（检测技术与自动化装置专业论文）模型电动车的双后轮独立驱动系统的开发与研究.pdf

r 。1 1 。_ _ _ 。 _ 。 学位论文的主要创新点 一、本文使用了飞思卡尔公司的推出的16 位、具有双核处理器的 m c 9 s12 x d g l2 8 在软件编程时，把所有的中断服务子和i o 程序放 在了协处理器x g a t e 中执行，既简化了主处理器的工作负荷，又增强 了系统的稳定性和可靠性。 二、后轮采用了无刷直流轮毂电机，而这两个后轮同时成为了控制对 象，增强了模型电动车的运行稳定性和易操作性。 摘要 随着社会的发展，越来越多的家庭开始捐j 有汽车，既给人们的生活提供了很 大便利，又成为带动经济发展的行业。然而在另一面，汽车所带来的各种弊端日 益凸显，如：交通事故、环境污染、对石化能源的严重依赖等，很多国家都开始 寻找各种方法解决这些问题。目前，“零污染”的电动汽车被广泛认为是传统汽 车的替代者，电动汽车行业已经成为各国汽车研究的一个重点。 双轮驱动电动汽车代表着电动汽车行业的发展方向，以其简洁的控制方法、 卓越的整车性能和广阔的市场前景，受到了产、学、研等各界的重视。本文针对 双后轮独立驱动的模型电动车系统进行了深入的分析和研究。本文是关于模型电 动车双后轮独立驱动系统的研究和设计，该系统以飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 公司推 出的m c 9 s 1 2 x d g l 2 8 双核微控制器为核心，以无刷直流轮毂电机和c a n 总线 为辅助，构成了一整套高性能的控制系统。 在文中，首先是对电动汽车行业的背景进行了大致的介绍，重点描述了国内 外电动汽车产业的发展现状。因为无刷直流电机是模型电动汽车的核心部件，所 以接着在文中重点介绍了无刷直流轮毂电机的结构、工作原理和控制方法。在主 控单元与驱动模块之问的数据传输与通信使用了c a n 总线，所以本文对c a n 总线也进行了详细说明，比如c a n 总线的硬件和软件设计等。最后，介绍了本 模型车系统的开环和闭环控制的方法。本文在理论分析的基础上，对该模型电动 汽车系统进行了相关的实验分析，经实践验证达到了预期效果，从而证实了本模 型车系统的可用性和稳定性。 关键词：无刷直流轮毂电机，c a n 总线，双轮控制，测速电路，双核微控制器 a b s t r a e t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , m o r ea n dm o r ef a m i l i e sp o s s e s sa u t o m o b i l e s ， w h i c ht a k ep e o p l eg r e a tc o n v e n i e n c e o nt h eo t h e rh a n d ，i ti so b v i o u st h a tag r e a t m a n ya u t o m o b i l e sh a v eb r o u g h tag r e a td e a lo fs h o r t c o m i n g an u m b e ro fc o u n t r i e s h a v eb e e ns e e k i n gm e t h o d st os o l v et h o s ep r o b l e m s e l e c t r i cv e h i c l e sw i t h t w o w h e e l e dd r i v es y s t e m sr e p r e s e n tt h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y b e c a u s eo fs i m p l ec o n t r o lm e t h o d s ，e x c e l l e n t p e r f o r m a n c ea sw e l la sw i d em a r k e tp r o s p e c t s ，e vh a sb e e nd r a w na t t e n t i o nb y i n d u s t r i a l ，a c a d e m i c ，r e s e a r c hs e c t o r s i nt h i s t h e s i s ，e l e c t r i c v e h i c l e sw i t h d u a l r e a r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v es y s t e mh a sb e e na n a l y z e di nd e p t h t h i st h e s i si sr e g a r dt os t u d y i n ga n dd e s i g nd u a l r e a r - w h e e li n d e p e n d e n td r i v e s y s t e m so f e l e c t r i cv e h i c l e s ，b a s e do nf r e e s c a l e sd u a l c o r em i c r o - c o n t r o l l e r m c 9 s12 x d g12 8 b r u s h l e s sd cm o t o ra n dc a nb u sa ss u p p l e m e n t ，t h o s eu n i t s c o n s t i t u t eac o m p l e t es e to fh i g h p e r f o r m a n c ec o n t r o ls y s t e m f i r s to fa 1 1 t h et h e s i sd i s c r i b e si n d u s t r i a lb a c k g r o u n do ft h ee vf o c u s i n go n i n t r o d u c i n gt h es t a t u sa n dt h ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i ca n df o r e i g ne vb e c a u s e b r u s h l e s sd cm o t o ri st h ec o r ec o m p o n e n to ft h i sm o d e le l e c t r i cv e h i c l e ，t | l et h e s i s h i g l l l i g h t st h es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l e ，c o n t r o lm e t h o d so fb l d c m b y r e s o r t i n g t ot h ec a nb u s t h em a i nc o n t r 0 1u n i tc o m m u n i c a t e sw i t ht h ed r i v em o d u l e ，t h e yc a n t r a n s f e rc o m m u n i c a t i o na n de x c h a n g ed a t ai nr e a lt i m e i nc o n s e q u e n c e ，t h et h e s i s a l s oc a r r i e dad e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tc a nb u s s u c ha st h ed e s i g no fc a nb u s h a r d w a r ea n dt h ec o d eo fs o f i w a r e f i n a l l y , t h et h e s i sd i s c u s s e sa n di l l u s t r a t e st h e m e t h o d so fo p e n 1 0 0 pa n dc l o s e d l o o pc o n t r o lo fm o d e lv e h i c l es y s t e m b a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n da c t u a ld e s i g n ，t h es y s t e mo fm o d e le vh a sb e e n a c c o m p l i s h e d i ns u b s e q u e n c e t h ee vw a sv e r i f i e db yd e s i r e dp r a c t i c a lr e s u l t s ，t h u s c o n f i r m i n gt h es u c c e s s f u la v a i l a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo f t h em o d e le vs y s t e m k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r , c a nb u s ，d u a l r e a r - w h e e lc o n t r o l ，s p e e dc i r c u i t s ， d u a l c o r em i c r o c o n t r o l l e r 目录 第一章绪论1 1 1 前沿1 1 1 1 背景及研究意义l 1 1 2 电动汽车的发展2 1 2 电动汽车的发展现状3 1 2 1 国外电动汽车的发展现状3 1 2 2 国内电动汽车的发展现状4 1 3 电动汽车简介一5 1 3 1 电动汽车的分类5 1 3 2 电动汽车的构成7 1 3 3 电动汽车工作原理7 1 4 本论文主要研究内容7 第二章模型车的主电机9 2 1 无刷直流电动机的分类9 2 2 无刷直流电机的工作原理9 2 3 无刷直流电机的结构和驱动方式1 0 2 3 1 无刷：直流电机的本体结构1 1 2 3 2 电机转子位置传感器1 2 2 3 3 功率驱动电路12 第三章c a n 总线17 3 1c a n 总线概述1 7 3 1 1c a n 总线特点1 7 3 1 2c a n 总线与r s 4 8 5 总线比较1 8 3 2c a n 总线基本概念l9 3 3c a n 总线的分层结构2 0 3 3 1 物理层( t h ep h y s i c a ll a y e r ) 一2 0 3 3 2 传输层( t h et r a n s f e rl a y e r ) 一2l 3 3 3 目标层( t h eo b i e c tl a y e r ) 2 1 3 4c a n 报文传送和帧结构2l 3 4 1 数据帧2 2 3 4 2 远程帧2 5 3 4 3 出错帧2 5 3 4 4 过载帧2 6 3 5 位定时与同步2 6 3 6 通信模块系统的方案设计2 7 3 6 1c a n 。e 2 , 线硬件2 8 3 6 2c a n 总线软件3l 第四章模型车的驱动系统的设计与实现3 7 4 1 带协处理器x g a t e 的1 6 位单片机m c 9 s 1 2 x d g l2 8 3 7 4 1 1m c 9 s 1 2 x d g l 2 8 单片机介绍3 8 4 1 2m c 9 s 1 2 x d g l 2 8 单j 十机的最小系统3 9 4 2 系统主电路4 2 4 3 模型车的驱动电路模块4 3 4 3 1 无刷直流电机控制专用集成电路4 3 4 3 2 模型车系统实际驱动电路4 6 4 4 电流检测与速度检测5 1 4 4 1 电流检测电路51 4 4 2 速度检测电路5 2 4 5 系统电源模块5 2 4 6 系统软件5 4 4 6 1 主程序5 4 4 6 2 定时器中断服务子程序5 5 4 6 3c a n 总线中断服务子程序5 7 4 6 4 输入捕捉中断5 8 4 7 转速双闭环调节系统5 9 4 7 1 流程图设计5 9 4 7 2 程序设计一6 0 4 7 3 总结和实验数据示例6 2 第五章全文总结6 5 参考文献6 7 发表论文及参加科研情况7 1 致谓j 7 3 第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 背景及研究意义 第一章绪论 1 8 8 5 年，四十岁的德国机械工程师卡尔本茨( k a r lb e n z ) 发明了名为“自 动车”的第一辆实用的内燃机汽车。从那以来，汽车技术日新月异，汽车种类日 渐繁多，汽车产销量突飞猛进，并逐渐成为人们生活和工作中所不可或缺的交通 工具。 据世界汽车制造商协会( o i c a ) 统计，2 0 0 8 年全球共生产汽车7 0 5 3 力辆。 其中，中国以9 3 4 5 1 0 l 万的产量，超过了美国而位居世界第二。截止2 0 0 7 年底， 全球汽车保有量达9 亿4 8 6 4 万4 1 0 1 辆，预计2 0 1 5 年该数字会增加至1 1 2 亿。 汽车产业的迅速发展不仅改善了人们的生活质量，还拉动了1 5 0 多个相关产 业的发展，成为国民经济发展的主要推动力量。它为美国提供了3 0 0 多儿的就业 岗位，为中国提供和带动了3 1 0 0 万的就业机会。 以我国为例，1 9 7 8 2 0 0 6 年汽车产业对服务：l k 增长的贡献率为位3 6 9 ，拉 动服务业增长9 3 个百分点；对工业增长的贡献率为3 4 5 ，推动工业增长8 6 个百分点；对我国g d p 增长的贡献率为2 8 6 ，拉动g d p 增长7 2 个百分点【1 1 。 这些数据表明，我国汽车产业对国民经济的增长发挥了重要作用。 表1 11 9 7 9 2 0 0 6 年中国汽7 f 产业对经济系统增k 的贡献 项目年均增长产出汽车产业对经济增汽车产业对经济增k 率( )弹性长的贡献率( )的拉动作用( ) 汽车产业2 2 7 g d p9 70 7 4 1 52 8 67 2 工业11 2o 7 7 2 23 4 58 6 服务业l o 50 8 8 3 83 6 9 9 3 数据来源：中国汽车i ：业年鉴( 1 9 8 5 2 0 0 7 ) ，中困统计年鉴( 2 0 0 2 2 0 0 7 ) 虽然汽车产业为社会进步做出了卓越贡献，但是传统的以石油为燃料的汽车 也给全球环境带来了灾难性的破坏，由此也造成了大气污染、噪声污染、城市水 体污染、热污染等。据测定，汽车每消耗1 万升石化燃料，就将排放2 2 3 吨二 天津j 二业人学硕+ 学位论文 氧化碳( c 0 2 ) ，尽管c 0 2 不会明显危害人体健康，但它是造成全球温室效应的 主要原因；汽车尾气罩含有上百种有机物，并且多是有毒的，它们严重损害了人 们的健康状况。再者，石油是不可再生资源，据b p 世界能源统计2 0 0 9 9 显示， 按照2 0 0 8 年的开采速度计算，全球原油剩余探明储量还可开采4 2 年。 在环境保护和石油危机的双重要求下，无污染、低噪声、高效率的电动汽车 ( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 成为了燃油汽车的最佳替代者，所以电动汽车技术的发 展日益受到关注和重视，并已经成为了汽车业界内的新兴发展热点。电动汽车的 电池系统是制约其发展的最大瓶颈，2 0 0 9 年7 月1 3 日，中国工程院杨裕生院士 在全国锂电产业发展论坛上表示，充电问题目前已成为制约电动车行业发展的主 要问题。不过随着科技的发展，会逐步地解决这个问题。 本文以轮式模型电动汽车的工程项目为背景，根据双轮独立驱动的原理，再 结合无刷直流电机的工作特点，深入研究了整车控制的策略。在实际的控制中， 两个无刷直流轮毂电机是被独立控制的。本课题涉及到了多门学科和领域，具有 非常强的实践性和工程意义。 1 1 2 电动汽车的发展 电动车是由电动机驱动的机动车辆，包括电池电动车、混合动力车和燃料电 池电动车。电池是电池电动车的主要问题，这类电动车主要用于短途低速的社区 交通；混合动力车虽然可以满足顾客要求，但其价格高昂；长远来说，燃料电动 车将是电动车的主流，其费用和燃料系统是其瓶颈。 18 7 3 年，英国人罗伯特戴维逊用一次性电池作动力研制了电动汽车，但 它在性能和价格上都不如燃油汽车，从而没有普及开来，因此这辆电动汽车没有 得到广泛地确认。 1 8 8 1 年，第一辆电动汽车由法国工程师古斯塔夫特鲁夫( g u s t a v e t o u v e ) 研制成功，它采用铅酸蓄电池供电，由0 1 h p 的直流电机驱动的三轮电动汽车， 总重量是1 6 0 k g 。它比燃油汽车的出现早了4 年。 随后的2 0 年里，出现了第一辆商品化的电动汽车m o m s 和s a l o m 的电 动舟。以9 0 分钟的充电间隔，它可用于4 小时制的三班交接的运营。该车装有 两台1 5 h p 的电动机，最大车速为3 2 k m h ，续驶里程为4 0 k m 。 1 9 6 6 年，通用汽车公司制造了由晶闸管变频器供电，并以感应电机驱动的 电动汽车e l e c t r o v a n 。上世纪6 0 年代，影响力最大的电动车阿波罗宇航员在 月球上使用的月球巡回车。该车自蕈是2 0 9 k g ，能运载4 9 0 k g 的有效负载，行程 约6 7 k i n 。 这些电动车都显示了现实的成就，但在续驶罩程和性能上都不能与燃油汽车 第一章绪论 相媲美。直到2 0 世纪9 0 年代，燃油汽车造成的负面效应已经越发凸显，为了解 决这些弊端，电动汽车才重新成为研究热点，并且拥有广大的市场前景。据2 0 0 9 中国汽车工程学会年会披露的信息，2 0 1 5 年我国纯电动汽车保有量就会达到2 6 0 多万辆；2 0 2 0 年，德国电动汽车的保有量将达1 0 0 万辆。 1 2 电动汽车的发展现状 1 2 1 国外电动汽车的发展现状 日本和欧洲很早就着手研究电动汽车，美国随后也跟上了。该行业的著名厂 商有：日本的丰田、本田，欧洲的b w m ，美国的通用、福特、克莱斯勒等。日 本、美国等在本国政府、汽车生产商以及科研机构的集体参与下，在电动汽车领 域取得了显著成绩，尤其在电动车的车速、车载电池等、加速性能方面有很大成 就。 最早研发电动车的国家是日本。从上世纪7 0 年代开始，日本就有很多公司 开始开发纯电动汽车了，截止2 0 0 9 年，同本国内共有1 2 9 家公司开发电动汽车。 同本政府积极鼓励电动汽车产业的发展，2 0 0 4 年，经济产；l k 省出台的日本电 动汽车购车补助手册除了减免部分新车的税务外，每辆电动汽车都可以获得一 定的牢卜贝占。 19 9 1 年，同本政府制定了第三届电动汽车普及计划，该计划的推行使得 日本电动汽车产业蓬勃发展起来。雅马哈公司于1 9 9 4 年4 月1 同推出了第一辆 电动自行车；l9 9 7 年，丰田公司推出了世界上第一批混合动力汽车普锐斯 ( p r i u s ) ，它受到了市场的欢迎，在全球4 0 多个国家里取得了1 2 0 万辆的销售额； 1 9 9 8 年，东京电力公司推出了代表当时最高水平的z a 电动汽车。基于价格和行 驶| 里程的原因，自上世纪末期以来，越来越多的r 本汽车制造商把发展方向聚焦 在混合动力汽车上，而电池电动车的产品同益向小型化发展。 现在欧盟内部已经有六十多个城市加入了“城市电动车”协会，它会为加盟 的城市提供有关电动汽车的必要帮助。再者，由欧洲议会联合1 3 个欧洲国家集 体制定了u t o p i a 计划，该计划的出台，使得这些成员国纷纷加强对混合动力 车和燃料电池的研究。以法国为例，由于从上世纪7 0 年代的“石油危机”里看 到了风险，法国政府开始鼓励固内企业研发电动汽车，制定了给电动汽车生产商 提供1 5 万法郎辆的补助标准，雷诺公司就是从这时进入电动汽车领域的。1 9 9 1 年，法国政府成立环境能源控制局以帮助和引导电动汽车的发展，并且在拉罗舍 尔市设立了电动汽车“特区”，用来专门检验电动汽车的真实可行性。从1 9 9 3 年 开始，其国内电动车的销售量连续5 年保持了6 0 的高速增长，雪铁龙公司占领 天津jr ：业大学硕士学位论文 了市场份额的3 4 ，标致公司的市场占有率也达到了4 0 。 德国、英国、瑞士等其他欧洲国家政府也很重视电动汽车的发展和应用。比 如，德国于1 9 9 2 年划拨出2 2 0 0 力马克，在r u g e n 建立了电动车试验基地；英国 政府设立了2 0 0 0 万英镑的电动车研发支持经费，并对其税收优惠。 1 9 9 3 年，美国能源部召集通用汽车( g m ) 、福特( f o r d ) 、戴姆勒一克莱斯勒 ( c h r y s e r ) 参与并制订了混合动力电动汽车计划，并为此计划资助了2 亿美元。 该计划得到了认真贯彻，并且也取得了预期的效果。比如，f o r d 公司推出的 p r o d i g y 、c h r y s e r 公司推出的e s x 系列、g m 公司研制的g e n 2s t i f l i n gh e v 和 p r e c e p t 。2 0 0 1 年，为了适应新时期的形势需要，美国能源部废除了混合动力电 动汽车计划，而制订了“自由汽车”计划( f r e e d o mc a r ) ，该计划讲着重帮助 三大汽车厂商研制和开发燃料电池。2 0 0 2 年，美国能源部为“工业研究、开发 和演示使用电池的电动汽车 而设置了1 5 0 0 万美元的奖励经费。 1 2 2 国内电动汽车的发展现状 19 9 4 年，我国首次成为石油净进口国，此后石油进口量一直在上升，2 0 0 8 年，我国石油净进口量已经达到了2 亿吨。同时我国是世界第二大c 0 2 的排放 国，汽车尾气所占的比重达到了1 6 。这些因素都是推动我国发展电动汽车发展 的动力。 我国电动汽车在上世纪9 0 年代进入了发展期，现已经形成了由政府指导， 产、学、研相结合的发展方式，并且取得了硕果：( 1 ) 纯电动轿车和纯电动客车 通过了验证；( 2 ) 混合动力汽车已处于试车阶段；( 3 ) 成功研制了燃料电池汽车 样车，燃料电池轿车累计运行4 0 0 0 k m ，燃料电池客车累计运行8 0 0 0 k m r 2 1 。 中国政府十分重视电动汽车产业的发展，不仅为该产! l k 发展提供财政补助， 而且没立多个试点城市推广电动汽车。科技部曾于“八五期问把电动汽车列入 科技攻关计划，正式开始对电动汽车核心技术的研发；在“九五期间把它列入 国家重大科技产业工程项目，发起了电动概念车的研发，并在汕头市建立了电动 汽车示范区；2 0 0 1 年，在“十五”期间把它列入国家8 6 3 计划中，专门设立电 动汽车重大专项1 3 j 。以电池电动汽车、混合动力车和燃料电池汽车为“三纵”； 以多能源动力总成、驱动电机和动力蓄电池共性关键技术为“三横”，形成了“三 纵三横 的产业布局；“十一五”期间，科技部启动了节能与新能源汽车重大项 目。 2 0 0 8 年北京奥运会和残奥会期i 刈，出现在各个比赛场地的多辆纯电动轿车、 纯电动客车、混合动力客车就是“三纵三横”布局的成功杰作。同年，众泰公司 推出了国内第一辆纯电动汽车众泰2 0 0 8 e v ；比亚迪公司推出了f 3 d m 双模 第一章绪论 动力汽车；奇瑞公司出产了纯电动汽车s 1 8 ；吉利公司推出了熊猫纯电动车；氏 城公司推出了g w k u l l a 电动车。 在2 0 0 9 年里，国内又掀起了电动汽车发展的新浪潮。3 月13 日，北京市成 - o r 了新能源汽车联盟并建立产业基地；5 月2 3 日，比亚迪公司与德国大众公司 签署了一份关于共同发展电动汽车的谅解备忘录；6 月2 日，长安公司发起了新 能源汽车联盟，东风公司建立了东风电动汽车产业园试点基地；7 月1 1 日，国 内十大汽车厂商联合成立了“电动汽车产业联盟”；7 月1 7 日，广汽发起并成立 了广东省电动汽车省部产学研创新联盟；8 月8 日中科院电动汽车研发中心在上 海成立。 2 0 0 9 年7 月，由中国汽车技术研究中心标准化研究所起草的纯电动乘用车 技术条件已经拟定完毕，很快就会出台。总体来看，在各部门的分工协作和科 技部的协调下，极大地推动了国内电动汽车产业的发展。 1 3 电动汽车简介 电动汽车( e v ) 采用电动机为牵引装置，并用燃料电池组、化学蓄电池组、 超级电容器组或者飞轮组为其相应的能源。 平常所说的电动汽车其实是纯电动汽车( 电池电动汽车) 、混合动力车、燃 料电池汽车的统称。按照储能方式的不同，电动汽车可以分成两大类：纯电动汽 车使用电能驱动电动机行驶；混合动力车则是使用内燃机驱动发电机行驶。 1 3 1 电动汽车的分类 ( 1 ) 纯电动汽车 纯电动汽车( p u r ee l e c t r i cv e h i c l e ) 是指由车载蓄电池提供动力，用电机驱 动车轮行驶的电动汽车。它是零排放、无污染的，被认为足理想的交通工具。纯 电动汽车的电动机采用了弱磁技术，可以实现速度和转矩按照期望的特性变化。 并且，因为可以自动进行电力陛j 收，所以能够得到较高的效率，纯电动汽车的效 率是内燃机汽车的1 5 倍，这样电动汽车在排气标准尸e 格的市内更有优势了。随 着行业的发展，纯电动汽车的发展趋势越发明显：微型化【4 】。 纯电动车驱动系统的种类有两种：单电机方式和双电机力式【5 l 。 1 ) 单电机方式 有传动系统。一般车辆采用r 动机代替发动机，这样的电动汽车上普遍 有变速器，也安装了离合器。 天津j 上：业大学硕士学位论文 无传动系统。由于没有传动装置，电机运转更加容易，但这需要低速大 转矩的电动机，并且增大了电动机和逆变器的容量。因此，一般情况下电动汽车 中采用的电机都兼具了经济性与平衡性。 2 ) 双电机驱动方式 前后驱动。两个电机分别驱动前后轮，可以是两轮驱动或者四轮驱动，以 达到最佳效果。同时，它们被连接在同一个轴上，由离合器连接。 双轮毂式电机。因为轮毂电机和逆变器价格较高，所以一般采用双轮毂式 电机。采用四轮毂式电机驱动的优点是操纵灵活性更大。 ( 2 ) 混合动力电动汽车 1 8 9 9 年，混合动力汽车出现于巴黎美术展览馆【6 】。电机、发动机、驱动电机 和车载蓄电池构成了串联式混合动力电动汽车。发动机产生的电能供给电动机， 电动机用来驱动汽车。车载电池也可给电动机供电，而发电机产生的部分电能也 能给车载电源充电。 它主要有四种类型：串联式、并联式、混联式和复合式【7 】。如图1 1 所示， 混合动力( h y b i r dc a r ) 电动汽车的驱动系统通常由不多于两个的动力系构成。 为了回收在传统内燃机( i c e ) 车辆中以热形式消耗的部分制动能量，混合动力 车的驱动系统通常会有一个双向的能源及其能量变换器，而另一类则是单向的能 源及其能量变换器。 虚线：向动力系2 充电时的功率流 实线：驱动时的功率流 图1 1 混合动力电驱动系统的概念图 在混合动力电动汽车里，各种电驱动系的运行模式形成了优于单动力系车辆 的灵活性。由特有的结构和控制，采用+ 对每一特定运行工况的专用模式，就会优 化车辆的全面性能。 第一章绪论 1 3 2 电动汽车的构成 电动汽车主要有电力驱动及控制系统、驱动模块、调速控制器、车载充电器 等构成。其中驱动模块和调速控制器是核心，车载电源是发展瓶颈。 具体说，它主要包含：电机驱动、能源和辅助子系统。电机驱动子系统由车 辆控制器、电力电子变换器、电动机、机械传动装置和驱动轮构成；能源子系统 包括能源、能源管理单元、能量的燃料供给单元；辅助子系统由功率控制单元、 ，? 一车内温度控制单元和辅助单元构成。这样，基于来自加速和制动踏板的控制输入 信号，车辆控制器向电力电子变换器给出正确的控制信号，变换器行使控制电机 。与能源之间的功率流的功能。 1 3 3 电动汽车工作原理 “ _ 赫”车膂电 能机械能 图1 2 纯电动汽车原理图 如图1 2 所示，车载蓄电池经过电压变换电路得到不同的电压值，再输入给 照明系统、监测系统、驱动系统，以驱动电动汽车运行。也就是说，蓄电池通过 驱动器向电动机提供电能来驱动汽车；在制动或者减速时，电动机则作为发电机 来回收能量。 1 4 本论文主要研究内容 本文是基于模型电动汽车系统为工程背景，以无刷直流轮毂电机为基础j 面 向双后轮独立控制的电动汽车的应用要求，设计并研究了基于双核微控制器 m c 9 s 1 2 x d g l 2 8 的双后轮独立控制的模型车系统。截i l 到目前，双核微控制器 在电动汽车领域的使用还很少见。 在文中，首先讲述了电动汽车的产生背景、电动汽车的发展史、幽内外现状， 然后洋细介绍了本设计所要涉及到的一些模块概念及其应用，比如c a n 总线、 和无刷直流轮毂电机等，在第五章詹重介绍了本文的主要内容，包括所选用的控 天津工业人学硕+ 学位论文 制j 签片m c 9 s 1 2 x d g l 2 8 、设计思路、硬件电路和软件编程。 无刷直流轮毂电机电动机是本模型车系统的重要组成部分，电动机性能的优 劣直接影响到了模型车系统的性能，因此本文重点介绍了无刷直流电机的工作原 理和应用方法。本文的驱动模块必须接收到主控单元的控制命令后，才控制无刷 直流电机的工作状态，由于c a n 总线被认为是最适宜于电动车的通讯方式，所 以本模型车系统采用了c a n 总线技术，并实现了主控单元与驱动模块之间的数 据传输与信息交换。因此c a n 总线在文中也是重点内容。 本模型车的双后轮都是控制对象，所以整车性能更加稳定。在模型车完成后， 已交付机械学院供学生们作为教学实物用。 第三章c a n 总线 第二章模型车的主电机 直流电动机主要分为采用永磁铁的永磁式电动机( p e r m a n e n tm a g n e tm o t o r ) 和采用电磁铁的绕组励磁式电动机( e x c i t e dm o t o r ) 。在目前的电动汽车领域使 用的电动机里，大功率的电动机一般使用串励、并励和复励电动机等有励磁绕组 的电动机，而小功率电动机采用的是永磁式电动机直流电动机。 通过采用高能量的永磁体为励磁，永磁式电动机驱动具有设计成高功率密 度、高转速和高效率电动机的潜力【8 】。在永磁电动机系列中，无刷直流电动机在 很多工业领域得到应用，它最适合应用于h e v 和e v 的结构里一j 。本模型车采 用了“新奥玛 无刷直流轮毂电动机，如图2 5 。 2 1 无刷直流电动机的分类 按照永磁体的安装方式，永磁无刷直流电机可以分为：表面式和嵌入式。表 面安装式直流无刷电机的每个永磁体装配在转子表面，结构简单，但当电机高速 运行时，永磁体有可能飞离出去，稳固性不高；嵌入安装式直流无刷电机的永磁 体装配在转子内部，构造复杂，但稳定可靠 1 0 】。 按照定子绕组的区别，永磁直流无刷电机也为两类，它们的反电动势波形不 同：梯形波和正弦波。梯形反电动势波的永磁直流无刷电机有三种理想特性： ( 1 ) 气隙罩的磁通为矩形分布； ( 2 ) 电流波是矩形； ( 3 ) 集中式定子绕组。励磁电流波形为拟方波形式，任一周期里都有两个各 为6 0 。电角度的零励磁电流区间。正弦形反电动势的永磁无刷直流电机的最基 本特征：磁体旋转在每相定子绕组中感生的反电动势是转子角度的f 弦函数。它 的理想特性： 1 ) 气隙里的磁通为i f 弦分布； 2 ) 正弦电流波形； 3 ) 定子导体为正弦分布。 2 2 无刷直流电机的工作原理 无刷直流电机( b l u s h l e s sd i r e c t c u r r e n c ym o t o r ，简写为b l d c m ) 是在有刷 天津t 业入学硕士学位论文 直流电机的基础上发展而来的，它既保留了普通直流电机良好的调速性能，又具 有无换相火花、噪音低等特点。就其内部发生的电磁过程来说，无刷直流电机与 传统电机在本质上并无太大的差别。 图2 1 无刷直流电机工作原理框图 如上图2 1 所示，在无刷直流电机中，借助于反映转子位置的位置传感器的 信号，通过电子换相电路去驱动与电枢绕组连接的功率开关器件，使电枢绕组依 次流经电流，从而在电机定子上产生跳跃式的旋转磁场，进而驱动永磁转子旋转。 随着转子的连续转动，位置传感器也连续发出不同的转子位置信号，以便控制器 改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变。 这就是无刷直流电机的换相过程j 。 图2 2 三相无刷直流电机系统框图 以三相无刷直流电机为例，如图2 2 示。无刷直流电机主体的电枢绕组采用 了三相星型连接方式，电机转子位置传感器安置在电机本体上，转子位置信号被 反馈后，控制器产生驱动信号，再经驱动电路隔离放大，最后控制逆变器的功率 开关管( v t l v t 6 ) ，进而使电机的三相绕组顺序工倒12 1 。 2 3 无刷直流电机的结构和驱动方式 见图2 3 ，一般的无刷直流电机主要山几大部分构成：电动机本体、转子位 第三章c a n 总线 置传感器 13 1 。其中，普遍把定子制成多相( 三相、四相) ，转子由永磁体按照一 定的极对数( p = i 、2 、3 ) 构成。而在无刷直流电机之外，电子换相电路也 是必不可少的，它的作用是：把转子位置传感器的输出信号进行解调、预放大、 功率放大，随后触发末级功率器件，使电枢绕组按照固定次序通电。 图2 - 3 无刷直流电机组成框图 无刷直流电机具有旋转的磁场和固定的电枢。于是，电子换相电路里的功率 开关器件，如：晶体管、功率m o s f e t 或者i g b t 等就可以直接与电枢绕组连 接。此外，转子位置传感器被安装在电机定子上，并把实时检测到的信号馈送给 控制器，主控制器发出控制命令，进而实现对无刷直流电机的调速及转向的控制。 转子位置传感器与电子换相电路共同替代了有刷直流电机的机械换相装置。 2 3 1 无刷直流电机的本体结构 图2 - 4 无刷直流电机实物图图2 5 无刷直流轮毂电机实物图 一般而言，电动机本体包括电机定子和转了，其主要功能足保汪在工作气隙 罩有足够的磁通【1 4 】。 ( 1 ) 电机定子( m o t o rs t a t o r ) 秀燃鬟 一 零一 ，定 ，转一 黔良 髟缀 天津：l 业人学硕十学位论文 定子是电机本体的静止部分，由导磁的定子铁心、导电的电枢绕组及固定铁 芯和绕组用的一些零部件等组成。无刷直流轮毂电机的定子铁芯里镶嵌了星型连 接或者三角形连接的多相对称绕组。电楸绕组星型连接、三相对称且不引出中性 点的使用方法在目前的实际实践中应用较为普遍。 ( 2 ) 电机转子( m o t o rr o t a t o r ) 主转子是电机本体的转动部分，是产生励磁磁场的部件，主要由三部分所组 成：永磁体、导磁体、支撑零部件。从结构上看，无刷直流电机的转子主要是由 若干极对数的永磁磁钢固定于铁芯上所构成的。 2 3 2 电机转子位置传感器 无刷直流轮毂电机的转子位置传感器用来连续检测电机转子磁极位置，为逻 辑开关电路提供正确的换相信息。也就是说，它将转子磁极的位置信号转换成 t t l 电平信号，继而控制电机定子绕组正确换向，使得电枢绕组旱的电流随着电 机转子位置的变化可以按某种固定的顺序换相，再通过气隙所形成的旋转磁场驱 动电机转子持续旋转。在恰当的时刻换相，可以降低电机转矩波动【l5 j l l 川。 由霍尔效应原理构成的霍尔元件、霍尔集成电路、霍尔组件统称为霍尔效应 磁敏传感器，简称霍尔传感器。在实际应用中，霍尔( h a l l ) 位置传感器以其独有 的优势廉价、体积小、可靠性强等优点而被普遍选择为无刷直流电机系统罩 的位置传感器。 2 3 3 功率驱动电路 ( 1 ) 三相半控桥式 如图2 - 6 所示，在三相半桥式驱动电路里，q 1 、q 2 、q 3 是m o s f e t 功率 管，l 1 、l 2 、l 3 是电机定子的三相绕组；电机转子位置传感器的信号值h 1 、 h 2 、h 3 被相关电路处理后驱动m o s f e t 功率管，实现对电机的控制。 幽2 6 三相半控桥式驱动电路图 第二章c a n 总线 在该驱动电路里，电机转子位置传感器信号的波形见图2 7 所示。在换相过 程中，电机定子各相绕组l a 、l b 、l c 在气隙罩所形成的旋转磁场都不是连续的， 而是每种状态持续存在1 2 0 。电角度。 h ：e ， h 0i 口l ， h ：l 苒， 当无刷直流电机的电流恒定时，其换向过程功率电路输出转矩波形如图2 8 。 t ( n m ) 06 0 01 2 0 0i8 0 。2 4 0 03 0 0 。3 6 0 0 图2 - 8 三相半控桥功率电路恒电流卜转矩波形 三相半控桥式驱动方式的优点是元件数量少、易于控制、低成本，然而它对 定子绕组的利用率较低，每个周期内各相绕组仅1 3 周期通电，2 3 周期处于关 断状态，再者其转矩波动很大，所以实际应用中一般不采用这种驱动方式。 ( 2 ) 三相全桥式 如图2 9 三相全桥式驱动电路图示，根据霍尔( h a l l ) 传感器信号值，功率 器件q l 、q 2 、q 3 、q 4 、q 5 、q 6 按一定的次序控制电机三相绕组电流i a 、i b 、 i c 的导通或关断，继而实现控制无刷直流电机的调速和转向。一般而言，其导通 的方式有两种：两两导通、三三导通方式。 通，使得有正向电流通过其对应的定子绕组并随之产生转矩；与此同时，也仅有 一个下臂桥功率器件( 与j f 在导通的上臂桥功率管属于不同的桥臂) 导通，使另 外一相定子绕组也获得电流并，托生转矩；这两个转矩之和就形成了合成转矩。每 当换桐一次后，合成转矩的方向也随着转6 0 。电角度，在每个周期单，合成转 矩需要改变6 次方向，转矩波动要比三相半控桥式驱动电路平缓。基于它的优点， 第二章c a n 总线 无刷直流电机的全桥式驱动方式往往采用两两导通方式。 2 ) 三三导通方式 三三导通方式是指每一时刻都有三只功率管导通。它与两两导通方式的硬件 原理完全一致，只是各自功率管的导通次序和数量不同，每个功率管导通l8 0 。 电角度。但该方式在换相瞬间容易造成同一桥的上、下桥臂同时导通，轻则造成 电机不能正常运转，严重时可能导致控制电路和驱动电路的毁坏。 学硕+ 学位论文 第三章c a n 总线 3 1c a n 总线概述 第三章c a n 总线 c a n 是控制器局域网( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 的简称。最早出现于上世 纪8 0 年代末期，它是德国b o s c h 公司为了解决现代汽车罩众多的控制与测试 仪器之间的数据交换而推出