 7 个 在 中 国 3,4。再 者 ， 长 期 以 来 ， 我 国 石 油 供 给 量 总 是 赶 不 上 需 求 量 。 1993 年 我国 从 原 来 的 石 油 净 出 口 国 转 变 成 了 石 油 进 口 国 ， 从 国 外 进 口 的 油 品 和 原 油 总量 远 远 的 超 过 了 出 口 总 量 。 2010 年 世 华 财 讯 报 道 ， 2009 年 中 国 石 油 表观 消 费 量 为 40837.5 万 吨 ， 仅 次 于 美 国 ， 位 居 世 界 第 二 。 预 计 2012年 中 国 石 油 消 费 量 还 将 增 长 5 ， 供 需 结 构 任 然 偏 紧 。电 动 汽 车 是 在 道 路 交 通 、 安 全 法 规 各 项 要 求 的 约 束 下 ， 以 电 动 车 的 车 载电 源 为 动 力 ， 用 电 机 驱 动 车 轮 转 动 而 行 驶 的 车 辆 。 它 不 排 放 污 染 气 体 ， 固 有“零 污 染 ”车 辆 （ ZEV） 的 美 称 。 在 环 境 污 染 和 能 源 匮 乏 日 益 显 著 的 情 况 下 ，电 动 汽 车 引 起 了 世 界 各 国 的 广 泛 关 注 。 曾 有 资 料 表 明 ， 运 行 在 同 一 城 市 环 境下 的 电 动 汽 车 和 汽 油 车 ， 前 者 的 能 量 消 耗 比 后 者 减 少 0.65KWH KM。能 源 消 耗 中 包 含 电 力 输 送 过 程 中 的 损 耗 、 能 源 转 化 和 开 矿 。 调 研 表 明 ， 运 行在 拥 挤 的 城 市 道 路 中 的 电 动 汽 车 和 汽 油 车 ， 前 者 的 能 源 效 率 较 后 者 要 高40 。 再 者 ， 电 动 汽 车 可 以 利 用 水 、 煤 炭 、 核 、 天 然 气 、 潮 汐 、 太 阳 、 风 等能 源 转 化 为 蓄 电 池 所 需 的 电 力 ， 它 的 广 泛 应 用 可 有 效 地 降 低 内 燃 机 汽 车 对 石油 的 依 赖 性 。 此 外 ， 电 动 汽 车 还 可 避 开 用 电 的 高 峰 时 间 ， 利 用 晚 上 地 时 间 给蓄 电 池 充 电 ， 这 样 ， 有 利 于 减 少 费 用 和 均 衡 电 网 的 负 荷 。 表 格 1-1 列出 的 是 内 燃 机 汽 车 与 电 动 汽 车 性 能 和 用 途 的 对 比 ， 该 表 格 直 观 地 显 示 出 了 电动 汽 车 的 诸 多 优 点 ： 噪 声 低 ， 无 污 染 ， 花 样 多 ， 能 效 高 ， 结 构 简 单 ， 使 用 和西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）8维 修 较 方 便 。 电 动 汽 车 的 费 用 支 出 较 多 、 初 期 投 入 较 大 ， 只 因 它 的 价 格 比 内燃 机 汽 车 要 高 。 但 随 着 使 用 年 限 的 增 加 ， 电 动 汽 车 的 使 用 费 用 会 越 来 越 低 ，甚 至 会 比 内 燃 机 汽 车 的 还 低 ， 因 为 电 动 汽 车 的 维 修 和 保 养 费 用 较 低 。 如 图 1-1 为 两 者 应 用 成 本 比 较 。表 1-1 内 燃 机 汽 车 与 电 动 汽 车 用 途 和 性 能 对 比 表 5性 能 用 途项 目 机动性废 气排 放噪声震动操作难易能源补给购置费用维修费用作业范围连续作业不 通风 场所低噪声场所狭窄场所易燃爆场所低温场所汽 油 汽 车 好 差 好一般好 好 差 好 好 一 般一般差一般一般柴 油 汽 车 好 一 般 差一般好一般一般好 好 一 般 差 差一般一般电 动 汽 车 好 好一般好一般差 好 差一般好 好 好 好 好1.2 电 动 汽 车 发 展 及 现 状我 国 从 “八 五 ”起 开 始 了 对 电 动 汽 车 的 研 究 和 开 发 ， 并 在 这 方 面 取 得了 一 系 列 丰 硕 的 成 果 ， 正 在 向 着 产 业 化 方 向 转 化 。 电 动 汽 车 的 三 大 关 键 技 术是 电 机 、 电 池 和 电 控 系 统 领 域 ， 有 资 料 显 示 ， 我 国 于 “九 五 ”后 在 这三 方 面 取 得 了 巨 大 的 进 步 。 其 中 ， 获 得 了 质 的 飞 跃 的 是 高 性 能 动 力 电 池 。 虽然 我 国 的 电 动 汽 车 在 产 品 的 可 靠 性 、 稳 定 性 、 一 致 性 等 方 面 的 现 有 水 平 还 没能 超 越 外 国 ， 均 需 作 进 一 步 地 努 力 ， 但 在 这 个 基 础 上 ， 我 国 已 经 开 始 进 入 了电 动 汽 车 整 车 开 发 的 新 阶 段 ， 并 朝 着 产 业 化 方 向 发 展 。发 展 电 动 汽 车 已 经 被 我 国 当 作 一 项 较 大 的 科 技 攻 关 项 目 。 这 次 攻 关 不 光是 要 突 破 三 大 技 术 -电 动 控 制 、 电 机 和 电 池 ， 而 且 还 要 加 大 努 力 去 向 产业 化 的 方 向 发 展 。 纯 电 动 汽 车 不 仅 要 突 破 关 键 技 术 ， 还 需 初 步 实 现 产 业 化 ：引 导 企 业 将 混 合 动 力 电 动 汽 车 形 成 规 模 化 大 批 量 生 产 ； 燃 料 电 池 汽 车 成 为 我们 的 中 一 个 长 期 目 标 。 十 五 期 间 ， 全 国 在 电 动 汽 车 攻 关 方 面 的 总 投 资 可 能 都西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）9已 达 100 亿 元 。国 内 各 地 在 产 业 化 和 科 研 方 面 ， 除 投 入 大 量 的 资 金 之 外 ， 还 做 了 不 少 的努 力 ， 最 明 显 的 表 现 就 是 制 定 了 与 众 不 同 科 技 体 制 。 全 国 在 启 动 “十五 ”863 项 目 的 前 后 ， 涌 现 出 了 各 种 形 式 的 以 天 津 市 所 组 建 的 “东 风电 动 车 辆 股 份 有 限 公 司 和 天 津 电 动 车 辆 研 究 中 心 ”等 为 代 表 性 的 新 型 体制 的 科 研 实 体 ， 他 们 在 电 动 汽 车 产 业 化 行 业 和 科 研 中 形 成 了 新 的 动 力 ， 均 承担 了 此 项 目 的 重 大 课 题 。我 国 对 新 能 源 汽 车 方 面 的 开 发 集 中 体 现 在 电 动 汽 车 方 面 。 各 厂 家 和 科 研院 所 也 大 力 投 入 ， 开 发 出 了 各 种 型 式 的 电 动 汽 车 ， 并 具 有 相 当 的 水 平 。 我 国与 国 外 电 动 汽 车 的 水 平 对 比 ， 尚 且 存 在 着 一 定 的 差 距 ， 但 是 相 对 于 内 燃 机 汽车 而 言 ， 这 个 差 距 小 的 多 。美 国 在 政 府 政 策 的 推 动 下 ， 电 动 车 产 业 化 进 程 有 了 很 快 发 展 。1993 年 美 国 先 进 项 目 局 （ ARPA） 制 订 了 混 合 动 力 电 动 汽 车 和 电 动 汽 车 项目 。 同 年 9 月 美 国 三 大 汽 车 企 业 负 责 人 与 政 府 共 同 提 出 了 旨 在 开 发 新 一 代高 效 节 能 汽 车 的 “新 一 代 汽 车 合 作 计 划 ”6,7。在 出 售 电 动 汽 车 的 国 家 里 ， 法 国 是 少 数 之 一 。 1990 年 ， 政 府 出 台政 策 资 助 开 发 电 动 汽 车 ， 并 且 在 税 收 方 面 对 采 购 电 动 汽 车 的 用 户 进 行 优 惠 。法 国 电 动 汽 车 生 产 商 每 生 产 一 辆 电 动 汽 车 ， 电 力 公 司 就 给 于 一 万 法 郎 的 补 助 。1995 年 7 月 起 ， 采 购 电 动 汽 车 的 法 国 用 户 政 府 将 给 予 5000 法 郎 的 补贴 。 诸 多 措 施 都 为 法 国 电 动 汽 车 的 迅 速 发 展 提 供 了 良 好 的 环 境 。 在1989 年 ， 法 国 的 标 致 一 雪 铁 龙 集 团 跃 为 全 球 首 家 制 造 商 业 车 队 与 城 市 销 售电 动 大 蓬 车 企 业 ， 在 巴 黎 使 用 了 135 台 电 动 垃 圾 车 ， 全 国 为 300 台 ，用 的 电 池 几 乎 全 都 是 铅 酸 电 池 。 后 来 SAFT 公 司 又 着 力 于 镍 福 电 池 的 研究 ， 并 制 定 了 名 为 “绿 色 ”事 业 的 电 动 车 发 展 规 划 ， 其 四 个 实 施 阶 段 分 别为 ： (1)推 广 “标 致 ”牌 JI 与 “雪 铁 龙 ”牌 C15E 以 及 C25 新 型 电 动 汽车 ； (2)于 1995 年 推 广 “标 致 ”牌 106 型 与 “雪 铁 龙 ”牌 AX 电 动 汽 车 ，这 两 种 车 型 不 光 供 车 队 使 用 同 时 也 可 为 家 用 ， 该 车 已 取 得 试 制 成 功 ；(3)花 费 10 年 时 间 推 出 另 外 一 种 新 型 电 动 汽 车 “希 特 拉 ”牌 ； (4)发展 陆 路 涡 轮 式 电 动 汽 车 ， 即 在 电 动 汽 车 上 装 有 涡 轮 发 动 机 ， 可 提 供 长 途 行 驶所 需 的 动 力 。另 外 ， 德 国 、 意 大 利 、 英 国 等 在 电 动 汽 车 开 发 方 面 都 投 入 了 巨 资 ， 并 拟西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）10制 了 相 应 的 优 惠 政 策 。1.3 电 动 汽 车 系 统 构 成 及 原 理随 着 高 性 能 永 磁 材 料 的 问 世 以 及 电 力 电 子 工 业 的 飞 速 发 展 ， 永 磁 无 刷 直流 电 机 是 成 为 一 种 新 型 电 机 。 如 图 1-1图 1-1 电 动 汽 车 基 本 构 造1.4 电 动 汽 车 用 驱 动 电 机最 早 应 用 于 电 动 汽 车 驱 动 系 统 上 的 电 动 机 是 直 流 电 动 机 。 上 个