（光学工程专业论文）mini电动车驱动控制系统设计与研究.pdf

中北大学学位论文 图书分类号图书分类号_ _ 密级密级_非密非密_ udcudc 注注 1 1_ _ 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 王凯王凯 （作者姓名）（作者姓名） 指导教师（姓名、职称）指导教师（姓名、职称）_ 申请学位级别申请学位级别_ 专业名称专业名称_ 论文提交日期论文提交日期_年年_月月_日日 论文答辩日期论文答辩日期_年年_月月_日日 学位授予日期学位授予日期_年年_月月_日日 论文评阅人论文评阅人_ 答辩委员会主席答辩委员会主席_ 年年 月月 日日 中北大学学位论文 原原 创创 性性 声声 明明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。承担。 论文作者签名：论文作者签名： 日期：日期： 关于学位论文使用权的说明关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密分内容（保密学位论文在解密 后遵守此规定） 。后遵守此规定） 。 签签 名：名： 日期日期： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 中北大学学位论文 mini 电动车驱动控制系统设计与研究 摘 要 由于全球性的能源危机与环境问题，人们把目光投向了小排量的小型汽车和微型汽 车，在这种背景下，电动汽车也逐渐打开市场。电动汽车由于其零排放、节能、动力性 能卓越等优点越来越受到人们的青睐。为了应对全球气温变暖，响应“低碳、环保” ， 许多国家和地区投入了大量资金在电动车的研发与制造中。然而，目前大部分电动汽车 只是在原有内燃机汽车基础上更换动力源，因此，电气元件的合理布置、传动效率等问 题成为研发技术人员关注的焦点。随着电机技术的不断发展，轮毂电机的出现，把电动 汽车技术推向了一个新的起点。本文以无刷轮毂电机为驱动电机，设计了一套两后轮独 立驱动电动汽车的控制器。 在认真查阅相关资料，详细了解无刷直流电机的组成、结构和工作原理，以及电动 车需要达到的各项性能指标后，参照普通汽车动力参数的设计原则，计算出了该电机驱 动系统的相关参数，给出了无刷直流电机数学模型，给出了电子差速的一些概念及数学 模型。在无刷直流电机现有的控制电路基础上，以 tms320f2812 为核心处理器，开发 出了一套集电机控制，速度检测，电流检测，过流、欠压保护，故障检测于一体的多功 能电动机控制器。在控制策略方面，本文采用了双闭环控制策略，速度环采用了鲁棒性 较好的模糊 pid 控制，电流环应用了控制效果较好的 pi 控制。应用 matlab/simulink 软 件对无刷直流电机双闭环控制系统、电子差速系统进行建模，并做了仿真分析。然后， 应用 ti 公司开发的 ccs 程序开发软件对整个控制系统设计了程序，对几个重要模块的 程序设计做出了详细解释。最后，进行了控制系统软硬件的调试，以实现控制系统运行 可靠、稳定。 关键字：关键字：轮毂式无刷直流电机，模糊 pid，双闭环控制，电子差速 中北大学学位论文 study and design of mini ev drive control system abstract due to the global energy crisis and environmental problems, people keep their eyes on small cars and mini cars with low emissions, under this background, the electric car also gradually open the market.more and more people are attracted by the electric vehicles due to its advantages of zero emissions, energy saving, excellent dynamic performance . in response to the global warming, in response to low carbon, environmental protection, many countries and regions invest a large amount of money in r eallow; / 使能控制寄存器位 devemuregs.m0ramdft = 0 x0300; devemuregs.m1ramdft = 0 x0300; devemuregs.l0ramdft = 0 x0300; devemuregs.l1ramdft = 0 x0300; devemuregs.h0ramdft = 0 x0300; / 禁用看门狗计数寄存器 sysctrlregs.wdcr= 0 x0068; / 初始化锁相环（pll）控制寄存器 sysctrlregs.pllcr = 0 xa; / wait for pll to lock for(i= 0; i 5000; i+) / 高/慢速外设时钟预定标寄存器的设置 sysctrlregs.hispcp.all = 0 x0002; sysctrlregs.lospcp.all = 0 x0002; / 外设时钟使能 sysctrlregs.pclkcr.bit.evaenclk=1; sysctrlregs.pclkcr.bit.adcenclk=1; / sysctrlregs.pclkcr.bit.evbenclk=1; / sysctrlregs.pclkcr.bit.scienclka=1; / sysctrlregs.pclkcr.bit.scienclkb=1; sysctrlregs.pclkcr.bit.mcbspenclk =1; edis; 中北大学学位论文 62 关中断 具体程序为： dint; ier = 0 x0000; ifr = 0 x0000; 初始化 pie dsp2812 支持一个不能被屏蔽的中断（nmi）和 16 个可以被屏蔽且优先级可以设 置的中断（int1int14、rtosint 和 dlogint） 。2812 器件还有许多外设，每一个外 设都会产生一个或多个不同优先级的外设级中断。因为 cpu 没有足够强的能力处理所 有的外设中断请求，所以需要一个专门的外设中断扩展控制器（pie）来控制这些外设 或外部引脚带来的中断源。 具体设置如下： void initpiectrl(void) / disable pie: piectrl.piecrtl.bit.enpie = 0; / clear all pieier registers: piectrl.pieier1.all = 0; piectrl.pieier2.all = 0; piectrl.pieier3.all = 0; piectrl.pieier4.all = 0; piectrl.pieier5.all = 0; piectrl.pieier6.all = 0; piectrl.pieier7.all = 0; piectrl.pieier8.all = 0; piectrl.pieier9.all = 0; piectrl.pieier10.all = 0; piectrl.pieier11.all = 0; 中北大学学位论文 63 piectrl.pieier12.all = 0; / clear all pieifr registers: piectrl.pieifr1.all = 0; piectrl.pieifr2.all = 0; piectrl.pieifr3.all = 0; piectrl.pieifr4.all = 0; piectrl.pieifr5.all = 0; piectrl.pieifr6.all = 0; piectrl.pieifr7.all = 0; piectrl.pieifr8.all = 0; piectrl.pieifr9.all = 0; piectrl.pieifr10.all = 0; piectrl.pieifr11.all = 0; piectrl.pieifr12.all = 0; / enable pie: piectrl.piecrtl.bit.enpie = 1; piectrl.pieack.all = 0 xffff; 初始化 pie 向量表 pie 向量表用于存放每个中断服务程序的地址或向量，每个中断源都有自己的中断 向量，在设备初始化时，需要设置中断向量表，在程序运行中可以更新向量表。 void initpievecttable(void) int16 i; uint32 *source = (void *) uint32 *dest = (void *) eallow; for(i=0; i 128; i+) 中北大学学位论文 64 *dest+ = *source+; edis; / 使能 pie 向量表 piectrl.piecrtl.bit.enpie = 1; 设置 ier 寄存器 ier |= m_int6; / 使能全局中断和较高优先级别的实时调试事件 eint; / 使能全局中断 intm ertm; / 使能全局实时中断 dbgm psend=(pmcbspfordec)( adc 的初始化 由于 f2812 只能处理数字信号， 因此需要利用 f2812 内部的模数转换模块把速度给 定值与电流反馈值这两个模拟量转换为数字量。具体设置如下。 void initadc(void) unsigned int i; /设置 adc 模块控制寄存器 1（adctrl1） adcregs.adctrl1.bit.reset=1; /复位整个 adc 模块 asm( nop); adcregs.adctrl1.bit.reset=0; /保持上一个状态 adcregs.adctrl1.bit.susmod=3; /仿真挂起模式 3 adcregs.adctrl1.bit.acq_ps=0; /获取窗口大小 adcregs.adctrl1.bit.cps=0; /对外设时钟 hspclk 分频 /adcclk=fclk/2 adcregs.adctrl1.bit.cont_run=0; /开始停止模式 adcregs.adctrl1.bit.seq_casc=1; /级联模式 中北大学学位论文 65 /设置 adc 模块控制寄存器 3（adctrl3） adcregs.adctrl3.bit.adcbgrfdn=3; /带隙和参考电路上 电 for(i=0;i10000;i+) asm( nop); adcregs.adctrl3.bit.adcpwdn=1; /模拟电路上电 for(i=0;i5000;i+) asm( nop); adcregs.adctrl3.bit.adcclkps=15; /内核时钟分频 /adcclk=hspclk/30*(adctrl1.7+1) adcregs.adctrl3.bit.smode_sel=0; /顺序采样模式 /设置最大转换通道寄存器 adcregs.max_conv.all=0 x0005; /设置 adc 输入通道选择排序控制寄存器 adcregs.chselseq1.bit.conv00=0 x0; adcregs.chselseq1.bit.conv01=0 x1; adcregs.chselseq1.bit.conv02=0 x2; adcregs.chselseq1.bit.conv03=0 x3; adcregs.chselseq2.bit.conv04=0 x4; adcregs.chselseq2.bit.conv05=0 x5; /设置 adc 模块控制寄存器 2（adctrl2） adcregs.adctrl2.bit.eva_soc_seq1 = 1; / 允许 eva 通过触发信号启动 seq1/seq adcregs.adctrl2.bit.int_ena_seq1 = 1; / 使能 int seq1 产生的中断请 求 中北大学学位论文 66 5.4.2 电机启动模块的软件设计 带位置传感器的无刷电机是根据位置传感器输出的位置信号控制逆变器功率管按 照一定规率导通使电动机各相交替导通实现电动机的转动。假设定子绕组形成的磁场在 某一霍尔位置信号区段内的磁极性为 n，经过该区段的转子的极性为 s，那么在转子转 过这一区段的过程中，经过了两磁极的先靠近再远离过程，也就是在该区段两个边缘部 位转子的转矩最小。因此，电机在启动时的转子位置对启动转矩的大小相当重要，尤其 是在较大负载的状况下。 启动程序的目的就是为了让电动机在有负载的条件下避免上述问题，尽量在较适当 的启动电流下，以较大较平稳的转矩启动，当然，也得避免堵转现象的产生导致电机烧 毁。当电机已经正常运转后，再转入正常的换相控制程序中维持电机继续稳定运行。 本程序中电动机的启动过程描述如下：1按照电机正转时的霍尔位置信号顺序依 次送入某一占空比的 pwm 信号，且时间间隔依次减小，强制电机正向转动，使电机加 速转动至某一设定速度；2根据霍尔信号判断电机是否已经接近这一设定速度，如果 是则转入正常控制程序，否则继续执行启动程序。 图 5.2 电机启动模块软件设计流程图 中北大学学位论文 67 5.4.3 位置信号捕捉模块的软件设计 当无刷直流电机转动时，其位置传感器信号将相应发生变化，f2812 通过捕获单元 捕捉无刷直流电机转子的位置信号，每一次捕捉到的信号都与前一次捕捉到的信号进行 比较，如果当前检测到的捕捉信号发生变化时，记下三个捕捉口的电平状态，然后根据 捕获值查表获得换相控制字，电机换相时各相导通关系如表 5.1 所示。换相模块程序设 计流程图如图 5.3 所示。 表 5.1 位置信号与功率管导通关系表 cap1 cap2 cap3 导通的功率管 1 0 1 v1v4 1 0 0 v1v6 1 1 0 v3v6 0 1 0 v3v2 0 1 1 v5v2 0 0 1 v5v4 5.4.4 pwm 信号产生模块的软件设计 f2812 的每个事件管理器 ev 模块的比较单元产生 pwm 信号输出，根据换相控制 字输入到逆变器相应开关管驱动电动机转动，占空比根据双闭环输出量来调节，死区时 间根据具体电子元器件参数设置。eva 的比较单元 pwm 信号产生具体设置如下。 中北大学学位论文 68 图 5.3 换相模块程序设计流程图 /初始化定时器 1，初始化 pwm1pwm12 输出 evaregs.t1pr = t1prd; / 设定 pwm 载波频率 20k evaregs.t1cnt = 0 x0000; / 设置定时器 1 工作在计数器模式 evaregs.t1con.all = 0 x0b40;/8 分频,使能定时器操作，连续增减模式 /evaregs.t1con.all = 0 x0c40;/16 分频,使能定时器操作，连续增减模式，内部时 钟 /evaregs.dbtcona.all = 0 x03f8;/32 分频，死区时间 2.5us 左右 中北大学学位论文 69 5.4.5 速度计算模块、电流检测模块以及欠压保护模块程序设计 测量无刷直流电动机转速和电流作用是让 cpu 实时监控电动机当前的转速和电流 是否在规定的范围内，如果超出这个范围，cpu 需要作出相应调整使电动机再次恢复到 规定范围内，保证了电动机的正常运转。转速测量方法既可以通过安装编码器来得到电 动机转速，也可以通过读取霍尔位置传感器产生的两个相邻换相控制子的时间间隔得到 电动机转速。为了不增加电路的复杂程度以及整车成本，本文采取后者来获得电动机的 转速。具体的程序设计如下。 void speed_calculate（） unsigned int time, time_1, sum, k, average, speed, ad, count, pole; unsigned char sudu; time=evaregs.t2cnt;/读取定时器 2 的值 time_1=ab*count+time;/获取运转 1 相所需时间 sum=sum+time_1; k+; if(k=12) average=sum/12; speed=ab*20000*60/(average*6*pole);/计算转速 sum=0; k=0; suduad=speed;/存储速度值 ad+; if(ad=2000) ad=0; 中北大学学位论文 70 count=0; 对于电流检测模块， 在第三章中已经设计了电动机电流检测模块电路， 应用 ir2175 芯片可以方便的测出电动机每相的电流，cpu 只需按照设定好的采样时间读取 a/d 转 换后的值，因此，只需要对 f2812 的 adc 模数转换模块进行一定的设置便可。此部分 程序就不再详细介绍。对于过流情形，可参照下面的欠压保护程序设计过流保护程序。 电动车电池在经过一段时间使用后，电压便会下降，如果电池电压过低就会损害电 动机及其他一些电子元器件，因此需要 cpu 时时刻刻监测电池的电压，如果出现欠压 情况能够及时作出处理。欠压保护程序设计如下。 void low_power_protect（） /直流侧母线电压的测量部分 unsigned int zong_v, line_v, i, average_v ; zong_v=zong_v+line_v; i+; if(i=500) average_v=zong_v/500; /求平均母线电压 zong_v=0; i=0; 判断是否欠压 if(average_v=speed_init) /判断当前速度是否达到设定速度 sudu_fuzzypid(); /速度模糊 pid 调节 current=adc(); /读取 adc 转换值 current_pi(); /电流 pi 调节 return; 中北大学学位论文 72 图 5.4 双闭环控制模块程序设计流程 5.5 本章小结 本章依据第一章提出的 mini 电动车驱动控制系统设计方案，结合第三章给出的电 动机驱动控制系统各模块电路，给出了 mini 电动车驱动控制系统总体设计框图，对其 中主要部分进行了程序设计，为 mini 电动车驱动控制系统的整体调试以及实车实验奠 定了有力的基础。 中北大学学位论文 73 6 总结与展望 6.1 全文总结 电动汽车两大关键技术为电池技术与控制器技术，然而电池技术以目前科学技术水 平还难以有所突破，因此，如何提高电动汽车控制器的控制性能仍然是目前电动车行业 需要解决的关键问题，电动汽车控制器性能优劣直接影响汽车的动力性、操纵稳定性、 安全性以及可靠性。 电动汽车控制器的关键技术由两部分组成，即电动机控制部分与电源管理部分。电 动机控制部分需要解决的关键问题包括：控制系统需要选择哪种主控芯片实现电动机 的控制，并且能够具有控制性能卓越，功耗低，集成度较高等优势，满足控制器体积小， 成本低等技术要求；控制系统应该选择何种电机驱动方式能够使电动机反应更快，效 率达到最高；制定什么样的控制策略可以使电机控制系统响应更快，控制效果达到最 优。电源管理部分需要解决的关键问题包括：电源管理系统需要选择何种主控芯片控 制电池在充电过程中充电时间能够更短，电能消耗最少，在放电过程中，能够实时监测 电池内电量的多少，减小不必要电能的消耗，满足目前电源管理系统所要求的各项技术 指标；由于不同类型的电池的充放电性能也不同，电源管理系统应该制定何种控制策 略能够满足不同电池的不同需求，即此控制策略能够适应各种电池的电源管理。 本文结合电动车节能、环保、高效率等特点，以轮毂式无刷直流电机作为电动汽车 驱动电机，为电动汽车驱动控制系统制定了较为合理的控制策略，将 tms320f2812 作 为驱动控制系统主控芯片，为电动汽车设计出了一套性能卓越的控制器。以下为本文主 要进行的工作： 1、对近几年国内外电动汽车的发展状况以及电动车目前的技术做了详细介绍，对 其中涉及到的问题做了细致的分析；提出了本文所设计的 mini 电动车的驱动形式及驱 动器设计方案，应用汽车理论相关知识初步确定了电动机各项重要参数。 2、在深入研究了无刷直流电机工作原理以及控制方式的基础上，建立了无刷直流 电机驱动控制系统数学模型，对系统的控制策略进行了深入的研究与分析；利用汽车转 向模型建立了 mini 电动车两轮独立驱动时各轮速度方程。 中北大学学位论文 74 3、运用 matlab/simulink 软件，建立了无刷直流电机双闭环控制系统的仿真模型和 电子差速系统中车轮速度计算的简单模型，并对系统仿真结果进行了详细分析。对于双 闭环系统，转速环采用模糊 pid 控制能够克服系统非线性因素的影响，且防干扰性能卓 越，增强了系统的鲁棒性；电流环采用简单的 pi 控制提高了系统的动态性能，通过与 传统单闭环 pi 控制的对比，得到双闭环控制系统更适合无刷直流电动机的控制；对于 电子差速系统，电动汽车以低速和转向角变化率较小时车辆的电子差速性能较好。 4、利用 ti 公司生产的电动机控制专用芯片 tms320f2812 设计了一套无刷直流电 机控制器，对控制器中的主要部分进行了细致的分析。 最后，为控制系统进行了软件设计。 由于时间以及个人能力的限制，以下几方面问题还需要进一步研究： 1、在硬件电路的设计方面，应该采取何种措施隔离强电与弱电，如何减小电磁干 扰与如何做到较好的电磁兼容等问题还需要更深入的研究。 2、本文应用 matlab 对电动汽车的电子差速系统设计了简单的速度计算模型，只是 对电动汽车低速转向以及转向角变化范围较小的情况作了仿真分析，然而对于电动汽车 高速转向或转向角变化范围较大的情况，以及在此情况下各车轮速度变化并没有作详细 分析，有待进一步研究。 6.2 展望 从近几年汽车行业的发展来看，尽管燃油汽车目前不论从动力性能还是操纵性能来 说在整个汽车行业仍然占据着主要地位，但是目前环境污染越来越严重，尤其是国内。 燃油汽车各项技术已经发展到了一个顶峰，虽然国内外都在研究使用更好的技术使汽车 的动力性能更好且排放更少，但很难有一个大的提升空间。然而电动汽车行业正处于高 速发展阶段，其技术水平随着人们关注度的提高也有了很大的进步，目前电动汽车还主 要是对原有燃油汽车的改装，随着电机技术的快速发展，国外一些企业已将轮毂电机应 用在微型电动汽车及概念车上，再加上现在电池管理技术也日渐成熟，可以看出，电动 汽车的发展前景很广阔。如果电池技术得到解决，那么电动汽车将有可能完全取代燃油 汽车。 中北大学学位论文 75 参考文献 1 赵海.电动代步车驱动控制系统的研究与开发.重庆大学硕士学位论文,2007,1-6. 2 郝铁生.电动代步车的动力学计算分析与仿真.重庆大学硕士学位论文,2007,1-7. 3 唐苏亚.我国电动自行车产业的发展现状.电机技术,2004,1-4. 4 曹秉刚，张传伟，白志峰，李竟成.电动汽车技术进展和发展趋势.西安交通大学学 报,2004,1-5. 5 张琛.直流无刷电动机原理及应用.机械工业出版社,2007,1-2. 6 王家达.基于dsp的无速度和位置传感器无刷直流电机控制系统的研究和设计.复旦 大学硕士学位论文,2007,1-8. 7 黄声华.永磁交流伺服系统国内外发展现状c.微电机工业“十一五”发展论坛,2005 13-20. 8 王晓明.电动机的dsp控制.北京航空航天大学出版社,2009,2-10. 9 王晓明，刘瑶，周青山，李光旭，董玉林.电动机的dsc控制.北京航空航天大学出版 社,2009,1. 10 褚超.主从式电动轮椅控制器设计.华中科技大学硕士论文,2006,2-8. 11 朱绍文，王正强等.电动助力车发展现状分析.轻工机械,1999,35-39. 12 王贵兰.电动轮椅车用无刷直流电动机控制系统的研究.河北工业大学硕士学位论文 ,2006,2-5. 13 鸾鸣.步入电动自行车风靡的时代.大众标准化,2006,2. 14 姚震.基于dsp的电动汽车电机控制器的应用研究.广东工业大学硕士学位论文,2007 ,3-10. 15 张彰.环保让电动车动起来.中国市场,2007,34. 16 谭锦荣.基于dsp的无位置传感器无刷直流电机控制器的研制.广东工业大学硕士学 位论文,2009,2-6. 17 李广伟.无刷直流电机的直接转矩控制研究.太原科技大学硕士学位论文,2009,1-10. 18 邓灿.基于dsp的无位置传感器直流无刷电机控制系统.浙江大学硕士学位论文, 2003,2-6. 中北大学学位论文 76 19 徐建兵.基于dsp的直流无刷电机的控制.上海交通大学硕士学位论文,2006,1-8. 20 贡俊，陆国林.无刷直流电机在工业中的应用和发展.微特电机,2000,15-19. 21 袁海林，施进浩.永磁无刷电动机的发展和应用.通用元器件,2004,1-3. 22 y murai， y kawase， k ohashi， k nagatake， k okuyama.torque ripple improvements for brushless dc miniature motors.ieee .1989,19-27. 23 jungsik yim，seungki sul，hyeongjoon ahn，dongchul han.sensorless position control of active magnetic bearings based on high frequency signal injection with digital signal processing.applied power electronics conference and exposition, 2004,16-18. 24 juan dixon,matiasrodriguez,rodrigo huerta.position estimator and simplified current control strategy for brushless-dc motors.ieee,2002,35-38. 25 程国星.无刷直流电机控制系统的研究与实现.沈阳工业大学硕士学位论文,2007, 1-10. 26 krause pc. analysis of electric machinery. kinsport town:kinsport press inc,1986. 27 pillay p,krishnan r. modeling,simulation,and analysis of permanent-magnet motor drives,part :the brushless dc motor drive.ieee transaction on industry application, 1989,25(2):274-279. 28 pillay p,krishnan r. modeling,simulation,and analysis of permanent-magnet motor drives,part:the permanent-magnet synchronous motor drive.ieee transaction on industry application,1989,25(2):265-273. 29 高景德，王祥洐，李发海.交流电机及其系统分析(第二版).北京:清华大学出版社, 2005. 30 余志生.汽车理论.机械工业出版社,2008,7-18. 31 ackermann j et al.advantage of active steering for vehicle dynamics control. 99me013,1999. 32 kashinma s.the present condition and the future of ev sharing in japan,ieee vehicle electronics conference,2001,9,149. 33 lee ju-sang,ryoo y j,lim y c,et al.a neural network model of electric differential 中北大学学位论文 77 system for electric