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浙江工业大学硕士学位论文 基于d s p 的电动自行车用无刷直流电机控制系统的研究 摘要 近年来，随着人们生活水平和环保意识的提高，电动自行车得到 了日益广泛的应用。传统的直流电机一直在电动自行车驱动系统中占 据主导地位，但由于其本身固有的特性，即有机械换向器和电刷从而 导致电机容量有限和可靠性不高、噪音大，迫使人们探索低噪音、高 效率并且大容量的驱动电机。随着电力电子技术和微控制技术的迅猛 发展而成熟起来的永磁无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高、 噪音低、容量大且可靠性高的特点，从而使其极有希望代替传统的直 流电机成为电动自行车用电机的主流。 论文提出了基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的永磁无刷直流电动 机的控制系统设计方案。利用d s p 系列芯片进行低成本、高智能无刷 直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增 强系统性能、满足更多应用场合的需要。本文主要从以下五个方面进 行了分析与研究： ( 1 ) 推导永磁无刷直流电动机的主要公式，建立其数学模型，根 据其调速原理确定系统的控制结构、控制技术、控制策略及控制芯片 等； ( 2 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 对无刷直流电动机控制系统进行系统 仿真，通过对仿真结果的分析，论证控制策略的合理性； ( 3 ) 以t i 公司d s p - - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心，结合r 公司的驱动芯片i r 2 1 3 0 、功率开关管i r f 2 8 0 7 ，进行系统硬 件电路的设计； ( 4 ) 应用d s p 专用汇编语言与c 语言进行系统软件程序的编写； ( 5 ) 进行了电机和控制器的实验，为进一步实用化打下了基础。 关键词：电动自行车，无刷直流电机，d s p ，位置传感器 i i i 浙汀工业大学硕上学位论文 r e s e a r c h0 nb l d cm o t o rc o n t r o ls y s t e m a p p l i e di ne l e c t r i c b i c y c l eb a s e do nd s p a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei m p r o v e m e n to f p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r da n d c o n s c i o u s n e s so fe n v i r o n m e n t a l i s m ，t h e r ei sa l l i n c r e a s i n gt r e n dt o u s e e l e c t r i c - b i c y c l e r a t h e rt h a na u t o b i k e a l t h o u g hc o n v e n t i o n a ld cm o t o r a l w a y s t a k e s u pd o m i n a n t s t a t i o ni n d r i v i n gs y s t e m ，i t s m e c h a n i c a l c o m m u t a t o ra n db r u s hr e s u l ti nl i m i t e d c a p a b i f i t y ，l o wr e l i a b i l i t y , b i gn o i s e p e o p l em a n a g e t od e v e l o p em o r e q u i e t ，h i g he f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y , b i g c a p a b i l i t yd r i v i n gm o t o r w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e r e l e c t r o n i c s a n dm i c r o c o n t r o l t e c h n i q u e ，p e r m a n e n t - m a g n e t b r u s h l e s sd cm o t o r w h i c hh a ss m a l l v o l u m e ，l i g h tw e i g h t ，h i g he f f i c i e n c y , l o wn o i s e ，b i g c a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya p p e a r e da n dm a t u r e d ，s oi ti sh o p e f u lt ob e c o m e m a i nm o t o r a p p l i e di ne l e c t r i c b i c y c l e t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t sas o l u t i o nt oc o n t r o la p e r m a n e n t m a g n e t b r u s h l e s sd cm o t o ru s i n gt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a t h i sn e w f a m i l yo fd s p e n a b l e sc o s t e f f e c t i v ed e s i g no f i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r sf o rb r u s h l e s sm o t o r s w h i c hc a nf u l f i l lm o r e c o n d i t i o n s ，c o n s i s t i n go f f e w e r s y s t e mc o m p o n e n t s ， l o w e rs y s t e mc o s ta n di n c r e a s e dp e r f o r m a n c e s t h er e s e a r c hi s d i v i d e d 浙江工业大学硕士学位论文 i n t of i v ep a n s ： 1 ) t h em a i n f o r m u l a so fb l d cm o t o ri sd e d u c e da n di t s m a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l t ，t h e nt h ec o n t r o l s t r u c t u r e ，t e c h n o l o g y ， s t r a t e g ya n dc h i pa r ec o n f i r m e db y t h et i m i n g p r i n c i p l e 2 ) t h e m a t l a b l s i m u l i n ks i m u l a t i o nw h i c ha i m e da tt h eb l d c m o t o r c o n t r o l s y s t e mh a s b e e ne x e c u t e d ，t h er e s u l t s p r o v e d t h a tt h ec o n t r o l s t r a t e g yi sr e a s o n a b l e 3 ) b a s e do nt i s d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa n di r s d r i v i n g c h i p 。i r 2 1 3 0a n dm o s f e t i r f 2 8 0 7t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e d 4 ) w i t ha s s e m b l el a n g u a g eo fd s pa n dc ，t h es o f t w a r ep r o g r a m e si s w r i t t e n 5 ) b a s e do nt h e o r ya n a l y s i st h ee x p e r i m e n ti s p r o c e s s e d ，a n di t s r e s u l t sp r o v e dt h a tt h e d e s i g no f t h es y s t e mi sf e a s i b l e k e y w o r d s ：e l e c t r i c b i c y c l e ，b r u s h l e s sd c m o t o r , d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o o ，p o s i t i o ns e n s o r v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 作者签名： 铺室幺 日期：年岁月勘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容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 和汇编本学位论文。 本学位沧文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“d ”) 作者签名： 导师签名： 钥宝羔 萎t 串 日期：d ，年上月a o 口 日期：口弱二厂月加日 塑坚兰些奎堂堡主兰垡鲨兰 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 随着现代社会的不断进步，环境和能源问题越来越受到人们的重视。由于燃 油车辆的废气造成的环境污染、噪声污染以及石油资源的危机，其被“零污染”、 高效率和能源来源广泛的新型电动车代替已成为一个不可逆转的趋势。与燃油车 相比，电动车具有节能、可消除空气污染且能源广泛( 可来自火力、煤炭、石油、 天然气、水力、风力、地热、潮汐、原子能发电) 等众多优点，因此电动车的研 究已成为世界各国的研究热点之一。 电动车是以电动机作为行驶驱动的原动机、以车载电源作为动力能源的车辆， 如：电动自行车、电动摩托车、电动汽车等。回顾电动车的发展历史，可以发现 电动车是燃油车的先驱。早在约亨利( j h e n r y ) 发明了直流电动机后不久的1 8 3 1 年，诞生了世界上第一部电动车。而第一部真正具有实际意义的电动车是由苏格 兰人德文波特( t d a v e n p o r t ) 于1 8 3 4 年发明的，这部电动车采用的能源是不可 充电的简单玻璃封装蓄电池。1 8 9 5 年刘1 9 1 5 年是早期电动车黄金时代，美国经 济正处于扩张时期，急需寻找新型工业，以刺激经济进一步发展，电动车正是在 这样的清况下发展起来的。这个时期的电动车代表了当时车辆制造技术的精华， 高雅的四轮轿车、双轮轻便车、运货车都可以随时起动，加速时完全没有噪音， 可以以4 0 k m h 的速度行驶。1 9 1 2 年是电动车的全盛时期，全美国注册的电动车 达到了3 4 万辆，当时一辆电动轿车大约需要5 0 0 0 6 0 0 0 美金，相当于今日一辆 豪华劳斯莱斯的价格。电动车日渐衰落原因是多方面的，当时的三大主要部件技 术都很落后：电动机性能差、效率低、笨重；电池不仅笨重，而且性能太差、寿 命和容量都很低；控制系统的技术自然也很落后，可以采用的电子器件在当时尚 未出现，电阻控速效率很低，它本身也要消耗太多的电能”) 。美国人凯特林发明 的燃油汽车电起动器也是对电动车的重大打击之一。电动车不敌燃油车还有一个 原因足当时无法进入乡村，因为当时很多乡村地区没有电力供应。于是在1 9 2 4 年全荚汽车展中，电动车销声匿迹了，燃油汽车迎来了黄金时代，一直延续到6 0 浙江工业大学硕士学位论文 年代末。直到2 0 世纪7 0 年代石油危机时期，美、英、法、日开始投巨资研制电 动车：我国清华大学钱伟长等教授上书总理周恩来，建议开发电动车，得n t 周 恩来总理的支持，拨百万巨款进行研究。在8 0 年代，由于石油供应充沛，油价逐 步回落至7 0 年代初的水平。汽车的燃油效率在政府的督促之下也大大改善了，因 而电动车研发的动力大大的减少了，其步伐明显放慢了。9 0 年代，在能源和环境 的双重压力下，电动车的研究再次进入一个活跃期。新材料、新技术的发展，为 电动车的发展注入了新的活力【2 1 。 纵观电动车的发展历史，尽管电动车的出现早于燃油车，但是它的研究力度 与后者相比要小得多，在性能上，如动力性能、续程性能、安全性和经济性，还 有待于进一步提高，这些性能与车辆的电力驱动系统都有紧密关系。就电力驱动 系统的功率等级和需要考虑的因素来讲，电动汽车与小型两轮电动车有着一定的 差异，然而从电力驱动系统中具体构成来讲，传动机构、使用的电机以及电机对 应的控制方式，二者基本一致，彼此的技术可以相互借鉴。由于蓄电技术没有获 得实质性的突破，目前的蓄电技术还仅适用于小型两轮电动车，小型两轮车辆在 当今全球占据绝大多数，有着广大的用户，因此无论从目前的技术条件还是从市 场来讲，对小型两轮电动车进行研究都有非常便利的条件，容易较快地取得有效 的技术进步，而且取得的成果对今后电动汽车的研究也有着重要的参考价值。我 国是世界上最大的自行车生产和使用王国，开发小型两轮电动车对节省人们日常 行车时间和改善生活环境有着非常重要的意义。鉴于以上这些因素，本文选择以 电动自行车为研究对象进行研究，为系统地提升电动自行车的性能奠定基础。 1 2 国内外电动车研究现状 八十年代至今，电动车的相关技术如电力电子、微电子、计算机控制、电机 等技术的迅速发展为其开发研制提供了良好的条件。以欧、美、日为代表的发达 国家的科研机构、车辆公司在政府的支持下纷纷投巨资开始研制，并成功推出了 一批性能良好的概念车。与此同时，世界上其它一些国家与地区同样关注电动车 的发展，我国也投入了大量的人力、物力进行研发。 ( 1 ) 欧洲电动车研究现状 欧洲的主要国家德、法、英、意、瑞典等均进行了电动汽车的研究，但是各 浙江工业大学硕士学位论文 国研究的侧重点不同。对德国而言，它本身电力驱动技术力量十分强大，目前它 的研究重点是质子交换膜的燃料电池( p e m f c ：p r o t o n e x c h a n g em e m b r a n ef u e l c e l t s ) 的开发，而且已开发出示范型电动车。如戴姆勒奔驰公司的n e c a r 3 燃 料电池电动轿车是使用甲烷为燃料，电池采用高功率密度、结构紧凑的5 0 k w 质 子交换膜燃料电池。使用4 0 l 甲烷可以一次行驶4 0 0 k m ，最高时速可达1 4 5 k m h ， 燃料添加快而方便，而且只排放无污染的纯水。在电力驱动技术方面，德国主要 选用交流感应电机与永磁无刷直流电机，英国使用开关磁阻电机。德、法、意对 电动车车队进行跟踪测试，瑞典、法国等纷纷为本国的电动车发展策略进行较为 深入的研究。欧洲今后的主要研究活动包括电池试验和标准、e v 和h e v 、f c 、 汽车新结构、未来燃料、汽车生命周期分析等【3 。电动自行车的发展也越来越受 到重视。由于受油价上涨和环保意识等因素的影响，预计未来3 至4 年内，电动 自行车将成为欧洲自行车商下一阶段推出的主要产品，仅欧洲市场每年的销量就 可在3 0 0 万至4 0 0 万辆。欧盟委员会在欧洲1 0 国赞助一项e t o u r 计划，推动电 动车辆的发展，此计划以电动自行车为主。通过将1 3 0 0 辆电动自行车发给大城市， 藉此刺激欧洲大城市环保交通工具的使用。德国为目前欧洲电动自行车主要市场 之一，目前每辆电动自行车价格平均在2 5 0 0 马克左右。电动自行车进入德国市场 之初，曾有专家表示，多数德国人皆视自行车为运动工具，因此销量十分有限， 并无太大市场潜力，孰料1 9 9 8 年该类产品销量竟然直线上升，据统计，1 9 9 8 年 德国电动自行车总销量为1 5 万辆。因此目前加入电动自行车生产的国家及制造 商已越来越多，就连原来已制造摩托车为主的意大利著名厂商p i a g g i o 以及 m a l a g u t i 亦加入到这个行列中，如此足见其市场具有相当的潜力。 ( 2 ) 美国电动车研究现状 在美国政府的积极支持下，美国三大汽车集团公司通用( g m ) 、福特( f o r d ) 、 戴姆克莱斯勒( c h r y s e r ) 成为美国开发与推广电动车的主力成员。在具体的技术 实现方面，美国主要集中力量开发基于交流异步电动机为主的电力驱动系统技术， 该项技术在美国己达到实用的要求。目前，美国正集中力量重点研究蓄电池技术， 十分看好基于质子交换膜的燃料电池，为此美国福特公司、戴姆克莱斯勒公司与 加拿大巴拉德( b a l l a r d ) i 电力系统公司联手推广基于燃料电池为动力能源的电动 车。基于燃料电池的样车n e c a r 于1 9 9 4 年推出，n e c a r 5 也于2 0 0 4 年推出h 。 除此之外，美国还在整车性能分析设计方面、市场预测方面也做了大量的研究工 塑垩士些查兰! 土兰些堕苎 一 一 作。在小型两轮电动车上，各种运动型的车辆在美国占有广泛的市场。1 9 9 9 年美 国电动自行车市场仅有6 5 万辆，到了2 0 0 0 年，超过了1 2 万辆。电动自行车及 相关产品的生产制造已经引起了美国各大公司的兴趣，如戴姆克莱斯勒汽车公司、 通用汽车公司、尤尼克公司均参与电动自行车市场的产品开发及竞争。美国e v r i d e r 的电动自行车为美国所设计，但绝大部分为中国大陆制造，市场价位低。 z a d 公司生产的马达包括双马达装备可安装在绝大多数的自行车或三轮车上。据 国外专家估计，美国电动自行车年需求量在一百万辆左右。 ( 3 ) 日本电动车研究现状 1 3 本电动车的生产及技术都占世界领先地位。在电力驱动系统方面，上个世 纪7 0 年代至8 0 年代前期，主要使用永磁直流电机系统，之后开始使用交流异步 电动机系统，近年来又开始使用永磁无刷直流电机系统，并以永磁无刷直流电机 系统为主。日本学者通过研究认为采用优化的矢量控制技术控制异步机所得的效 率高于普通矢量控制的控制系统，而优化的矢量控制系统的效率还是低于永磁无 刷直流电机的效率。除此之外，日本在整车设计方面及在车辆的控制策略上都进 行了精心的研究和试验。日本除了在电动汽车上投入了较大的人力、物力外，还 加大了对电动白行车、电动摩托车的投入和研究，使其性能以及年生产力逐年提 高。商品化的电动自行车由日本雅马哈公司率先于1 9 9 4 年推出，并随着本田、三 洋、松下等知名公司的参与，生产规模日益扩大。日本还对电动自行车的使用管 理采取了严格限制，只允许智能型电动自行车上路，并对智能型电动自行车的要 求制定了严格规定，具体有： 1 、在任何路况情况下，速度小于1 5 k m h 时，人力：电助力1 ，即电助力 不允许大于人力，但电助力接近于人力。 2 、在任何路况情况下，速度大于1 5 k m h 时，速度每增加i k m h ，电助力下 降1 9 。 3 、速度2 4 k m h 时，整车电助动系统关闭。 4 、人力蹬踏开始后1 秒钟之内，电助动系统按上述开始要求工作：人力蹬踏 停止后1 秒钟之内，整车电助动系统关闭。 5 、为了节约电能，智能型电助自行车停止运行一定时间( 一般为3 5 分钟) 后， 整车处于休眠状态。 6 、必须保证骑行的连续性，电助力不能有断断续续的现象。 浙江上业大学硕f l 学位论文 ( 4 ) 国内电动车研究现状 我因电动车与欧、美、日等发达国家相比起步较晚。大约在上个世纪9 0 年代 进入开发研制高潮，主要集中在上海、北京、广东和武汉四个地区，涉及大专院 校、科研院所以及部分车辆厂。到了9 0 年代后期，基本覆盖全国主要经济发达地 区如江苏、浙江、山东等省。据有关部门统计目前从事电动车开发和制造的厂家 已经有4 0 0 家左右，有6 0 个机构在从事燃料电池的研究。这些机构中的大多数为 研究所，研究的重点是质子交换膜技术，其中有四分之三工作是针对车辆进行的。 例如，s a i c 打算今年在路上投放少量示范车。同济大学要在今后几年研制出5 至7 辆燃料电池汽车，该计划得到了政府的资助【5 】。1 9 9 6 年，国家科委组织了“国 家重大科技产业工程项目电动汽车实施方案”综合评审会。国家“8 6 3 ”计划，将 电动汽车列为“9 5 及1 0 5 国家重大科技产业”项目嘶】。 2 0 0 1 年，我国首辆超级电容无轨电动车在哈尔滨试验成功，该车时速为6 0 公里，j 、时，具有充电快、能量大、寿命长、无污染等优点。我国技术人员自主开 发的第一辆以大功率锂离子电池为动力的电动车e v 一3 由深圳雷天公司开发成功， 它的一次充电续驶里程数超过4 0 0 公里。同年，我国第一辆以“凤凰”命名的氢燃 料电池电动车在上海诞生，这辆根据别克g l 8 原型车设计的凤凰燃料电池概念 车，功能和性能与传统汽车相当。该车可乘5 人，总重2 5 0 0 公斤，最高时速1 1 3 公里。0 1 1 2 公里，j 、时的加速时间仅1 3 秒。 在国内，电动自行车的生产与销售也呈逐年上升趋势。1 9 9 8 年我国电动自行 车产量仅为5 4 5 万辆，1 9 9 9 年为1 2 6 万辆，2 0 0 0 年又翻一番多，达到2 7 6 万辆。 据中国自行车协会预测，我国电动自行车高速增长期将一直持续到2 0 1 0 年，届时 我国电动自行车年产量将达1 0 0 万辆。随着电动自行车需求量的增加，许多厂家 瞄准了这一市场，其中，天津松正机电技术有限公司、福奇电子有限公司、上海 安乃达驱动技术有限公司和沈阳时运科技发展有限公司等生产的电动自行车控制 器及相关配件都得到了广泛的应用和推广。对电动自行车的研究在国内已经达到 了实用阶段，但其电力驱动技术水平与国外还存在一定的差距，有待进一步提高。 1 3 电动自行车驱动控制的相关技术 电动车的核心技术包括三方面：电动机、驱动与控制系统和电池技术，涉及 浙江工业人学硕士学位论文 电气、电力电子、控制、机械、材料和化工等诸多学科。 电动机属于驱动系统元件，包括新型交流电动机、新型直流电动机、直接驱 动电动机、直线电动机、专用小功率电动机等等。直流电动机只是其中一个重要 的分支。目前由于技术水平所限，电动车暂时只能采用直流电动机，而且要持续 一个相当长的时期，待逆变技术、交流电动机技术进一步成熟，交流电动机有望 成为电动车的动力主流。 目前，大部分电动自行车厂家所用的电动机为永磁直流电动机，主要原因是： 直流电动机是发展历史最悠久的电机，它的制造技术已相当成熟，具有高的运行 可靠性，极好的调速性能，极大的过载能力，简单的控制方法。但直流电动机由 于电刷的存在而产生的机械磨损较大，功率密度也偏低，无法实现高速大容量； 而无刷直流电动机既有直流电动机的优越的性能，又依靠电子换向，免去了机械 式电刷和换向器用，消除了机械磨损，提高了功率密度、最高转速以及容量。随 着无刷直流电动机的性价比不断提高，其应用前景将越来越广泛。 驱动系统为电动自行车提供所需的动力，是衡量电动自行车性能好坏的关键。 常见的驱动方式有四种：轮毂电机直接驱动式、中轴式、旁挂式、摩擦式。由于 摩擦式靠摩擦轮胎推进，对轮胎的磨损较为严重，此外由于泥水等因素造成的打 滑现象，给雨雪天气安全行车带来了困难和危险，因此除了在极少应用场合下使 用外，这种方式已经逐渐被放弃。当前我国极大多数厂商的产品都采用轮毂电机 直接驱动方式，采用这种方式的好处是电动车制造商可以不对车型作大的改动， 即可装车，这种方式比较容易在试制阶段被接受，但是从电动自行车本身的两个 功能电动和人力骑行来看，采用轮毂电机直接驱动方式，由于磁阻造成的力矩， 以及人力骑行时的电机发电问题，使人力骑行时感到费力。中轴式对机械的设计 和制造水平要求较高，它通过采用双飞结构，解决了人力骑行困难问题。旁挂式 相对要求较低，只是在后轮上增加了一条链条来驱动，而且骑行时电机不转动， 因此不存在磁阻转矩以及发电问题，减轻了人力骑行时的阻力。 控制系统即控制器，概括的讲是一个中枢系统，它将各种有用信号转变为控 制或保护指令，监督电动机和电路的运行状态，采样、对比分析并将信号转化为 控制指令。对于电动自行车的控制器而言，就是将给定速度信号、传感器检测到 的电动机转子位置信号、转速信号和电动机定子的电压、电流反馈信号转变为控 制或保护指令，监督电动机和控制电路的运行状态，采样、对比分析并将信号转 6 浙江工业大学硕士学位论文 化为控制指令，来控制电动机的启停、加减速的运行状态。 微电子技术的迅速发展，微处理技术的日益更新，使得电机控制技术开始由 传统的模拟技术转向微处理器控制的数字技术。数字控制系统的精度、稳定性、 抗干扰性、多功能化、通用化等大大提高，而价格大体与模拟控制系统相当。最 初采用分立元件组成庞大而复杂的模拟控制进行驱动，由于模拟元件控制系统不 仅对温度变化敏感、易老化，而且系统升级困难，因此己被逐渐淘汰。目前国外 的许多半导体厂商，都开发出了一系列电机控制专用集成电路芯片，可以满足部 分数字化控制的应用需求。但由于各厂商之间无统一标准，且专用集成电路芯片 的功能有限，通用性和可扩展性不强，在一些较复杂的应用场合专用集成电路芯 片未必能满足性能要求。高性能的面向电机数字化控制的工业单片机和高速度数 字信号处理器( d s p ) 的出现，提高了电机控制系统的性能，同时简化了系统结 构。与单片机相比d s p 器件具有更高的集成度，更快的运算速度和丰富的高度专 业化指令集，更大容量的存储器，内置波特率发生器，具有高速同步串行接口和 标准异步通讯串行接口以及p w m 发生电路。因此，d s p 可以满足各种应用需求， 实现高性能的电机数字化控制。随着d s p 性价比的不断提高，基于d s p 的控制 器将是运动控制系统实现技术的发展方向8 】【1 1 】。 电池是电动车的能源，也是目前电动车研究中的一个世界性难题。自从电动 车1 9 世纪末诞生以来，速度慢、价格高、重量重、续程短等缺点就一直是制约其 发展的关键因素。尽管这些年来与电动车相关的电机、电子、蓄电、控制、检测 等技术水平有了较大的提高，使其某些动力性能如启动性能、加速性能和爬坡性 能已可与燃油车辆相比，但是由于蓄电技术没有获得实质性的突破，致使伴随其 多年的缺点没有得到根本性的改进。所以，在今后相当一段时间之内蓄电技术还 将是决定电动车研究和发展方向的关键。电动车电池有特殊要求，即能量密度和 功率密度都要大，且需具备高效、低价、寿命长、便于回收等特点。当前，电动 自行车中采用较多的是密封的铅酸蓄电池，这种电池的能量密度较低，造成电动 车续驶里程短，车载能量少，只能采用小功率电机，并使得电动车在最高时速、 最大加速能力、最大爬坡能力等方面受到诸多限制。电池的能量密度低是电动车 发展的一个瓶颈，但同时也为电动车的研发提供了很大的机遇。国内外已研制了 一些新型的电动车用蓄电池，主要有镍氢电池、锂离子电池和锂聚合物电池，与 锚酸电池相比，这些电池显著提高了能量密度和功率密度，寿命较长，充放电速 浙江工、毗大学硕上学位论文 度和效率高，但是价格比较贵。此外燃料电池的研发也是一个热点，已经有很多 国家和企业投入到此领域中。 1 。4 本课题的研究内容与论文安排 电动车用电机需要高效率、高功率密度、大输出转矩和宽范围调速，这样的 驱动性能要求从系统的角度对控制方法和电机系统进行综合设计。本文着重于电 动自行车用无刷直流电动机及其控制器进行分析和设计，为无刷直流电动机控制 系统今后在各类电动车辆中的应用提供基础。围绕这一基本思想，本文的主要研 究内容有： ( 1 ) 、分析了电动自行车用无刷直流电动机调速系统的工作原理，建立了其 数学模型并进行了m a t l a b s i m u l i n k 系统仿真分析； ( 2 ) 、采用美国公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片为控制核心，设计了无刷直 流电动机的控制器，包括软、硬件的设计； ( 3 ) 、实验验证与分析。 相应的各章内容概述如下： 第一章主要介绍了课题的背景和意义以及国内外电动车尤其是电动自行车 的发展情况，并对电动自行车驱动控制的相关技术做了简要的分析。 第二章对电动自行车用无刷直流电动机调速系统做了详细的分析，并针对 本系统的要求确定了系统方案，主要包括控制结构、控制技术、控制策略、控制 芯片和位置传感器的选择。 第三章应用m a t l a b s i m u l i n k 对无刷直流电动机调速系统进行了系统仿真 研究，确定了速度环p i 调节和电流环p i d 调节的主要参数。 第四章基于t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片为控制核心，设计了电动自行 车用无刷直流电动机控制器的硬件电路部分。 第五章以t i 公司的c c s 开发环境为开发工具，设计了整个调速系统的软 件部分。 第六章系统调试与结果分析，通过实验验证系统方案设计的合理性。 第七章总结与展望。 浙江工、大学硕士学位论文 1 5 本章小结 本文首先介绍了课题研究的背景和意义，分析了国内外电动车，尤其是电动 自行车的发展水平和研究现状，简要探讨了电动自行车三方面的核心技术电 动机、控制和驱动系统、电池；然后针对电动自行车用无剧直流电动机及控制器， 确定了本文的研究内容，最后介绍了各章的内容安排。 塑垩三：生查兰堡主兰堡堡兰 第二章控制原理与方案确定 2 1 电动自行车用驱动电机的分析 本文目的是要为电动自行车的核心功能设备驱动电机设计高性能的控制 系统。相对于直流电机，无刷直流电机具有更优越的性能。三相永磁无刷直流电 机由具有三相对称绕组的定子和材料为永磁体的转子组成，根据其反电势波形的 不同，可以分为两种：反电势为梯形波的无刷直流电机( b l d c m ) 和反电势为正弦 波的永磁同步电机( p m s m ) 。为了减少转矩纹波，无刷直流电机一般采用两相导 通规律，即根据转子位置传感器输出的三个位置信号决定三相定子电压的导通和 关断，使流过定子绕组的电流波形为矩形波；永磁同步电机则采用三相导通规律， 即根据转子的当前位置决定三相定子电压的导通和关断，输出正弦波电流。由于 无刷直流电机控制较为简单，且在有效材料利用相同情况下，出力较大，同时具 有体积小、重量轻、电磁转矩脉动小、结构简单、工作可靠、调速性能好、免维 护等优点，因此本系统选用无刷直流电机作为驱动电机。 2 ，1 1 基本系统构成 无刷直流电动机主要有电动机本体、位置传感器和电子开关电路三部分组成， 其原理框图如图2 1 所示。电动机本体包括定子和转子两部分，定子绕组一般为 多相( 二相、三相、四相、五相不等) ，各相绕组分别与外部的电子开关线路相连， 开关电路中的开关管受位置传感器的信号控制；转子由永磁材料按照一定极对数 ( 2 p = 2 ，4 ，) 组成，按照其结构分两种：一种是将瓦片状的永磁体贴在转子 外表上，称为凸极式；另一种是将永磁体嵌到转子铁心中，称为嵌入式。为了能 产生梯形波感应电动势，无刷直流电动机的转子磁钢的形状呈弧形( 瓦片型) ，磁 极下定转子气隙均匀，气隙磁场呈梯形分布【”。无刷直流电动机的工作离不开电 子开关电路，直流电源通过开关电路向电动机定予绕组供电，位置传感器随时检 测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而 自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现了电子换向。 o 浙江工业大学硕士学位论文 _ _ 一一一 2 1 2 基本工作原理 图2 - 1 无刷直流电动机的原理框图 一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙磁 场中产生磁场，其转子电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换向作用， 使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生 最大转矩驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无刷换相，首先要求 把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直 流永磁电动机的结构正好相反，而且还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑 开关共同组成换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产生的 磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中始终保持在9 0 。左右的电角 度，从而产生转矩推动转子旋转。 为了更加详细地阐述这种无刷直流电动机的工作原理和特点，下面以实例来 加以简要说明。无刷直流电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕 组接法又可分为星形连接和角形连接。图2 2 是绕组为星形接法的三相无刷直流 电动机半桥驱动电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器，以3 个功率场 效应晶体管m 1 、m 2 、m 3 构成功率逻辑单元。3 个光电器件v p l 、v p 2 、v p 3 的 安装位置各相差1 2 0 。，均匀的分布在电动机一端，借助于安装在电动机轴上的旋 转遮光板的作用，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某 一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。 假定此时光电器件v p l 被照射，从而使功率场效应晶体管m i 呈导通状态， 电流流入绕组a a ，该绕组电流同转子磁极作用后所产生的转矩使转子的磁极按 照顺时针方向转动。当转子转过1 2 0 。后，直接装在转子轴上的旋转遮光板也跟着 同时转动，并遮住v p i 而使v p 2 受光照射，从而使功率场效应晶体管m 1 截止， 功率场效应晶体管m 2 导通，电流从绕组a a 断开而流入绕组b b ，使得转子磁 浙江工业大学硕士学位论文 极继续顺时针转动，同时带动遮光板顺时针旋转。当转子磁极再次转过1 2 0 。后， 此时旋转遮光板已经遮住v p 2 而使v p 3 受光照射，从而使功率场效应晶体管m 2 截止，功率场效应晶体管m 3 导通，电流流入绕组c - c ，于是驱动转子磁极继续 顺时针旋转，转过1 2 0 。后，重新开始下一次的3 6 0 。旋转。这样，随着位置传感器 转子扇形片的转动，定子绕组在位置传感器v p l 、v p 2 、v p 3 的控制下，一相一 相地依次馈电，实现了各相绕组电流的换向。 图2 2 无刷直流电动机原理图 不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生不同的性能并且成本也 不同，主要从以下三个方面来进行分析： ( 1 ) 绕组利用率 无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可以使 同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好， 四相比五相好，全桥比半桥好。 ( 2 ) 转矩的波动 无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转 矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。 ( 3 ) 电路成本 相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动 所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多车h 电动机的结构复杂，成本也高。 塑望三些尘主堡圭堂些笙壅一 综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多， 本系统即是选择的这种控制方式，下面介绍三相无刷直流电动机星形连接全桥驱 动的基本原理。 2 1 3 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 图2 3 是三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动时的电路原理图，采用两相 导通三相六状态工作方式，在电机运行过程中，霍尔位置传感器不断检测电机当 前位置，控制器根据当前位置信息来判断下一个电子换向器的导通时序。如图2 4 所示，图中h 1 、h 2 和h 3 分别表示霍尔位置传感器的信号，h 1 的有效期为x 轴 到u 轴的正半周，h 2 的有效器为v 轴到y 轴的正半周，h 3 的有效期为w 轴到z 轴的正半周，假设有效是霍尔元件对应的信号为1 。电机在各个位置的电子换向 器的导通状态共6 种，分别为a n c 、b n c 、b n a 、c n a 、c n b 和a n b ，其中以 a n b 为例表示电机a 相到b 相的正导通，其它以此类推。假设正转( 逆时针) 过程中，在0 6 0 。期间，功率开关管导通状态为a n b ，此时v i 、v 4 导通，在 6 0 1 2 0 。期间，功率开关管导通状态为a n c ，此时v i 、v 6 导通，其余时间类 似，按照图2 _ 4 所示顺序依次导通不同的开关管对。电子换相器的控制关键在于 在检测到当前位置的同时开通下一个位置导通状态的电子开关，经分析各当前位 置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2 - 1 所示，结合图2 3 ，还可以得到 相应的三相电机星形连接全桥驱动的各开关管通电规律如表2 - 2 所示( “+ ”表示 此相端点是电流流入，“一”表示此相端点是电流流出) 。 币二 、，v 地 b a c 币= 。 v 刈岂 图2 - 3 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动电路 塑翌：! ：些奎兰堡主兰垡堡茎一 u v a 。 。 图2 4 电子换向器的工作原理 表2 - 1 、霍尔位置信号与换相的关系 反向： 当前位置( h 3 ，h 2 ，h 1 )下一位置导通相 0 0 1b n c 0 1 1b n a 0 l oc n a 1 1 0c n b 1 0 0a n b 1 0 la n c 正向 当前位置( h 3 ，h 2 ，h 1 )下一位置导通相 0 0 1b n a 0 l lc n a 0 1 0c n b 1 1 0a n b 1 0 0a n c 1 0 1b n c 4 浙江_ 工、i k 大学硕_ 上学位论文 表2 - 2 三相星形连接全桥驱动的通电规律 通电顺序正转( 逆时针)反转( 顺时针) 转子位置 0 6 0 6 0 - 一1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 3 0 0 2 4 0 1 8 0 1 2 0 6 0 - r 0 ( 电角度。) 1 2 01 8 02 4 03 0 03 6 03 0 0 2 加1 8 01 2 06 0 开关管 l ，4l ，63 ，63 25 ，25 43 ，61 65 45 ，23 2 a 相+ + b 相+ c 相+ 2 1 4 三相无刷直流电机的数学模型 无刷直流电动机转子采用弧形结构，可以获得梯形波的气隙磁场，定子采用 整距集中绕组，由逆变器供给方波电流。其一相气隙磁场感应的反电动势与供电 电流之间的关系如图2 5 所示。 缉 。 在分析和仿真计算中直接采用相变量法，根据转子位置用分段直线表示感应 电动势。由于稀土永磁材料的磁导率很低，转子的磁阻很高，其影响可忽略不计。 此时，无刷直流电动机的三相定子电压的平衡方程式可用下列状态方程表达： e ； = f 誊吾兰 陲 + 墨乏l a b 攀1 p 慝 + 圣 c z 一， 塑翌三些查兰堕主兰望堡塞 l 。l 。、l m 、l b c 、口l c b 为三相定子间互感； 由电动机结构决定，在一个3 6 0 。电角度内( 机械上为一对磁极距) ，转子的 e ! = f 莒吾兰1 差 + 妻兰錾 p 隆 + 兰 c ：一z ， 又因为三相对称电动机中存在i + + f c = 0 ，所以m i a + 慨+ 胁c = o ，故式 i ； = f 莒- 导兰 耋1 + l 暑埘l 二l 互 p f 差 + f | ! c z s ， 图2 - 6 电机等效电路图 电磁转矩方程为： t = 0 i + e s i 8 + e c i c ) ，q ( 2 4 ) 式中：q 为电机转子的角速度。 为了产生恒定的电磁转矩，要求在每半个周期内，方波电流的持续时间为1 2 0 。电 角度，梯形波反电势的平顶部分要1 2 0 。电角度以上，两者应严格同步，理想情况 下，任何时刻定子绕组只有两相导通，所以电磁转矩可以变为： 浙江i q k 大学硕士学位论文 式中：e 。为定子绕组各相反电势的幅值 ( 2 5 ) ，。为定子绕组各相电流的幅值。 又因为无刷直流电动机的定子绕组各相反电动势的幅值为： e 。= b z 怛b z 丽n 孰。， ( 2 6 ) 主磁通为： m 。：b z 塑( 2 7 ) p m 式( 2 6 ) 可化为： = 警哦一髟吣n ( 2 _ 8 ) 式中：k 。= n p ，6 0 为电势系数，n 为相绕组等效匝数，p m 为极对数，n 为电 机转速。 因此电磁转矩表达式可化为： t = 2 e d ld i q ：k e 国。id=60(2-9) 筇 由式2 - 9 可以看出，无刷直流电动机电磁转矩大小与磁通和电流幅值大小成 正比，所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可控制无刷直流电动机的转矩。 再加上转子运动方程： d q l d t = ( r 一正一b q ) ， f 2 - 1 0 ) 式中：z 为负载转矩； b 为粘滞阻尼系数； ，为转子及负载的转动惯量。 这样就构成了完整的三相无刷直流电动机的数学