（控制科学与工程专业论文）基于fpga的四驱电动车电机驱动控制系统设计.pdf

武汉理j ：人学硕士学位论文 摘要 汽车工业是人类现代文明的重要标志之一，进入2 l 世纪后随着人类环境保 护意识的加强以及能源危机的日益突显，使得人们不得不重新审视和定位汽车产 业的现状和将来。电动汽车具有节能，零排放，低噪声等优点，是真正绿色环保 的交通工具。无刷直流电机是一种通用性很强的高性能应用电机，以其控制简单、 可靠性高等优越的性能成为电动汽车驱动系统的首选。本文以四驱电动车电机驱 动控制系统作为研究对象，采用f p g a 作为控制核心进行了相关的分析研究。 本文首先对国内外电动汽车的现状及发展趋势以及电动车驱动系统控制方 法进行了相关调研，了解无刷直流轮毂电机的控制方法及控制器的发展。 其次，本文对电动车驱动系统控制技术进行了分析，并根据电动车驱动控制 系统的特性及提高系统集成度的要求，采用f p g a 为控制核心。f p g a 作为数字 器件，通常用于控制数字化电机；通过对本控制系统进行一定程度的数字化改造， 可用于控制直流电机，并且可以提高系统的调速精度和控制功能。f p g a 采用独 特的并行运算电路，在一个控制核心中可以加入多个控制对象进行独立驱动，控 制性能不受到影响，各控制对象间不会产生干扰，避免了多对象实时控制中繁琐 的时序设计问题，一定程度上提高系统的集成度和抗干扰能力。 再次，以a l t e r af p g a 为核心控制器设计电动车电机驱动控制系统。控制系 统主要分为控制部分和驱动部分。控制部分主要由f p g a 及a d 转换器组成，包 括数据采集和p w m 波形的产生以及电机电枢电流的采样。驱动电路由m o s f e t 功率转换电路及光电隔离电路组成。电机的位置信号由霍尔元件采集。选择p i d 控制算法，对数字p i d 控制器进行设计并在f p g a 控制器上实现；对电动车轮毂 电机进行独立控制，使各电机的控制达到驱动电动车正常行驶的目的。方案设计 与实施过程中，在q u a r t u si i 环境下对各环节及系统总体进行了仿真和验证。 最后，通过对控制器的调试和实验，验证了以f p g a 为控制核心的四驱电动 车电机驱动控制系统的可靠性，实现了轮毂电机的平稳启动，良好的速度调节性 能，达到电动车正常行驶的性能指标。 关键词：电动汽车，无刷直流电机，f p g a ，p i d 控制 武汉理 ：人学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h ec a l i n d u s t r yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts y m b o lo fm o d e r ni n d u s t r i a l c i v i l i z a t i o n ，e n t e r i n g t h e21s t c e n t u r y , w i t h t h e s t r e n g t h e n i n g a w a r e n e s so f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n dt h ee x p a n d i n ge n e r g yc r i s i s ，p e o p l eh a v en oc h o i c eb u tt o r e c o n s i d e rt h ec u r r e n ts t a t u sa n df u t u r eo ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y e l e c t r i cc a r sh a v e a d v a n t a g e si n c l u d i n ge n e r g y - s a v i n g ，z e r o - e x h a u s t i n ga n dl o wn o i s ee t c ，i ti st h er e a l g r e e nt r a f f i ct o o l s b l d c mi st h eb e s tc h o i c ei nt h ed r i v i n gs y s t e mo fe l e c t r i cc a r s t h i st h e s i st a k e st h ee l e c t r i cc o n t r o l4 w d d r i v i n gs y s t e ma st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t ， u s i n gt h ef p g a a sc o r ec o n t r o l l e rt od ot h ei n t e r r e l a t e da n a l y s i sa n dr e s e a r c h f i r s t l yt h i st h e s i sc a r r yo nr e s e a r c hi nt h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d o fe l e c t r i cc a r sa n di t sd r i v i n gs y s t e mc o n t r o lm e t h o d sa th o m ea n da b r o a d f i n do u t t h ec o n t r o lm e t h o do fb l d c ma n dd e v e l o p m e n to fi t sc o n t r o l l e r s e c o n d l y , t h i st h e s i sa n a l y z et h et e c h n o l o g yo fd r i v i n gs y s t e mo ft h ee l e c t r i cc a r s a n du s et h ef p g aa st h ec o r ec o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd r i v i n g c o n t r o ls y s t e ma n dt h er e q u e s ti ni m p r o v i n gt h ei n t e g r a t i o n a sa d i g i t a ld e v i c e ，f p g a u s u a l l yu s ei nc o n t r o l l i n gd i g i t a lm o t o r , w i mac e r t a i nd e g r e eo fd i g i t a lt r a n s f o r m a t i o n o ft h es y s t e mi tc o u l db eu s e dt oc o n t r o lb l d c m t h ef p g a a d o p tu n i q u ep a r a l l e l c o m p u t i n gc i r c u i t ，c o u l du s i n gt oc o n t r o lm u l t i p l eo b j e c t si n d e p e n d e n t l ya n di t s p e r f o r m a n c ei s n o ta f f e c t e d , a v o i d i n gt h e c o m p l e xt i m i n gp r o b l e m si nd e s i g n , i m p r o v i n gt h es y s t e mi n t e g r a t i o na n dt h ea n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t y u s i n ga l t e r af p g aa sc o r ec o n t r o l l e rt od e s i g nt h ed r i v i n gc o n t r o ls y s t e mi n e l e c t r i cc a r s t h es y s t e mi n c l u d e sc o n t r o l l i n ga n dd r i v i n gp a r t s c o n t r o l l i n gp a r ti s m a i n l yc o m p o s e do ff p g aa n da dc o n v e r t i n gm o d u l e s d r i v i n gc i r c u i ti n c l u d e s p o w e rc o n v e r t i n gc i r c u i t sa n di s o l a t i o nc i r c u i t c h o o s eo fp i dc o n t r o la st h em a i n a l g o r i t h mf o rf o u rw h e e l sm o t o ri n d e p e n d e n tc o n t r o l l i n g , d o i n gs i m u l a t i o n su n d e r q u a r t u si ie n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h r o u g ht h ec o m m i s s i o n i n ga n de x p e r i m e n tt or e a l i z et h er e l i a b i l i t yo f w h o l es y s t e m ，a n dt h eg o o dp e r f o r m a n c ei ns p e e d a d j u s t m e n t k e yw o r d s ：e l e c t r i cc a r s ，b l d c m ，f p g a ，p i dc o n t r o la l g o r i t h m i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：奎堂墨日期：呈q ! 晦曼垦兰墨旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：夺学君 导师( 签名) ：日期：2 0 1 0 年5 月2 8b 武汉理t 大学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 第1 章绪论 汽车产业至今已走过了百年历史，以内燃机为动力源的汽车为人类的生活带 来了极大的便利，为人类社会的进步做出了不可磨灭的贡献。然而在它不断推动 社会发展的同时，也带来了同益突显的危害。汽车产业的高速发展使得全球汽车 总量不断提高，内燃机汽车大量消耗有限的石油资源使得资源枯竭、能源短缺等 问题同益严重；加之其在大量耗能的情况下带来越来越的环境污染问题，严重威 胁到人类的健康和生存。在强调可持续发展的今天人们不得不重新审视汽车产业 的发展方向，各国政府也不惜投入重金来寻求解决这些问题的途径【l 】。然而如果 继续采用内燃机提供动力，以当前汽车产业的发展水平无论是研制石油的代燃料 或是采用其他燃烧模式都不能从根本上解决能源的消耗和降低尾气排放等问题。 寻求零排放或低排放、低噪声、提高能源率已经成为汽车产业发展的迫切需求和 必然趋势。正是在这样的发展背景下，电动汽车技术的研究和发展成为了汽车产 业一种新的理念和热点。 电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通安全 法规各项要求的车辆。电动汽车主要包括三大类，即纯电动汽车、混合动力电动 汽车和燃料电池电动汽车。电动汽车较之传统内燃机汽车有着显著的优点：低噪 声且无尾气排放，对环境更加友好，在很大程度上减低对人类生活环境的污染； 采用电能替代石油，改善了能源结构并且可以有效提高能源利用率和经济效益f 2 1 。 正是有着这样的优点电动汽车将成为2 l 世纪最具竞争力和前景的交通工具。 电动汽车系统一般由车体、电机驱动及控制系统、电池管理及控制系统组成， 而电机驱动及控制系统是电动汽车的核心，决定着整车系统的运行性能和能量利 用效率，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。目前在电动汽车电机驱动控制方 面还存在诸多难题，在极大程度上限制了电动汽车的发展。 本课题以当前电动汽车的研究热点四轮驱动电动车作为研究对象，对其电机 驱动控制器进行分析和研究，提出一种新的设计思路，并在设计过程中为驱动系 统的发展提供相关的技术参考以及初步研究结论，对进一步开发和改良电动汽车 电机驱动控制技术具有工程和学术意义。 武汉理t 大学硕十学位论文 1 2 电动汽车发展与国内外现状 电动汽车最早出现在1 9 木期，世界上第一辆电动汽车于1 8 7 3 年由英国工程 师戴维森发明，是一辆由铁锌电池提供动力的三轮车；1 8 8 1 年法国工程师特鲁夫 使用铅酸电池研制了第一辆可以反复充电的电动汽车【3 1 。从此之后的四十年电动 汽车在汽车产业中占据了重要地位，这得益于1 9 世纪末电池技术的成熟。进入 2 0 世纪后随着内燃机技术的不断发展，以内燃机为动力源的汽车逐渐占据主导， 电动汽车进入了暂时的没落时期。2 0 世纪末期爆发的能源危机和环境污染等问题 给电动汽车引来了发展的转机，以美国、英国、德国及日本为代表，世界各国均 开始电动汽车技术的研究工作。 目前电动汽车主要分为三大类，即纯电动汽车，混合动力汽车和燃料电池电 动汽车。纯电动汽车由蓄电池提供电能驱动轮毂电机，这一类电动汽车已经有着 1 3 0 多年的历史。它无有污染的排放成分，对环境友好，被视为绿色交通工具的 首选。目前纯电动汽车技术较为成熟，但受限于电池容量密度和价格以及整车功 能等问题，推广范围有所局限。混合动力电动汽车是指由两种以上能量源驱动， 其中至少有一种提供电能的汽车，它的持续工作时间长，动力性强，无污染低噪 声，典型代表为丰田公司的普锐斯混合动力轿车。燃料电池汽车是指通过将电池 中的化学能直接装化为电能，而不经过燃烧的汽车。其电池的化学反应不产生有 害物质，能效可达到8 0 。但这类电动汽车还存在较多技术难点，且成本较高， 还需要较长的研发周期。三种电动汽车中，燃料电池汽车和纯电动汽车最具发展 和应用前景，而混合动力轿车目前应用最为成熟，但长远来看它只是一种过渡时 期的产品，随着电动汽车技术的发展，纯电动汽车和燃料电池汽车必将得到广泛 的应用。 在汽车产业发达国家中，日本在电动汽车的研发中态度最为积极，在混合动 力汽车的开发中处于全球领先地位，政府制定了许多相关政策鼓励电动汽车的发 展，目前丰田和本田两家公司已批量生产和销售混合动力汽车，丰田公司的 p r i u s 混合动力轿车已于2 0 0 0 年起进入欧洲、北美市场，全球混合动力汽车销 量已达1 1 万辆【4 】，美国在电动汽车产业与日本存在一定的差距，目前只进行小规 模的纯电动汽车的生产，但政府投入上亿美元进行电动汽车的研发，显示对电动 汽车技术的重视。欧洲各国中法国是最为积极推广电动汽车的国家之一，上世纪 9 0 年代末期该国电动汽车产量已达到2 0 0 0 辆，目前巴黎已有数百辆电动汽车在 2 武汉理t 大学硕士学何论文 运行，雪铁龙汽车公司研发的电动汽车已经投入生产【5 】。其他汽车产业并不太发 达的国家也十分重视电动汽车的研发，目前电动汽车在全世界的保有量已达到5 万辆左右。 我国的电动汽车的研究起步于上世纪7 0 年代，“八五”期间电动汽车被列入 国家攻关项目；9 0 年代我国进入了较快发展期，经过“八五计划起的三个五年 计划，我国在电动汽车领域取得了一系列的成果【6 】。目前我国电动汽车整体水平 己迈入国际先进行列，在一些技术领域还处于世界领先水平，如在燃料电池车载 发动机的研发领域，我国是世界上少数掌握其核心技术的国家；混合动力客车已 具有小规模生产能力，纯电动汽车也开始批量生产。中国是一个能源消耗大国， 同时在传统汽车产业我国与发达国家存在较大差距，发展电动汽车势在必行。在 已取得突破性进展的基础上，随着各项技术的逐渐成熟以及政府的更加重视，我 国电动汽车必定拥有着更加光明的前景。 电动汽车是真正意义上的绿色交通工具，可以预言2 l 世纪是电动汽车代替 内燃机汽车的时代，尽管当前面临许多技术方面的困难和问题，但从长远的角度 来看，电动汽车必将引起一场汽车产业革命。 1 3 无刷直流电机控制器的发展 无刷直流电机是同步电机的一种，是当代一种典型的机电一体化产品，采用 电子换向装置代替机械换向装置。无刷直流电机作为一种通用的高性能应用电 机，以其可靠性高、控制简单等优越的性能成为电动汽车驱动系统的首选【7 l 。 电机控制器是实现伺服调速系统基本功能的核心，保证电动机正常运行。电 机控制器主要完成以下功能：产生p w m 脉宽调制信号对电动机进行调速控制； 为驱动电路提供控制信号：实现各种控制算法，使系统具有良好的动静态性能【8 】； 实现欠压、过流保护功能等。 可靠性和实时性是对控制系统的基本要求，随着电力电子技术的发展，无刷 直流电机控制器主要有以下几种实现方法。 ( 1 ) 模拟电路。采用放大器等分离元件进行连接，其实时性好，但是控制 系统规模有限，难以进行大运算量的复杂控制 ( 2 ) 专用集成电路。随着电子技术的发展，电机控制专用集成电路被广泛 使用。这些集成电路多为模数混合电路，具有可靠性高，抗干扰能力强，价格低 廉等优点，因此得到较快发展。但是这种专用集成电路一般有着固定的控制算法， 武汉理i ：人学硕十学位论文 无法根据被控对象的需要进行相应的修改。 ( 3 ) 以微控制器为核心。采用8 位或1 6 位单片机为核心构成控制器，结构 简化，控制精度提高；适应性强，可实现较为复杂的控制算法。但m c u 采用流 水线结构，处理速度受到较大限制，而且外围电路较复杂，在实时控制和多对象 控制方面存在较大的不足和困难。 ( 4 ) 以d s p 为核心。t i 公司推出的电机控制芯片t m s 3 2 0 x 2 8 x 系列是目 前d s p 控制器的代表。它延续了m c u 的优点，同时片上集成了电机控制专用模 块( 如p w m 产生电路，捕获单元等) 和大容量存储器，可进行更快速的控制运 算，实现复杂运算等，与m c u 相比有着显著的性能提升。 ( 5 ) 以f p g a 为核心。随着大规模集成电路技术的发展，e d a 技术给电子 设计带来巨大变化，f p g a 工艺的不断提高及价格不断降低，使得硬件描述语言 与f p g a 器件的应用范围越来越广泛，通过e d a 设计工具可采用软件编程实现 控制算法，将控制算法下载到器件中以硬件方式实现控制。f p g a 拥有丰富的可 配置i o 资源，采用独特的并行运算电路，高速数字信号处理能力强。 采用f p g a 为核心控制无刷直流电机是一种新的控制系统设计思路，相比于 其他控制核心，f p g a 有着显著的优势：f p g a 片内资源丰富，可配置i o 资源 丰富，接口设计灵活，简化了外围电路结构，提高了系统的集成度；采用硬件 方式实现控制算法，实时性强，可靠度高；可重复编程，设计灵活，有着丰富的 p 资源，缩短了设计周期【9 1 。 1 4f p g a 基本结构及技术 随着微电子技术的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电 路、超大规模集成电路逐步发展为专用集成电路a s i c 。a s i c 的出现降低了生产 成本提高了系统的可靠性，但其设计周期长，灵活性差。为了满足人们对专用集 成电路日益增长的需求，可编程器件逐渐在电子设计领域发展起来。从早期的可 编程只读存储器p r o m 、紫外线可擦除只读存储器e p r o m 和电可擦除只读存储 器e e p r o m ，发展到能完成中大规模数字逻辑功能的可编程阵列逻辑p a l 和通 用阵列逻辑g a l ；如今现场可编程逻辑器件f p g a 和复杂可编程逻辑器件c p l d 已可完成超大规模的复杂组合逻辑和时序逻辑。 4 武汉理1 ：大学硕十学位论文 1 4 1f p g a 的基本结构及特点 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 即现场可编程门阵列，这个概念最早 是由x i l i n x 公司提出，上世纪8 0 年代中期x i l i n x 公司生产了世界上第一片f p g a ， 之后这种新型可编程逻辑器件以其优越的性能获得广泛青睐，应用逐渐普及【1 0 1 。 相比于其他的可编程逻辑器件，一片f p g a 可以集成几十万到上百万逻辑门，并 且其逻辑功能单元不仅限于逻辑门而可以具有较为复杂的逻辑功能，使得芯片功 能大幅度加强。 f p g a 基于s r a m 架构，主要由六个基本部分组成，即基本可编程逻辑单元 c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) ，可编程输入输出单元l o b ( i ob l o c k ) ，嵌入式 r a m ，丰富的布线资源，底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核。 ( 1 ) 基本可编程逻辑单元c l b 。c l b 是可编程逻辑的主体和实现用户功能 的基本单元，其一般由查找表l u t ( l o o ku pt a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成， 以阵列排列分布于芯片中【1 1 1 。l u t 本质上是一个r a m ，在f p g a 中较常使用4 输入结构的l u t ，每个u j t 可以看作一个具有4 位地址线的1 6 1 的r a m 。当 用户通过原理图或硬件描述语言对一个逻辑电路进行描述后，f p g a 开发软件自 动对该逻辑电路的所有可能结果进行计算并将其预先写入r a m ，每一个逻辑运 算输入信号相当于一个查找表输入地址，通过输入地址找出相应的内容然后输 出。不同f p g a 制造商的查找表和寄存器在内部结构和组合模式的密切程度上存 在一定的差异。a l t e r a 公司f p g a 的可编程逻辑单元通常被称为逻辑单元l e ( l o g i ce l e m e n t ) ，每个l e 由一个寄存器和一个查找表构成。a l t e r a 公司大多数 f p g a 将1 0 个l e 组合起来构成更大功能单元l a b ，即逻辑阵列模块( l o g i ca r r a y b l o c k ) 。每个l a b 由l e 以及l e 间的进位链、u j t 级联链、l a b 控制信号、局 部互联资源和寄存器级联链等连线与控制资源等组成。 ( 2 ) 可编程输入输出单元i o b 。i o b 主要完成不同电气特性下输入输出信 号的驱动与匹配要求，它是芯片与外界电路的接口部分。通过开发软件可以对不 同电气标准和i o 物理特性进行匹配。可以调整匹配阻抗的特性，调整输出驱动 电流的大小等【1 0 1 。近年来a s i c 工艺不断得到发展，目前i o b 支持的最高频率逐 渐得到提高，一些高端f p g a 芯片支持最高2 g b i t s 的数据传输速率。 ( 3 ) 嵌入式r a m 。目前多数f p g a 都具备内嵌r a m ，嵌入式r a m 可根据 设计要求灵活地配置为单端口r a m 、双端口r a m 、伪双口r a m 、先进先出单 元f i f o 等常用存储结构单元。 5 武汉理丁大学硕士学位论文 ( 4 ) 丰富的布线资源。布线资源的主要作用是用以连接f p g a 内部单元， 将各个基本可编程逻辑单元和可编程输入输出单元连接起来，从而构成能完成特 定功能的电路【i2 1 。布线资源根据长度、宽度、分布位置和工艺的不同划分可以划 分为不同等级，一般情况下在f p g a 的开发过程中不需要直接对布线资源进行选 择，可用的布线资源以及所有的底层单元模块均由布局布线器完成，其根据输入 的逻辑网表拓扑结构和约束条件自动进行选择。 ( 5 ) 内嵌专用硬核及底层嵌入功能单元。内嵌专用硬核主要指h a r dc o r e ， 其通用性相对较弱且非所有f p g a 均具有。底层嵌入功能单元指通用程度比较高 的嵌入式功能单元，主要包括有p l l 、d s p 、c p u 等模块。随着f p g a 工艺与技 术的发展，f p g a 内部的嵌入模块越来越丰富，用以满足不同设计需求。 1 4 2f p g a 在无刷直流电机控制中的应用 近年来f p g a 发展迅速，新一代高性能f p g a 集成规模也越来越高，已达到 百万门，具有广阔的应用前景。f p g a 调试方便，开发周期短，且e d a 设计软件 发展迅速，设计理念先进，通用性较强。 目前f p g a 主要用于通信领域，将f p g a 引入无刷直流电机的控制中，可以 简化系统外设结构，提高系统抗干扰能力，且由于f p g a 采用并行运算电路，将 控制算法以硬件方式实现，可以提高系统的实时性和调速精度，同时在控制多对 象，尤其是在对电动车驱动系统中的多电机被控对象时比其他控制器具有优势， 各被控对象控制性能不受影响，避免了流水线结构控制器多对象控制编程时复杂 的时序问题。 f p g a 用于无刷直流电机的控制时，需要对系统进行一定的数字化，主要包 括传感器信号接收及电机驱动方式等方面，另需完成电机驱动信号、闭环控制算 法等模块的设计。采用f p g a 作为核心控制器功能强大，是电机控制系统一种新 的发展思路和方向。 1 5 课题主要研究内容 电机驱动控制系统是电动汽车系统的关键组成结构，决定着整车系统的运行 性能和能量利用效率，也是与传统内燃机汽车最大的不同；相比于内燃机汽车， 电动汽车中电机驱动控制系统响应速度快，调速精度高，可靠性强。本文主要研 究以a l t e r a 公司c y c l o n e l i 系列f p g a 为控制核心，根据无刷直流电动机控制系 6 武汉理t 大学硕士学位论文 统的原理及特性，设计四驱电动车驱动控制系统，达到电动车驱动控制系统的最 佳运行标准并提供相应的保护措施。本课题以此为目标进行了以下几点研究工 作： ( 1 ) 无刷直流电机基本原理及控制系统的结构分析 对无刷直流电动机结构及控制原理进行分析，建立数学模型并研究其控制算 法和控制策略；分析p w m 调制方式对无刷直流电机控制的影响。 ( 2 ) 控制系统硬件结构设计 结合控制算法和控制模块对控制系统的硬件结构进行设计，主要包括有 f p g a 外围电路，驱动电路、a d 转换电路等设计。 ( 3 ) 硬件描述语言( d l ) 对控制系统各模块和控制算法的实现 以硬件描述语言对无刷直流电机控制器各模块进行设计，主要包括位置传感 器信号检测模块、a d 转换控制模块、电机转速检测模块、p w m 驱动信号产生模 块；研究数字p i d 控制器的设计与实现等； ( 4 ) 仿真和实验 利用q u a r t u si i 和m a t l a b 环境对系统进行相关的仿真和实验，并进行 实地调试运行。 7 武汉理一i ：人学硕十学位论文 第2 章无刷直流电机的基本原理及控制系统分析 电机驱动控制系统是电动汽车的核心，无刷直流电机以其可靠性高、控制简 单等优越性能成为电动汽车驱动系统的首选【1 3 】。本章选取无刷直流电机作为电动 汽车驱动电机，对无刷直流电机的基本结构和控制原理进行相应的分析和研究。 2 1 无刷直流电机控制系统的基本构成 无刷直流电机控制系统主要由永磁电机本体、位置传感器和功率开关电路组 成，如图2 一l 所示。无刷直流电机的基本工作原理是通过位置传感器检测电机转 子当前的位置信息，通过功率开关电路使电机的电枢绕组按照一定的逻辑顺序通 电，从而在气隙中产生旋转磁场，使转子产生旋转。 图2 1 无刷直流电机控制系统基本原理框图 无刷直流电机采用电子换向装置代替了有刷直流电机的机械换向装置，永磁 电机本体主要由安装有永磁极的转子和安装有电枢绕组的定子两部分组成，定子 绕组一般采用三相连接，转子则由永磁磁钢按一定极对数组成【1 4 】。在定子绕组的 不同接法中三相星形绕组及其全控电路转矩脉动小、绕组利用率高因此被广泛采 用。功率开关电路采用两两导通方式，即每一个瞬间只有两个功率器件导通；无 刷直流电机电枢每转一周，定子绕组换向6 次，功率器件采用1 2 0 导通方式。 功率开关电路，即逆变器电路，根据转子位置传感器检测的转子当前位置信 息，按照一定的逻辑规律决定功率开关器件的开断；按照接法的不同可分为桥式 和非桥式，一般采用m o s f e t 或i g b t 等全控器件组成。 无刷直流电机利用电子换向装置取代了机械电刷换向装置，在结构上则是把 有刷直流电机的转子电枢绕组安装在定子上，而把永磁磁极安装在转子上。常规 的直流电源通过电子换向装置向无刷直流电机定子电枢绕组供电以产生位置固 武汉理_ 1 = 大学硕士学位论文 定的电枢磁场，电枢磁场与永磁旋转磁场相互作用才能使得电机实现正反向的旋 转，因此电枢绕组还需根据转子位置信号进行正确的换相操作【”】。无刷直流电机 控制系统在结构上除了由定子和转子组成电机本体和功率开关电路之外，还要由 转子位置传感器来控制功率开关器件的开通与关断，从而实现定子电枢绕组的正 确换相，使得定子电枢绕组所产生的磁场与转子的旋转磁场在空间始终保持在9 0 0 电角度的范围之内。 位置传感器在无刷直流电机中的作用是检测转子磁极的位置，为功率开关电 路提供正确的换向信息，这部分与传统有刷直流电机机械换向装置作用类似，它 主要有耦合式、敏感式及接近开关式等【1 6 】。 由于永磁无刷直流电机转子为永磁体，因此本文采用霍尔元件作为位置传感 器，利用霍尔效应检测转子磁极的位置。无刷直流电机中霍尔位置传感器安装在 绕组线圈边所在位置，当磁极极间出现时霍尔传感器输出电平信号变化形成换相 逻辑信号。如图2 2 ( a ) 所示，永磁体s 的弧度宽为1 8 0 0 电角度，三个霍尔元 件h a 、i l b 、h e 安装位置相隔1 2 0 0 电角度。 在电机转子的旋转过程中，h a 、h b 、h e 便交替输出三个宽1 8 0 0 电角度、相 互相位差1 2 0 0 电角度的矩形波信号，如图2 - 2 ( b ) 所示。根据霍尔元件的输出 信号的不同组合可判断出某一时刻转子磁极的位置，对该信号进行相应的处理后 可驱动功率开关器件进行工作。 h ( a ) i h a ；| l 。 1 2 0 。：1 8 0 ：2 4 0 。：3 0 0 。 3 。刎 h b l：i i ；l i !i l 卯 1 2 0 4 ：1 8 0a ：2 4 0 。：3 0 0 。 3 6 0 ；捌 h c i i i i ； ： l ( b ) 图2 2 霍尔元件式位置传感器及其输出波形 霍尔元件式位置传感器结构简单，经济适用，可靠耐用，控制方法也较为简 单，但要注意的是在传感器安装过程中，霍尔传感器要尽量靠近永磁体，否则其 9 武汉理i ：人学硕十学位论文 输出的信号电平过低无法进行j 下常工作。 无刷直流电机控制系统原理框图如图2 3 所示，电机本体为三相六状态工作 方式，电机的电枢绕组使用星形连接，分别与相应的功率开关器件v 卜v 6 相连。 功率开关器件v 1 - v 6 组成全桥功率开关电路，电机每相绕组的始端与一个桥臂 相连，在星形接法的电机电枢绕组中，只有导通的相绕组才有电流流过，而没有 导通的相绕组则没有电流流过。位置检测由与电机本体同轴的位置传感器完成， 用以检测电机转子位置。控制电路对位置传感器信号进行相应的处理并进行相应 的逻辑变换以产生驱动信号，经过相应的驱动电路处理后用于控制功率开关器 件，使电机各相绕组按照一定的逻辑顺序进行工作。 图2 3 无刷直流电机控制系统原理图 2 2 无刷直流电机的控制原理 无刷直流电机与普通直流电机相比去掉了电刷，转子为永磁体而将电枢绕组 装在定子上，这种结构与普通直流电机相反。一般采用双边励磁的方法，即转子 侧加直流励磁电流，产生固定的励磁磁势f f 定子侧由直流电源供电，产生电枢 磁势f a 【1 7 】。电枢通入直流电后产生不变的磁场，电机转子不会产生旋转；为了使 转子旋转，需要让定子电枢各项绕组不断进行换向通电，使定子磁场随转子位置 不断变化。换向装置由位置传感器、控制电路和功率开关电路组成，其作用便是 使转子侧产生的静止励磁磁势f f 与电枢磁势f a 在空间上始终保持9 0 0 的电角度， 从而产生最大的电磁转矩。 1 0 武汉理工人学硕+ 学位论文 永磁电机定子电枢绕组一般采用三相对称连接形式，转子则由永磁磁钢按一 定的极对数组成。三相绕组连接包括有星形和三角形连接方式，同时对应的功率 开关电路也分为桥式和非桥式两种【i 引。不同的电枢绕组连接和电机驱动方式可以 产生不同的性能。 以三相六状态无刷直流电机的控制为例，如图2 - 4 所示，a a t ，b b t ，c c 分 别代表无刷电机的三相定子电枢绕组。当永磁体和转子位置处在图2 - 4 ( a ) 中位 置时，通过位置传感器检测磁极信号的位置并反馈给控制电路，经控制电路驱动 开关功率电路，使功率器件v 1 和v 6 导通，绕组a 、b 通电，产生电枢磁势f a ； 电流路径为：电源正极一v 卜a 相绕组一b 相绕组- v 6 - 电源负极，转子侧产生的静 止励磁磁势f f 与电枢磁势f a 相互作用使转子顺时针旋转。当转子顺时针转动6 0 0 到达图2 4 ( b ) 所示位置时，位置传感器检测磁极信号的位置并反馈给控制电路， 经控制电路驱动开关功率电路，使功率器件v 6 截止，v l 和v 2 导通，绕组a 、 c 通电，电流路径为：电源正极一v 卜a 相绕组一b 相绕组一v 2 一电源负极，转子侧 产生的静止励磁磁势f f 与电枢磁势f a 相互作用使转子继续沿顺时针方向旋转。 以此类推，功率开关器件的导通逻辑为v 1 v 6 一v 1 v 2 一v 3 v 2 一v 3 v 4 一v 5 v 4 - v 5 v 6 ， 采用这种导通逻辑往复地循环可使电机各相绕组按一定顺序工作产生连续旋转。 f a ( a ) f f f a ( b ) 图2 - 4 无刷直流电动机工作原理图 在图2 - 4 中，转子侧产生的静止励磁磁势f f 连续沿顺时针方向转动，而电枢 磁势f a 不是连续旋转而是一种跳变式的旋转，每次跳变6 0 0 电角度；并且f a 只 有在f f 从图2 4 ( a ) 位置到达图2 - 4 ( b ) 位置时才会跳变6 0 。电角度。转子每 转过6 0 。电角度电枢磁势改变一次，相应的功率开关器件进行一次换流【1 9 1 。在转 子旋转一圈的过程中电机共有6 种磁状态，每一状态中两相定子绕组导通，每一 武汉理t 大学硕十学位论文 相导通时间相当于转子转过1 2 0 0 电角度，因此此功率开关电路称为1 2 0 0 导通型。 在转子旋转一周的过程中分为6 种状态。表2 - 1 给出了正反转过程中功率开 关器件的导通逻辑。 表2 - 1 正反转通电逻辑 转子位置l 0 6 0 i6 0 1 2 0 1 2 0 1 8 0l1 8 0 2 4 0i2 4 0 3 0 0i3 0 0 3 6 0 茗雅未l 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 l 0 0 1 l 1 0 1 i100hahbhc iiilil ()lli 正向旋转 导通相绕组ia b i a c i b c i a b l a c l b c 导通功率管iv i v 6lv 1 v 2iv 3 v 2lv 3 v 4iv 4 v 5lv 5 v 6 反向旋转 导通相绕组ia b a cb c i a b l a c i b c 导通功率管iv 3 v 4lv 4 v 5iv 5 v 6iv 1 v 6lv 1 v 2iv 3 v 2 2 3 无刷直流电机的数学模型 无刷直流电动机转子旋转的过程中，电动机定子上的电枢绕组切割磁力线产 生感应电动势。电枢绕组中的反电动势波形与气隙磁场波形、转子转速和转子相 对于定子电枢每相绕组的位置有关【2 0 l 。在方波气隙磁场电机中，定子绕组反电动 势是三相对称的梯形波，如图2 5 所示。 髓i a e b i b 图2 - 5 电枢电流和反电动势理想波形 在三相六状态星形连接的无刷直流电机中，电枢绕组反电动势为梯形波，波 武汉理丁大学硕士学位论文 三； = f 乏 耋l 芝 + 妻 兰 薹 尸 1 1 + 三； c 2 一， 三相星形绕组中乞+ 屯+ t = 0 ，饩+ 拖+ 抱= o ，则有： 三； = 鼍 三 芝 + j 膨三 肘l 三膨 p 芝 + 三； c 2 _ 2 ， 武汉理工大学硕士学位论文 u a u b f 缸 r 图2 - 6 永磁无刷直流电机等效电路图 电磁功率p 。= e a i 口+ e b i 6 + e c i 。 定子绕组电磁转矩疋：鱼奠兰型t 竺美 国 无刷直流电机机械方程为：疋一瓦= 等 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 式中l 为负载转矩，为系统转动惯量，国为角速度。 根据电枢回路电压方程可得u = e a + i a r + a u ； ( 2 6 ) 其中u 为端电压，色为电枢绕组反电动势，l 为电枢电流，尺为电枢回路 平均电阻，u 为功率管饱和压降。 电枢反电动势色= k 。，l ， ( 2 7 ) 其中k ，为反电动势系数，疗为电机转速。 由式( 2 6 ) 和( 2 7 ) 可得电机转速公式厅：u - i = , , r _ - 一a u ( 2 8 ) 2 4p w m 调制方式分析与研究 脉宽调制技术p w m ( p l u s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 是利用微处理器的数字输出来 对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。p w m 控制技术以其控制简单，灵 活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。 1 4 武汉理工人学硕士学位论文 2 4 1p w m 调制方式分类 p w m 调制主要可以分为两种形式，即全桥调制和半桥调制。全桥调制是指 对功率开关电路的所有器件v 卜v 6 进行p w m 调制；半桥调制是指在任意时刻只 对上半桥v 1 、v 3 、v 5 或者下半桥v 2 、v 4 、v 6 进行调制。半桥调制又可以分为 对称半桥调制和不对称半桥调制；对称半桥调制是对每一个功率开关器件在前6 0 0 电角度保持全通而在后6 0 0 电角度进行p w m 调制，而不对称半桥调制是在1 2 0 0 电角度范围内只对一个功率开关器件进行p w m 调制。 三相无刷直流电机采用三相六状态桥式工作方式，其转速调节通过p w m 脉 宽调制实现。对于功率开关器件组成的桥式逆变电路有着不同的p w m 调制方式， 不同的调制方式对电机的电枢电流存在不同的影响【2 。为了使无刷直流电动机达 到更好的调节性能，本文对不同p w m 调制方式进行分析。 2 4 2p w m 调制方式对电枢电流影响 p w m 调制主要可分为全桥调制和半桥调制，下面对这两种p w m 调制方式 对无刷直流电机电枢电流的影响进行分析。 采用全桥调制时，以v 1 和v 6 均导通的6 0 0 电角度为例，在v 1 和v 6 上加 以p w m 调制信号。如图2 3 所示，在v l 及v 6 的导通阶段电流通路为：电源正 极一v 卜电机a 相绕组一电机b 相绕组一v 6 一电源负极，此时中点电压u 。= u 。2 ； 在v 1 和v 6 的截止阶段，a ，b 两相绕组通过与功率开关器件并联的二极管以及 电容c 进行续流，维持中点电压u 。= u 。2 。在此期间如图2 5 所示，c 相端电 压在u 。2 一e 至u 。2 + e 范围内变化( e 为相反电动势，e u 。2 ) ，即在6 0 0 电角度过程中均有0 u 。 u 。，使得与v 5 并联的二极管正偏导通，导致c 相绕组导通，出现非换相期三相同时导通的情况。 1 5 武汉理工人学硕士学位论文 同理，如果v 1 全导通而v 6 受p w m 调制信号控制，同样会出现上述三相同时导 通的情况。出现三相同时导通的情况对电枢电流产生较大波动，从而增大电机转 矩脉动。 在不对称半桥调制时出现三相同时导通的现象，主要原因是p w m 在一个导 通周期内只对一个功率开关器件进行控制，因此不论是对称半桥还是不对称半桥 都会出现这种现象，唯一区别是在电枢电流脉动方面对称半桥调制比不对称半桥 略小【勿。 为了解决这样的问题，目前提出了另一种p w m 调制方式，即3 0 0 调制方式， 又称为p w m o n p w m 调制，只对前3 0 0 和后3 0 0 电角度进行p w m 调制，其他 时刻对功率器件进行全通控制。经过研究表明这种新的调制形式可以消除这种三 相同时导通的现象，但若采用这种方式需要对位置传感器进行改造，增加了成本， 也使无刷直流电机控制系统变得更加复杂。综合上述原因以及本文系统的实际情 况，本文采用不对称半桥调制对无刷直流电机