毕业设计（论文）-电动汽车电子差速系统自适应控制设计.doc

摘摘 要要 根据辽宁省科技厅项目基于自适应控制的燃料电池汽车驱动系统 ，提出了 电动汽车电子差速系统自适应控制 的子课题，技术性能要求系统控制灵活、 反映快、同步性能不低于机械差速系统。 电动汽车电子差速系统中的左轮定义为基准轮，右轮定义为差动轮，控制基 准轮转速是为了控制电动汽车的运行速度，控制差动轮转速是为了减小电动汽车 转向时汽车车轮的滑动摩擦，尽量使电动汽车车轮运行在纯滚动状态。为了更好 的实现这一控制，本设计根据自适应控制原理，构造了自适应速度控制系统。 本文包括常规差速系统设计、自适应系统控制设计和MATLAB系统仿真三部分。 主电路以晶闸管斩波器和集成触发器为核心；控制电路以自适应速度控制器为核 心。控制电路和主电路是通过驱动电路连接在一起的，驱动电路由EXB840专用集 成芯片和一些外围器件组成。求取了自适应控制律，并采用MATLAB进行了性能仿 真。仿真结果表明，本系统设计思路清晰，控制方法有效，为今后进一步开发电 动汽车电子差速系统提供了依据。 关键词关键词：电动汽车 自适应 电子差速系统 双闭环负反馈 Abstract Acording to the science burea of liaoningprovince that proposes the project namel.Here ,I will introduce a sub-subject named.The performance of technology requives flexisly ,fast response and better synchnorous ability than mechanical differental system. In this system,we define the left wheel as the norm wheal,the right is the differential wheel,controlling the benchmark wheel is to controll the speed,another one is to reduce the friction between the wheel and the ground when turning steer.so as to make the wheel purely rolling.In order to better redise this controll,Istructed adaptive speed controll syetem based on adaptive controll principle. This paper contains traditional differential speed system design,adaptive control principle and MATLAB system imitation.The main circuit is based on Thyristor chopper and integrated trigger;and controll circuits core is adsptive speed controller .Both the circuits is linked by driven circuit which consists of integrated chip EXB840 and some periphery devices.After gaining adsptive controll law and researching the performance with MATLAB. The result shows the design and control way is valid,and provide a conference for further study about the electric vehichle differential speed system. Keword: electric vehichle adaptive electronic differential double-close-loop negative feedback 目目 录录 第一章 绪 论1 1.1 为什么要发展电动汽车.1 1.2 电动汽车的发展简史.2 1.3 自适应控制技术的应用状况.3 第二章 电动汽车电子差速自适应系统原理4 2.1 机械差速系统结构原理.4 2.2 电动汽车电子差速系统原理.6 2.3 电动汽车自适应差速系统结构.7 第三章 电动汽车常规电子差速系统设计8 3.1 电动机和蓄电池的选择.8 3.1.1 电动机的选取.8 3.1.2 蓄电池的选取.8 3.2 电动汽车电子差速系统主电路设计.8 3.2.1 升降压斩波器原理.9 3.2.2 触发器工作原理.10 3.3 IGBT 驱动电路设计.12 3.3.1IGBT 栅极对驱动电路的要求.12 3.3.2IGBT 驱动集成电路的选取及工作原理.13 3.3.3 电动机相关参数计算.14 3.3.4 电流环的设计.16 3.3.5 双闭环调速系统设计.18 第四章 电动汽车自适应电子差速系统设计19 4.1 被控对象.19 4.2 参考模型.19 4.3 自适应速度控制器设计.20 4.4 系统仿真.22 第五章 电动汽车信号采集电路设计24 5.1 电动汽车速度信号采集电路设计.24 5.1.1 光电编码盘工作原理.24 5.1.2 编码盘方向的判别.25 5.2 M/T 法测量车轮转速设计.25 5.2.1 M/T 测速原理.25 5.2.2 车轮转速测量原理.27 5.3 电流互感器的设计.28 5.3.1 电流互感器的原理.28 5.3.2 电流互感器的选型.29 结束语31 致谢32 参考文献33 第一章第一章 绪绪 论论 人类为了生活和生产的需要，1886 年发明了汽车。随着科学技术的进步与经 济的发展，汽车已成为人们日常生活中一刻也离不开的代步和运输工具。汽车工 业杂当代世界经济活动中发挥了巨大的作用，是当今世界最大、最重要的工业部 门之一，成为世界大多数国家的支柱产业。美国家工程院评选了 20 项 20 世纪 最伟大的工程技术成就，第一项是“电气化” ，第二项是“汽车” 。 汽车工业的发展给人们造就了许多就业机会，带来了财富，促进了经济的发 展。汽车缩短了人们之间的距离，促进了旅游业的发展，带来了舒适和享受，改 变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量，汽车工业已经成为改变整个社会 面貌的一个重要手段。同时汽车工业的发展所带来的对石油资源需求的急剧增加 和对环境严重的负面影响日益引起了人们的关注。为了适应这个发展趋势，世界 各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动汽车开发投入的力度，加速电动汽 车的商品化步伐。 现在全球拥有汽车约 10 亿辆，其中 2 亿辆为商用汽车， 8 亿辆为私人轿 车。目前，世界汽车的年生产能力近 6000 万辆，实际年产量约为 5000 万辆。 汽车工业已成为美国、日本等工业发达国家国民经济的支柱产业，成为机械工业 的核心工业。汽车工业是一个技术密集型产业，也是一个综合性工业。汽车工业 的技术状况，在某种程度上代表了一个国家的工业发展生平。 1.11.1 为什么要发展电动汽车为什么要发展电动汽车 随着汽车工业的迅猛发展，特别是进入新世纪以来，汽车在给我们带来诸多 便利的同时，也产生了许多问题。2000 年我国进口石油 7000 万吨，预计 2005 年 后将超过一亿吨，相当于科威特一年的总产量。目前世界上空气污染最严重的 10 个城市中 7 个在中国。根据国家环保中心预测 2010 年汽车尾气排放量将占空气污 染源的 64%。如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会给我国的能源安 全与环境保护造成巨大的压力。 有专家估算，在全球的石油消耗中，汽车约占 50%，按现在日消费石油消费 水平计算，到 21 世纪中叶，全球石油资源将枯竭，所以，从保护环境和节约能源 出发，改进燃油汽车已经成为一个刻不容缓的课题。 目前，美国、欧洲和日本的汽车公司，都在开发电动汽车。电动汽车集机电、 化工各学科领域中的高新技术于一体，是汽车、电力拖动、功率电子、自动控制、 化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽 车包括纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车。普通汽车被电动汽车所 取代，是一种必然的发展趋势。电动汽车的优点有很多，比如对环境无污染，低 噪声，热辐射少等优点，电动汽车最大的优点还在于，它的动力来源于电力系统， 不仅可以是日益成熟的太阳能技术，还可以采用蓄电池形式。因此电动汽车不仅 环保，而且可以利用各种形式的能源，完全迎合人类关于建设“绿色星球”的想 法。最近，我国政府也提出 2008 年奥运会期间全部使用电动汽车的计划。因此我 们研究电动汽车是很有必要的。 1.21.2 电动汽车的发展简史电动汽车的发展简史 1834 年，汤姆斯一种书桌制造了一辆电动三轮车，它由一组不可充电的干电 池驱动，但只能行使一小段的距离。四年之后 Roert 也制造了一辆用干电池驱动 的汽车。1881 年在法国巴黎街上出现了世界上第一辆以可充电电池为动力的电动 汽车，它是法国工程师 Gustave Trouve 装配的以铅酸电池为动力的三轮车。1886 年，Frank Sprague 设计生产了有轨电车。从此，电动汽车变得流行起来，并且 在车辆运输中起着重要的作用。在当时的美国，每年的销售量的 4200 辆汽车中有 38%是电动汽车，22%是燃油汽车，40%是蒸汽汽车。那时电动汽车是金融巨头的代 步工具及财富的象征，一辆电动汽车的价格相当于今天的一辆 RollsRoyce。 19 世纪末，许多美国、英国、法国的公司都开始生产电动汽车。最早的电动 汽车制造厂是由 M 和 S 拥有的电动客车和货车公司。1986-1920 年期间，Riker 电 动汽车公司生产了多种车型的电动汽车，其中 1897 年生产的 Victoria 是一种设 计较好的车型。除了美国电动汽车制造厂外，英国的伦敦电动出租汽车公司 1897 年生产了 15 辆电动出租汽车 。而且法国的 BGS 公司在 1899-1906 年也生产了几 种不同类型的商用型电动汽车，包括小汽车、货车、客车和豪华轿车。由于 BGS 专门为自己 的电动汽车设计制造 蓄电池，所以 1900 年之前，BGS 的电动汽车一 直保持着世界电动汽车行驶里程的最高记录，其续行驶里程约达 290km。有趣的 是第一辆时速超过 100km 的汽车是电动汽车。即“永不满足” ，由一个名叫 Camille Jenatzy 的比利时人驾驶，它是一辆子弹头式的电动赛车，在 1899 年 5 月创下速度为 110km/h 的记录。 进入无马车的时代以后，电动汽车就进入了一个商业化的发展阶段，此时的电动 汽车有辐条车轮、充气轮胎、舒适的弹簧椅和豪华的车内装饰。到 1912 年，美国 有 34000 辆电动汽车注册。1899-1916 年期间，B 电气公司一直是美国最重要的电 动汽车制造厂商之一。1901-1920 年，英国伦敦电动汽车公司生产了后轮轮毂电 动机式、后轮驱动、斜轮转向和充气轮胎的电动汽车 1907-1938 年期间，底特律 电气公司生产的电动汽车不仅具有无噪声、清洁可靠的优势，而且最高时速达到 40km/h。 人们常说“一个人的敌人同时也是他的伙伴” ，这句话用于描述电动汽车 的 发展最为适合。因为电动机是电动汽车驱动的关键，同时它又帮助燃油汽车与电 动汽车竞争对抗。1991 年，K 发明了汽车起动机，使得燃油汽车比依赖于方便驾 驶的电动汽车更有吸引力，从此打破了电动汽车在市场的主导地位。到 20 世纪 30 年代，电动汽车几乎消失。 20 世纪 70 年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机。但是石油 的价格在 20 世纪 70 年代开始下跌，在电动汽车成为商业化产品发展起来之前， 能源危机和石油短缺问题已不再严重。因而电动汽车的商业化失去了动力，电动 汽车的发展显着变慢，开始走入低谷。 20 世纪 80 年代，由于人们日益关注空气质量问题和温室效应所产生的影响， 电动汽车的发展再次获得生机。 1.31.3 自适应控制技术的应用状况自适应控制技术的应用状况 自 1958 年美国麻省理工学院怀特克教授首先提出飞机自动驾驶仪的模型参考 自适应控制方案以来，自适应控制无论在理论上或应用上都取得了很大的进步和 发展。近十多年来，由于计算机的迅速发展，特别是微处理机的广泛普及，为自 适应控制技术的实际应用创造了有利的条件。 自适应控制技术在过程控制和运动控制中的应用，可以解决一些常规的反馈 控制所不能解决的复杂控制问题，能大幅度地提高系统的稳态精度和跟随精度， 显著地提高产品质量。 在过程控制领域，自适应控制的应用较多，技术也较成熟，商品化的自适应 控制器已有销售。如瑞典艾斯布郎博伟利公司通用自适应系统已广泛用于过程控 制，包括钢铁、造纸、石化等领域。与 PID 控制的性能相比，它有明显的改进， 特别是对于具有延时的过程，采用自适应前反馈控制效果更明显。再如，美国通 控集团博软公司的 CyboCon 的过程控制软件也是基于自适应控制技术的商业化产 品。CyboCon 是世界上首套“即插即用”式单变量和多变量控制软件，可有效地 控制各类简单或复杂的工业过程。与其他基于模型的控制技术相比，MFA 控制器 功能强大且简单易用。使用者无需要建立数学模型、无需进行辩识过程、无需做 控制器设计，即使过程的动态特性有很大变化，也不需重新正定控制器的参数， 被用户评价为“梦想成真”的控制器。 在运动控制领域，自适应控制技术的应用并不像在过程控制中应用的那样广 泛，商品化的自适应控制器也不多见，但自适应控制技术仍在望远镜跟踪控制、 超级油轮的自动驾驶、机械手运动轨迹控制和其他一些系统得到了成功地应用。 第二章第二章 电动汽车电子差速自适应系统原理电动汽车电子差速自适应系统原理 自适应系统是一个具有一定适应能力的系统，它本身能识别环境条件的变化， 在线地、实时地检测系统参数或运行指标，根据参数的变化或指标的变化，改变 控制 参数或控制作用，使系统的性能达到要求或最优。 在自适应控制系统中，在线地、实时地了解对象是通过测量与对象动态特性 有关的输入、输出量，或直接估计对象参数来实现的；自适应控制系统中总是存 在一个可调控制器；使输出误差趋于零，或使某性能指标达到最优，是通过可调 控制器的设计准则来保证的。自适应控制也是一种反馈控制，但它不是一般的系 统状态反馈或系统输出反馈，而是一种比较复杂的反馈控制。自适应控制系统很 复杂，即使对于线形定常的控制对象，其自适应控制也是非线形时变反馈控制系 统。 2.12.1 机械差速系统机械差速系统结构原理结构原理 汽车在行驶过程中，需按驾驶员的意志经常改变其行驶方向，即所谓汽车转 向。就轮式汽车而言，实现汽车转向的方法是，驾驶员通过一套专设的机构，使 汽车转向桥上的转向轮相对汽车纵轴线偏转一定角度。 在汽车直线行驶时，往往转向轮也会受到路面侧向干扰力的作用，自动偏转 而改变行驶方向。此时，驾驶员也可以利用这套机构使转向轮向相反方向偏转， 从而使汽车恢复原来的行驶方向。用来改变或恢复汽车行驶方向的专设机构，即 称为汽车转向系。汽车行驶方向的改变是通过改变差动轮的偏转角来实现的。此 外汽车在直线行驶时，差动轮也会受到路面的侧向干扰力，而自动偏转，改变行 驶方向，驾驶员即可通过转向系来恢复汽车的行驶方向。 汽车在转弯时，内侧与外侧车轮，在同一时间内所滚动的行程是不相等的。 此外，即使汽车在作直线行驶，也往往会由于左右两侧车轮在同一时间内所滚动 的路面起伏程度不同，或者左右车轮气压、轮胎负荷等因素引起车轮内外径不等， 也会产生车轮行程不等。若两侧车轮行程不等，但采用一根整体式驱动车轮轴， 会使某一驱动车轮产生滑移或滑转。其结果不仅会使轮胎过早磨损，而且消耗燃 料，会使汽车的经济性变坏，转向沉重等弊端。为了消除这些弊病，普通汽车左 右驱动轮之间都装有轮间差速系统。对于整个系统的设计，要求系统控制灵活、 反应快、同步性能不低于机械差速系统。 图 2-1 显示了典型的机械差速系统的结构，差速系统的行星齿轮绕各自的轴 旋转，从而使两个半轴齿轮能以不同的转速旋转。 差速系统是传统车辆的标准组建，电动汽车也采用了这种技术。如果采用双 电机或者四个电动机驱动，由于每个电机的转速可以独立调节控制，实现电子差 速，在这种情况下，电动汽车可以不用机械差速系统。 图 2-2 所示是带电子差速系统的双电机驱动结构。比起机械差速系统，电子 差速系统具有体积小、质量轻等优点。 图 2-1 机械差速系统结构图 特别是近年来，由于电子控制器具有的容错能力，电子差速系统的可靠性也 得到了很大的改善。随着电子技术的不断发展，电子差速系统的性能会越来越稳 定。 图 2-2 双电机驱动电子差速系统结构图 汽车转向时，为了使所有车轮都处于纯滚动状态（即无滑动状态） ，则要求 全部车轮都绕一个瞬时转向中心作圆周运动。以避免在汽车转向时，轮胎与地面 滑动而加快磨损。对于两轮汽车转向时，若每个车轮的轮胎都不产生侧向偏离， 则两转向前轮轴的延长线要交在后轮轴的延长线上，交点 O 叫做转向中心，如图 2-3 所示。 电 动 机 电 动 机 固定带速比的电动 机 图 2-3 汽车转向车轮转速示意图 定义汽车后轮的外侧轮转速为 n1，内侧轮的转速为 n2 两轴中心矩转向中心 的距离为 r，R 为汽车车轮半径，两轮间的距离为 2L，汽车的转向角大小为 。 由几何知识可以知道，在任何时刻，都满足 Lr dtRn Lr dtRn2 , 2 21 则 Lr dtRn Lr dtRn 22 21 即 。 （2-1-1） Lr Lr n n 2 1 式 2-2-1 的函数关系即为汽车车轮处于纯滚动状态时，车轮速度应满足的条 件。我们在以后的设计中，都是按照这一函数关系去设计的。 2.22.2 电动汽车电子差速系统原理电动汽车电子差速系统原理 在现有的电动汽车速度控制技术上，提出了设计电动汽车电子差速系统的想 法。基本构思是，把电动汽车电子差速系统的左轮定为基准轮，通过控制此轮的 转速，来控制汽车运行的速度，把电动汽车电子差速系统的右轮定为差动轮，只 要我们能使两轮按照式（2-1-1）的函数关系运行，我们能够实现汽车转向时，车 轮处于纯滚动状态。 在式（2-1-1）的函数关系中的唯一不确定量 r 可以通过采集汽车的转向角来 唯一的确定，从图 1-1 中我们可很容易的推出： （2-2-1） tan k r 其中 k 代表汽车前后轴轴心的距离， 代表汽车转动的角度。这样以来，我们设 计的系统的所有参数就都找到了。我们要作的就是实现电动汽车电子差速系统的 两轮按照式 2-2-1 的函数关系运行，来完成普通汽车机械差速系统的功能。 2.32.3 电动汽车自适应差速电动汽车自适应差速系统结构系统结构 现将常规调速系统改造自适应调速系统，即用自适应速度环取代 PI 速度环， 用自适应速度控制器取代 PI 速度调节器，系统电流环仍保持为常规电流环，电流 调节器仍保持为常规调节器。模型参考自适应调速系统的典型框图如图 2-4 所示。 Ym + _ Ur Ugj n 图 2-4 自适应调速系统的典型框图 参 考 模 型 自 适 应速 度 控 制 器 电 流 环 与 电 动 机 第三章第三章 电动汽车电动汽车常规电子差速系统设计常规电子差速系统设计 3.13.1 电动机和蓄电池的选择电动机和蓄电池的选择 3.1.13.1.1 电动机的选取电动机的选取 在设计电动汽车时，一般都要求其最高时速为 100km/h，按汽车车轮半径为 0.3M 计算，则要求电动机的转速为： （3-1-1） min/885 603 . 02 /100 r m hkm 本系统的设计中要求两电动机的功率都为 17KW。根据这个参数，设计选定电 机型号为 Z2-71。其各项参数如下所示： 型号 Z271 额定电压 220V 额定电流 90A 额定功率 17KW 额定转速 1500r/min 转动惯量 0.25 2 kgm 3.1.23.1.2 蓄电池的选取蓄电池的选取 可用于电动汽车的蓄电池包括阀控铅酸电池、镍-镉电池（Ni-Cd） 、镍-锌电 池（Ni-Zn） 、镍基电池（Ni-MH） 、锌空气电池（Zn/Air） 、铝空气电池（AL/Air） 、 钠硫电池（Na/S）等多种形式。这些电池被归结为铅酸电池、镍基电池、金属空 气电池和常温电池等，我们从技术可靠，生产工艺成熟，成本低等方面出发，选 择了铅酸电池用于本系统的设计中。铅酸电池有很多优点，如单体电池电压高， 适合电动汽车使用的良好的大电流输出性能，良好的高温和低温性能，高的能量 效率（74%-80%）以及多种多样的型号和尺寸等。 因为铅酸电池单体的额定电压为 12V，而要求的直流电为 220V，所以我们用 20 个单体串联组成电动汽车电子差速系统的电池组，来做为电动汽车电子差速系 统的电源系统。 3.23.2 电动汽车电动汽车电子差速电子差速系统主电系统主电路设计路设计 由于电源系统是由电池组供给的，不能提供给电动机正常的工作电压，所以 本设计用直流斩波器将电池组提供的电压变为可调的电压。 3 3.2.1.2.1 升降压斩波器升降压斩波器原理原理 升降压斩波电路的原理如图（3-1）所示。设电路中的电感 L 值很大，电容 C 值也很大，使电感电流和电容电压即负载电压基本为恒值。 2 I 0 u Eu0 C L 2 I 1 I M 图（3-1）升降压斩波器原理 该电路的基本工作原理是：当可控开关 V 处于通态时，电源经 V 向电感 L 供 电使其储存能量，此时电流为。同时电容 C 维持输出电压基本恒定并向负载 R 1 I 供电。此后，使 V 关断，电感 L 中储存的能量向负载释放，电流为，方向如图 2 I （3-1）所示。可见，负载电压极性为上负下正，与电源电压性相反。因此该电路 称作反极性斩波电路。 稳态时，一个周期 T 内电感 L 两端电压对时间的积分为零，即 0 0 dtu T L 当 V 处于通态期间时，；而当 V 处于断态期间时，EuL 0 uuL 。于是 offoon tUEt 所以输出电压为 EE t t U off on 1 0 由于蓄电池提供 240V 的电压，电动机额定电压为 220V 所以求的 0.478 根据15触发电路和驱动电路是同周期的所以 T=1/f=1/1.18=0.847s VDV 所以 T 为开关周期，占空比为 0.478 若改变导通比，则输出电压既可以比电源电压高，也可以比电源电压低。当 0 时为降压，当时为升压，因此将该电路称为升降压斩波电路。 二极管的最大反电压是 220V，由于通常我们都会选择二极管的工作电压是反 向电压的 2倍所以二极管的工作电压为。 电路中的电感 L 值是无穷大的但是实际上是达不到的， 电路中的电容也是很 大的。所以选用的时候要选择尽可能大的电感和电容。 3.2.23.2.2 触发器工作触发器工作原理原理 由于电流调节器给出的是模拟信号，我们需要将其变为数字信号。我们在这 里选用 SG3524。 SG3524 是应用极为广泛的一种 PWM 波形发生器集成电路，最先由美国硅通公 司生产，世界上许多的 公司都有产品。该系列分为军品、工业品、与民品。 图 3-3 SG3524 原理图 a。 内部结构和工作原理 SG3524 该单片集成电路包含了开关电源几乎全部的控制电路，内含电压基准 电源、误差放大器、可外设频率的振荡器、脉宽调制比较器、 REF VEAOSCC 触发器、两个输出晶体管和、故障保护比较器和输出关断电路等。FF A V B VCL SG3524 的工作机理如下： 当关断信号为低电平的，且故障保护比较器输出为高电平，送到LCL 比较器同相端的、由所决定频率的三角波与误差放大器输出的PWM TTC REA 电平信号进行比较，形成脉冲波，该脉冲波在触发器输出的相位互差PWMFF 180 的方波信号控制下，周期性的加在基极上，由功率放大后输出，当 VVVV SG3524 工作于推挽输出方式时，输出相位互差 180 的两路脉冲，频率为振荡VV 频率的 1/2，占空比随输出的电平不同可在 0之间变化，当 SG3524EA 工作于单端输出模式时，和并联接地，在端输接一个电阻到用户供电 A V B V cc V 电源，从端输出与同频的脉冲波，占空比变化范围为， cc V 0 fPWM 只要故障保护比较器、误差放大器或关断电路晶体管集电极有一个输出CLEA 低电平，都可能使 SG3524 输出恒为电电平，从而实现故障保护和关断控制。 b。主要设计特点和参数限制 (1)主要设计特点 所有该系列产品均可以互换使用。 内含完整的控制电路。PWM 可单边输出工作，亦可双路推挽输出使用。 极低的电流消耗，典型值为国 8。mA (2)极限参数 1。最高工作频率=350。 MAX fkHz 2。工作电源电压。VVIN40 3。输出驱动级晶体管集电极电压=60VV 4。基准电源输出电流:50mA 5。输出脉冲驱动电流=200PWM 0 ImA 6。最大功率=1 D PW 7。充电电流:-5 T CmA 8。输出晶体管集电极电流:100mA (3)应用技术 SG3524 的上述结构和特点，决定了它可以单端工作时用于直流斩波器系统， 双端工作时可用于开关电源直流电动机调速等领域。PWM 本设计中给定转速信号和反馈信号比较后经速度调节器 ACR 输送至电流调节器 ACR 的同相输入端，由于信号频率和转速成正比关系，通过变换电路，可得Nf / 到转速反馈信号。 这里， SG3524 只作为一个脉宽调制器使用。ACR 输出接引脚 2 作为输PWM 入控制信号。并联取单端输出方式 。闭合时，关断输出脉冲， BA CC 和 1 SPWM 使电动机停转。 3.33.3 IGBTIGBT 驱动电路设计驱动电路设计 3 3.3.1.3.1IGBTIGBT 栅极对驱动电路的要求栅极对驱动电路的要求 IGBT 的栅极驱动条件关系到它的静态和动态特性。一切都以围绕着缩短开关 时间、减小开关损耗、保证电路可靠的工作为目标。因此，对 IGBT 的栅极驱动电 路提出如下 要求。 1、IGBT 与 MOSFET 都是电压型驱动开关器件，都具有一个 255 V 的开栅 门槛电压，有一个电容性输入阻抗，因此，IGBT 对栅极电荷聚集非常敏感。所以， 驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与 IGBT 的 连线要尽量短。 2、用内阻小的驱动源对栅极电容充、放电，以保证栅极控制电压 VGE 有足够 陡的前、后沿，使 IGBT 的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，栅极驱动源应 能提供足够的功率，使 IGBT 不会中途退出饱和而损坏。 3、驱动电路要能提供高频(几十 kHz)脉冲信号，来利用 IGBT 的高频性能。 4、栅极驱动电压必须要综合考虑。在开通过程中，正向驱动电压 Vc，E 越大， IGBT 通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的电流 J，增大，IGBT 能承受短 路电流的时间减小，对其安全不利。因此，在有短路过程的应用系统中，栅极驱 动电压应选得小些，一般情况下应取 1215 V。 在关断过程中，为了尽快放掉输入电容的电荷，加快关断过程，减小关断损 耗，要对栅极施加反向电压 Vcs。但它受 IGBT 栅射极最大反向耐压的限制，所以 一般的原则是：对小容量的 IGBT 不加反向电压也能工作；对中容量的 IGBT 加 56V 的反向电压；对大容量的 IGBT 要加大到 10 V 左右。 5、在大电感的负载下，IGBT 的开关时间不能太短，以限制 didt 所形成的 尖峰电压，确保 IGBT 的安全。 6、由于 IGBT 多用于高压场合，所以驱动电路与控制电路一定要严格隔离。 7、栅极驱动电路应尽可能简单可靠，具有对 IGBT 的自保护功能，并有较强 的抗干扰能力。 8、栅极电阻 Re 可选用 IGBT 产品说明书上给定的数值；但当 IGBT 的容量加 大时，分布电感产生的浪涌电压与二极管恢复时的振荡电压增大，这将使栅极产 生误动作，因此必须选用较大的电阻，尽管这样做会增大损耗。 3 3.3.2IGBT.3.2IGBT 驱动集成电路的选取及工作原理驱动集成电路的选取及工作原理 原则上 IGBT 的驱动特性与 MOSFET 的几乎相同，但由于两者使用的范围不同， IGBT 多用于大中功率，而 MOSFET 多用于中小功率，所以它们的驱动电路也有差 异。IGBT 一般使用专用集成驱动器，它们集驱动和保护为一体。常用的专用集成 电路有：富士公司的 EXB840、841、850、851 系列；IR 公司的 IR2100 系列； MOTOROLA 公司的 MC35153；Unitrode 公司的 UC3714、3715；三菱公司的 M57957M57963 系列。现在市场上，使用较普遍的是 EXB840 专用驱动集成电路， 使用时性能也比较稳定，从购买方便、充分利用前人成果的角度出发，设计选择 了此芯片作为 IGBT 的驱动电路的核心器件。 EXB840 是一种高速驱动集成电路，最高使用频率为 40 kHz，能驱动 150 A600 V 或者 75 A1 200 V 的 IGBT，驱动电路信号延迟小于 1.5ls，采用单 电源 20 V 供电。 EXB840 的功能框图如图 3-4 所示。它主要由输人隔离电路、驱动放大电路、 过流检测及保护电路以及电源电路组成。其中输入隔离电路是由高速光电耦合器 组成，可隔离交流 2 500V 的信号。过流检测及保护电路根据 IGBT 栅极驱动电平 和集电极电压之间的关系，检测是否有过流现象存在。如果有过流，保护电路将 慢速关断 IGBT，以防止过快地关断时而引起因电路中电感产生的感应电动势升高， 使 IGBT 集电极电压过高而损坏 IGBT。电源电路将 20V 外部供电电源变成+15 V 的 开栅电压和-5V 的关栅电压。 图 3-4 EXB840 内部结构原理图 EXB840 的引脚定义如下：引脚 1 用于连接反偏置电源的滤波电容；引脚 2 和 引脚 9 分别是电源和地；引脚 3 为驱动输出；引脚 4 用于连接外部电容器，以防 止过流保护误动作(一般场合不需要这个电容)；引脚 5 为过流保护输出；引脚 6 为 IGBT 集电极电压监视端；引脚 14 和引脚 15 为驱动信号输入端；其余引脚不用。 采用 EXB840 集成电路驱动 IGBT 的典型应用电路如图 3-5 所示。其中 ERA3410 是快速恢复二极管。IGBT 的栅极驱动连线应该用双绞线，其长度应小 于 1 m，以防止干扰。如果 IGBT 的集电极产生大的电压脉冲，可增加 IGBT 的栅 极电阻阻值 Rg。 图 3-5 EXB840 组成的驱动电路 3.3.33.3.3 电动机相关参数计算电动机相关参数计算 a.直流电动机 Ce=0.1379Vmin/r nom anomnom n RIU min/1500 14667 . 0 90220 r AV b.晶闸管放大倍数 ks=36.67 ct d U U V V 6 220 c.电枢回路总电阻 R=2Ra=20.14667=0.29334 d.时间常数的计算 计算 L T 因为5%而且/10， 30ms 由=得 i L T i T L T L T R L LR=9mH L T 取 L=6Mh 则=0.02s L T R L 计算 Tm。 Tm=s=0.086s meC C RGD 375 2 30 375 5 . 2 2 ee a CC RGD 30 013791379 . 0 375 214667 . 0 20 e.反馈系数 电流反馈系数 =0.089A nom I V 5 . 1 12 A V 905 . 1 12 转速反馈系数 =0.0083min/r nom n V12 校核转速超调量: Tm T n n Cb C nnom )(2% max ）（ 当 h=5 时， =81.2%;而% max Cb C 4 . 191 1379 . 0 29334 . 0 90 e dnom nom C RI n 因此 0.05=5%10% 089 . 0 016 . 0 1500 4 . 191 5 . 12% 2 . 81 n 能满足设计要求。 校核调节时间: 由 = （3-3-3） p %100 2 1 e 可以看出超调量与阻尼比有关。 p 将代入（3-3-3）得到 p 0.59 要选择，通过取在 0.40.8 之间，使二阶系统有较好的暂态响应性能，这时 在 25%2.5%之间，若0.4，系统则严重超调，0.8 系统较为迟钝，反 p 映不灵敏。当=0.59 时，和均小，这时=10%.0.59 为最佳阻尼比。 p p t p 3.3.43.3.4 电流环的设计电流环的设计 根据设计电路要求确定时间常数 斩波电路失控电路=0.001s s T 电流滤波时间=0.002s oi T 电流环小时间常数=+=0.003s i T s T oi T 选择电流调节器结构 根据设计要求：5%，且=6.67Wci s T3 1 s001 . 0 3 1 满足近似条件。 (2) 势对电流环影响的条件： Wci3 mlT T 1 现在，3 =3s-1=72.34s-1Wci 3 1 oisT T 1 3 1 002 . 0 001 . 0 1 满足近似条件。 c计算调节器电阻和电容 电流调节器原理图，如下图： 图 4-1 电流调节器原理图 按所用运算放大器取 Ro=40K，各电阻和电容值计算如下： Ri=KiRo=0.59，取 24KKK6 . 3240 Ci=106uF=0.8uF，取 0.8uF Ri Ti 3 1024 20 . 0 Coi=106uF=0.2uF，取 0.2uF o oi R T4 3 1040 002 . 0 4 按上述参数，电流环可以达到的动态指示为%=4.3%10%，满足设计要求。 i 3.3.53.3.5 双闭环调速系统设计双闭环调速系统设计 双闭环直流调速系统的设计： 设计参数及要求： 直流电动机：220V，90A，1500r/min，Ce=0.14Vmin/r，允许过载倍数=1.5 晶闸官放大倍数：Ks=36.67 电枢回路总电阻：R=2Ra=20.146670.29 时间常数：=0.02s L T =0.86s m T 反馈系数：=0.089V/A =0.00083Vmin/r 稳态指标：无静差 动态指标：电流超调量%5%， I 空载启动到额定转速时的转速超调量 %10% I 第四章第四章 电动汽车自适应电子差速电动汽车自适应电子差速系统系统设计设计 系统性能的好坏，控制电路起到很大的作用，从设计的角度来看，我们以左 轮为基准轮，利用左轮的速度来确定右轮的。这样会出现时间差，是运动不能同 步。所以避免这个问题，我们用双闭环调速机构，来把左、右轮的时间差降到最 小。 4.14.1 被控对象被控对象 本设计所研究的常规系统是一个 16.5KW 的直流调速系统，采用电流、转速双 闭环控制。电动机的负载是直流发电机及其所带的可调电阻器。 根据设计需要电动机型号参数： 型号 Z271 额定电压 220V 额定电流 90A 额定功率 17KW 额定转速 1500r/min 转动惯量 0.25 2 kgm 4.24.2 参考模型参考模型 性能指标要求： 转速超调量： 10% p 调节时间： 0.4 s ts 根据上述性能指标要求，为自适应系统调速系统选择如下的参考模型传递函 数，用经典二阶系统的传递函数表示函数模型，将已知条件分别代入 = 2 p 2 2 p )(ln ln ）（ 35 . 0 29 . 5 8596 . 9 29 . 5 =0.84 2 1 p n t 1225 . 0 14 . 0 14 . 3 将其代入 n n n ss SG 22 2 2 )( 即 =)(SG 7056 . 0 588 . 0 7056 . 0 2 ss 所以参考模型如下： （-2-1）)(7056 . 0 )()7056 . 0 588 . 0 ( 2 tutnpp R