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纯电动汽车调速系统
纯电动汽车电控调速系统设计
电动汽车电子控制系统设计
电控系统设计
调速系统设计
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纯电动汽车电控调速系统设计,纯电动汽车调速系统,纯电动汽车电控调速系统设计,电动汽车电子控制系统设计,电控系统设计,调速系统设计
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0 届本科毕业论文（设计）届本科毕业论文（设计） 论文题目：纯电动汽车电控调速系统设计论文题目：纯电动汽车电控调速系统设计 学生姓名：学生姓名： 所在院系：所在院系： 所学专业：所学专业：应用电子技术教育应用电子技术教育 指导老师：指导老师： 完成时间：完成时间： 0 摘摘 要要 本论文以纯电动汽车直流无刷电机控制器为研究目的，详细地叙述了基于 STC12C5404AD 型单片机控制的 PWM 调速控制系统的设计过程。在论文中简 单介绍了单片机 STC12C5404AD 的结构以及 IGBT 功率驱动模块的应用；无刷 直流电机的霍尔信号与逻辑驱动信号的关系，利用此关系来控制电机的转动和 方向；另外，本论文中对电机的一些保护功能如限流保护、欠压保护、短路保 护都是利用模块的自带功能来实现的，而刹车断电、智能巡航、自动定速、防 飞车、防盗等保护功能是利用程序来实现，这样使电路简单，成本降低。除此 之外，还设计了系统的软件流程，包括主程序流程设计，调速子程序流程设计。 关键词关键词：纯电动汽车；STC12C5404AD；IGBT 功率模块；PWM 控制 0 The pure electric vehicles speed electronic control system design Abstract This article take developments the pure electric automobile concurrent not to brush the electrical machinery controller as the research goal, narrated in detail has controlled the pure electric automobiles PWM velocity modulation control systems design process based on the STC12C5404AD monolithic integrated circuit. The present paper introduced the monolithic integrated circuit STC12C5404AD structure as well as the IGBT power actuation module application in detail; Introduced not brushes direct current machines Hall signal and logic driving signal relations, uses this relations to control electrical machinerys rotation and the direction; Moreover, in the present paper to electrical machinerys some protection function like current limiting protection, the under voltage protection, the short circuit protection is realizes using the module bringing function, but gets on the brakes the power failure, the intelligent cruise, the automatic constant speed, against speeding car, security and so on protection functions is realizes using the procedure, like this makes the electric circuit to be simple, cost reduction. In addition, but also has designed systems software flow, including master routine flow design, velocity modulation subroutine flow design. Key words: the pure electric automobile; STC12C5404AD; IGBT power module, PWM controls 0 目目 录录 1 引言1 2 设计方案.1 2.1 电机的选择1 2.2 控制器的选择2 2.3 PWM 调制方式2 3 系统结构框图.3 4 单片机外围器件的设计4 4.1 电源电路4 4.2 单片机主控制电路4 4.2.1 SoC 型单片机 STC12C5404AD.5 4.2.2 ISP 电路.6 4.2.3 IGBT 驱动模块7 4.3 调速器输入电路7 4.4 控制模拟器 8 4.5 换相逻辑接口9 4.6 IGBT 驱动电路10 4.7 无刷电机驱动电路11 4.8 防盗报警 12 4.9 保护电路13 5 软件设计与分析.13 5.1 主程序流程图13 5.2 PWM 频率13 5.3 子程序流程图 13 5.3.1 模拟控制键子程序.15 5.3.2 正反转子程序.16 5.3.3 A/D 转换子程序16 6 结束语17 谢辞18 参考文献19 附图 1: 整体电路图.20 程序清单21 0 1 引言引言 汽车虽给国民经济带来了发展，给人类带来了方便，但也给人类带来了巨 大的灾害，42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放，80%的城市噪声是由交 通工具产生的；并且当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽车是消耗石油的大 户！因而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。 有鉴于此，本世纪六七十年代，电动汽车开始复苏。人们利用现有的成熟技术 可以对蓄电池进行处理，以达到零污染排放的目的，因此被称为绿色汽车。 目前,世界上许多国家在研究电动汽车上主要是解决电池问题和控制器的问 题，而我的论文主要是研究控制器的问题。在控制器的选择上，有多种多样， 从以前的模拟控制方式到模拟数字一体化的方式，可以说各有各的优势，各有 各的缺点。随着科技的不断进步，人们开始了在单片机上的研究，利用单片机 作为控制器来控制 PWM 的脉冲宽度以达到控制电机转速和转向的目的。利用 单片机的控制器有很多优点，一方面减少了元件的使用量且减少了故障的出现 率；另外保护功能的实现主要在程序，为产品的后期开发提供了方便。 因此，本文主要研究的是基于 STC12C5404AD 型单片机控制纯电动汽车的 PWM 调速控制系统的设计过程。在本论文中详细介绍了单片机 STC12C5404AD 的结构以及 IGBT 功率驱动模块的应用；介绍了无刷直流电机 的霍尔信号与逻辑驱动信号的关系，利用此关系来控制电机的转动和方向；另 外，本论文中对电机的一些保护功能如限流保护、欠压保护、短路保护都是利 用模块的自带功能来实现的，而刹车断电、智能巡航、自动定速、防飞车、防 盗等保护功能是利用程序来实现，这样使电路简单，成本较低。除此之外，还 设计了系统的软件流程，包括主程序流程设计和调速子程序流程设计。 2 设计方案设计方案 2.1 电机的选择电机的选择 方案（1）：采用直流有刷电机。直流有刷电机是电机工作时，线圈和换向 器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是靠随电机转动的换向器 和电刷来完成的；具有控制简单，材料成本低的优点，但是由于它是靠机械换 向，其电刷和换向器容易损坏，且其全程效率低、机械噪声大、故障率高，寿 命短的缺点。 方案（2）：采用直流无刷电机。无刷电机是由控制器提供不同电流方向的 直流电来达到电机里面线圈电流方向的交替变化，采用方波自控式永磁同步电 机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料。因此在无刷 1 电机的转子和定子之间没有电刷和换向器。直流无刷电机具有高效率,高转矩, 高精度的三高特点，同时具有体积小,重量轻的优点,但是其具有控制技术高， 设备复杂，造价高等缺点。 经过以上两种方案的分析比较，考虑到电动汽车的行程效率、运行速度和 寿命问题，本论文中选择采用方案（2）直流无刷电机。 2.2 控制器的选择控制器的选择 方案（1）：选用 PWM 专用集成芯片作为主控芯片。如 PWM 芯片 SG3525 具 有很高的温度稳定性和较低的的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能 方便地实现过压、过流保护，能输出两路波形一致、相位差为 180的 PWM 信 号。 方案（2）：采用通用的 AT89S51 单片机作为控制器，单片机通过模拟的 PWM 口，经处理后通过功率放大器驱动电机。 方案（3）：采用 SoC 型 STC 系列的宏晶单片机 STC12C5404AD 单片机作 为控制器。目前 SoC 型单片机已非常普遍，基于 51 内核的 SoC 型芯片也有众 多供应厂商。它有四路 PWM 输出和 8 路 10 位的 A/D 转换器。加速器送来的模 拟信号通过 A/D 转换器，转换结果作为 PWM 脉宽调制信号，通过改变某一频 率 PWM 的脉冲宽度来改变驱动器输出功率的大小从而控制电动汽车在一个档 位的速度。 经过讨论和老师的指导，我们采用了方案（3）作为我的设计。采用方案 （1）能够满足基本要求，但是这种方案可控性不好、功能单一，每扩展一种功 能就要增加相应的硬件电路，使控制器成本增加很多；采用方案（2）能满足设 计基本要求，而且价格便宜，购买方便，但是现场编译不太方便；而方案（3） 集中了前两种方案中的优点，还弥补了它们存在的缺陷；而且处理速度快，运 行稳定可靠，符合电动汽车无刷电机控制严格要求。无刷电机控制控制复杂， 电机需要一定的逻辑输出才能可靠运行。而这类单片机都有丰富的片上资源， 比较强大的处理能力，一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完整的系统。 片上系统的优点在于减小了布线的麻烦，提高了系统的整体性能。宏晶单片机 STC12C5404AD 还可以通过普通的 MAX232 串口实现在线系统编译的特点。 2.3 PWM 调制方式调制方式 对于两相导通三相六状态的空心杯无刷直流电动机，在一个周期内，每个 功率开关器件导通 120 度电角度，每隔 60 度有两个开关器件切换。因此， PWM 调制方式可以有以下五种：(1)on_pwm 型、(2)pwm_on 型、(3)H_pwm- L_on 型、(4)H_on-L_pwm 型和(5)H_pwm-L_pwm 型。 2 前四种方式又称为半桥臂调制方式，即在任意一个 60 度区间，只有上桥臂 或下桥臂开关进行斩波调制。其中，方式(1)和(2)为双管调制方式，即在调制过 程中上桥臂和下桥臂的功率开关都参与斩波调制。方式(3)和(4)又称为单管调制 方式，即在调制过程中只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制。方式(5) 又称为全桥调制方式，即在任意一个 60 度区间内，上、下桥臂的功率开关同时 进行斩波调制。 在全桥调制方式中，功率开关的动态功耗是半桥调制方式中的两倍。与半 桥调制方式相比，全桥调制方式降低了系统效率，给散热带来困难。因此，考 虑到功率开关的动态功耗，在 PWM 调制方式上应选择半桥调制方式。同时， 在半桥调制方式中，双管调制方式不增加功率开关的动态损耗，并解决了由单 管调制所造成的功率开关散热不均，提高了系统的可靠性，但是实现起来较复 杂。因此，本设计采用较容易实现的 H_pwm-L_on 型调制方式，即在各自的 120 度导通区间内，上桥臂功率开关通过 PWM 调制，下桥臂开关管恒通。 3 系统结构框图系统结构框图 根据系统控制要求和以上方案论证，系统整体电路方框图如图 1 所示。 图 1 系统整体硬件电路方框图 图 1 所示的单片机系统主控器就是现在已经非常普遍的宏晶单片机 STC12C5404AD，它是整个系统的核心。主控器的根本任务是控制无刷电机的 转速和方向，检测各单元控制信号，安全可靠地完成相应的控制功能。电源为 各电路提供工作的原动力，加速器输出模拟电压控制 PWM 脉冲的宽度，而这 个模拟电压必需经主控器 A/D 转换通过已固化的内部程序才能完成 PWM 脉宽 的调整。需要说明的是加速器只有在控制模拟器处于相应的档位才能调整 PWM 脉冲的宽度，控制模拟器就是该系统模拟的汽车档位、离合器和刹车， 这是最基本的功能。主控器巡回检测控制模拟器和加速器的动态，输出相应的 电源电路 STC12C5404AD 单片机系统主控器 调速器 控制模拟器 防盗报警 IGBT 驱动保护 无刷电机驱动电路 换相接口 3 PWM 脉冲经 IGBT 驱动模块放大后产生足够大的驱动电压，驱动由 IGBT 管组 合成的三相桥式开关电路，IGBT 驱动模块时刻检测三相桥式开关电路的运行状 态，具有欠压保护、短路保护、过压保护功能。三相桥式开关电路既无刷电机 驱动电路，其在 PWM 脉冲的控制下按照无刷电机的控制逻辑导通、截止，因 是 IGBT 管组合成而成，可以在高频大功率下工作，具有驱动较大功率的无刷 电机功能。在汽车停放期间防盗报警电路处于设防状态，主要检测振动信号为 主，且具有防宠物功能，检测到报警信号就会切断电路，是汽车无法运行。该 控制器还具有自动巡航、刹车保护、以及扩展功能，这些功能是通过软件实现 的。 4 单片机外围器件的设计单片机外围器件的设计 4.1 电源电路电源电路 电动汽车电源一般情况下用的是 288V 的蓄电池。因电动汽车电机功率较 大，采用高压小电流是一种较好的办法。本控制器需要三路电源，均由电瓶通 过接口 J3 提供： 一是单片机 STC12C5404AD 正常工作所需的+5V 电压。该电源电路的输 出电流应该不低于 100mA。试验证明，当电流低于 100mA 时，外围电路不能 正常工作，甚至导致单片机中程序的误动作。 二是提供 IGBT 驱动模块正常工作时所需要的+24V 工作电压， 对主控器 输出的 PWM 的矩形波进行足够的放大。 三是电机的+288V 工作电压。由于该电源电路的工作电流比较大（正常工 作电流为 10A 到 60A） ，故所有 288V 电压经过的电路都应该具有较强的通电流 能力，否则会引起控制器的电路板因电流过大而被烧毁。 应该注意，这里的 288V、24V 电压和 5V 电压并不是同通同断的。其中 288V 电压受到程序的控制，当电机工作时 288V、24V 电压受程序的控制加入 电路，断电时电压不加入电路。而 5V 电压不受程序的控制，5V 电压可以受 钥匙的控制，也可以不受任何控制直接加入单片机。其原理图如图 2 所示。 C9 100uF C10 104 Vin 1 Vout 3 GND 2 7805 C11 100uF C12 104 +288VCC 1 3 2 J3 JDG JDG +24V +5V 4 图 2 电源电路原理图 4.2 单片机主控制电路单片机主控制电路 由设计方案可以确定单片机主控制电路单片机选用 STC12C5404AD，现在 详细介绍该单片机的特点和连接方式。 4.2.1 SoC 型单片机型单片机 STC12C5404AD STC12C5404AD 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、 低功耗的单片机。元件使用方便，指令代码完全兼容传统 51 内核的单片机。 STC12C5404AD 单片机 DIP 封装，其单片机芯片的管脚分布图如图 3。 图 3 STC12C5404AD 单片机 DIP 封装管脚接口 功能引脚：P0.0-P0.3 P0 口 I/O 口； P1.0-P1.7 P1 口 I/O 口，第二功能 A/D 转换； P2.0-P2.7 P2 口 I/O 口；P2.4、P2.0 有 PWM 输出功能； P3.0-P3.7 P3 口 I/O 口；周围还可有特殊功能引脚； RST 硬件复位引脚； XTAL1、XTAL2 时钟引脚； VCC、GND 电源引脚。 STC12C5404AD 单片机的特点： RX D TX D XT AL 2 XT AL 1 RST P2.2 P2.3 VCC PW M5PW M0 PW M1 PW M4 PW M3 PW M2 PROT ECT P2.2 1 P2.3 2 RST 3 P0.3 26 RX D/P3.0 4 P1.4/SS/ADC4 25 TX D/P3.1 5 P1.3/AD C3 24 P0.0 6 P0.2 23 XT AL 2 7 P1.2/AD C2 22 XT AL 1 8 P1.1/AD C1 21 P2.6 17 P1.0/AD C0 20 P2.7 18 P3.7/PW0 19 P3.2/INT0 9 P0.1 10 P3.3/INT1 11 P3.4/T0/ECI 12 P3.5/T1/PA1/PW1 13 P2.4/PA 3/PW 3 14 P2.5 15 GN D 16 P1.5/MOSI/A DC5 27 P1.6/MISO /A DC6 28 P1.7/SCLK /A DC7 29 P2.0/PA C2/PW2 30 P2.1 31 VCC 32U1 ST C12C5410AD H1 H2 H3 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P0.3 P2.6 P2.5 P3.3 P3.4 JDQI 5 （1）增强型 6 时钟（机器周期），12 时钟周期（机器周期）8051CPU； （2）3.4-5.5V 工作电压（5V 单片机）； （3）工作频率范围 035MHz，相当于普通 8051 的 0-400M； （4）用户应用程序空间 4K； （5）片上集成 512 字节 RAM； （6）27 个通用 I/O 口，P1、P2、P3、准双向口弱上拉，P0 口开漏输出； （7）支持 ISP、IAP，无需专用编程器，可通过串口（P3.0，P3.1）直接下 载用户程序； （8）EEPROM 功能支持； （9）硬件看门狗支持，可完全省去外部看门狗； （10）内部集成专用复位电路 MAX810，外部晶振 12M 以下时可省去外部 复位电路； （11）6 个 16 位定时器计数器； （12）外部中断 9 路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down 模式可 由外部中断唤醒； （13）全双工 UART 串行口，可用软件模拟多个串行口； （14）A/D 转换，10 位精度 ADC，共 8 路； （15）4 路 PWM 输出。 STC12C5404AD 单片机的特殊功能寄存器在原有 51 内核单片机的基础上进行 了扩展，新增加了一些特殊功能寄存器，软件程序设计可以查阅 STC12C5404AD 系列单片机的用户手册详细资料，这里不在赘述。仅了解各管 脚的功能和使用的连接方式，以设计电路原理图。 4.2.2 ISP 电路电路 ISP 称系统在线编程，可以不用专门的编程器实现单片机的烧写程序， PC 机标准串行通信接口通过 MAX232 进行电平转换后与单片机接口进行通讯， 因此只需要使用一根串口通信电缆（DB9）连接单片机的串口，J3 为系统 DB9 串行接口。TXD、RXD 分别接图 3 中的 TXD（P3.1） 、RXD（P3.0） ，这两个端 口就可通过 PC 机的 COM 口直接烧写到 STC12C5404AD 单片机中。如图 4 所 示。 C1+ 1 C1- 3 C2+ 4 C2- 5 T1IN 11 T2IN 10 R1O 12 R2O 9 R2IN 8 R1IN 13 T2O 7 T1O 14 V- 6 V+ 2 VCC 16 GN D 15 U2MA X232 TX D RX DTX RX 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J3 RX TX C2 1uF/16V C3 1uF/16V C4 1uF/16V C51uF/16V VCC 6 图 4 ISP 的连接电路示意图 4.2.3 IGBT 驱动模块驱动模块 AST965 为 N 沟道 IGBT 栅极驱动模块，输入与输出之间采用光电耦合 以提供所需的电气隔离。模块具有短路、欠压和过压保护功能，所需外围元件 极少，对供电电源要求低，易于使用，适应各种不同类型的 IGBT 驱动。其典 型应用电路如图 5 所示，各管脚功能如表 1 所示。 图 5 电压源电阻驱动应用电路 表 1 各管教功能表 序 号 名称描述 1PDA脉冲输入正端 2PDK脉冲输入负端 3FQC保护/故障输出光电三极管“C” 4FQE保护/故障输出光电三极管“E” 5VDD模块电源正端 6VSS模块电源负端 7ADJ短路动作时间调整 8VO电压源输出端，与第 9 脚短接作电压源输出连到 IGBT 的 G 极 9IO电流源输出端，直接连到 IGBT 的 G 极，并联一只电阻接到 8 脚 10EG电位引脚连到 IGBT 的 E 极，IGBT 关断在栅极上产生一个负电位 11C连到 IGBT 的 C 极，用于检测 IGBT 饱和实现短路保护 7 4.3 调速器输入电路调速器输入电路 电动车的调速有两类：光电类和霍尔类。由于光电类调速手把故障率较高， 现在基本上已经被淘汰，我们这里主要介绍霍尔类调速手把。 霍尔调速，是利用霍尔效应结合集成电路制作的，它有三条引线，一条接 +5V，一条速度信号输出线，一条电源地。常见的霍尔调速把有两种：一种是 输出信号由低变高型，另一种是输出信号由高变低型。所谓输出信号由低变高 型是指，慢慢地旋转霍尔调速把，信号线对地电压由起始 1V 逐渐上升到 4V 左 右。而输出信号由高变低型的相反，慢慢地旋转霍尔调速把，信号线对地电压 由起始 4V 逐渐上降到 1V 左右。这两种可以相互改变，方法是打开调速器，将 每块磁铁极型颠倒后，用胶重新固定即可。 霍尔调速把内部常使用三端线性霍尔器件 UGN3501T，在用 5V 供电时，静 态电流小于 8mA，电压稍高于 5V，电流就会大于 10mA。如果供电超过 6V， 霍尔器件的电流和温度都会快速上升，此时霍尔器件容易损坏。 由于调速器是控制电机速度的首要部件，我们把单片机的 P1.3 口作为调速 转把输入的 ADC 口，所以必须保证单片机 P1.3 口检测到的电压与调速器输出 电压保持一致。在实际使用中，发现控制器在正常工作中会对调速器产生一定 的干扰（主要产生一些尖脉冲） ，对 PWM 电路产生了不良影响（测试中发现当 霍尔元件的三个接口断开以后，输入电压产生了一个幅度约 5V、频率较高的尖 脉冲，而且此时电机的速度突然变为最高。实际使用过程中当三根连接线断开 以后，应该使电机的速度立刻为零） ，所以调速手把输入电路我们人为的加入了 抗干扰元件，防止因为霍尔元件开路造成飞车事故的发生。 调速器输入电路原理图见图 6，电路工作原理分析如下： 图 6 中的 R18 和 C1 就是为抗干扰而加入的。R18 和 C1 的共同作用下对 上述中的尖脉冲进行很好的滤波，可抑制掉尖脉冲，起到抗干扰作用。同时 R18 接入电路以后当相当于单片机 P1.3 口加了一个下拉电阻，保证在 P1.3 口无 电压时为零，即保证在输入端的三个输入线同时断开（一般在不断电更换转把 时，会出现这种情况）时，程序采集到的输入信号电压为零。这种情况也是对 控制器的一种保护。 1 2 3 J2 +5V R18 1M C1 10u P1.3 8 图 6 调速器输入电路 4.4 控制模拟器控制模拟器 为了能使本控制系统操作符合长期以来人们的驾车习惯，考虑到成本问题， 采用独立开关模拟汽车档位、离合器（li he）和刹车（sha che） 。系统上电以后 踩调速器油门和直接挂档是不能使汽车行驶的，增加了汽车驾驶的安全性。下 面说一下整个操作过程： （1）只有踩下离合器，才能挂档，松开离合器汽车才能行驶。 （2）每档有一个最低速和最高速，是通过调速器调整 PWM 脉宽实现的。 （3）汽车行驶过程中，踩下离合器，汽车处于滑行状态，可以节约能源。 （4）紧急刹车需踩下离合器和刹车。 （5）当汽车匀速行驶 10 秒可自动实现巡航。 （6）设防和撤防保护汽车的安全性。 以上功能是通过软件实现的，根据实际需求可以扩展其他功能。如图 7 所示。 图 7 控制模拟器 4.5 换相逻辑接口换相逻辑接口 此接口的功能把无刷电机的位置霍尔开关信号送到单片机的霍尔检测口， 主控器 STC12C5404AD 根据霍尔状态输出相应的 PWM 逻辑驱动脉冲。无刷电 R15 10k R16 10k R14 10k R17 10k VCC P1.4P0.3P1.5P1.6 R12 10k R13 10k P2.5P2.6 1 2 3 4 5 J1 +5V H1 H2 H3 9 图 8 换相逻辑接口 机的霍耳元件有 5 根引线，图 8 所示的 15 接口分别是霍耳元件的公共电源正 极、公共电源负极、A 相霍耳输出、B 相霍耳输出和 C 相霍耳输出， H1、H2、H3分别是 A 相、B 相、C 相霍尔输出的检测端口，无刷控制器（60） 霍耳真值信号是：100、110、010、011、001、101，无刷电机采用两相导通六 状态控制方式，其正反转霍尔值表如表 2 所示，换相逻辑接口如图 8 所示。 表 2 霍尔信号与电机驱动逻辑真值表 霍尔信号逻辑驱动信号方向 控制H1H2H3V1V3V5V2V4V6 0100100001 0110010001 0010010100 0011001100 0001001010 0101100010 1100001100 1110001010 1010100010 1011100001 1001010001 1101010100 X000000000 X000000000 4.6 IGBT 驱动电路驱动电路 此模块在本系统中共有六块，+24V 供电，如图 9，管脚功能已阐述过，导 通与关断受主控制器输出的 PWM 脉冲控制，下图所示的六路 PWM0PWM5 的 PWM0 驱动，其余 5 路类似。1-5V 的 PWM0 脉冲从 1 脚输入经内部光电三 极管隔离放大、功率放大后从 8 脚输出电压 20V，9 脚输出电流。本电路采用 电压输出模式，控制一个 IGBT 管导通与截止，IGBT-AST965 内置正负电压发 10 生器以及电压滤波器，驱动正向电压稳压，输入电压波动时不影响驱动正向电 压高低，内置驱动欠压保护电路；短路保护电路，短路保护时软关断 IGBT；VCE 检测的快恢复二极管，耐压达 2000V，内置光电耦合器以传输驱 动保护故障信号脚输出，主控器检测到此信号关断 PWM 输出；内置栅极 电压箝位元件，动作速度在 20nS 以内。P6CE16CA 为瞬态电压抑制二极管， 两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达 10-12 秒）使其阻 抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的 20V，从而确保后面 IGBT 开关管免受瞬态高能量的冲击而损坏。标号 A 相上 桥 HA、HAC、HAE 别接 IGBT 的 G、C、E 实现 PWM 脉冲的进一步驱动放大， 检测 G、C、E 的状态以实现驱动放大，下桥用 LA、LAC、LAE，B 相、C 相 类推见附图。如图 9 所示。 PD A 1 PD K 2 FQ C 3 FQ E 4 VD D 5 VSS 6 AD J 7 Vo 8 Io 9 EG 10 C 11 U3 IGBT-AST965 PW M 0 +24V R2 220P6CE 16CA W1 PROT ECT HAHA EHA C JDB 图 9 IGBT 驱动电路 4.7 无刷电机驱动电路无刷电机驱动电路 经过比较分析，对无刷电机采用全桥方式驱动，这样可以提高绕组利用率， 如图 10 所示，其通电方式有 2 中：二二导通和三三导通。图示中 L1、L2、L3 分别代表无刷电机的 A 相、B 相、C 相三相绕组，电机采用星形连接。 MGY40N60 是摩托诺拉生产的 IGBT 单管，受 PWM 脉冲控制，可通过 40-60A 的电流，反相承受电 Vces=600V，驱动桥采用由 24 块 12V 的蓄电池供电为 288V。现以三相二二导通方式说明电机驱动电路的工作原理： 星形联结的二二导通方式是每次是两个开关管导通。根据图 10 所示的开关 管命名系，开关管的导通顺序 V1V4、V1V6 、V3V6、V3V2、V5V2、V5V4。可见 11 共有六中导通状态，每隔 60o电角度改变一次导通状态，每改一次状态更换一 个开关管，每隔开关管导通 120o电角度。当 V1V4导通时，电流的线路为：电 源V1A 相绕组B 相绕组V4地，其中 A 相和 B 相相当于串联，接下来 V4 关断，V6导通，变为 A、C 两相绕组导通。但 B 相绕组中的电流不能立刻 为零，通过 V3内部二极管续流，由于 V1导通，续流回路不通过电源而直接闭 合，回路为 V1A、B 两相绕组V3内部二极管V1。其它导通状态可类推得 到。 图 10 无刷电机驱动电路 4.8 防盗报警防盗报警 报警电路动作由主控器内部程序设定，当汽车停车后 10 秒钟，系统自动进 入设防状态，切断+24V 供电的 IGBT 驱动模块电源。当汽车没有被推动、吊动 等比较剧烈的震动后，车主进入车里打开电源开关，10 秒钟后自动撤防。图 11 中 X1 为振动感应器，其中电阻 R20、R21 和三极管 VT3，VT4 够成了放大电 路，当 X1 检测到有人推电动车时，送给 VT3 一个触发信号，VT3 触发导通， 经过电容 C13 耦合，送到 VT4 的基极，经过放大后的信号送到单片机的 P3.3 接口，单片机程序检测到 P3.3 口为高电平，防盗报警程序开始运行，同时在单 片 V3 MG Y40N60 V4 MG Y40N60 V5 MG Y40N60 V6 MG Y40N60 V1 MG Y40N60 V2 MG Y40N60 ABC L1L2L3 HA LALB HBHC LC LA C HA C HA E +288 LA E LBE LCE LCCLBC HBCHCC HCEHBE ABC R24 5.1K R23 82K VT 1 8050 VT 2 8050 X1 VT 3 8050 R20 1M R21 1M R22 1K C13 2.2uF D6 VT 4 8550 +5V P3.4 P3.3 12 图 11 防盗报警电路 机的 P3.4 口送出一个高电平，把 R23、R24，VT1 和 VT2 构成的放大电路触发 导通，驱动高分贝的报警喇叭开始报警，高分贝喇叭鸣叫 10 秒。 4.9 保护电路保护电路 当 IGBT 驱动模块检测到欠压、过压、短路信号后，模块 3 脚迅速响应， 送给主控器 STC12C5404AD 的 protect 端，这个 I/O 口此刻被单片机认为低电平， 内部程序执行 JDQI 为低电平，KM1 线圈通电，继电器动作，关断 IGBT 驱动 模块电源，停止 PWM 输出，同时故障指示 D5灯亮，如图 12 所示。 图 12 保护电路 5 软件设计与分析软件设计与分析 软件是整个控制系统的灵魂，其设计结构的合理性与片内资源的优化分配 恰当，会给程序的运行带来较高的执行效率，其功能完善则可以节约硬件电路 成本，根据本系统的控制要求，各功能子程序则要相互联系而又独立的完成相 应功能。 5.1 主程序流程图主程序流程图 主程序结构是整个软件的核心，是一个顺序执行的无限无限循环的程序， 运行过程必须构成一个圈，主程序应不停地顺序查询各种软件标志，并根据其 变化调用有关的子程序和相应的中断服务子程序，以完成对各种实时事件的处 Q2 8550 1 2 5 34 KM 1 JDQI JDB JDK JDG Led D5 R24 1K D4 IN4007 +5 13 理。在主程序开始，完成系统初始化，包括：系统时钟、I/O 口、ADC、定时 器、PCA、中断和变量的初始化。等待系统上电后，检测输入模拟器各项功能 键，完成相应功能。只有加速器有加速信号时，电机才会启动，加速并使电机 运行在稳定的状态。当设定的旋转方向与电机实际的旋转方向相反时，需要先 让电机制动，然后再反向起动。主程序流程图如图 13 所示。 5.2 PWM 频率频率 为了使电机空载或轻载时电流连续，PWM 的频率需要在 15KHz 以上，但 过高的 PWM 频率会使 IGBT 管功耗增加，温度升高，甚至导致 IGBT 管烧坏。 所以，本设计使 PCA 定时器工作在 16 位 PWM 模式，PCA 定时器采用 T0 定时 器溢出作为时钟源，开始计数，直到 0x0000 溢出。这样，PWM 的频率为 2.0417M /0x0078=17KHz，刚好符合要求。由于 PCA 定时器不是从 0x0000 开始 计数，所以每次溢出中断后，必须在中断服务程序中对 PCA 定时器重新赋初值， 这样才能保证 PWM 的频率维持在 17KHz。PWM 的占空比可以通过改变寄存 器 CCAPNH 的值来调节，从而达到调速的目的。 N Y N Y N 主程序初始化 执行相应功能 检测控制模 拟器状态 启用 A/D 转换 检测加速 器状态 启动电机 检测保护端口 采取保护措施 结束 14 N Y 图 13 主程序流程图 5.3 子程序流程图子程序流程图 5 5.3.1 模拟控制键子程序模拟控制键子程序 当主控器上电后,程序依次扫描判断离合、刹车、设防、保护端口，有相应 按键闭合时就先调用延时去抖动，再次判断以确定这个按键确实动作了，然后 执行相应功能子程序。只有当离合键踩下去时才判断正反转功能键，若没有动 作时返回判断离合键状态，若有动作就执行相应功能的子程序。流程图如图 14 所示。 15 停止 PWM 输出 判断刹车？ 判断正转？ 调用正转子程序 判断反转？ 调用反转子程序 判断离合键 闭合？ 调用延时 判断离合键 闭合？ 判断设防？ 判断保护端口？ 执行保护子程序 Y 用 正 转 子 程 序 Y 用 正 转 子 程 序 Y 用 正 转 子 程 序 Y 用 正 转 子 程 序 Y 用 正 转 子 程 序 Y 用 正 转 子 程 序 Y 用 正 转 子 程 序 N 用 正 转 子 程 序 N 用 正 转 子 程 序 N 用 正 转 子 程 序 N 用 正 转 子 程 序 N 用 正 转 子 程 序 N 用 正 转 子 程 序 N 用 正 转 子 程 序 调用设防子程序 图 14 模拟控制键的程序流程图 5.3.2 正反转子程序正反转子程序 当正反转有按键按下去时，就要调用正反转子程序。首先判断正反转标志 位，若为 0 则为反转；若为 1 则为正转。当标志位为 1 时，则要先调用 A/D 转 换，结果作为 PWM 脉冲宽度的调整基准，然后根据霍耳状态输出相应的 PWM 脉冲，返回。图 15 是正反转子程序的流程图。 图 15 正反转子程序的流程图 5.3.3 A/D 转换子程序转换子程序 开启 A/D 电源 D 延 迟 设 P1.3 为开/漏 启用 A/D 转换 获取 A/D 结果 返 回 判断标志位 0，1？ 启用 A/D 转换 输出反转 PWM 逻辑 判断霍尔状态 输出正转 PWM 逻辑 返回 01 01 16 图16 A/D转换子程序的流程图 当电机在运行的过程中时刻扫描着单片机上P1.3端口的值有没有变化。若 有变化则会迅速响应，获取A/D结果作为PWM脉宽调节的依据。图16是A/D转 换子程序的流程图。 6 结束语结束语 本论文中控制器的基本工作原理就是电动汽车控制器接通电源以后，单片 机自动检测模拟控制器，检测到汽车挂挡以后，就检测加速器霍尔送到单片机 P1.3口的电压，将检测到的模拟电压经主控器中的A/D转换通过已固化的内部程 序来完成PWM脉宽的调整，此时就可以对电机进行控制了。但是由于电动汽车 的电机功率非常大，PWM脉宽必须进行放大才能驱动成功直流无刷电机，所以 在电路中我采用了六块IGBT驱动模块，采用的是H pwm-L on型的调制方式，即 上桥臂（上面的三块IGBT驱动模块）用PWM脉宽来控制，下桥臂用恒通管。 此模块具有短路、欠压和过压保护功能，所需外围元件极少，对供电电源要求 低，易于使用的优点。如果模块出现保护，就会有保护信号传到单片机的保护 端口，主控器单片机STC12C5404AD就会迅速响应，切断驱动电源，有效保护 电机和汽车安全。 由于该电路中采用的STC12C5404AD单片机具有4路PWM和8路10位的A/D 转换，且该设计中的一些扩展功能如防盗、自动巡航等功能是由程序来完成的， 因此同样的程序只要改变其中的某些参数便可以把该系统应用到其他不同要求 的场合，而且芯片里的程序是可以多次擦写，具有较好的适应性。从外围电路 来看是简单，控制电路的成本大为降低，而且耗电量非常小等优点。 在这次设计中,我主要应运了模拟和单片机方面的知识,在这里学到了很多解 决问题的方法和思路。在用 protel199SE 画图，我几乎都忘了差不多了，但是通 过这次设计我不仅巩固以前所学的绘图技巧，并学会了更多的元件画法。我这 次所用到的是宏晶单片机（STC12C5404AD） ，这是现在市面上比较流行的一种 单片机而且在以前也从没有用过，因此在设计过程中我又一次增加了自己的知 识面。 通过本次设计无论在对专业知识的掌握和运用还是对工具的运用和资料 17 的收集和整理方面，对自己来说都有一个很大的提高，相信在以后的工作当中 将受益无穷。 谢谢辞辞 转眼间五年的时间就要过去了，这也意味着大学生活就要结束,我们要走 向社会了.回忆起这五年的点点滴滴,无论是在生活上还是在学习上。如果没有 各位老师和同学的帮助，我想我是不会进步的。 本课题的选题是在陈老师的精心点拨和悉心指导下完成的。老师平日里工 作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外出实习到查阅资料，设计草案的 确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导。 在论文完成之际，我首先感谢母校河南科技学院的辛勤培育之恩。其 次，感谢机电学院给我提供了很好的设计环境。河南科技学院的各位领导、老 师和同学对我的学习给予了很大的支持和帮助，使我在这里不仅体会到了学习 的乐趣，而且也感受到了集体给我的关怀，在此谨对他们表示衷心的感谢。论 文结束之际，感谢我的指导老师。他的专业知识丰富、才思敏捷、治学严谨， 而且认真负责，耐心讲解问题，对我的毕业设计给予了很大的指导和帮助，使 我能够顺利的完成毕业设计，在此向他们表示衷心的感谢！同时还要感谢其他 教育过我的老师们，他们在这五年期间，也给了我很大的帮助。在此致以诚挚 的谢意和崇高的敬意。 最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答 辩的各位老师表示感谢 18 参考文献参考文献 1 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2000 2 邓汉馨,邓家龙.模拟集成电子技术教程M.北京：高等教育出版社，1994 3 盛范成.基于 P87LPC764 单片机的 A/D 转换J.自动化仪表，2006 4 耿德根.AVR 嵌入式单片机原理与应用M.北京：北京航空航天大学出版社， 2001 5 王培良.电动车控制器保护电路研究J.湖州师范学院报，2001 6 吴守箴,藏英杰.电气传动的脉宽调制技术M.北京：机械工业出版社，1999 7 房小翠,王金凤.单片机实用系统设计技术M.北京：国防工业出版社，1999 8 康华光.电子技术基础模拟部分M.北京：高等教育出版社，1999.6 9 电动车用智能控制器的研制J.合肥工业大学学报（自然科版） ，2001 10 康华光,邹寿彬.电子技术基础数字部分M.北京：高等教育出版社，1999.6 11 王培东.单片机原理及应用M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996.3 12 张相军,陈伯时. PWM 调制方式对换相转矩脉动的影响J.电机与控制学报, 2003 13 周明宝,瞿文龙.电力电子技术M.北京：机械工业出版社，1997.5 14 宋春荣.通用集成电路速查手册M 济南：山东科技大学出版社，1995.9 15 苏开才.毛宗源.现代功率电子技术M.北京：国防工业出版社,1995 19 附图附图 1: :整体电路图整体电路图 20 V3 MG Y40N60 V4 MG Y40N60 V5 MG Y40N60 V6 MG Y40N60 V1 MG Y40N60 V2 MG Y40N60 ABC L1L2L3 C1+ 1 C1- 3 C2+ 4 C2- 5 T1IN 11 T2IN 10 R1O 12 R2O 9 R2IN 8 R1IN 13 T2O 7 T1O 14 V- 6 V+ 2 VCC 16 GN D 15 U2MA X232 TX D RX DTX RX 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J3 RX TX C2 1uF/16V C3 1uF/16V C4 1uF/16V C51uF/16V RX D TX D C6 30p C7 30p X2 CA P XT AL 1 XT AL 2 XT AL 2 XT AL 1 C8 10u R8 10K S1 SW S VCC RST RST D1 LE D R9 1K D2 LE D R10 1K D3 LE D R11 1K P2.2 P2.3 P2.2 P2.3 VCC PD A 1 PD K 2 FQ C 3 FQ E 4 VD D 5 VSS 6 AD J 7 Vo 8 Io 9 EG 10 C 11 U3 IGBT-AST965 PW M5PW M0 PW M1 PW M4 PW M3 PW M2 PW M0PW M1 PWM3 +24V R1 10K PROT ECT R2 220 P6CE 16CA W1 PROT ECT HA LALB HBHC LC LA C HA C HA E +288 LA E LBE LCE LCCLBC HBCHCC HCEHBE HAHA EHA C PD A 1 PD K 2 FQ C 3 FQ E 4 VD D 5 VSS 6 AD J 7 Vo 8 Io 9 EG 10 C 11 U4 IGBT-AST965 +24V P6CE 16CA W2 PROT ECT HBHBEHBC PD A 1 PD K 2 FQ C 3 FQ E 4 VD D 5 VSS 6 AD J 7 Vo 8 Io 9 EG 10 C 11 U5 IGBT-AST965 PW M2 +24V P6CE 16CA W3 PROT ECT LALA E
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