直流纯电动车控制器的设计--毕业设计说明书.doc

SHANDONG毕业设计说明书直流纯电动车控制器的设计学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名 孙明旺 _学 号： 12110401046_指导教师： 孙 凯 _ 2016 年 6 月摘要汽车是现代社会的重要交通工具,它在为人类提供便利的同时也带来了严重的环境污染和能源短缺问题。电动汽车由于其所用能源的清洁性和能源来源的广泛性而越来越受到重视。其中,低速电动汽车由于成本低、易于驾驶等优点有很好的市场前景。直流电机以其起动转矩大、控制简单、调速性能优越等优点在低速电动车驱动电机市场中占主导地位。而他励直流电机具有控制灵活、易于弱磁等特点,因而更受市场的青睐。当前,电动车用他励直流电机的控制器产品种类较多,但一般存在着如下问题:控制器系统效率不高,电动车续航里程较短;控制器可靠性较差,如经常性的电机过热烧坏、主开关器件损坏以及主接触器粘连等。此外,控制器在爬坡能力、励磁电流的鲁棒性等方面也有待进一步完善。本论文简单阐述了电动汽车的发展历史，背景，意义以及关键技术和发展现状等。鉴于电动汽车控制系统的复杂性以及综合考虑各方面的因素，电动汽车的主控制器选用DSP。在电动汽车控制系统研究设计中，就是完成硬件电路设计，以及控制三相感应式交流电机的转速。根据所选的DSP芯片TMS320LF2407A的功能，对驱动系统硬件电路进行了系统设计，主要包括电流、电压、温度、速度检测电路以及过电压、欠电压、过电流、温度保护电路等。关键词 低速电动车驱动 控制器 驱动电路 检测电路 保护电路AbstractIn order to maintain a beautiful and elegant environment of the golf field, the vehicle used there should have zero pollution and low noise. Meanwhile, the golf vehicle reduces the request of the automobile dynamic quality and travel mileage. Electric Vehicle (EV) becomes a kind of new, fast-developing vehicle in the last years, which has the best future as a green vehicle, as the problems of energy and environment are becoming more and more serious in the 21st century. In this case use of pure electric vehicle as the golf vehicle suite extremely.The drive system is the core part of the electric golf vehicles power system, which is also the major work that has been completed by this thesis. The thesis takes the overall plan design to the separately excited DC motors drive system, and carries on the simulation analysis to this drive system by SABER software, so that to confirm it can realize the motors functions such as speed regulation, energy regeneration as well as soft-switching.This paper briefly expounds the electric car development history, background, significance, key technology and development status. In view of electric vehicle control system complexity and considering all factors, electric vehicle controller choose DSP. In the control system of electric automobile research design is completed, the hardware circuit design, as well as the control of three phase induction type AC motor speed. According to the selected DSP chip TMS320LF2407A function, to drive the system hardware circuit of system design, including the current, voltage, temperature, speed detection circuit and over voltage, under voltage, over current, temperature protection circuit.Key words: electric vehicle, controller, Driver circuit detection circuit, protection circuit.I目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1课题的背景与意义11.2 国内外电动汽车研究发展现状及发展趋势11.3 电动车控制器需解决的关键问题21.3.1 电机驱动系统21.3.2功率器件设计31.3.3能量回馈31.4 电动汽车控制器3第二章 芯片介绍及电动汽车整体结构概述42.1 DSP简介42.1.1 什么是DSP芯片42.1.2 DSP芯片的发展42.1.3 DSP芯片的分类42.1.4 DSP芯片的结构52.2 DSP型号选择52.3电动车整体结构框图及分析8第三章 驱动系统的设计103.1驱动电路的选择103.2 功率MOSFET管113.3 MOSFET驱动电路12第四章 电动汽车重要物理量的检测与保护144.1 三相电动机电流的检测保护144.1.1 基于霍尔电流传感器的电流采样电路144.1.2电流信号处理电路164.1.3 电流保护164.2控制器温度的检测与保护174.2.1基于LM35温度传感器的温度采样电路174.2.2 温度信号处理电路184.2.3 温度保护电路194.3 蓄电池电压检测与保护194.3.1 基于霍尔电压传感器的电压采样电路194.3.2 电压信号处理电路204.3.3 电压保护214.4 系统保护电路22第五章 速度检测及加速踏板部分电路245.1 速度检测245.1.1 光电编码器简介245.1.2速度测量电路255.1.3速度信号变换电路265.2 加速踏板相关电路设计275.2.1 电动汽车加速踏板工作原理275.2.2 加速踏板信号转换电路27第六章 DSP外围电路296.1 时钟及复位电路296.1.1时钟电路设计296.1.2 复位电路设计306.2 电源转换电路30结论32致谢33参考文献34第一章 绪论第一章 绪论1.1课题的背景与意义随着国家科学技术的加速研发和国民经济的快速增长，国民生活质量不断提升，汽车已经成为人民生活中必不可缺少的代步器材。传统燃油汽车生产和销售量呈逐年递增的趋势，最近十年，我国新车的生产和销售处于迅速增长阶段。传统汽车工业的发展加速了对石油的需求，大量化石能源的消耗同时带来严重的环境问题，导致大气污染，温室效应，全球气候变暖，海平面上升，雾霾天气的增加，这些问题严重影响的人民的身心健康和幸福生活以及全球生态系统的安全。“国十条”的发布对传统汽车尾气的排放做出更严格的限制，汽车行业面临着巨大的节能减排的压力，迫切需要技术转型升级。从将来的技术发展潮流和汽车行业的发展潮流来看，电动汽车是将来的技术发展潮流。为了顺应汽车技术发展潮流，全球各国政府，科研机构，工业界纷纷加大对电动汽车的投资金额，加速电动汽车在各国的商业化，各大公司巨头争夺电动汽车的市场份额。电动气车（ Electrical Vehicle）是以主要电池为动力源，整体或者部分由电机推动的汽车，涉及到机械，按照目前的技术水平和汽车推动原理，可以分为混合动力气车、纯电动气车和燃料电池电动气车三种类型：目前，纯电动汽车的技术日趋成熟完善，但由于面临着充电基础设施建设巨大的资金压力和传统汽车工业的惯性压力以及人民传统汽车消费观念的压力，推行运用方面仍处于展示运行进程。现阶段纯电动汽车主要在微型、慢速、特殊用途上不断应用。1.2 国内外电动汽车研究发展现状及发展趋势美利坚合众国在新能原汽车工业方面做了一些顶层级的安排。曾经投资24亿美元来支持PHEV，美利坚合众国在比较久的时间里研发过纯电动汽车、燃料电池汽车。美国的联邦策略是做插电式混合动力汽车，研发重点强调电动汽车所使用的电池的研究。美国有15亿美元来扶助美国有关大学、研发单位、企业在电动电池方面展开研发。提议2016年要推广120万辆PHEV的指标，同样通过了相关的补贴，包括税收的政策。这里面也包含了一些有关PHEV的非财税和非经济性的帮扶政策。它有特殊的路权以及使用方面的支持。欧洲来看，对纯电动汽车的研发也是十分的看重。欧洲联盟要发行80亿欧元贷款来帮扶汽车制造商来研发清洁与环保汽车，德国提出2020年普及120万辆 BEV和 PHEV的指标，敲定了15亿欧元的创新计划和6亿欧元的电动汽车推行普及计划。英国也公布了将来5年的电动汽车研究日程，居民选择买纯电动汽车和插电式混合动力汽车，政府发放相应的补贴。日本将近有20年一直走在新能源汽车的世界前排，包含他的新能源汽车的技术。日本当局2009年提出了“低碳革命”的规划，将研发电动汽车作为其“低碳革命”的计划核心。其他省也规划了245亿日元来研发下一代汽车电池，也增加了对电动汽车，包括HEV、清洁柴油车以及其他方面的环保汽车的投入。中国，从十五、十一五、十二五，三个五年计划，创立三纵三横的研究框架，重点以三种整车为带头，加快到三块重要的零部件，关键系统方面的研发。这是十一五的规划，十一五中，提出了更加注重研发平台的建设，包含测试、信息、政策、检测等等。国家十二五计划更加注重了“纯电驱动”技术研发规划，坚持过度和转型并行。过渡应该是关于传统汽车工业节能减排。转型是汽车驱动系统电气化的转型。“三步走”是总体上的年度发展规划，包含产业化的过程。第一步是在大中都市的公共服务领域，包含公交车、物流车、环卫车，这些是很容易去普及电动汽车这样的领域。第二步是在小型的混合动力汽车，小型乘用车。第三步是PHEV和燃料电池车。目前新能源汽车领域应该有四大趋向，一是底盘的电气化，更多电气化元素会在各类型的汽车上出现；二是轻型化，采取铝合金、镁合金的质料在结构件上使用，每一个企业都要思量未来质料的变化会带来整个汽车工业生产技术各个方面的变化；三是车辆的智能化，将来汽车会向智能化发展，终极目标是自动驾驶，智能技术在车上使用，会不断地给我们加强辅助驾驶的功能；第四是交通网联化，未来电动汽车的价值不仅是交通工具，它还是一个电力储存系统，可以纳入到整个智能电网中，作为整个智能电网中的一个结点。可以有利于电网的削峰平谷。在一些自然灾害的情况下，电网发生故障，每家都有车，电动汽车储存的二三十度电，还可以用上十几天。将来电动汽车的价值会比传统汽车的价值会实用，更高。纯电动车控制器在电动汽车未来发展趋势发挥着重要的作用。1.3 电动车控制器需解决的关键问题电动车控制器驱动系统电池是采取的48V铅酸蓄电池组，以微芯公司的TMS320LF2407A芯片为控制芯片，采取并联的MOSFET为功率模块。目标是研发出价钱较低，性能稳定的纯电动汽车，下面是纯电动汽车在驱动控制中需解决的关键部分。1.3.1 电机驱动系统短途微型纯电动汽车对行驶速度没有太高的要求，但需要要求性能可靠，安全稳定。纯电动汽车采用他励直流电机作为驱动部分，它具有动态性能好，控制容易的特点。本设计采取的是电动汽车专属的他励直流电机，其电枢电压和励磁电压可以互相独立控制。其转速。转矩特性是线性相关的，运转速度随转矩的增大而减小，可以在不相同的转速下得到最好的功率曲线。采用半桥斩波对他励直流电动机电枢进行控制，采用全桥斩波电路对电动机励磁电路进行控制。1.3.2功率器件设计为了很好的控制成本，功率器件选择了价格低廉的MOSFET管。选择功率管时第一要考虑极限耐受电流。现在一个MOSFET耐受的电流极限有限，很难承受高达150A的大电流，这就需要用到开关管的并联技术。并联时，因为每个原件管压降和动态参数的差异，会导致元件电流分配不均匀而导致损坏开关管。因此必需采纳静态均流和动态均流措施。1.3.3能量回馈 将车辆的行驶中的部分动能转化为电能并返回电池是电动气车具有的基本特征之一。除了减少机械、液压制动方式的机械磨擦外和提高能源利用效率，电池存贮电量成为电动汽车普遍推广的瓶颈下，这一功能具有普遍意义。在现实的电动气车组件中，在驱动系统能量返回时，除了思量驱动模块自身特征而外，还要思量蓄电池组的物理化学特征，采取适合的控制战略，在不破坏电池物理化学特征的条件下，尽最大可能多的反馈能量。1.4 电动汽车控制器控制器是电动气车的焦点，它的发展决定着电动气车行业的发展水平。新能源气车中，动力电池控制和电机驱动是两大核心部分，同样是进军新能源气车行业的切入点。电动气车控制器功能越来越强大，结构越来越完善。常用的控制器有单片机、DSP等。但是对电动汽车的控制，需要处理大量信号以及复杂的数据，简单的单片机已不能满足要求。因此，本论文采用功能更加完善，处理功能更强的DSP芯片。随着科技的进步，DSP芯片的不断升级。集成芯片数量更加多，开发工具和软件也越来越多，使用也更加方便。与此同时，本文所介绍的动汽车控制系统就是以DSP为核心来说明，从而使得DSP器件技术操作简单，价格也能够为广大用户接受；42第二章 芯片介绍及电动汽车整体结构概述第二章 芯片介绍及电动汽车整体结构概述2.1 DSP简介2.1.1 什么是DSP芯片DSP芯片，是一种具有特殊结构的微处理器，专指数字信号处理器。DSP芯片的里面采纳哈佛结构从而使程序和数据分隔开，提供特殊的DSP 指令，普遍采用流水线操作，具有专门的硬件乘法模块，对种种数字信号处理算法能快速的实现。DSP芯片具有以下几个特点，来实现不同数字信号的处理要求：（1） 能同时访问指令和数据，由于程序和数据空间分开。（2）一次乘法和一次加法可在一个指令周期内同时运行。（3） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件。（4） 支持片内快度RAM，一般通过单独的数据总线可同时访问其中两个模块。（5）多个硬件地址产生器可在单周期内同时操作。（6） 支持快速的中断处理和硬件I/O接口。（7） 采用流水线操作方式，使指令译码、预取和执行等操作能够重叠执行。（8） 可以并行执行多个操作。DSP芯片的其他相同功能与市场上微处理器相比，功能相对较薄弱些。2.1.2 DSP芯片的发展在模拟信号变换为数字信号后，数字信号处理器就是高速实时的对该数字信号进行处置的专一用途处理器，它是实现数字信号处理的强大工具，具有计算速率快、功耗低、体积小等优势。最近几年，跟着新材料和半导体不断进步，芯片的处理能力不断增强，使得信号处理的研究不再需要过多考虑硬件，重点放在算法和软件模块上。DSP的这些卓越性能目前被普遍应用于信号处理、数字通信、图像处理、工业控制等范围。一九七八年AMI公司发布了世界上第一个单片DSP芯片S2811。DSP芯片的一个里程碑是随后美国Intel公司发布的商用可编程期间2920。自一九八零年以来，DSP芯片不仅得到快速的发展，DSP完成一次MAC操作的运算速率大大提高，现在只需40ns，从而提高了处理能力。芯片内部的存储器和存储容量都不断增加，内部乘法运算器件个数也大大减少，从而DSP芯片的应用越来越广泛。现在DSP芯片的引脚数量可以达到二百个以上，而一九八零年引脚最多才有六十四个，使芯片结构灵活性得到大幅度提高。此外，DSP芯片的发展，也使DSP系统的体积、成本、损耗和轻重都有很大程度的降低。2.1.3 DSP芯片的分类DSP的芯片可以按照不同的方式进行分类。1.按数据格式分。根据DSP芯片工作的数据格式不同来分类的。定点DSP芯片是指数据以定点格式工作的DSP芯片。浮点DSP芯片是指以浮点格式工作的芯片。不同的浮点DSP芯片可采用不同的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式。2.按基础特性分。根据DSP芯片的指令类型和工作时钟不同来分类的。例如静态DSP芯片是指DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率均能正常工作，DSP性能没有下降，只有计算速度变化3.按用途分。DSP芯片的种类还可以根据不同用途来分，有通用性DSP芯片以及能完成特定运算如数字滤波， FFT等的专用型DSP芯片。2.1.4 DSP芯片的结构1.哈佛结构。指的是在存储空间中单独划分出数据和程序存储空间，是两个相互独立的存储器。相对应的是两个存储器系统中分别设置了数据总线和程序总线，从而提高了数据的存取速度。2.专用的硬件乘法器。DSP处理器的性能越高，乘法速度越快。采用了专用的乘法器，可在一个指令周期内完成乘法运算。3.流水线操作。流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，一次性处理多条指令，提高处理能力。4.快速的指令周期。经过采用各种技术的DSP芯片的指令周期，可以大大缩短，现在一般只需200ns。2.2 DSP型号选择纯电动汽车控制系统对微处理器有如下要求:1. A/D转换功能。需要接收电压信号、加速踏板信号、电流信号等模拟量输入，并进行A/D转换。 2. 数据处理能力及响应速度。本系统需要具有足够内存空间和高速响应性能的微处理器，才能对多种参数进行实时处理。TMS320LF2407A是基于TMS320CZXX型16位定点数字信号处理器的新型DSP控制器。它除了满足电动汽车以上两个功能外，还有以下的特点：(1)基于TMS320的内核，与TMS320LF240x系列DSP的兼容性提高；(2)采用高性能静态CMOS技术，不仅提高了控制器的实时控制能力，执行速度达到40MIPS(40百万条指令/秒)，而且使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；(3)片内有高达2.5K字RAM，其中包含2K字的单端口 RAM(SARAM)和544字的双端口RAM（DARAM）；32K字16位的flash程序存储器；(4)两个事件管理器模块EVA和EVB。每个事件管理器均包括如下模块:8个16位脉宽调制（PWM)通道，两个16位通用定时器，防止击穿故障的可编程PWM死去控制，3个对外部事件进行定时捕捉的捕捉单元，其中2 可直接与光电编码器输出脉冲相连接；(5)可分别扩展可扩展64K 的数据，程序以及I/O存储空间；(6)局域网控制模块；(7)即无需使用插入式电缆连接器件的全部引脚，便可通过JTAG口对器件进行仿真。根据以上介绍，本文中纯电动汽车控制系统的核心部分选用DSP芯片LF2407A ，其功引脚图和能框图分别如图2-1和图2-2所示。图2-1 TMS320LF2407A引脚图图2-2 LF2407A的功能框图2.3电动车整体结构框图及分析由上图可知，电动汽车采用的控制芯片为TMS320LF2407A，而要使电动汽车正常工作，不仅需要设计芯片自身的外部供应电路，还要设计很多的参量检测及保护的电路，比如灯光、转向、电动车窗等。而本文只设计了电动汽车一小部分的电路作为样本。根据上面方框图的要求，需要设计以下电路:1电动汽车电流检测电路及过电流保护电路；2电动汽车控制器温度检测及温度保护电路；3电源电压检测及过压、欠压保护电路；4DSP芯片LF2407A 及其外围电路；5电动汽车速度检测电路；6加速踏板给定信号转换电路；第三章 驱动系统的设计第三章 驱动系统的设计驱动系统是整个电动汽车控制器的关键模块，驱动功能的好坏对电动气车的功能有着至关重要的用。本章对驱动系统的结构与组成部分的设计方法与思绪。3.1驱动电路的选择电机采用的是他励直流电动机，驱动主电路分为电枢电路和励磁电路。由于要实现电动机的正反转运行，励磁电路采用全桥斩波电路，电枢电路采用半桥斩波电路。励磁电路如图3-1。U为48V蓄电池组，T1-T4为全控性开关管,D1-D4为稳压二极管，当T1和T4管导通，T2和T3管关闭时，电流的方向为U+ -T1负载T4U-,负载承受正相电压。当T2管与T3管导通,T1管与T4管关闭时,电流的方向为U+T3负载一T2U-,负载遭受负电压。因此经过操纵MOSFET的通断就能够对负载电压正向与反向的转换。由于电枢电流较大，电动汽车并不需要快速实现换向,需通过改变励磁电流方向的方向来实现换向。图3-1励磁电路因为电动气车驱动电机的他励直流电机电枢电流可高达150A以上，单个MOSFET管不能有那么大的开断容量，需要多个MOSFET管并联均流的方法，鉴于成本和工艺的的考虑，他励直流电动机电枢驱动电路采用单桥斩波电路。如3-2 (a)所表示的图中,采取了一个开关管管对电枢电路操纵,通过调节T1管脉宽调制技术信号的占空比即可变化电枢电压。当T1管开通时,电流的方向为V+电枢一T1 一V-,此时电机电动机使用;当T1管关闭时,因为电枢电感的剩余电压的作用,电枢电流流过续流二极管m继续续流,假如续流在T1再次开通前截止,虽然此刻电东机仍有速度,反电动势仍然在,但此刻没有电路使电流相反, 该电路在某些情况下无法实现电机电枢电流的反向。只电机的运转速度高于电动机理想空载运转速度，相反电动势高于电源电动势时，会出现经过二极管 D2、由电枢侧流向电源侧的反方向的电流，由电枢侧流向电源侧的反向电流很明显这种制动性能是不可以的，此时，这种电路没有办法法对电机的制动过程进行操纵，结果，图3-2(a)电枢驱动电路没法让他励直流电机在四象限运动。为找到图3-2(a)驱动电路缺点的解决办法，因此他励直流电机的电枢绕组两个端口再并联一只开关管，如图3-2(b)。电枢电流继续放电结束后，T1管开通，在电动势的作用下，电枢电流流过T1管向相反的方向流动，产生制动转矩。这种电路可以很的对电枢电流进行操纵,并且电动状态与制动状态都可以控制,半桥斩波是一个使电动机在两象限运行的C型驱动电路。图3-23.2 功率MOSFET管 选择的电动机在工作在超速状态时，电枢电流可到达 150A，思量稳定裕量，则选择的管子必需要能耐受 150A 的大电流。一个管子 耐受电流的容量有限，不可能耐受高达150A的大电流，这时就要使用到开关管的并联技术因为于功率MOSFET的通态电阻有正温度系数，当有一个 MOSFET 电流增加时，其温度随着升高而使电阻变大，进一步限制了电流的变大，因此有自动均流的性能，这一特征使该管子容易用于并联环境中。 但在开关管的应用并联电路时，仍然会有因各个器件的管压降和动态参数不一样而导致各元件之间电流配额不一样而增加发生损坏器件的概率，所以在使用时一定采取静态均流和动态均流。对很大电流状态下的开关管，为让功率管的静态电流尽可能相同，可以采用以下措施（1）选取各开关管的 开断电阻尽可能相同；（2）在尽量思量开关管的额定的状态下，尽最大可能管子的数量；（3）各 开关管 应该装配在相同散热器上面，且距离相同并且保持良好散热措施；为取得更棒的均流性能，能够采纳下面的方法：（1） 认真选取每个开关管，使他们参数尽最大可能的一样；（2） 小心设计开关管 驱动电路，尽量减少驱动电路的输出电阻，提升驱动性能；（3） 采取间接耦合并联各 MOSFET 柵极，可以获得得更好的均流性能；（4） 让电路结构布局合乎常理，让各个管子的安装的尽量对称。本课题中，MOSFET 的形号为 P1308ATG，耐受电压为 75V，漏极连续电流为80A，通态电阻 Ron为 0.013。参考其他人的研究结果和课题仿真实践的经验，最后选择电枢中的 MOSFET管 由七只并联组成，励磁控制中全桥斩波桥每一个支路两只MOSFET管 并着。图3-3MOSFET并联电路3.3 MOSFET驱动电路如图 3.7 为 MOSFET 管的驱动电路，提供集成电路电源的电压为 15V的电压，这是漂浮浮电源。自举电路由二极管和电容 C2 组成，当 VS 被拉到地时，15V 的 VCC 电源通过自举二极管给自举电容充电，电容两端电压为 15V；当高端 MOSFET 导通时，目前Vss 的供电电压主电路的电压，Vbb 上的电压即为主电路高端的电压加上 15V，保证输出端可以产生正常的脉冲波形。图3-4 MOSFET驱动电路第四章 电动汽车重要物理量的检测与保护第四章 电动汽车重要物理量的检测与保护检测的各种信号需要经过检测电路的转换变成DSP可以识别的数字信号。本主要介绍电流、电压、温度三个物理量的检测，通过外围的检测电路接口直接接到处理器TMS320LF2407A的接口电路上来实现电流、电压、温度信号的输入，然后根据不同的物理量分别作出保护电路等。正常运行过程时，电动汽车各部分温度，电压等均要保持在一定范围内，本章主要通过对三相电动机的电流，控制器温度，蓄电池电压的检测保护电路作简要介绍电动汽车物理量的检测保护。4.1 三相电动机电流的检测保护三相交流异步电动机的电流发生短路或电流过大时，会对汽车各部分的电气及机械设备带来危害，因此电动机的电流必须保持在允许的范围内汽车系统各部分才能正常运行。所以对电流进行检测和保护是极其重要的。4.1.1 基于霍尔电流传感器的电流采样电路霍尔效应即我们平时所说的电磁感应的一个具体应用。以霍尔效应为基本原理做出的检测电流的元件称为霍尔电流传感器。 导线中通过电流时，导线周围会产生磁场，流过导线的电流大小与磁场的大小有直接关系，经过检测磁场强度，并通过之前得到的导线输出信号与磁场变化量的关系，从而综合以上结果得出，以下关系： I B Vh （1） 式中：I为导线通过的电流；B为导线磁感应强度；Vh为磁场B中产生的电压信号。在适当的比例系数下，上式可通过等式进行表达。 人们设计了许多种电路来处理霍尔输出电压信号Vh，但总体来讲可分为两类，一类为闭环霍尔电流传感器；另一类为开环霍尔电流传感器。 磁平衡，即原边电流In所产生的磁场，通过副边线圈的电流Im所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态是闭环霍尔电流传感器的工作原理。当原副边磁场在磁芯中达到平衡时： NIn= nIm （2） 式中：N为原边线圈的匝数；In为原边电流；n为副边线圈的匝数;Im为副边补偿电流。 当传感器副边和原边线圈匝数已知时，再测量副边补偿电流Im的大小，便可推出原边电流In的值，实现隔离测量原边电流。图4-1 霍尔效应原理的电流传感器 由于异步电动机正常运行时三相电流平衡，所以任意第三项定子中通过的电流可通过其他两项电流计算得到。 选用LT308S6电流传感器作为检测电路的电流采样元件。LT308S6是可用于测量交流、直流和脉冲电流的闭环传感器。原边额定电流有效值为300A，最大测量电流为500A，副边额定电流有效值为100mA，转换率为1:3000。其主要优点有 良好的线性度，出色的精度，宽频带，低温漂，过载能力强，抗干扰能力强等。系统试验电机额定电流153A，电动机过载系数为2.9。电流采样电路如图4-2所示。图4-2 电流采样电路图4.1.2电流信号处理电路DSP的ADC模块要求输入为0-3.3V范围的模拟电压量，而通过霍尔电流传感器的定子电流信号产生的电压信号有正有负。所以必须要对产生的信号进行处理。将检测出的霍尔电流经过电阻采样后再经过采用LM258运放器组成差动放大电路将电压信号偏置1.6V，得到0至3.2V的电压信号，再经二极管的限幅保护后送到DSP的AD转换单元，实现电流检测。图3-3为信号处理电路。图中C1，R4为滤波、平波用,R7，C2，D1，D2组成稳压电路，C2用来滤波，R7起限流作用。R5、R6、R2、R3与LM258构成加法器，将信号偏置1.6V。图4-3 电流信号处理电路4.1.3 电流保护当系统电流过大时会引起功率驱动器被烧坏和损坏。所以要设置快速的过流保护电路，防止功率开关承受短的过流超出安全区时，会永久地损坏系统元件。在主电路进行电流检测过程中，一旦发现主电路电流过流时，应该立即通知DSP关断所有控制信号并报警，封锁控制信号输出，关断开关器件并采取相应的措施。图3-4为过流保护电路图。经加法器偏置后的信号分别与低电压0.3V（对应负半周650A）高电压2.9V（对应正半周650A）比较，比较器输出的低高电平分两路，一路信号通过光电耦合后送入DSP芯片的数据输入端，另一路送入系统保护中的与非门74LS20的双四输入端中。图4-4为过流保护电路4.2控制器温度的检测与保护4.2.1基于LM35温度传感器的温度采样电路本设计要求控制器的温度在70时保护系统作用，上限温度为65。本文选用己知温度系数的基准源作为温敏元件的LM35温度传感器作温度采样。与热电偶、热敏电阻等传统传感器相比，具有体积小、线性好、精度高 、价格低、校准方便等特点，完全适合温度的测量工作。它的主要性能指标如下： 1) 输出电压与摄氏温度成线性关系：+10mV/； 2) 温度测量范围大：-55至+150； 3) 供电电压宽：430V； 4) 低功耗采用LM35的全温度测量接线方法来实现温度精确测量，取Vcc=15，图3-5 中： 电阻R的阻值按照 R=Vcc/50uA来选择，则电阻R=300K。电路的输出电压与温度的线性关系为:（1）环境温度150，Vo=1500mV；（2）环境温度25，Vo=250mV；（3）环境温度-50，Vo=-500mV。图4-5 温度信号采集电路4.2.2 温度信号处理电路由于经采集电路的电压的输出值较小，而且信号在传输的过程中会有衰减，会造成测量误差，所以要即时对信号进行放大处理，由于所限定的最大测量温度信号为-50，所以将所得的电压信号再偏置+0.5v，再将信号放大1.6倍。这样的得到的电压信号在0-3.2v之间。如图3-6所示，采集来的温度信号先通过运放偏置电压后，再通过运算放大和稳压电路送入DSP的ADCIN端口图4-6温度信号处理电路4.2.3 温度保护电路通过设定好的电阻进行电压分压来实现温度保护，当温度高于某一设定值，1.92V（对应70）电压与运算放大后的温度信号进行比较，当温度信号大于设定值时，DSP芯片就会接收到信号，从而产生相应的中断，通过关闭相应的程序，防止系统受损。如图3-7所示，1.92V（对应70）电压与运算放大后的温度信号进行比较，比较器输出高低电平电压信号，一路送入系统保护中的芯片，另一路送入DSP的数据信号输入端。图4-7 温度保护电路4.3 蓄电池电压检测与保护优良的电动汽车，除了有良好的电机驱动性能、良好的机械性能，适当的能量源(即电池)选择以外，还应该有一套电池管理系统来管理、协调和监控电池功能，最大限度得利用有限的能量源。因此，在电动汽车的整车系统设计过程中，电动汽车的电池管理系统的设计必须得到重视。本文通过对蓄电池组电压的检测保护作出说明。4.3.1 基于霍尔电压传感器的电压采样电路本系统对直流母线电压进行检测的霍尔电压传感器选用瑞典LEM公司的LV28-P。其突出优点有：低温漂，出色的精度，良好的线性度，共模抑制能力强，较强的抗干扰能力，频带宽等。如图3-8所示:外部电阻R与预充电电路得到的直流母线电压串联通过原边回路接入到电压传感器LV28-P。给电压传感器供士15V电源，而蓄电池组额定电压为72V，原边电流IP测量范围为0-14mA，外部电阻选择R51=10K。由于LV28-P的原副边线圈匝数比为2500:1000。所以副边电流最大为35mA。在电压采样电路中选择测量电阻取91欧，这样最大采样电压值不超过3.3V，才能满足LF2407A的采样输入电压范围为0-3.3V，满足设计要求。采样信号再分别经过由OP07组成的电压跟随器进行隔离，经稳压管进行限幅，和送至DSP的ADC电压采样端。图4-7 电压采样图4.3.2 电压信号处理电路由OP07组成的电压跟随器来隔离采样信号，并将该信号通过稳压电路送至DSP的ADC电压采样端，如图3-8所示。OP07（TD07）高精度低噪声运算放大器的输入失调电压极低，输入噪声电压幅度非常低，失调电压温漂极低及长期稳定等特点。可广泛应用于精密绝对值、稳定积分电路、微弱信号的精确放大及比较器。OP07的主要特点有：（1） 输入噪声电压幅度低0.35 V (0.1Hz 10Hz)；（2） 输入失调电压温漂极低0.2 V/ ；（3） 输入失调电压极低10 V；（4） 具有长期的稳定性；（5） 高的共模抑制比126dB；（6） 低的输入偏置电流 1nA；（7） 宽的共模输入电压范围14V；（8） 可替代725、741、AD510、108A 等电路。（9） 宽的电源电压范围为 3V 22V；图4-8 电压信号处理电路4.3.3 电压保护通过检测蓄电池电压，当母线电压低于或高过系统所能承受的最值，就给DSP芯片发送信号，从而DSP芯片就会产生相应的中断，并关闭相应的程序，以免系统受损来实现电压保护。如图3-9所示，采样所得电压信号分别与低电压1.9V（对应65V）和高电压2.18V（对应75V）进行比较，与电流保护电路相同比较器输出低高电平信号，分别送入DSP芯片的数据输入端和系统保护的74LS20。PWM系统安全运行对欠压和过压保护电路要求也非常高。由于电动机高速制动时候产生的电压瞬时变化往往使功率器件过电压，从而会损坏功率管器件。控制电源过电压会毁坏系统中微机芯片以及模拟与数字集成电路等元器件；控制电源欠电压，会造成控制电路的波形异常和基极驱动电路对功率转换电路的MOSFET驱动激励不足从而引起系统故障。可见过压和欠压现象都会对系统产生危害，必须进行保护。 图4-9 电压保护电路4.4 系统保护电路保护电路的设计贯穿整个设计的过程,是一个完整控制电路中不可缺少的部分。电动汽车工作时，不但存在功率器件须承受启动时瞬时电流的上升、负载切断所产生电压电流瞬间变化以及电源故障引起瞬间过压，而且电磁干扰、温度变化等因素的影响，因此为提高功率组件可靠性必须加入保护电路，从而避免组件故障造成对整个系统的损坏。保护电路主要包括驱动电源欠压和过压、短路、电机的过流及散热片过热以等。这里主要介绍电源欠压和过压与控制器温度过高及电机过流这三部分保护电路的设计。过流保护电路首先要保证负载电机所能承受的电流最大值大于功率回路电路中产生的最大电流，其次要充分发挥出负载电机的过载能力。设计保护电路所用主要芯片为74LS20。其管脚图如图3-10所示。74LS20内部有4输人双与非门电路。即在两个互相独立的与非门集成在一块芯片内,每个与非门有4个输入端。图3-10 74LS20 管脚图当故障出现时，使保护电路动作，之后通过给CPU传输故障信号，CPU再根据信号做出相应操作，并封锁信号，从而停止整个芯片工作达到保护的目的。图3-11为系统保护电路。四个A、B两相电流电路中四个电压比较器的输出送至四输入端双与非门的第一个与非门的输入端，其输出结果经与非门的反相后与电压电路、温度电路中比较器的输出送入第二个四输入端与非门的输入端，将输出结果经光电耦合连接到DSP的。只需7个比较器中有一个输出为低电平时，74LS20就能输出高电平，后面的电路导通，发光二极管点亮，的输入为低电平，DSP通过封锁PWM脉冲的输出，起到保护作用。图4-11 系统保护电路第五章 速度检测及加速踏板部分电路第五章 速度检测及加速踏板部分电路5.1 速度检测常用光电或磁电转换来进行速度检测，实际上是电机转速检测。TMS320LF2407A芯片中自带捕获单元CAP/QEP，通过CAP/QEP检测每个霍尔器件输出信号的两个边沿，当捕获到上升沿时，电动机的转动速度可以通过被设置的中断标志个数来计算。5.1.1 光电编码器简介光电编码器，是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成数字或脉冲量的传感器。光电编码器是由光电检测装置和光栅盘组成。等分地开通若干个长方形孔的一定直径的圆板上叫做光栅盘。由于电动机与光电码盘同轴，电动机旋转时，电动机与光栅盘同速旋转，经检测装置检测输出若干脉冲信号，检测装置由发光二极管等电子元件组成，其原理示意图如图4-1所示；电动机的当前转速通过计算光电编码器每秒输出脉冲的个数就能反映。此外，码盘提供相位相差90。的两路脉冲信号，还可判断旋转方向。图5-1 光电编码器原理示意图根据光电编码器信号输出形式及刻度方法，可分为混合式、绝对式以及增量式三种。根据检测原理，编码器可分为电容式、感应式、磁式和光学式。1. 增量式编码器 就是通过输出的相位差90度A、B两组脉冲来判断电机转向以及通过Z相脉冲来计算转数。2. 绝对式编码器就是直接输出数字的传感器，在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码盘，每条道上有透光和不透光的扇形区相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数目是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当码盘在不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。这种编码器不需要计数器，转轴的任意位置都有一个固定的与位置相对应的数字码。3.混合式绝对编码器 混合式绝对编码器输出两组信息，一组完全同增量式编码器的输出信息；另一组则信息用于磁极位置检测，有绝对信息功能。光电编码器广泛用于位置测量，角度测量，速度测量，长度测量，同步控制等。光电编码器主要用以下方法来测量电机的转速：M法：固定周期内采集到的脉冲数计算速度，又叫计脉冲法。这种方法可能会有2个脉的误差，由于存在测量时间内首尾的半个脉冲问题。M法宜测量高速，因测量时间内速度较低时的脉冲数变少，误差所占的比例会变大。T法：测量两个脉冲之间的时间从而得到周期，再换算频率。可能会有1个时间单位的误差，由于存在半个时间单位的问题。T法宜测量低速，因为速度较高时，周期测得较小，误差所占的比例偏大。本文中测量电动机转速使用的是增量式光电编码器。在电机控制中光电编码器可以用来测量电机转子的机械位置和磁场位置以及转子的机械和磁场位置的变化方向与变化速度。5.1.2速度测量电路本文采用增量编码器IHC3808，它具有安装方便，体积小，抗干扰能力，互换性好强等优点，分辨率在10至10000P/R之间，最高测量转速可达6000r/min。其中，相位差为90度的A、B用于测速。TMS320LF2407A时间管理模块具有正交编码脉冲电路(QEP电路)，当该电路被使能后，CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚接收脉冲信号，并进行计数和编码。经接口电路的电机轴上光电码盘输出的脉冲正交信号输入到正交编码脉冲电路，用于连接光电编码器的正交编码脉冲电路可以获得电机转子的速度及位置信息。转子的位置和速度可通过对脉冲计数再算出频率来确定，通过软件根据采集来的速度反馈信号得出相应的值，完成速度采样，再通过软件完成速度的闭环控制。如图4-2所示，速度测量电路图5-2 速度测量电路5.1.3速度信号变换电路如图4-4所示，由于普通光藕的开通和关断延时几微秒，无法满足要求，所以光电编码器采用高速光藕TLP559。为了提高调速性能和便于把变频器改造成闭环调速系统， 经两个74HC14整形后将光电码盘反馈回来的相位互差90度两路信号送入DSP。因为汽车车速在实际行驶中变化是极其频繁混乱的，所以检测的车速信号经整形电路输出。74HC14是一款高速CMOS器件，并与低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列兼容。它具有6路施密特触发反相器，具有将输入的缓慢变化的信号整形输出清晰、无抖动的信号功能。可做脉冲、波形整形器，单态稳多谐振荡器，非稳态多谢振荡器等。图4-3为74HC14的管脚图。图4-3 74