（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的电动汽车能量回馈制动系统的设计与实现.pdf

耋王些查耋王：鳘土鲨耋 一 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ee n e r g yc r i s i sa n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ， i th a sb e e na ni n e v i t a b l et r e n df o re v ( t h ee l e c t r i cv e h i c l e s ) t a k i n g p l a c eo ft h ec o n v e n t i o n a lf u e lv e h i c l e s t h er a n g eo fe vi sm u c hs m a l l e r t h a nt h a to ft h ec o n v e n t i o n a lf u e lv e h i c l e s ，h o w e v e r ，t h i ss h o r th a s r e s t r i c t e dt h ei n d u s t r i a l i z a t i o na n dp r o m o t i o no fe v t h e r ea r em a n y e f f e c t i v ew a y st oi n c r e a s et h ee vr a n g e o n eo ft h e mi st ou s eas y s t e m f o rr e c y c l i n gt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n ge n e r g yo ne v t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to ft h ep mb l d c m ( p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ) r e g e n e r a t i v eb r a k i n gs y s t e m a p p li e d f o re v t h ep r i n c i p l ea n dc o n t r o l s c h e m eo fe l e c t r i c a l r e g e n e r a t i v eb r a k i n ga tl o ws p e e di ss t u d i e di nd e t a i l ac o n v e n i e n t c o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e d i ti sf i r s te x p o u n d e di nt h et h e s i st h a tt h es p e c i a l t yo fc o n t r o l l e r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n dt h ei t sf u n c t i o ni nt h ep mb l d ( 瑚c o n t r o ls y s t e m t h e n w et a l ka b o u tt h eb a s i cc o m p o n e n tp a r t ，t h eb a s i cr u n n i n gp r i n c i p l eo f t h ep mb l d c m t h ef o u r q u a d r a n t so p e r a t i o n t h ec o u r s eo fc h a n g i n gp h a s e a n dd i s t r i b u t i n go fp w ms i g n a l sa r ea n a l y z e di nd e t a i l s e c o n d l y ，t h ec o m m o nw a y so fe l e c t r i c a lb r a k i n ga r ed e s c r i b e d ，t h e r e g e n e r a t i v eb r a k i n ga tl o ws p e e di sa n a l y z e d ，t h eh a l fb r i d g em o d u l a t i o ni sb r o u g h tf o r w a r d 。a n dt h e nt h eh a r d w a r ed e s i g ni sd e s c r i b e d f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fh a l fb r i d g e m o d u l a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so ft m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ，t h ew h o l es y s t e m i sd i v i d e di n t ot w op a r t so fm a i np r o g r a ma n di n t e r r u p t e dp r o g r a m ，a n d d i v i d e ds o m em o d u l e s d e s i g n i n gt h o s em o d u l e si n d i v i d u a l l ya n dt h e n a b s t r a c t - - _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - - _ _ _ _ l l _ _ _ s y n t h e s i z i n gt h e mw ec a nf i n i s ht h es y s t e m p ic o n t r o la l g o r i t h m 。m e - a s u r e m e n to ft h er o t o rp o s i t i o na n dc a l c u l a t i o no ft h es p e e d ，c u r r e n t s a m p l ea n da l g o r i t h mo fs o f t w a r ef il t e r , t h ec o m p l e t i o no fr e g e n e r a t i v e b r a k i n gm o d u l ea r ea n a l y z e d ，a n dt h ef l o wc h a r t so rs o m ep r o g r a ma r e b r o u g h t ，a n df i n a l l y ，t h ew h o l es y s t e mi st e s to nt h ee vd r i v i n gt e s t b e n c hi nt h el a b b e c a u s et h et i m ea n dt h ec o n d i t i o no ft h el a ba r el i m i t e d ，t h et e s t o fc o n t r o l l e rs y s t e mr u n n i n go nt h ee vi sn o tf i n i s h e dy e t ，i ft h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ea n dt h ea n t i j a m m i n gf u n c t i o na r e o p t i m i z e d ，t h e f u r t h e rr e s e a r c hm u s tb ek e p to n k e y w o r d s , d s p ；e v ；p mb l d c m ( p e r m a n e n tm a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o r ) ： r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ；h a l fb r i d g em o d u l a t i o n 独刨性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德。本人声明所呈交的论文是我个人 在导师的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，不包含本人或其他用途使用过的成果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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签名：季觚奶 论文作者签名：移衫才 1 年厂月玎日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 自1 8 8 6 年发明了汽车以来，汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步 和运输工具，可以说汽车大大的缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方 式，提高了人们的生活质量。 但是由于燃油汽车所带来的污染问题越来越严重，特别是尾气中的一氧化 碳和铅对人类的健康危害极大另一方面燃油汽车使用的燃料来自于石油，而 石油是有限的不可再生资源，作为全世界重要的化工资源的石油被世界各国在 汽车上大量地消耗，据近年的有关石油的国际会议估计，全世界探明的石油储 存量在未来5 0 年内即将用完。因此，汽车工业的发展给同时也给世界带来了 无法回避的负面影响。 正是在这种情况下，电动汽车( e v ) 的研究与开发引起了世界各国的关注， 成为汽车发展的新热点。近年来，各大公司在政府的支持下，也制定了发展电 动汽车的长远规划，调动了社会上各种力量参与电动汽车的研制。电动汽车经 历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用 等探索阶段，现在已接近商业化生产。 电动汽车的研究和开发近年来虽然取得了一定的进展，但还存在如下的一 些技术难题亟待解决： ( 1 ) 一次充电续驶里程太短： ( 2 ) 电池的循环寿命短、更换率高； ( 3 ) 电池的充电时间长通常需要6 - 1 0 个小时才能完成； “) 电动汽车的动力性能还不够理想，电机的调速控制系统和蓄电池的能量 管理系统复杂，技术不成熟； ( 5 ) 售价昂贵： ( 6 ) 整车太重。 广东工业大学工学硕+ 论文 由此可见，所有这些困扰电动汽车发展的主要因素最终都可以归结到电池 上。到目前为止，电动汽车的电池技术也没有取得突破性进展，在电池技术暂 时难以有大的突破之前，如何充分利用能源，开发高效率的能量回馈制动 技术，以尽可能地提高电动汽车行驶里程就成了一个非常值得研究的课题。 传统的燃油汽车在制动时是将汽车的惯性能量通过制动器的摩擦转化成 无法回收的热能散发到周围环境中消散掉了。对于电动汽车而言，由于电机具 有可逆性，即电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以在制动 时采用再生制动的办法，通过设计好的电力装置将制动产生的回馈电流充入储 能装置。如各种蓄电池、超级电容器和超高速飞轮中，储存起来以备用来驱动 电机，最终达到增加电动汽车的行驶里程的目的，这就是通常所说的回馈制动。 电动汽车的回馈制动对电动汽车本身而言是非常重要的。通过回馈制动与 机械刹车的配合使用，可以提高电动汽车刹车系统的安全性、灵敏性和可靠性。 电机的控制系统和蓄电池的能量管理系统的性能，以增加续驶里程、提高动力 性能。有文献指出通过再生制动系统的使用，电动汽车一次充电后行驶的里程 增加1 0 ，卜一2 5 ，例如日本丰田开发的电动汽车p r i u s 可以回收大约2 3 的能 量。如果电动汽车惯性大且工作在频繁制动的环境中，这一数字还要大。例如 在城市典型工况环境中，大型载客巴士制动时的惯性能量可达发动机发出的总 能量的5 0 。其中消耗在制动器上的惯性能量是可以回收的，约占总惯性能量 的8 0 ，即理论上可回收的惯性能量约占发动机总能量的4 0 ( 5 0 9 6 鹕删) 特别地，我国是一个多山的国家，丘陵和山地占国土面积的三分之二，特 别是在中国的西部，山高坡陡，开展再生制动研究十分必要，中国西部大部分 地区道路起伏变化明显，常有数十米乃至数百米的大坡道，在下坡时，将车辆 的制动、减速能量回收储存起来，等到上坡时再释放使用，这样不但可以节省 能源，还可以减少刹车片的磨损，降低故障率，减少使用成本。 同样在城市交通中，由于需要频繁的加减速，回馈制动同样具有重要的意 义，有着显著的经济价值。因此，对电动汽车的回馈制动，如果采用合适的控 制策略，对电动汽车的减速、制动时的能量进行回收利用，将产生非常可观的 经济和社会效应。 综合前面所述，合理的利用电制动，不仅能为汽车提供辅助制动功能，提 2 第一章绪论 高整车制动性能，进一步增强其竞争力，而且通过延长电动车辆的一次充电续 驶里程，从而回收制动能量来节约能源，因此研究电动汽车能量回馈制动技术， 开发一种高效的电动汽车回馈制动系统是一项非常有意义的工作 1 2 国内外在电动汽车能量回馈制动领域的研究现状 国外对回馈制动技术已经进行了研究，通常多采用向蓄电池充电来吸收再 生制动回馈的能量，其缺点是蓄电池难以实现短时问大功率充电且充放电循环 次数有限，成本高，还有就是使用超级电容、飞轮等储能元件进行能量回收， 在回馈制动系统方面： ( 1 ) 美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学对大型客车的回馈制动的建模进行 了研究，该车满员为3 0 人，满载重量可达1 2 ，4 7 4 k g ，采用飞轮储能。在设定 的城市平均驾驶循环中( 其特点为加速、减速很快，匀速运行的距离短，停车 时间短，整个循环为5 6 秒) 进行了定量的经济性分析。在此循环中制动时的 惯性能量占总能量的5 9 ，可以给予回收。通过理想的能量回馈系统可以使每 辆车的燃料消耗成本从1 2 ，2 7 0 美元年降到5 ，0 3 0 美元年 ( 2 ) 意大利的f i a t 己经开始对超高速飞轮的实用性能进行评价，具体是把 采用超高速飞轮作为铅酸电池辅助能源的混合能源系统用于电动汽车上并进 行实验测试，模拟结果显示使用该系统可节能2 0 ( 3 ) 日本丰田汽车公司于1 9 9 7 年向市场推出了混合式动力轿车p r i u s ，它 采用混联式布置，并具有惯性能量回收系统。这种汽车是第一款真正在市场销 售上取得成功的电动汽车。汽车制动的惯性能量能够通过回馈制动系统得到回 收，回收的能量约能提供汽车5 - 1 5 的动力，这样能够提高燃油经济性1 0 左右其制动系统的参数匹配得很好，不会出现后轮先抱死情况 “) 日本本田公司于1 9 9 7 年推出了混和动力车e vp l u s ，采用了能量回馈 制动系统。可以使汽车在u d d s ( u r b a nd y n a m od r i v i n gs c h e d u l e ) 工况下能 量消耗降低2 0 左右。 ( 5 ) 美国的国家航空与航天管理局路易斯研究中心( t h en a s al e w i s r e s e a r c hc e n t e r ) 开发了一种满载重量超过l ，5 0 0 0 k g 的混和动力公交车， 3 广东工业大学工学硕士论文 带有超级电容储能装置的回馈制动系统，1 9 9 7 年已完成原型车的装配。 ( 6 ) 福特福克斯燃料电池汽车( f c v ) 将混合动力技术改善行驶里程和动力 特性的优点与燃料电池的综合效益结合了起来。新的蓄电池组、再生制动和贮 氢罐组合起来，使可载四人的福克斯f c v 的行驶里程达到1 6 0 2 0 0 英里 之间，较以前的车型有了大幅度的改善。 ( 7 ) 日本东京r d 公司在电动车上使用超级电容实现回馈制动后，可提 高电动车行驶里程2 0 ，动力电池的使用寿命也延长1 5 倍。 虽然目前市场上还不多见中国电动汽车的身影，电动汽车能量回馈制动技 术的研究也处于尚未成熟的发展阶段，但中国电动汽车的整车和关键技术发 展，都已露出熹微f 4 l l ，并非悲观人士所预言的那样只能在跨国公司的围剿中 “壮烈”。正如电动汽车重大科技专项总体组组长、同济大学副校长万钢，所 说说，“中国电动汽车发展在战略上要实现跨越，在技术上必须一步一步扎扎 实实往前走”。科技部提供的资料显示，目前电动汽车的研制不论在整车技 术上，还是在核心技术上，都取得了可喜进展。 ( 1 ) 清华大学联合北京客车总厂等单位研制的燃料电池城市客车，采用燃料 电池+ 动力电池的混合驱动型式，运行考核总里程超过1 0 0 0 0 公里。在科技计 划执行过程中，还形成了燃料电池城市客车整车总体设计、系统集成、仿真分 析、控制策略优化、整车综合控制系统开发等一整套燃料电池整车开发技术， 以及整车设计和测试标准等，将为燃料电池客车产业化提供重要的技术借鉴， 所解决的关键共性技术都可用于其它相关电动车产品的开发 ( 2 ) 东风混合动力轿车( e q 7 2 0 0 h e v ) 由东风电动车公司自主研发。该车在成 熟轿车平台基础上采用多项发明专利，其驱动系统装载电控汽油机，以永磁同 步i s g 和驱动电机、高性能镍氢电池作为辅助动力，以混联方式参与驱动。应 用和实现了a m t 自动变速箱、c a n 总线光纤通讯、强电安全系统、智能仪表显 示、停车断油、制动能量回馈等多项先进技术和功能。最高时速1 6 0k m ， o - 1 0 0 k m h 加速时间1 3 5 秒，用户在使用过程中不需外接电源对车辆进行 充电。额定乘客5 人，适宜城市出租车、政府公务用车和私家用车嗍 ( 3 ) 由北京理工大学为主开发的4 种电动客车，均通过了国家汽车质检中 心的型式认证。建立了纯电动汽车整车仿真平台、电传动试验台及动力蓄电池 4 第一章绪论 成组测试试验台；完成近4 0 辆示范样车的生产和调试纯电动客车在动力性、 经济性、续驶里程、噪声等指标已达到或接近国际水平，初步形成了关键技术 的研发能力和产业化配套能力纯电动客车4 0 k m h 等速续驶里程3 0 6 k i n ，完 全可以满足短途旅游需要，整车性能达到国内领先水平；电动助力转向、多档 变速器电动换挡机构( a l 仃) 和电动一体式空调、附件一体化供电等设计理念 和新产品应用有效地提高了整车性能和科技含量。 ( 4 ) 华南理工大学电动汽车重点实验室设计出的再生制动控制系统嗍，在 e v 6 6 0 0 电动汽车上进行实验，实验结果表明该再生制动回收系统可以达到1 0 的能量回收效率。 ( 5 ) 混合动力汽车e q 6 zi o h e y ，采用了机械制动与再生制动相结合的策略一 一低制动强度时优先采用再生制动，高强度时按比例复合再生制动与摩擦制 动相结合实验表明在各种循环工况下，e q 6 l l o h e v 采用的这种再生制动控制 策略有较好的节能效果，可降低能耗1 0 2 0 中国电动汽车4 年的研发业绩固然值得欣慰。但公众只看市场上是否有性 价比更优的产品。中国汽车业界清醒认识到自己的不足。毕竟，中国的电动汽 车还没有产业化，还有一段路要走。尽管中国三大汽车集团都致力于研发电动 汽车，但无论在技术、消费环境、政策方面与国外相比差距都很大。主要表 现在以下方面： ( 1 ) 在整车技术上，国外研制的电动车持续里程比我国大。他们的样车一次 充电可行驶四五百公里，投入市场的车一次充电可行驶2 0 0 多公里，而我国的 电动车只能持续行驶1 0 0 多公里；在车速上，我国的电动车也比不上国外； ( 2 ) 在电动车关键技术上。蓄电池方面，国外已成功开发出了铝空气电池、 锌空气电池、镍氢电池等高能电池，而中国的高能电池正在研制中，目前可用 的只有铅酸电池。尽管我国已引进国外多种铅酸电池生产线，但生产出来的电 池在质量上不过关；在其它各种单项技术上，如电机、电控、底盘、外壳、车 内设旌等都与国外存在不同程度的差异。 从眼前的研发能力看，中国似乎仍然无法乐观，但科研人员认为，关键在 于如何把握时机中国科学院物理所黄学杰研究员说，。二次大战之后，日本 的汽车工业与中国的一样糟糕。但为了发展这样一个有市场的行业，当美国人 5 广东工业大学工学硕士论文 把汽车研发放在大排量时，日本致力于小排量汽车的研发。决策一定是处心积 虑的，当国际上出现石油危机时，日本用小排量车击败了美国人，1 0 年跳上 了汽车强国的台阶，如今又用环保车打击欧美。在汽车市场上，几年前没有人 认同中国的民营企业，但奇瑞走出来了，除了占领中国市场外，已登陆欧洲市 场，而强大的德国大众却丢失了4 0 的市场。谁能轻易断言胜败呢? ” 1 3 本课题来源与研究的内容 本课题是国家8 6 3 计划“节能与新能源汽车”项目的一部分，由广东工业 大学电动汽车驱动装置重点实验室和深圳市五洲龙汽车有限公司合作进行，深 圳市五洲龙汽车有限公司负责汽车的整体结构设计与生产，广东工业大学电动 汽车驱动装置试验室负责电动汽车驱动装置的设计，本课题就是其驱动用的稀 土永磁无刷直流电机控制器能量回馈部分的设计，主要是采用德州仪器公司 2 0 0 0 系列d s p 中的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为核心控制芯片，利用其先进的外设和高 速的运行速度实现无刷直流电机的能量回馈系统全数字化控制和提高控制系 统的性能。 采用t ms 3 2 0 l f 2 4 0 7 进行全数字化有下面几点意义： ( 1 ) 采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 进行全数字化设计后，控制器的体积较以前模拟 控制器的体积将大为减小，这样更有利于在电动汽车上进行安装。 ( 2 ) 采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 进行全数字化设计后。利用d s p 的高速的计算速 度可以进一步提高控制的准确性和实时性，从而实现更好的控制效果 ( 3 ) 采用了m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 进行全数字化设计后，便于个种算法，以尽可能提 高电动汽车能量回收的效率。 ( 4 ) 采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 后进行全数字化设计后，利用t m s 3 2 0l f 2 4 0 7 的高速的计算速度可以通过数字滤波等方法进一步提高控制器的抗干扰的能 力，降低控制器对工作环境的要求。 本课题实现过程中的关键性技术问题主要有：半桥调制电路的实现、磁极 位置检测、p w m 波的产生和电动机低速度下的回馈电压泵升。 6 第一章绪论 1 4 本章小结 由于环境污染和能源短缺问题日益加剧，电动汽车是汽车工业的一个 重要发展方向，本章介绍了目前国内外电动汽车的发展和电动汽车能量回馈制 动研究的意义与研究现状，最后介绍了本课题研究的来源与研究内容。 7 蛮三些盔兰王主罂土鲨銮 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 也就是数字信号处理器件，是一种特 别适合进行数字信号处理运算的处理器，其主要应用是实时快速的处理各种数 字信号处理算法，与单片机相比，它的最大特点是强大的数据处理能力和高速 运行速度。为了达到快速进行数字信号处理的目的。d s p 般具有以下特点： 采用哈佛结构：将程序指令与数据的存储空间分开，各有自己的地址和数 据总线，这使得读指令和处理数据可以并行操作，可以大大的提高处理效率。 流水线与哈佛结构相关，d s p 芯片广泛采用流水线技术实现流水线操作使 取指令、译码、访闯数据和指令执行等操作可以并行处理，从而大大提高了处 理效率。 快速的乘累加运算：d s p 中都设置了硬件乘法器，并且带有输出移位器， 使乘和累加都可以在单个指令周期内完成，使得d s p 非常适合于数字信号处 理。 循环寻址技术：为了满足f f t ，卷积等数字信号处理的特殊要求，大多数 d s p 都在指令系统中设置循环寻址和位倒序指令。 高速数据传输能力：新型的d s p 大多数单独设置了d m a 总线及其控制器。 在不影响d s p 处理速度的情况下，做并行的数据传送，这为d s p 之间的并联和 串联提供了方便。 本系统采用的是t i 公司的1 6 位定点d s p - - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。这是一个 专门为电动机控制而设计d s p ，兼有d s p 的高运算速度和单片机的强控制能力， 有如下特点：其指令周期最短为2 5 n s ( 4 0 姗z ) ，最高运算速度达4 0 m i p s ，内置 3 2 k 的f l a s h 程序存储器，带有两个专用于电动机控制的时间管理器( e v ) 模 块、c a n 2 0 模块、1 6 通道1 0 位a d 转换器模块、s p i 模块、s c i 模块i 埘。 2 1 事件管理器 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 包括两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个事件管理器包括 8 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 筒舟 通用定时器、比较单元、捕获单元和正交编码脉冲电路。事件管理器中的定时 器和比较单元均可产生多种外设中断，例如通用定时器的周期、比较、溢出中 断：比较单元比较中断等等正是通过这些形式多样的资源和中断，d s p 程序 可以完成诸如p w m 生成、电气系统控制等功能1 1 6 1 。 通用定时器：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 共有3 个加减1 6 位通用定时计数器定时 器2 ，3 还可以合用作3 2 位定时计数器。它们可用于产生采样周期，为捕获单 元和正交编码单元提供时基，也可作为比较单元产生c 肝p 删输出，以及软件 定时的时基时钟源既可以是内部c p u 时钟，也可以是外部时钟。当定时器 2 ，3 或2 和3 作为正交编码脉冲单元的时基使用时，其时钟和计数方向由正交 编码脉冲单元提供每一定时器各有6 种计数模式：停止保持、单向加、连续 加、定向加减、单向加减、连续加减每一定时器各带一个比较逻辑单元， 当计数器值和比较寄存器值相等时，比较匹配发生。从而在定时器的p 嘲输出 引脚t x p 删t x c m p 上产生c 酬p 删脉冲。可设置控制寄存器g p t c o n 中的相应 位，选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内a d 转换器。 比较单元与c m p p 删脉冲输出：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 有3 个全比较单元和3 个简 单比较单元，每个单元各带有比较输出控制逻辑其中，每个全比较单元以定 时器1 为时基，可输出2 路带可编程死区控制的c i i p p 雕脉冲：每个单比较单 元以定时器l 为时基，输出i 路c m p p 哪脉冲。通过设置定时器1 为不同方式， 可选择全比较单元输出非对称p w m 波形、对称p w m 波形或空间矢量p w m 波形。 全比较单元输出的6 路p w m 电压波形可作为交流感应电机或直流无刷电机三相 功率放大器的输入信号，还可用于控制开关磁阻和同步磁阻电机，以及传统的 直流电机和步进电机等： 单比较单元的3 路p w m 脉冲和上述定时器比较单元输出的3 路p w m 可用于 功率因数校正、谐波抑制等 捕获单元：捕获单元被用于高速i o 的自动管理，它监视输入引脚上信号 的变化，记录输入事件发生时的计数值，即记录下所有所发生事件的时刻。该 部件的工作与内部定时器同步，不用c p u 干预。 t m s 3 2 0 l f 2 4 共有4 个捕获单元，每个单元各有一个两级的f i f o 缓冲堆栈。 当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向c p u 发中断请求：若中断标志己 9 广东工业大学工学硕十论文 被置位，捕获单元4 还将启动片内a d 转换器。 正交编码脉冲( q e p ) 单元一鉴相倍频：常用的位置反馈检测元件为光电编 码器，它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号，其输出一般有 a ，b 和同步脉冲信号c 。a 、b 两路的相位差为9 0 0 ，a 、b 两路脉冲可以直接 作为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的c a p l q e p l 和c a p 2 q e p 2 引脚的输入 2 2 片内外设 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 片内外设包括两路a d 转换器1 1 1 2 ”、2 个串口和看门狗定时 器及实时中断定时器。 双a d 转换器：删s 3 2 0 l f 2 4 0 中配置有两个带有采样保持的8 路l o 位 6 6 u s 的a d 转换器，可用于并行处理模拟量。模拟量可包括：反馈的速度、 位置、温度传感、电压传感和电流传感信号等。 s p i 串口和s c i 串口：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 包括一个异步串行通讯口( s c i ) 和一个 同步串行外设接口( s p i ) s c i 即通用异步收发器( u a r t ) ，用于与p c 机串口等 标准器件通信，可采用r s 一2 3 2 4 8 5 协议等，最大波特率6 2 5 k b p s 。s p i 口可用 于同步数据通信，最大波特率2 5 m b p s ，典型应用包括外部i o 或外设扩展， 如移位寄存器、显示驱动器、a d 转换器等。 看门狗定时器( 粕) 与实时中断定时器( r t i ) ：看门狗定时嚣是一个位增量 计数器，在正常工作情况下，程序周期性地对定时器进行清零： 若程序运行出错或死机，则定时器溢出，产生复位信号。实时中断定时器 是一个8 位计数器，用于产生周期性的中断请求口。犯1 1 2 3 中断系统 d s p 处理器有强大而灵活的中断资源，满足程序设计的大量的外设中断需 要。 c p u 支持6 个可屏蔽中断和一个不可屏蔽中断6 个可屏蔽中断t n t l 一i n t 6 都有各自的优先级和中断入口地址向量。常用中断如周期中断在i n t 2 中， 而a d c 中断在i n t i 中 1 0 第二章t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 简介 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列d s p 通过中断请求系统中的一个两级中断来扩充系统 的中断个数因此，d s p 的中断请求应答硬件逻辑和中断服务程序软件都是 一个两级的层次 发生中断时，先由外设向中断控制器产生一级中断请求，在外设配置寄存 器有中断标志位和使能位与之对应，然后再向c p u 产生请求。c p u 按照优先级 顺序响应中断请求 每个外设中断向量请求都会产生一个唯一的外设中断向量，装载在外设中 断向量寄存器( p i v r ) 里面，供c p o 辨认不同的外设。然后c p u 产生一个转到该 中断服务子程序入口的向量。 因此在中断软件结构上就要设计两级：通用中断服务子程序g i s r 和特定 中断服务子程序s i s r ，在g i s r 中保存上下文，从p i v r 中读取外设中断向量， 用来产生转移到s i s r 的入口，在s i s r 中执行对外设事件的响应。 2 4 本章小结 本章介绍能量回馈控制系统的核心控制部件0 s p 2 4 0 7 ，其主要功能部 件如p 聊波发生模块、a d 模块、q e p 模块以及中断系统是完成能量回馈系统 的关键。 第三章电动汽车用永磁无刷直流电机 常用于电动汽车的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机、永磁 无刷直流电机以及开关磁阻电机。永磁无刷直流电机同其它电机相比具有几个 明显优点口2 剐： ( 1 ) 永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由 电刷引起的问题； ( 2 ) 永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的 热量更容易散发出去，结构也变得简单，并且节省了空间使其磁场损失也得到 了减少； ( 3 ) 永磁无刷直流电动机的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失 步、震荡等现象； ( 4 ) 它的起动、调速特性类似于直流电机，控制简单，同时也克服了同步 机的缺点，又具有功率因数好的优点。 正是由于永磁无刷直流电动机具有以上优点，使永磁无刷直流电机使其在 电动车传动系统中备受青睐。 3 1 永磁无刷直流电机基本结构 无刷直流电机的发展随着大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、 微机、新型控制理论及电机理论的发展而发展的。体现着当今应用科学的许多 最新成果，显示出广泛的应用前景和强大的生命力p i p 6 1 图3 1 是无刷直流电机系统原理图。这里为了便于理解，我们可以形象地 把直流无刷电机分为三个部分，既由电机本体 2 1 3 0 i | 4 1 l 、位置传感器和功率变换 电路三部分组成实际应用中的电机就是这里的电机本体和位置传感器的组 合。 第三章电动汽车用永磁无刷直流电机 3 1 1 电动机本体 图3 - 1 无刷直流电机的结构 f i 昏3 1 $ 1 r u c t m co f b l d c m 电动机本体与永磁同步电机相似，转子采用永久磁铁励磁目前多使用稀土 永磁材料，但没有笼型绕组和其它起动装置。其定予绕组采用交流绕组形式， 一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由永久磁钢按一定极对数( 2 1 = - 2 、 4 、) 组成。希望在定子绕组中获得顶宽为1 2 0 0 的梯形波，因而绕组形式往 往采用整距、集中或接近整距、集中的形式，以便保留磁密中的其它谐波。b l d c m 的转子结构既有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、外转子结构 和线性结构等新型结构形式。伴随着新型永磁材料铆铁硼( n d f e b ) 的实用化， 电机转子结构越来越多样化，使b l d c m 正朝着高出力、高精度、微型化和耐环 境等多种用途发展。 3 1 2 转子位置检测器 转子位置检测器即位置传感器，按动作原理可分为电磁式、光电式、磁敏 式等。位置传感器的种类比较多，且各自有各自的特点，目前在直流无刷电动 机中常用的位置传感器有以下几种形式： ( 1 ) 电磁式位置传感器 广东 = 业大学工学硕士论文 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有开口变压 器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型。 电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不 高、适应性强、结构简单和紧凑等优点：但这种传感器信噪比较大，体积较大， 同时其输出波形为交流，一般需整流、滤波后方可应用。 ( 2 ) 光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮 光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。光电式位置传感器性能较稳定， 但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求较高等缺陷，不 过现在己经有新型光电元件出现，可克服这些不足之处 ( 3 ) 磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半 导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏传感器 有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。 霍尔元件产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大器，很不方便。随 着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块n t 型外延片上，这就构成了霍尔集成电路。这种集成电路包括线性型和开关型两 种，一般而言，无刷直流电机的位置传感器宜选用开关型。 “) 无传感器位置检测 近年来，还出现了无位置传感器无刷直流电机，此种电机利用定子绕组的 反电动势作为转子磁钢的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理，送给逻 辑开关电路去控制无刷直流电机的换向。由于它省去了位置传感器，使得无刷 电机的结构更加紧凑。所以应用日趋广泛。 3 1 3 电子换相 电子换向电路由功率变换电路和控制电路两大部分组成，它与位置传感器 相配合，去控制电动机定予各相绕组通电的顺序和时间，起到换向相类似的作 用。 当系统运行时，功率交换器接受控制电路的控制信息，将系统工作电源的 1 4 第三章电动汽车用永磁无刷直流电机 功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电动机定子上各相绕组，以便使电动机 产生持续不断的转矩。逆交器将直流电转换成交流电向电机供电，与一般逆变 器不同，它的输出频率不是独立调节的。而受控于转子位置信号，是一个。自 控式逆变器”b l d c m 由于采用自控式逆变器，电机输入电流的频率和电机转速 始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是b l d c m 的重要优点 之一 电机各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号，但位 置传感器所产生的信号一般不能直接用来驱动功率变换器的功率开关元件，往 往需要经过控制电路一定逻辑处理、隔离放大后才能去驱动功率变换器的开关 元件驱动控制电路的作用是将位置传感器检测到的转予位置信号进行处理， 按一定的逻辑代码输出，去触发功率开关管。 3 2 永磁无刷直流电动机的工作原理 永磁无刷直流电机的控制系统如图3 2 所示，主要由永磁无刷直流电机、 逆变器、位置传感器和控制器几部分组成，采用“三相六拍一1 2 0 0 方波型”驱 动 3 1 1 4 1 ；一j 位置传感器 一一一。!：j；?j? 图3 2 真流无刷电机的控制原理图 f i g 3 - 2 c o n t r o l l e rs c h e m a t i co fb l i ) c m 广东工业大学工学硕十论文 永磁无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按一定的规律导通关断， 使电机定子电枢产生按6 0 0 电角度不断前进的磁势，带动电机转子旋转来实现 的，分析如下：图3 3 a 是理想条件下对应的电枢各相反电势和电流 t u i 一 n m | 一 彳；，l 兰y 世兰一 i h一 i ；。 i 一一 ： 纺继f a 6 1 6 第三章电动汽车用永磁无刷直流电机 o x y w c 图3 - 3 永磁无刷直流电机的工作原理 f i g 3 - 3 t h eo p e r s t i n gp r i n c i p l eo fn ib u e l l 每个功率管导通1 2 0 0 电角度，互差6 0 0 电角度，当功率管v t 3 和v t 4 导通时， 电机的b 相和- a ( 取电流流进绕组为正向) 相通电。定子电枢合成磁势为图3 3 b 中所示的f a 4 ；若功率管v t 3 关断，而功率管v t 5 导通，此时电机的c 相和一a 相通 电，电枢合成磁势变为f a 5 ，f a 5 比f a 4 顺时针前进y 6 0 0 电角度。 由此可知，定子电枢产生的磁势将随着功率管有规律的不断导通关断，按 6 0 0 电角度不断地顺时针转动。 逆变器功率管共有六种触发组合状态，每种触发组合状态只有与确定的转 子位置或反电势波形形相对应，才能产生最大的平均电磁转矩。两个磁势向量 当其夹角为9 0 0 时，相互作用力最大。而电子电枢产生的磁势是【= ! a 6 0 0 电角度在 前进，因此在每种触发模式下，转子磁势与定予磁势的夹角在1 2 0 0 到6 0 0 之间变 化才能产生最大的平均电磁转矩 见图3 3 c ，假如在t 1 时刻，转子的磁势f j 处于线圈u x 平面内，而且要使 转子顺时针旋转；此时应该导通功率管v t 5 和v t 4 ，使定子的合成磁势为f a 5 与f j 的夹角成1 2 0 0 转子f a 5 与f j 相互作用产生的电磁转矩的作用下顺时针旋转，到 t 3 时刻，f a 5 与f j 的夹角成6 0 0 ，此时关断功率管v t 4 ，导通功率管v t 6 ，定子合 成磁势为f a 6 ，与f j 的夹角成1 2 0 ，两者产生的电磁转矩使转子进一步旋转 3 3 永磁无刷直流电动机的四象限运行 与一般直流电动机一样，永磁无刷直流电动机的运行可分为四种情况，即 正转电动、反转电动、正转制动和反转制动。逆变功率管的六个导通组合状态 产生六个定子磁势，每个相差6 0 0 ( 以一对极为例) ，如图3 4 所示，转子位置分 为六个区间。 图3 - 4 定子磁势向量图 f i g 3 - 4t h es t a t o rm a g n e t i cv e c t o r 当电机正转( 顺时针) 电动时，以产生最大的正的平均电磁转矩为原则，定 子电枢合成磁势f a 应当顺时针超前转子磁势p j1 2 0 0 到6 0 。，即当f j 处于区间4 时，定子磁势应为f a 4 ，导通功率管v t 3 和v t 4 ，即当f j 处于区间5 时，定子磁势应 为f a 5 ，导通功率管v t 4 和v t 5 依此类推。 当电机正转制动时，则以产生最大的负的平均转矩为原则，定予电枢合成 磁势f a 应当顺时针滞后转子磁势f j1 2 0 0 到6 0 0 ，当f j 处于区间2 时，定子磁势为 f a 5 ，导通管v t 4 和v t 5 ，当f j 处于区间3 时，定子磁势为f a 4 ，导通v t 4 和v t 3 依此类推。 同理，当电机反转电动时，定子电枢合成磁势f a 反时针超前转子磁f j l 2 0 。 到6 0 0 ：当电机反转制动时，定子电枢合成磁势f a 反时针滞后转子磁势1 2 0 0 到 6 0 0 。 第三章电动汽车用永磁无刷直流电机 以上分析的正转、反转及其对应制动状态下两个磁势的对应关系与开关管 的导通关系如表3 - 1 和表3 - 2 所示 表3 一l 四象限运行f a 和f j 的对应关系 t a b l e 3 - ir e l a t i o nb e t w e e nf ae n df ji nf