（检测技术与自动化装置专业论文）多模式pev电动控制器的研究与设计.pdf

摘要 摘要 在目前全球环境污染和能源危机日益严峻的情况下，纯电动汽车( p u r e e l e c t r i cv e h i c l e ) 以其绿色环保、低噪声、能源利用率高、便于操作等优点，越 来越受到人们的青睐。国外电控系统产品性能日趋稳定、功能更加丰富，然而我 国电控系统发展缓慢，已经成为制约我国纯电动汽车行业发展的关键技术之一， 解决这一关键技术具有重要的意义。 本课题在查阅大量国外纯电动汽车控制器技术资料的基础上，设计了这款具 有自主知识产权且极具市场竞争力的多模式纯电动车电动控制器。本文重点介绍 了控制器的硬件设计、软件设计以及性能测试。 系统硬件采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为控制核心，将硬件电路进行模块化设 计：电源模块、检测模块、通讯模块、驱动模块、故障显示模块等，并进行了硬 件可靠性设计。系统软件设计以实现多模式功能为核心，通过模块化设计实现了 系统的控制功能，并详细介绍了电动控制系统各软件功能模块的设计方法和相应 的软件流程图。 文中最后给出了该电动控制器的性能测试试验，试验结果表明，控制器的各 项性能都比较优异，实现了温度补偿、负载补偿、再生制动、速度调整等功能， 还集成了故障显示与保护功能、在线可编程和实时控制功能等，设计达到了预期 的目标。 关键字：电动控制器他励直流电机抗干扰技术1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 多模式 a b s t r a c t i nt h ec u r r e n t9 1 0 b a lp o l l u t i o no ft h ee n v i r o n m e n ca n dg j o b a ie n e r g yr e s o u r c e s c r i s i sw e r ei n c r e a s i n g l ys e r i o u ss i t u a t i o n ，p u r ee l e c t r i cv 色h i c l e s ( p e v ) ，w i t hi t sg r e e n e n 、r i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，l o wn o i s e ，e f ! e i c i e n t l y u t i 王i z ee n e r g y e a s yt oo p e r a t e ，a r e b e i i l gf l v o r e db ym o r ea n dm o r ep e o p l eo fa l lt h ew o r l d t h ep e r f o 眦a n c eo f 。o v e r s e a s m o t o rc o n t r o l l e rs y s t e m si n c r e a s i n g l y s t a b l ea n do fr i c h e rf u n c t i o n ， b u t t h e d e v e l 。p m e n to fe o n t r o l l e rs y s t e mi no u rc o u n t r yi ss l o w l y t h ec o n t r o l l e rs y s t e mo t p e vi so n eo ft h et e c h n o l o g y 、v h i c hr e s t r i c t so u rc o u n t r y sp e vi n d u s t 巧a n d l tl s i m p o r t a m t os o l v em ek e yt e c h n o l o g y t h i sr e s e a r c hd e s 谵nam u l t i f u n c t i o n a l i n t e l l 培e n tc o n t r o l l e ru s e df o rp e v w h i c h h a ss e l f _ o 、v n e di n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t sa n dh a sg r e a tm a r k e tc o m p e t l t l o no nt n e b a s i co fm a s s i v et e c h n i c a lf o u n d a t i o nr e l a t e dp e v c o n t r o l l e r t h i sp 印e rf o c u s e so n t h ec o n t r o ls v s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，s o f t w a r ed e s i g na n dp e r f o r m a n c et e s t s y s t e m h a l - d w a r eu s e st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa s c o n t r o lu n i t ， t h eh a r d w a r ec 强c u l t b l o c k - b a s e dd e s i g n ：p o w e rs o u r c em o d u l e ，d e t e c t i o nm o d u l e ，c o m m u n l c a t l o n m o d u l e ， d r i v e nm o d u l e ，f a u l td i s p 王a ym o d u l e ，e t c t h es y s t e ms o r w a r ed e s i g nt a k er e a l l z e st h e m u l t i m o d em n c t i o na sac o r e ，h a sr e a l i z e ds y s t e m sc o n t r o if u n c t i o nt h r o u 曲t h e m o d u l a rd e s i g l l t h i sp 印e ri n t r o d u c e st h ed e s i g nm e t h o do fe a c hf h n c t i o n 【n o d u l e a j l dt h es o r w a r en o wd i a g r a m sa b o u te a c hf u n c t i o nm o d u l e f i n a l l y ，t 1 1 ee x p e r i m e n tr e s u l t s o ft h ec o n t r o i l e ri n s t a l l e di n t h ev e h i c l ea r e p r e s e n t e d i ti ss h o 、v e d t h a tt h ep e m 肌a n c e so fc o n t r o l l e r a r ev e r ) ，g o o d lh e c o n 心d l l e ri m p l e m e n tt 1 1 et e m p e r a t u r ea n dl o a dc o m p e n s a t i o n ，r e g e n e r a t l v eb r a 姐n g f u n c t i o n ，s p e e da d j u s t i t l e n t ，b u t a l s oi m p r o v em ei n t e 酽a t i o no ff a u l td i s p l a ya n d d m t e c t 劬c t i o n ，o n 1 i n ep r o g r a m m a b l ef u n c t i o n s ，r e a l - t i m ec o m r o l ，a n d s oo n jn e d e s i 星皿o ft h ep r o j e c tm e e t s t h ee x p e c t e dr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：e l e c t r i cc o n t r o l l e r ，s e p a r a t e l y e x c i t e dd c m o t o r ，a n t i - j 锄m i n gt e c h n i q u e ， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，m u l t i m o d e 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定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，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：嚣忍幽 刎年6 月髟日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 。1 电动车辆的现状和发展趋势 随着社会的发展和科技的进步，汽车已经成为现代社会最主要的交通工具。 当今世界，汽车保有量已经超过8 亿辆，并以每年3 0 0 0 万辆的速度递增( 辛克伟， 周宗祥，卢国良，2 0 0 8 ) ，根据2 0 0 1 年的统计数据，世界汽车产量约为5 5 7 7 万 辆，就我国而言，2 0 0 2 年的汽车产量也超过了3 万辆。我国汽车的总量及入 均拥有量与发达国家相比有很大的差距，但汽车排放造成的大气污染己不容忽视， 调查表明：每年汽车尾气约排放2 亿吨有害气体，占大气污染总量6 0 以上( 文 明，2 0 0 8 ) 。汽车的能源主要依赖于石油产品，据专家预测，按照目前的石油开 采量，世界石油已勘查的储藏量只能使用7 9 年。因此从节约资源，降低汽车污 染物的排放量，以电动车辆代替燃油汽车成为世界汽车厂商和科研院所共同研究 的课题。 电动车辆( e 1 e c t r i c a lv e h i c l e ，e v ) 是全部或部分由电能驱动电机作为动力系 统的车辆，包括以蓄电池供电的纯电动车辆( p u r ee l e c t r i c a lv c h i c l e ，p e v ) 、以 内燃机与蓄电池等混合驱动的电动车辆( h v b r i de l e c t r i cv c h i c l e ，h e v ) 及以燃料 电池驱动的电动车辆( f u e lc e ue l e c t r i cv c h i c l e ，f c e v ) 三种类型。电动车辆与 内燃机车辆相比有以下优点( 贺彦峰，2 0 0 5 ) ： l 、电动车辆与内燃机车辆相比最大的优点是污染少、噪声低，对环境污染 少。电动车辆的能源是由电网提供的电能给蓄电池充电得到的，电能可由核能、 太阳能、风能、水能、潮汐能等新型能源提供，从而不依赖于石油能源，减少了 石油的消耗。 2 、电动车辆能量转换率高，同时具有更快更精确的转矩控制能力。电动车 辆能源利用效率大大超过内燃机车辆，在运动中停车时不消耗能量，在再生制动 时，给蓄电池充电，从而提高了电动车辆的能量利用率。电动车辆充电主要是夜 间充电，这样在非高峰时段充电有利于均衡电网负荷，降低设备和管理费用，降 低电网的负担和减少消费者的开支。 3 、电动车辆的结构比内燃机车辆简单，运动部件少，消费者在操作时更加 方便，大大降低了日常维修保养量。由于少了很多齿轮传动设备，使其维修很方 便，节省了开支。 p e v 以蓄电池为唯一的动力源，绿色环保、低噪声、能源利用率高、便于 操作，真正做到了零排放。但是由于蓄电池容量有限，续驶里程一般较短，一次 第1 章绪论 充电的续驶里程不能与内燃机汽车一次加油的续驶里程相比，且蓄电池充电时间 较长。针对电动汽车本身的缺点，汽车厂商和科学家们根据不同领域的要求，研 究开发了各种类型的电动汽车： l 、电动叉车、电动货车及电动轻型卡车的开发 在工作环境较为洁净的工厂，如面粉厂、电子产品厂、晶圆厂等，高污染的 内燃机叉车、货车、轻型卡车已经不能满足工作需求，p e v 已经是最主要的解 决方案。它适用于工厂内部运输、短程运输以及较小范围的货物搬运，由于不需 要续航里程的限制，目前在发达国家有较大的开发和市场应用。 2 、高尔夫球车、游览车以及微型电动汽车的开发 高尔夫球车以及游览车使用在环境优美的高尔夫球场、观光景点，需要车辆 污染少，且绝大多数时间只是白天使用，晚上停止工作，正适合p e v 的工作特 点，p e v 正逐步替代内燃机车辆。 微型电动汽车也是p e v 研究的一个热点j 一般为两人车，具有较小的最高 时速和续驶里程、很小的体积和重量、较低的价格，适合人们购物、娱乐、短程 上下班乘车的要求。 3 、公共交通h e v 和p e v 开发 城市公交车的短途往返行驶为电动汽车的实用运营提供了广阔的前景，电动 汽车的续驶里程短的缺陷在城市公共交通领域已不能成为制约其发展的瓶颈，但 是由于城市公交车一般载客量很大，若使用p e v 型公交车，将对蓄电池的容量 要求很高，所以大多数厂商都致力于h e v 型公交车的开发。近年来也有很多厂 商从提高电池容量着手，开发p e v 型公交车。 4 、混合动力电动汽车的开发 混合动力电动汽车是由内燃机动力和电动机动力共同驱动的电动汽车，它分 为串联动力型、并联动力型及丰田动力型三种形式，都只有可控制的极少的空气 污染，有相当长的续驶里程，能够满足人们对环境的要求及续驶要求，全球各大 汽车制造商大多制造出性能优越的混合动力电动汽车并投放市场。 5 、燃料电池电动车的研究 燃料电池汽车是利用燃料电池中氢气与氧气发生反应产生的电力作驱动力 的电动汽车。燃料电池的电动汽车摆脱了充电补充能源模式，而是加注燃料的方 式，使电动汽车不受充电设施的限制。但燃料电池成本高，不能提供车辆起步、 加速所需瞬时大功率，且无法吸收车辆制动能量，因此现在的研究都致力于降低 f c e v 成本和匹配其他储能元件一起组成燃料电池汽车的动力源。 第1 章绪论 1 2 国内外电动车辆发展状况 1 2 1 国外电动车发展状况 在美国、日本、欧洲等发达国家，电动汽车己开始进入实用化阶段。现在， 美国已有7 个州加入了零排放计划，到规定年限后这些地区销售的汽车必须为 零排放，即只能为纯电动汽车和燃料电池电动汽车。以美国蓝鸟客车公司、英国 的f r 豺匹r i n a s h 公司、日本丰田、日本本田为代表的电动客车和轿车已经 上市。英国已有数万辆电动汽车在使用；法国是世界上推广应用纯电动汽车最成 功的国家之一，成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会，巴黎和拉罗舍尔 已经建立了比较完善的纯电动汽车充电站网基础设施，制定了优惠的支持和激励 使用电动汽车的政策，且已经初步形成了纯电动汽车运行体系。亚特兰大奥运会 使用了美国蓝鸟客车公司的纯电动客车作为公务和电视转播车，悉尼奥运会购买 了英国f r 乙嗵r _ n a s h 公司公司的近4 0 0 辆电动客车作为运动员接送车辆( 陈 宗璋，吴振军，2 0 0 8 ) 。 1 2 2 国内电动车发展状况 国内电动汽车的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但当时的研究开发都是比较零散， 规模比较小，投入也很少。8 0 年代开始，我国开始掀起电动汽车的研究高潮， 国家科委、计委在“八五 、“九五”期间组织了纯电动汽车的攻关，现在又将 纯电动汽车列入“十五国家8 6 3 计划电动汽车重大专项，中央财政拨款8 8 亿 特别设立电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的 主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，联合攻关。国内一些科研院所和生 产企业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果，国内电动汽车研究的整体水 平不高，特别在电动汽车的关键技术上。 目前在纯电动汽车的电池和电机研制方面，我国与世界先进水平差距较小， 有些甚至处于领先地位。如深圳雷天绿色电动源( 深圳) 有限公司开发的锂离子电 池续驶能力达到3 0 0 公里，最高时速可达1 2 0 公里；深圳中星汽车制造公司研制 的超级纳米碳纤素电池容量是一般铅酸电池的1 l 倍，能量功率之比可达每千克 一千瓦时，充电仅需1 0 分钟就可以完成，寿命可达1 0 年以上，价格为锂电池的 半，体积为锂电池的l 3 。安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的水平极板铅 酸蓄电池具有较高的性能指标，已经获得国家专利。这些都是中国电动汽车高性 能电池和驱动电机技术的重大突破。 安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的q r e v 低配置纯电动轿车，2 0 0 3 年 3 第1 章绪论 经过国家电动汽车试验示范区管理中心试验检测，其连续行驶距离、时速、爬坡 能力、百公里电耗等主要技术指标均达到了较高水平。东风电动车辆股份公司开 发出e q 7 1 6 0 e v 纯电动轿车、纯电动富康轿车和纯电动客车等电动汽车。纯电 动富康轿车( e q 7 1 4 0 e v ) 利用c e v - 9 5 技术，可实现按用户需求定制。纯电动客 车( e q 6 6 9 0 e v ) 1 9 座、铅酸电池动力，适用做观光、游览、宾馆接送车、机关团 体班车，也可作为特殊接待用车，并可根据需要改装成电视转播车、各类宣传车、 邮政车等( 秦岭，2 0 0 8 ) 。 经过近十年的发展，中国电动车已经形成了一个庞大的产业链。从我国国情 和人们的消费水平出发，电动车具有广阔的发展前景。展望未来，电动车也将成 为我国最具国际竞争力的一个产业。 1 3 国内外电动车辆控制器研究现状 电动车辆控制器经历了从s c r 电控到m o s 管电控、从模拟电控到数字电控 的发展过程。采用大功率m o s 管斩波控制，使得驱动电压可以任意小范围改变， 使输出电流更加平稳，更加省电，真正实现了无级变速。模拟器件的一些参数受 外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟控制器的可重复性 比较差，控制效果不理想。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参 数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。随 着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加用户也 不断提高对电机控制技术的要求。总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达 到更高的性能。许多设备试图使用8 位或是准1 6 位的微处理器实现电机的闭环 控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。例如，在 很多领域( 如工业、家电和汽车) ，用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器 的电机。这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算 法来实现。但是这可能超出上述微处理器的计算能力。 使用高性能的数字信号处理器( d s p ) 来解决电机控制器不断增加的计算 量、不断提高的计算精度和速度是目前业界普遍采用的方法。将一系列外围设备 如a d 转换电路、p w m 发生电路、滤波电路、通讯电路、c p u 集成在一起，就 获得一个既功能强大又价格经济电机控制专用的d s p 芯片。近年来，各种集成 化的单片d s p 的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好， 价格却大幅度降低。低端产品的价格巳接近单片机的价格水平，但却比单片机具 有更高的性能价格比。越来越多的电动车辆控制器开始选用d s p 器件来提高产 品性能。 4 第1 章绪论 现在各大生产厂家都推出自己的内嵌式d s p 电机控制专用集成电路。如占 d s p 市场份额4 5 的t i 公司，凭借自己的实力，推出电机控制器专用 d s p - - t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列。t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列作为新一代数字电机控制器的专用 d s p 系列，可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监 控等功能。另外a d 公司与i i l t e l 公司合作，生产出a d m c 3 x x 系列电机控制专 用d s p ，性能与1 r i 公司的产品类似，也是基于a d 公司的1 6 位定点d s p 设计 的，并且也集成了三相p w m 发生器( 1 6 位) 和a d 转换器。其他比较有名的生 产d s p 的厂商如m o t o r o l a 公司和n e c 公司也各自推出了专门用于电机控制的 d s p 芯片。 1 4 课题的研究背景及意义 在世界电动车辆行业蓬勃发展的同时，我国电动车辆厂商和科研院所也在紧 锣密鼓的进行研究、商用工作。我国虽然与国外水平有差距，但差距尚未完全拉 开，还没有形成像传统燃油汽车与国际先进水平差距那么大。我们应该抓住电动 汽车发展的大好时机，改变我国汽车工业落后的局面。 目前国内很多厂商在混合动力电动车、纯电动轿车、纯电动客车等领域都取 得了长足的进步，但是在电动货车、电动叉车、电动游览车、电动高尔夫球车等 小型p e v 车辆方面只局限于整车的组装，小型p e v 车辆的关键技术电机控 制器技术仍然被美国、意大利、英国、法国的几家公司垄断。其垄断性的技术、 高额的价格、昂贵的售后服务以及不可复用的型号分类严重限制了我国小型p e v 行业的发展。 本课题研制开发的多模式p e v 电动控制器具有自主知识产权，打破了国外 的技术垄断，开创了国内小型p e v 控制器行业的先河。多模式控制器可以匹配 不同的他励电机进行参数编程，可以对p e v 的主要参数进行编程以满足不同车 辆，不同操作者以及不同工作环境的性能要求。此款控制器可以经过编程设置应 用在上述车辆上，一款控制器完全可以取代国外同功能的四款控制器，极具市场 竞争力，更重要的是可以带动一批国内优秀的厂商一起投入到研发小型p e v 电 动控制器的领域中，给国内小型p e v 行业的发展提供一个良好的平台。 1 5 本文的任务 本课题的研究以产品市场化为导向，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控芯片，从以 下几个方面对p e v 电动控制器进行理论分析和实验研究： 5 第l 章绪论 l 、他励直流电机的调速、制动原理以及应用 目前市场上小型p e v 的牵引电机有相当多的是他励直流电机，他励直流电 机与串励电机、并励电机相比有很多优越性，但是其调速、制动也相对繁琐。本 文首先从原理上分析了他励直流电机四象限制动特性和调速原理，并结合本课题 的实际应用进一步进行了研究。 2 、基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的多模式p e v 电动控制器的硬件平台设计 多模式p e v 电动控制器是结合了控制技术、电子技术、电力电子技术与电 力拖动技术于一体的产品。此外，要设计一个好的控制器，还要对电池特性、汽 车的操控性与安全性能等方面有深刻的了解。而本课题研制的控制器就考虑到了 对电池、电机及控制器本身的保护，并且拥有完善的故障检测与保护功能。 本控制器的硬件系统包括： c p u 系统：由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系统组成，包括c a n 通信电路、串行 通信电路、外围串行e e p r o m 扩展、掉电保护电路、看门狗电路等。 p w m 驱动电路：将c p u 发出的p w m 指令进行信号放大以驱动大功率 m o s 管工作。 检测单元：电流检测、温度检测、加速器输入检测、速度检测、电池电 压检测、模式检测等。 人机对话模块：通过状态l e d 和故障输出口显示故障代码，监视控制 器工作状态；通过手持编程器或者是主机操作界面均可对相关参数进行 读取和设置，并依此监视控制器的运行情况 3 、基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的多模式p e v 电动控制器的软件流程设计 该系统软件部分主要包括主程序、中断服务程序和各种应用子程序。主程序 的主要功能是实现系统的初始化、系统启动和任务调度。子程序包括各种模式调 度、参数计算、通信、故障检测、模拟及数字量检测、故障检测与保护、故障显 示等等。 4 、基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的多模式p e v 电动控制器的功能测试 控制器研制结束后参照国外主流控制器的特性指标，并结合本控制器独创性 功能，从以下功能进行测试： 多功能测试：能否根据p e v 类型的不同，对控制器进行相应的功能设置 多模式测试：能否根据用户的需求，对控制器进行相应的模式设置 再生制动测试：控制器能否控制电机进行再生制动，以使电池使用时间 更长，电机碳刷磨损更小 电池保护测试：电池欠压过压能否报错和保护 人机对话模块测试：能否通过人机对话模块跟踪识别控制器的工作状态 6 第l 章绪论 和对控制器进行参数读取和设置 温度保护测试：控制器温度过低或过高时能否限制工作以进行保护 电路连接错误保护测试：当外围线路连接错误时如励磁线圈脱落、电枢 线圈脱落等，控制器能否报错 防滑坡保护测试：车辆在坡上加速器松开后能否进行速度保护 踏板保护测试：当高脚踏板( h p d ) 和静止关闭( s r o ) 时能够报错以 防止车辆启动时失控 速度调节测试：能否根据用户的需求，通过人机对话模块对控制器进行 设置，提高或者降低速度 酸碱度测试：能否在一定的酸碱环境内正常工作 高低温测试：能否在一定的高低温环境内正常工作 震动测试：能否在恶劣的路况环境下正常工作 第2 章他励叵流l 乜机的制动及调速原理 第2 章他励直流电机的制动及调速原理 他励直流电机用于车辆牵引电机时，其制动性能和调速性能是判断控制器功 能好坏的重要指标，本章从原理和应用中分析电机制动和调速原理，为硬件电路 设计和软件编程做好理论准备。 2 1 他励直流电机制动特性 他励直流电机有两种运转状态，电动运转状态和制动运转状态：电动运转状 态是电动机最基本的工作状态，其特点是电动转矩丁的方向与旋转方向相同，此 时电池向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载；制动运转状态是与电动状 态相对应的一种工作状态，其特点是转矩r 与转速，z 的方向相反，此时电动机吸 收机械能并转化为电能( 顾绳谷，2 0 0 0 ) 。常用的制动方法为：再生制动、能耗 制动、反接制动。下面分别从原理和实际应用中介绍三种电气制动方法。 2 1 1 他励直流电机制动特性原理 1 、能耗制动 能耗制动状态电路图见图2 2 ，为便于比较，图2 1 给出驱动状态时的电路。 + 图2 1 他励电动机驱动状态电路图 + 图2 1 中标出的标出的各参量均为正方向，此时触点k l 闭合、k 2 断开， 电池向电动机供电，即电能转换为机械能。 能耗制动时，磁场保持不变，触点k l 断开、k 2 闭合，电枢脱离电源并且 第2 章他励直流电机的制动及凋速原理 电枢接上制动电阻也。开始制动时由于惯性影响，转速甩存在且与电动状态相同， 因此电枢具有感应电动势历，其方向亦与电动状态时相同，匕产生感应电流厶， 其方向与电动状态相反。此时磁通西方向未变而电流反向，根据公式丁= c 删r 口 可知，丁亦反向，即r 与玎的方向相反，r 为制动转矩，使系统较快的减速。在 制动过程中，电动机靠系统的动能发电，把动能变成电能，消耗在电枢电路内的 电阻上，因此称之为能耗制动。 + 尺口+ 图2 2 能耗制动状态电路图 i n + 图2 3 能耗制动状态机械特性图 能耗制动的特点是泸0 ，以为正时，丁为负；，z = 0 时，丁= o ，所以机械特性 位于第二象限，并通过坐标原点，机械特性曲线图如图2 3 所示。如果制动前运 行转速是拧j ，开始制动时，玎j 不变，工作点平移到能耗制动特性上，因而制动转 矩乃为负，在( 乃恐) 的作用下，电动机减速，工作点沿特性下降，制动转矩 逐渐减小，直到零为止，电动机停车。 制动电阻如愈小，则机械特性愈平，乃的绝对值愈大，制动愈快。但r z 第2 章他励卣流l l ! 机的制动及凋速原理 又不能太小，否则乃及乃将超过允许值。 2 、反接制动 反接制动可用两种方法实现：转速反向( 用于位能负载) 与电枢反向( 用于 反作用负载) 。由于电动控制器不涉及位能负载，所以本文只介绍电枢反向所引 起的反接制动。 表示电枢反接的反接制动电路图如图2 4 所示。为了使工作车辆迅速停车或 反向，可突然断开触点k l ，并接通触点k 3 ，把电枢电源反接，电枢回路中串入 电阻尺州。这样，由于电枢反接，u 为负，则电流厶为负值，丁亦为负值，而甩为 正，即丁与力为正反向，为制动状态。此时电枢反接，故称为反接制动。 图2 4 反接制动状态电路图 + 反接制动机械特性曲线如图2 5 所示，其中直线b c d e 是按机械特性方程 式绘出的，其斜率有如和决定。由图中可以看出，如果电动机在制动前工作 在电动状态，在其固有机械特性的a 点运转；电枢反接，转矩瞬间变为乃( 乃 的大小决定于r 川的数值) ，由于转速不能突变，玎萨砌，电动机转移到人为机械 特性曰c 她的b 点，b 点之丁为负，z 为正，在第二象限。直线在第二象限的 b c 段即为反接制动特性。 l o 第2 章他励直流电机的制动及调速原理 l ，k 一二一 彳 c z k 而弋 厶( 疋) e 图2 5 反接制动状态机械特性图 反接制动比能耗制动时制动作用强烈，制动快，制动电流大。如果制动目的 是为了停车，则必须在转速到零以前使触点k 3 断开，否则系统会自行反转。 3 、再生制动 再生制动又称回馈制动，可能出现在下列三种情况：位能负载拖动电机；改 变电枢电压调速；增加磁通痧的调速过程。由于p e v 没有位能负载，所以文中 只介绍改变电枢电压调速和增加磁通咖的调速过程引起的再生制动。 图2 6 再生制动状态电路图 + 在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化 时，就会发生鼢u 的情况，则电流厶为负值，r 亦为负值，而以为正，为制动 状态，电路图如图2 6 所示。在制动过程中，电动机靠系统的动能发电，把动能 变成电能，并给电源充电，因此称之为再生制动。在再生制动过程中，有功率 再生到电池或者电网。因此与能耗制动及反接制动相比，从电能消耗来看， 再生制动是较为经济的。他励电机在增加磁通痧的调速过程引起再生制动的原 第2 茸他励阿流l 岜机的制动硬阔速原理 理与上所述相似，这里不再累述。 t o t zt z t 图2 7 再生制动状态机械特性图 他励电动机降压、降速过程中的再生制动机械特性如图2 7 所示。当电压从 巩降到、时，理想空载转速由以v 降到砌，、即胁，人为机械特 性向下平行移动。当电压从吼降到奶时，转速从晰降到门d ，的期间，由于p 奶将产生再生制动。此时电流厶将与正向电动状态时相反，即厶与r 为负，z 为 正，故再生制动特性相当于特性在第二象限的区段。如果减速到坳，时，不再降 低电压，则转速将将降到低于拗，历 采集各种开关量信号，对车辆行驶状况和驾驶员操作指令进行识别和判 断，从而发出相应的控制指令。 采集各种传感器信号以及反馈信号，对电机进行各种闭环调节，使系统 具有良好的动态和静态性能，使之满足系统控制的要求。 输出电机控制的p w m 调制信号、正反转信号，为驱动电路的各个开关 管提供斩波信号和选通信号，实现对电机的速度、力矩、正反转等控制。 通过s c i 总线与上位机或者手持编程器进行实时监控和编程，实现真正 的人机互动。 通过c a n 总线与车载仪器和车载传感器进行通讯。 实现短路、过流、过压、欠压、高踏板保护、加速器脱落等故障显示和 保护功能。 电源转换电路 = 今g = 刊 加速器输入 串口通讯槠鼯= e = 爿 开关量输入 i j t a g 接口b 。 = = d开关量输出 速度信号输入k = $ t 】m s 3 2 0 = 刊p w m 输出 l f 2 4 0 7 a 复位电路 = 令= = d 故障显示输出 励磁电流检测 = 今。刊 c a n 总线 电枢电流检测 = 令= = d 接触器控制 图3 2 控制板结构框图 第3 錾钾能控制器f 崾r l 。平台设计与实现 为了实现良好的控制功能控制饭的电路设计充分利用了t m s r 2 ( ) l f 2 4 f 1 7 a 丰富的i o 口功能和p w m 调节功能，控制板的结构框图如图3 2 所示，控制板 实物图如图3 3 所示。由图3 2 可以看出控制板有十几个功能模块组成，其中速 度信号输入模块，是为有速度传感器的车辆准备的，用户可以通过手持编程器或 者笔记本来设定是否需要此模块。 黪撼9 毒删 黼黼鏊x 锈翼醑甄 3 1 1c p u 模块 懿 图3 3 控制板实物图 随着科技的进步，市场上出现了很多专门用于电机控制的c p u ，本设计中 选用的c p u 为t i 公司的d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 传统的电机控制芯片一般采用5 l 、9 6 系列的单片机，这些微处理器具有可 在线编程、集成度高、灵活性好、升级方便、价格低廉等优点。但是随着时代的 发展，客户对产片的要求越来越高，特别是控制系统的安全性、舒适性、实时性 都有更高的要求。2 4 0 x a 系列既保持了传统c p u 的优点，并且由于其采用了改 进的哈佛结构，分别用独立的总线来访问程序存储器和数据存储器，可以实现多 级流水线操作，从而加快了程序的处理速度，可以很好的满足实时性的需求。 2 4 0 7 a 将一个高性能的d s p 、大容量的片上存储器( 3 2 k x l 6 的f 1 a s h 存储 器，2 k x l 6 的单口r a m ，5 4 4 x 1 6 的双口r a m ) 和专用的运动控制电路( 定时 器模块、p w m 产生电路、s v p w m 产生电路、可编程死区、捕捉单元) 以及其 毒紫 颦 第3 章毛t 能控制器硬制：平台设计j ，实现 他外设( s c i 接口、s p i 接口、c a n 接口、1 6 路d 转换通道) 集成在单芯片 其系统结构结构图如图3 4 ( t e x a si n s t r u m e n t ) ，这些功能模块使其成为 ：j 二程师们用于电机控制的首选芯片。项目组同时开展了无刷直流电机控制器和异 步交流电机控制器的项目，这两个项目更需要高性能的c p u 来实现复杂的算法， 考虑到项目的延续性和2 4 0 7 a 自身的优点，本设计选用2 4 0 7 a 为控制c p u 。 l 二v o c x i n t l j ) a 2 o a 置 mi b 0 ； 3 l 0 2 r s 2 5 sw 口r d ： p l lc k c k y t 一i ? c l k n c l k o u t ? 1 0 f ! ： x t 。2 了s j二r - l 、1 ：n 1 nr7 暑1 0 j 1 0 f c 。 c 2 l l 0 a 最a mt b ：，o c c i 、 一二 cn ，5 o s p 2 5 w r d ，r ：jf 1 ? v c c o r 1 0 日i ta d c e 0 0 te 、囊：se v r e f h i ：w ，- ht 霄| n u t o ，e q u n e n c r a m ，b 2 1 v r e f l 0 3 2 w o d | j i 、t 27 亡cs0 c ? d 产d ， s o i t x c ? k i p 3 s c ii s ：i r x c l ：i p ， v 0 01 33 v ： s a r m s i 2 吒n o r d ，) c 2 v s s is p i s o v i ? i ) ：3 s ，ii s p i ：? i c - p ：j l s f l s er k p c 5 tot ：止n x l o p c t o ： ： h l ： n r x t i o p c 7 f * h v 0 ：，f5 7 j ( 3 2 kw o t 4 ，： w d n 2 嘞1 2 k 出k 3 ，- ： ：c 一7 fj 0 ，a j 口：_ 1 鼻0 一 i ! 0 3 r ：b ：c 一7 ： o b 。，：7 l c 一 i l ! 0 i ) ? ：c ：c 一7 ：一i ) ：0 ：7 i p 亡sl s 3 ，：【：c ji o f c 【0 1 t s h a r dw j t ho t h r j p n ，i o ，r ：e i 0 7 ji c i f e ：? 1 3 ) r ：f ：o 一；：，0 p f i o ：6 l r e a 亡- yt r s t e x ! ，n m 嘲o r y s t 只已 i n 镛r h c t d 0 w t d i e n 1 j 4 t m s j 彳a op o t c k v i sc e ：r u 0 w 渭? i o p c ：；b 1 0 i c p i 、t e p = pn ：二p 二o e f 3 7 1 0 f 三7 c p ? o e ft 1 1 i p ? ca p：p57i)e尸：一cf=0 ：丘p：poi o “m o o e ，州i r i ? o o a ： 兰v e 8 t n ，g ra ，q11，?0p2r 3 、c a o ：u f h l p u tfwwm9j)e3pt p w f l 4i o f b b a r i p w mowi 3 1 = _ p e 0 p w 5 1 0 p b2 ou“l1-lfe5 p w 6 7 i o p b m j r ，午w m2r ：3 p 丁i m t r j j p w m w i2 ”f 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s l v o l t a d k s i 电压 a d c l n 0 51 0 2 t e 【p e r a t u r ea d 温度检测 a d c i n 0 6l o o s e n s o rp o ta f d 速度检测 a d c i n 0 79 9 d r v o v r c u r i n t驱动器过流p d p i n t a7 m a i n s e n s e i 主接触器驱动检查 i o p f 61 3 l a u x 二s e n s e i 辅接触器驱动检查c l k o u t 仃o p e o7 3 b u z z - s e n s i 反向信号驱动器检查 x i n t 2 i o p d o2 l i 电磁制动驱动器检查c a p 5 1 0 p f o8 l e | b r k s e n s 互锁输入 t c l k i n b 1 0 p f 51 2 6i n t e r l o c ki 脚踏板输入 p w m 9 ，i o p e 35 9p e d a li 前进方向开关 p w m l 2 i o p e 63 8f o r ，a r di 后退方向开关p w m 7 i o p e1 6 5r e v e r s ei 紧急反向输入 p ，m1o i o p e 45 5e m r e v e r s el 模式开关一输入t 4 p w m l o p f 36 m o d e ll