机械毕业设计478纯电动汽车电控调速系统设计
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机械毕业设计478纯电动汽车电控调速系统设计,机械毕业设计论文
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届本科毕业论文（设计） 论文题目：纯电动汽车电控调速系统设计 学生姓名： 所在院系： 所学专业： 应用电子技术教育 指导老师： 完成时间： nts 摘 要 本论文以纯电动汽车直流无刷电机控制器为研究目的， 详细地叙述了基于STC12C5404AD 型 单片机控制的 PWM 调速控制系统的 设计过程 。在论文中简单介绍了 单片机 STC12C5404AD 的结构以及 IGBT 功率驱动模块的应用；无刷直流电机的霍尔信号与逻辑驱动信号的关系，利用此关系来控制电 机的转动和方向；另外，本论文中对电机的一些保护功能如 限流保护 、 欠压保护、短路保护都是利用模块的自带功能来实现的，而刹车断电 、 智能巡航 、 自动定速、防飞车 、 防盗等保护功能是利用程序来实现，这样使电路简单，成本降低 。 除此之外，还设计了系统的软件流程，包括主程序流程设计，调速子程序流程设计。 关键词 ：纯电动汽车； STC12C5404AD； IGBT 功率模块； PWM 控制 nts The pure electric vehicles speed electronic control system design Abstract This article take developments the pure electric automobile concurrent not to brush the electrical machinery controller as the research goal, narrated in detail has controlled the pure electric automobiles PWM velocity modulation control systems design process based on the STC12C5404AD monolithic integrated circuit. The present paper introduced the monolithic integrated circuit STC12C5404AD structure as well as the IGBT power actuation module application in detail; Introduced not brushes direct current machines Hall signal and logic driving signal relations, uses this relations to control electrical machinerys rotation and the direction; Moreover, in the present paper to electrical machinerys some protection function like curre nt limiting protection, the under voltage protection, the short circuit protection is realizes using the module bringing function, but gets on the brakes the power failure, the intelligent cruise, the automatic constant speed, against speeding car, security and so on protection functions is realizes using the procedure, like this makes the electric circuit to be simple, cost reduction. In addition, but also has designed systems software flow, including master routine flow design, velocity modulation subroutine flow design. Key words: the pure electric automobile; STC12C5404AD; IGBT power module, PWM controls nts 目 录 1 引言 . 1 2 设计方案 . 1 2.1 电机的选择 . 1 2.2 控制器的选择 . 2 2.3 PWM 调制方式 . 2 3 系统结构框图 . 3 4 单片机外围器件的设计 . 4 4.1 电源电路 . 4 4.2 单片 机主控制电路 . 4 4.2.1 SoC 型单片机 STC12C5404AD . 5 4.2.2 ISP 电路 . 6 4.2.3 IGBT 驱动模块 . 7 4.3 调速器输入电路 . 7 4.4 控制模拟器 . 8 4.5 换相逻辑接口 . 9 4.6 IGBT 驱动电路 . 10 4.7 无刷电机驱动电路 . 11 4.8 防盗报警 . 12 4.9 保护电路 . 13 5 软件设计与分析 . 13 5.1 主程序流程图 . 13 5.2 PWM 频率 . 13 5.3 子程序流程图 . 13 5.3.1 模拟控制键子程序 . 15 5.3.2 正反转子程序 . 16 5.3.3 A/D 转换子程序 . 16 6 结束语 . 16 谢 辞 . 18 参考文献 . 19 附图 1: 整体电路图 . 20 程序清单 . 21nts 1 1 引言 汽车虽给国民经济带来了发展，给人类带来了方便，但也给人类带来了巨大的灾害， 42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放， 80%的城市噪声是由交通工具产生的；并且当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽车是消耗石油的大户！因而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。有鉴于此，本世纪六七十年代，电动汽车开始复苏。人们利用现有的成熟技 术可以对蓄电池进行处理，以达到零污染排放的目的，因此被称为绿色汽车。 目前 ,世界上许多国家在研究电动汽车上主要是解决电池问题和控制器的问题，而我的论文主要是研究控制器的问题。在控制器的选择上，有多种多样，从以前的模拟控制方式到模拟数字一体化的方式，可以说各有各的优势，各有各的缺点。随着科技的不断进步，人们开始了在 单片机 上的研究，利用 单片机作为控制器来控制 PWM 的脉冲宽度以达到控制电机转速和转向的目的。利用单片机的控制器有很多优点，一方面减少了元件的使用量且减少了故障的出现率；另外保护功能的实现主要在程序，为 产品的后期开发提供了方便。 因此，本文主要研究的是 基于 STC12C5404AD 型 单片机控制纯电动汽车的PWM调速控制系统的 设计过程。 在本论文中详细介绍了 单片机 STC12C5404AD的结构以及 IGBT 功率驱动模块的应用；介绍了无刷直流电机的霍尔信号与逻辑驱动信号的关系，利用此关系来控制电机的转动和方向；另外，本论文中对电机的一些保护功能如 限流保护 、 欠压保护、短路保护都是利用模块的自带功能来实现的，而刹车断电 、 智能巡航 、 自动定速、防飞车 、 防盗等保护功能是利用程序来实现，这样使电路简单，成本较低 。 除此之外，还设 计了系统的软件流程，包括主程序流程设计和调速子程序流程设计。 2 设计方案 2.1 电机的选择 方案（ 1）：采用直流有刷电机。直流有刷电机是电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是靠随电机转动的换向器和电刷来完成的；具有控制简单，材料成本低的优点，但是由于它是靠机械换向，其电刷和换向器容易损坏，且其全程效率低、机械噪声大、故障率高，寿命短的缺点。 方案（ 2）：采用直流无刷电机。无刷电机是由控制器提供不同电流方向的直流电来达到电机里面线圈电流方向的交替变化， 采用方波自控式永 磁同步电机 ,以霍尔传感器取代碳刷换向器 ,以钕铁硼作为转子的永磁材料。 因此在无刷nts 2 电机的转子和定子之间没有电刷和换向器。 直流无刷电机具有高效率 ,高转矩 ,高精度的三高特点，同时具有体积小 ,重量轻的优点 ,但是其具有控制技术高，设备复杂，造价高等缺点。 经过以上两种方案的分析比较，考虑到电动汽车的行程效率、运行速度和寿命问题，本论文中选择采用 方案（ 2） 直流无刷电机。 2.2 控制器的选择 方案（ 1）：选用 PWM 专用集成芯片作为主控芯片。如 PWM 芯片 SG3525 具有很高的温度稳定性和较低的的噪声等级，具有欠压保护和 外部封锁功能，能方便地实现过压、过流保护，能输出两路波形一致、相位差为 180的 PWM 信号。 方案（ 2）： 采用通用的 AT89S51 单片机作为控制器，单片机通过 模拟的PWM 口 ，经处理后通过 功率放大器驱动电机 。 方案（ 3）： 采用 SoC 型 STC 系列 的 宏晶单片机 STC12C5404AD 单片机作为控制器 。 目前 SoC 型单片机已非常普遍，基于 51 内核的 SoC 型芯片也有众多供应厂商。 它有四路 PWM 输出和 8 路 10 位的 A/D 转换器。加速器送来的模拟信号通过 A/D 转换器，转换结果作为 PWM 脉宽调制信号 ，通过改变某一频率 PWM 的脉冲宽度来改变驱动器输出功率的大小从而控制电动汽车在一个档位的速度。 经过讨论和老师的指导，我 们 采用了方案（ 3）作为我的设计。采用方案（ 1）能够满足 基本 要求， 但是这种方案可控性不好、功能单一，每扩展一种功能就要增加相应的硬件电路，使控制器成本增加很多 ；采用方案（ 2）能满足设计基本要求，而且价格便宜，购买方便，但是现场编译不太方便；而方案（ 3）集中了前两种方案中的优点 ， 还弥补了它们存在的缺陷 ； 而且处理速度快， 运行稳定可靠， 符合电动汽车无刷电机控制严格要求。无刷电机控制控制复杂，电机需 要一定的逻辑输出才能可靠运行。 而这类单片机都有丰富的片上资源， 比较强大的处理能力， 一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完整的系统。片上系统的优点在于减小了布线的麻烦，提高了系统的整体性能。 宏晶单片机STC12C5404AD 还 可以通过普通的 MAX232 串口实现在线系统编译的特点。 2.3 PWM 调制方式 对于两相导通三相六状态的空心杯无刷直流电动机，在一个周期内，每个功率开关器件导通 120 度电角度，每隔 60 度有两个开关器件切换。因此， PWM调制方式可以有以下五种： (1)on_pwm 型、 (2)pwm_on 型、 (3)H_pwm-L_on 型、(4)H_on-L_pwm型和 (5)H_pwm-L_pwm 型。 前四种方式又称为半桥臂调制方式，即在任意一个 60 度区间，只有上桥臂nts 3 或下桥臂开关进行斩波调制。其中，方式 (1)和 (2)为双管调制方式，即在调制过程中上桥臂和下桥臂的功率开关都参与斩波调制。方式 (3)和 (4)又称为单管调制方式，即在调制过程中只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制。方式 (5)又称为全桥调制方式，即在任意一个 60 度区间内，上、下桥臂的功率开关同时进行斩波调制。 在全桥调制方式中，功率开关的动态功耗是半桥 调制方式中的两倍。与半桥调制方式相比，全桥调制方式降低了系统效率，给散热带来困难。因此，考虑到功率开关的动态功耗，在 PWM 调制方式上应选择半桥调制方式。同时，在半桥调制方式中，双管调制方式不增加功率开关的动态损耗，并解决了由单管调制所造成的功率开关散热不均，提高了系统的可靠性，但是实现起来较复杂。因此，本设计采用较容易实现的 H_pwm-L_on 型调制方式，即在各自的 120度导通区间内，上桥臂功率开关通过 PWM 调制，下桥臂开关 管恒通 。 3 系统结构框图 根据系统控制要求和以上方案论证， 系统整体电路方框图如图 1 所示 。 图 1 系统整体硬件电路方框图 图 1 所示的单片机系统主控器就是现在已经非常普遍的宏晶单片机STC12C5404AD，它是整个系统的核心。主控器的根本任务是控制无刷电机的转速和方向，检测各单元控制信号，安全可靠地完成相应的控制功能。电源为各电路提供工作的原动力，加速器输出模拟电压控制 PWM 脉冲的宽度，而这个模拟电压必需经主控器 A/D 转换通过已固化的内部程序才能完成 PWM 脉宽的调整。需要说明的是加速器只有在控制模拟器处于相应的档 位才能调整 PWM脉冲的宽度，控制模拟器就是该系统模拟的汽车档位、离合器和刹车，这是最基本的功能。主控器巡回检测控制模拟器和加速器的动态，输出相应的 PWM脉冲经 IGBT 驱动模块放大后产生足够大的驱动电压，驱动由 IGBT 管组合成电源电路 STC12C5404AD 单片机系统主控器调速器 控制模拟器 防盗报警 IGBT 驱动保护 无刷电机驱动电路 换相接口 nts 4 的三相桥式开关电路， IGBT 驱动模块时刻检测三相桥式开关电路的运行状态，具有欠压保护、短路保护、过压保护功能。三相桥式开关电路既无刷电机驱动电路，其在 PWM 脉冲的控制下按照无刷电机的控制逻辑导通、截止，因是 IGBT管组合成而成，可以在高频大功率下工作，具有驱动较大功率的无刷电机功能。在汽 车停放期间防盗报警电路处于设防状态，主要检测振动信号为主，且具有防宠物功能，检测到报警信号就会切断电路，是汽车无法运行。该控制器还具有自动巡航、刹车保护、以及扩展功能，这些功能是通过软件实现的。 4 单片机外围器件 的设计 4.1 电源电路 电动汽车电源一般情况下用的是 288V 的蓄电池。因电动汽车电机功率较大，采用高压小电流是一种较好的办法。本控制器需要三路电源，均由电瓶通过接口 J3 提供： 一是单片机 STC12C5404AD 正常工作所需的 +5V 电压。该电源电路的输出电流应该不低于 100mA。试验证明， 当电流低于 100mA 时，外围电路不能正常工作，甚至导致单片机中程序的误动作。 二是提供 IGBT 驱动模块正常工作时所需要的 +24V 工作电压， 对主控器输出的 PWM 的矩形波进行足够的放大。 三是电机的 +288V 工作电压。由于该电源电路的工作电流比较大（正常工作电流为 10A 到 60A），故所有 288V 电压经过的电路都应该具有较强的通电流能力，否则会引起控制器的电路板因电流过大而被烧毁。 应该注意，这里的 288V、 24V 电压和 5V 电压并不是同通同断的。其中 288V电压受到程序的控制，当电机工作时 288V、 24V 电压受程序的控制加入电路，断电时电压不加入电路。而 5V 电压不受程序的控制， 5V 电压可以受钥匙的控制，也可以不受任何控制直接加入单片机。 其原理图如图 2 所示 。 图 2 电源电路原理图 4.2 单片机主控制电路 C91 0 0 u FC1 01 0 4V i n1V ou t3GND27 8 0 5C1 11 0 0 u FC1 21 0 4+ 28 8V C C132J3J D GJ D G+ 24 V+ 5Vnts 5 由设计方案可以确定单片机主控制电路单片机选用 STC12C5404AD，现在详细介绍该单片机的特点和连接方式。 4.2.1 SoC 型单片机 STC12C5404AD STC12C5404AD 系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机。元件使用方便，指令代码完全兼 容传统 51 内核的单片机 。 STC12C5404AD 单片机 DIP 封装，其单片机芯片的管脚分布图如图 3。 图 3 STC12C5404AD 单片机 DIP 封装管脚 接口 功能引脚 ： P0.0-P0.3 P0 口 I/O 口； P1.0-P1.7 P1 口 I/O 口 ，第二功能 A/D 转换； P2.0-P2.7 P2 口 I/O 口； P2.4、 P2.0 有 PWM 输出功能； P3.0-P3.7 P3 口 I/O 口 ； 周围还可 有 特殊功能引脚； RST 硬件复位引脚； XTAL1、 XTAL2 时钟引脚； VCC、 GND 电源引脚 。 STC12C5404AD 单片机的特点： （ 1）增强型 6 时钟（机器周期）， 12 时钟周期（机器周期） 8051CPU； （ 2） 3.4-5.5V 工作电压（ 5V 单片机） ； （ 3）工作频率范围 0 35MHz，相当于普通 8051 的 0-400M； R X DT X DX T A L 2X T A L 1R S TP 2. 2P 2. 3V C CP W M 5 P W M 0P W M 1P W M 4P W M 3P W M 2P R O T E C TP 2. 21P 2. 32R S T3P 0. 326R X D / P 3. 04P 1. 4 / S S / A D C 425T X D / P 3. 15P 1. 3 / A D C 324P 0. 06P 0. 223X T A L 27P 1. 2 / A D C 222X T A L 18P 1. 1 / A D C 121P 2. 617P 1. 0 / A D C 020P 2. 718P 3. 7 / P W 019P 3. 2 / I N T 09P 0. 110P 3. 3 / I N T 111P 3. 4 / T 0/ E C I12P 3. 5 / T 1/ P A 1/ P W 113P 2. 4 / P A 3 / P W 314P 2. 515G N D16P 1. 5 / M O S I / A D C 527P 1. 6 / M I S O / A D C 628P 1. 7 / S C L K / A D C 729P 2. 0 / P A C 2/ P W 230P 2. 131V C C32U1S T C 12 C 5 41 0A DH1H2H3P 1. 3P 1. 4P 1. 5P 1. 6P 0. 3P 2. 6P 2. 5P 3. 3P 3. 4J D Q Ints 6 （ 4）用户应用程序空间 4K； （ 5）片上集成 512 字节 RAM； （ 6） 27 个通用 I/O 口， P1、 P2、 P3、准双向口弱上拉， P0 口开漏输出 ； （ 7）支持 ISP、 IAP，无需专用编程器，可通过串口（ P3.0， P3.1）直接下载用户程序 ； （ 8） EEPROM 功能支持 ； （ 9）硬件看门狗支持，可完全省去外部看门狗 ； （ 10）内部集成专用复位电路 MAX810，外部晶振 12M 以 下时可省去外部复位电路 ； （ 11） 6 个 16 位定时器 计数器 ； （ 12）外部中断 9 路，下降沿中断或低电平触发中断， Power Down 模式可由外部 中断 唤醒 ； （ 13）全双工 UART 串行口，可用软件模拟多个串行口 ； （ 14） A/D 转换， 10 位精度 ADC，共 8 路； （ 15） 4 路 PWM 输出。 STC12C5404AD 单片机 的特殊功能寄存器在原有 51 内核单片机的基础上进行了扩展，新增加了一些特殊功能寄存器，软件程序设计可以查阅 STC12C5404AD系列单片机的用户手册详细资料，这里不在赘述。仅了解各管脚的功能和使用的连接方式，以设计电路原理图 。 4.2.2 ISP 电路 ISP 称系统在线编程，可以不用专门的编程器实现单片机的烧写程序， PC机标准 串行通信接口通过 MAX232 进行电平转换后与单片机接口进行 通讯 ， 因此只需要使用一根串口通信电缆（ DB9）连接单片机的串口 ， J3 为系统 DB9 串行接口。 TXD、 RXD 分别接图 3 中 的 TXD（ P3.1）、 RXD（ P3.0），这两个端口就可通过 PC 机的 COM 口直接烧写到 STC12C5404AD 单片机中。如图 4 所示。 图 4 ISP 的连接电路示意图 C 1+1C 1-3C 2+4C 2-5T 1I N11T 2I N10R 1O12R 2O9R 2I N8R 1I N13T 2O7T 1O14V-6V+2V C C16G N D15U2 M A X 2 32T X DR X D TXRX162738495J3RXTXC21 uF / 16 VC31 uF / 16 VC41 uF / 16 VC5 1 uF / 16 VV C Cnts 7 4.2.3 IGBT 驱动模块 AST965 为 N 沟道 IGBT 栅极驱动模块，输入与输出之间采用光电耦合以提供所需的电气隔离。模块具有短路、欠压和过压保护功能，所需外围元件极少，对供电电源要求低，易于使用，适应各种不同类型的 IGBT 驱动。其典型应用电路如图 5 所示，各管脚功能如表 1 所示。 图 5 电压源电阻 驱动应用电路 表 1 各管教功能表 序号 名称 描述 1 PDA 脉冲输入正端 2 PDK 脉冲输入负端 3 FQC 保护 /故障输出光电三极管“ C” 4 FQE 保护 /故障输出光电三极管“ E” 5 VDD 模块电源正端 6 VSS 模块电源负端 7 ADJ 短路动作时间调整 8 VO 电压源输出端，与第 9 脚短接作电压源输出连到 IGBT 的 G 极 9 IO 电流源输出端，直接连到 IGBT 的 G 极，并联一只电阻接到 8 脚 10 EG 电位引脚连到 IGBT 的 E 极， IGBT 关断在栅极上产生一个负电位 11 C 连到 IGBT 的 C 极，用于检测 IGBT 饱和实现短路保护 4.3 调速器输入电路 电动车的调速有两类：光电类和霍尔类。由于光电类调速手把故障率较高，现在基本上已经被淘汰，我们这里主要介绍霍尔类调速手把。 霍尔调速，是利用霍尔效应结合集成电路制作的，它有三条引线，一条接nts 8 +5V，一条速度信号输出线，一条电源地。常见的霍尔调速把有两种：一种是输出信号由低变高型，另一种是输出信号由高变低型。所谓输出信号由低变高型是指，慢慢地旋转霍尔调速把，信号线对地电压由起始 1V逐渐上升到 4V 左右。而输出信号由高变低型的相 反，慢慢地旋转霍尔调速把，信号线对地电压由起始 4V 逐渐上降到 1V 左右。这两种可以相互改变，方法是打开调速器，将每块磁铁极型颠倒后，用胶重新固定即可。 霍尔调速把内部常使用三端线性霍尔器件 UGN3501T，在用 5V供电时，静态电流小于 8mA，电压稍高于 5V，电流就会大于 10mA。如果供电超过 6V，霍尔器件的电流和温度都会快速上升，此时霍尔器件容易损坏。 由于调速器是控制电机速度的首要部件，我们把单片机的 P1.3 口作为调速转把输入的 ADC 口，所以必须保证单片机 P1.3 口检测到的电压与调速器输出电压保持一致。在实 际使用中，发现控制器在正常工作中会对调速器产生一定的干扰（主要产生一些尖脉冲），对 PWM 电路产生了不良影响（测试中发现当霍尔元件的三个接口断开以后，输入电压产生了一个幅度约 5V、频率较高的尖脉冲，而且此时电机的速度突然变为最高。实际使用过程中当三根连接线断开以后，应该使电机的速度立刻为零），所以调速手把输入电路我们人为的加入了抗干扰元件，防止因为霍尔元件开路造成飞车事故的发生。 调速器输入电路原理图见图 6，电路工作原理分析如下： 图 6 中的 R18 和 C1 就是为抗干扰而加入的。 R18 和 C1 的共同作用下对上述中的 尖脉冲进行很好的滤波，可抑制掉尖脉冲，起到抗干扰作用。同时 R18接入电路以后当相当于单片机 P1.3 口加了一个下拉电阻，保证在 P1.3 口无电压时为零，即保证在输入端的三个输入线同时断开（一般在不断电更换转把时，会出现这种情况）时，程序采集到的输入信号电压为零。这种情况也是对控制器的一种保护。 图 6 调速器输入电路 4.4 控制模拟器 为了能使本控制系统操作符合长期以来人们的驾车习惯，考虑到成本问题，123J2调速器+ 5VR 181MC11 0uP 1.3nts 9 采用独立开关模拟汽车档位、离合器（ li he）和刹车（ sha che）。系统上电以后踩调速器油门和直接挂档是 不能使汽车行驶的，增加了汽车驾驶的安全性。下面说一下整个操作过程： （ 1）只有踩下离合器，才能挂档，松开离合器汽车才能行驶。 （ 2）每档有一个最低速和最高速，是通过调速器调整 PWM 脉宽实现的。 （ 3）汽车行驶过程中，踩下离合器，汽车处于滑行状态，可以节约能源。 （ 4）紧急刹车需踩下离合器和刹车。 （ 5）当汽车匀速行驶 10 秒可自动实现巡航。 （ 6）设防和撤防保护汽车的安全性。 以上功能是通过软件实现的，根据实际需求可以扩展其他功能。如图 7 所示。 图 7 控制模拟器 4.5 换相逻辑接口 此接口的功能把无刷电机的位置霍尔开关信号送到单片机的霍尔检测口，主控器 STC12C5404AD 根据霍尔状态输出相应的 PWM 逻辑驱动脉冲。无刷电 图 8 换相逻辑接口 倒档正档设防巡航R 1 51 0 kR 1 61 0 kR 1 41 0 kR 1 71 0 kV C CP 1 .4P 0 .3P 1 .5P 1 .6R 1 21 0 kR 1 31 0 k刹车离合P 2 .5P 2 .612345J1换相+ 5 VH1H2H3nts 10 机的 霍耳元件有 5 根引线， 图 8 所示的 1 5 接口 分别是霍耳元件的公共 电源 正极、公共电源负极、 A 相霍耳输出、 B 相霍耳输出和 C 相霍耳输出 ， H1、 H2、H3 分别是 A 相、 B 相、 C 相霍尔输出的检测端口， 无刷控制器（ 60）霍耳真值信号是： 100、 110、 010、 011、 001、 101，无刷电机采用两相导通六状态控制方式，其正 反转霍尔值表如表 2 所示，换相逻辑接口如图 8 所示。 表 2 霍尔信号与电机驱动逻辑真值表 方向控制 霍尔信号 逻辑驱动信号 H1 H2 H3 V1 V3 V5 V2 V4 V6 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4.6 IGBT 驱动电路 此模块在本系统中共有六块， +24V 供电，如图 9，管脚功能已阐述过，导通与关断受主控制器输出的 PWM 脉冲控制，下图所示的六路 PWM0 PWM5的 PWM0 驱动，其余 5 路类似。 1-5V 的 PWM0 脉冲从 1 脚输入经内部光电三极管隔离放大、 功率放大后从 8 脚输出电压 20V， 9 脚输出电流。本电路采用电压输出模式，控制一个 IGBT 管导通与截止， IGBT-AST965 内置正负电压发生器以及电压滤波器，驱动正向电压稳压，输入电压波动时不影响驱动正向电压高低，内置驱动欠压保护电路；短路保护电路，短路保护时软关断 IGBT；VCE 检测的快恢复二极管，耐压达 2000V，内置光电耦合器以传输驱动保护故障信号脚输出，主控器检测到此信号关断 PWM 输出；内置栅极电压箝位元件，动作速度在 20nS 以内。 P6CE16CA 为 瞬态电压抑制 二极管， 两端经受nts 11 瞬间的高能量冲 击时，它能以极高的速度（最高达 10-12 秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的 20V，从而确保后面 IGBT 开关管 免受瞬态高能量的冲击而损坏 。标号 A 相上桥 HA、 HAC、HAE 别接 IGBT 的 G、 C、 E 实现 PWM 脉冲的进一步驱动放大，检测 G、 C、E 的状态以实现驱动放大，下桥用 LA、 LAC、 LAE， B 相、 C 相类推见附图。如图 9 所示。 P D A1P D K2F Q C3F Q E4V D D5V S S6A D J7Vo8Io9EG10C11U3IGBT-AST965P W M 0+ 24 VR22 20P 6C E 1 6C AW1P R O T E C THA H A E H A CJ D B图 9 IGBT 驱动电路 4.7 无刷电机驱动电路 经过比较分析，对无刷电机采用全桥方式驱动，这样可以提高绕组利用率，如图 10 所示，其通电方式有 2 中：二二导通和三三导通。图示中 L1、 L2、 L3分别代表无刷电机的 A 相、 B 相、 C 相三相绕组，电机采用星形连接。 MGY40N60是摩托诺拉生产的 IGBT 单管，受 PWM 脉冲控制，可通过 40-60A 的电流，反相承受电 Vces=600V，驱动桥采用由 24 块 12V 的蓄电池供电为 288V。现以三相二二导通方式说明电机驱动电路的工作原理： 星形联结的二二导通方式是每次是两个开关管导通。根据图 10 所示的开关管命名系，开关管的导通顺序 V1V4、 V1V6 、 V3V6、 V3V2、 V5V2、 V5V4。可见共有六中导通状态，每隔 60o 电角度改变一次导通状态，每改一次状态更换一个开关管，每隔开关管导通 120o 电角度。当 V1V4 导通时，电流的线路为：电源 V1 A 相绕组 B 相绕组 V4地，其中 A 相和 B 相相当于串联，接下来V4 关断， V6 导通，变为 A、 C 两相绕组导通。但 B 相绕组中的电流不能立刻为零，通过 V3 内部二极管续流，由于 V1 导通，续流回路不通过电源而直接闭nts 12 合，回路为 V1 A、 B 两相绕组 V3 内部二极管 V1。其它导通状态可类推得到。 图 10 无刷电机驱动电路 4.8 防盗报警 报警电路动作由主控器内部程序 设定，当汽车停车后 10 秒钟，系统自动进入设防状态，切断 +24V 供电的 IGBT 驱动模块电源。当汽车没有被推动、吊动等比较剧烈的震动后，车主进入车里打开电源开关， 10 秒钟后自动撤防。图 11中 X1 为振动感应器，其中电阻 R20、 R21 和三极管 VT3， VT4 够成了放大电路，当 X1 检测到有人推电动车时，送给 VT3 一个触发信号， VT3 触发导通，经过电容 C13 耦合，送到 VT4 的基极，经过放大后的信号送到单片机的 P3.3 接口，单片机程序检测到 P3.3 口为高电平，防盗报警程序开始运行，同时在单片 图 11 防 盗报警电路 V3M G Y 4 0N 60V4M G Y 4 0N 60V5M G Y 4 0N 60V6M G Y 4 0N 60V1M G Y 4 0N 60V2M G Y 4 0N 60A B CL1L2L3HALA LBHB H C L C L A C H A C H A E + 28 8L A E L B E L C E L C CL B CH B C H C CH C EH B EA B CR 245 .1 KR 238 2KV T 18 05 0V T 28 05 0报警喇叭X1震动感应器V T 38 05 0R 201MR 211MR 221KC 132 .2 u FD6V T 48 55 0+ 5VP 3. 4P 3. 3nts 13 机的 P3.4 口送出一个高电平，把 R23、 R24， VT1 和 VT2 构成的放大电路触发导通，驱动高分贝的报警喇叭开始报警，高分贝喇叭鸣叫 10 秒。 4.9 保护电路 当 IGBT 驱动模块检测到欠压、过压、短路信号后，模块 3 脚迅速响应，送给主控器 STC12C5404AD的 protect端，这个 I/O 口此刻被单片机认为低电平 ，内部程序执行 JDQI 为低电平， KM1 线圈通电，继电器动作，关断 IGBT 驱动模块电源，停止 PWM 输出，同时故障指示 D5 灯亮，如图 12 所示。 图 12 保护电路 5 软 件设计与分析 软件是整个控制系统的灵魂，其设计结构的合理性与片内资源的优化分配恰当，会给程序的运行带来较高的执行效率，其功能完善则可以节约硬件电路成本，根据本系统的控制要求，各功能子程序则要相互联系而又独立的完成相应功能。 5.1 主程序流程图 主程序结构是整个软件的核心，是一个顺序执行的无限无限循环的程序，运行过程必须构成一个圈，主程序应不停地顺序查询各种软件标志，并根据其变化调用有关的子程序和相应的中断服务子程序，以完成对各种实时事件的处理 。 在主程序开始，完成系统初始化，包括：系统时钟、 I/O 口、 ADC、定时器、 PCA、中断和变量的初始化。等待系统上电后，检测 输入模拟器各项功能键，完成相应功能。只有加速器有加速信号时，电机才会启动，加速 并使电机运行在稳定的状态。当设定的旋转方向与电机实际的旋转方向相反时，需要先让电机制动，然后再反向起动。主程序流程图 如图 13 所示。 5.2 PWM 频率 Q28 55 012534K M 1J D Q IJDBJDKJDGL e dD5R241KD4IN 40 07+5nts 14 为了使电机空载或轻载时电流连续， PWM 的频率需要在 15KHz 以上，但过 高的 PWM 频率会使 IGBT 管功耗增加，温度升高，甚至导致 IGBT 管 烧坏。所以，本设计使 PCA 定时器工作在 16 位 PWM 模式， PCA 定时器采用 T0 定时器溢出作 为 时钟 源 ， 开始计数，直到 0x0000 溢出。这样， PWM 的频率为 2.0417M /0x0078=17KHz， 刚好符合要求。由于 PCA 定时器不是从 0x0000 开始计数，所以每次溢出中断后，必须在中断服务程序中对 PCA 定时器重新赋初值，这样才能保证 PWM 的频率维持在 17KHz。 PWM 的占空比可以通过改变寄存器CCAPNH 的值来调节，从而达到调速的目的。 N Y N Y N N Y 图 13 主程序流程图 主程序初始化 执行相应功能 检测控制模 拟器状态 启用 A/D 转换 检测加速 器状态 启动电机 检测保护端口 采取保护措施 结束 nts 15 5.3 子程序流程图 5.3.1 模拟控制键子程序 当主控器上电后 ,程序依次扫描判断离合、刹车、设防、保护端口，有相应按键闭合时就先调用延时去抖动，再次判断以确定这个按键确实动作了，然后执行相应功能子程序。只有当离合键踩下去时才判断正反转功能键，若没有动作时返回判断离合键状态，若有动作就执行相应功能的子程序。流程图如图 14所示。 图 14 模拟控制键的程序流程图 停止 PWM 输出 判断刹车 ？ 判断正转 ？ 调用正转子程序 判断反转 ？ 调用反转子程序 判断离合键闭合 ？ 调用延时 判断离合键闭合 ？ 判断设防 ？ 判断保护端口？ 执行保护子程序 Y用正转子程序 Y用正转子程序 Y用正转子程序 Y用正转子程序 Y用正转子程序 Y用正转子程序 Y用正转子程序 N用正转子程序 N用正转子程序 N用正转子程序 N用正转子程序 N用正转子程序 N用正转子程序 N用正转子程序 调用设防子程序 nts 16 5.3.2 正反转子程序 当正反转有按键按下去时，就要调用
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