电动车控制器设计与制作技术报告.doc

电动车控制器设计与制作技术报告同组姓名： 刘平萍、朱宪璘、张婷、严宇佳班 级： 12电信2班 题 目： 单片机实现电动机控制器 任课老师 ： 谢 军 2015年 5月摘 要随着国内电动车行业发展越来越盛行，电动车的行车安全及其的充电安全日趋重要。而电动车控制器是用来控制电动车的运行、运行防飞车、停车倒车、假充电提醒以及电动车的其它电子器件的核心控制器件，电动车控制器是电动车的大脑，是电动车上重要的部件。电动车就目前来看主要包括电动自行车、电动二轮摩托车、电动三轮车、电动三轮摩托车、电动四轮车、电瓶车等，电动车控制器也因为不同的车型而有不同的性能和特点。如今世面上的电动车的控制器也是种类繁多，大多数生产厂家都是买一些元器件和主板进行组装，并没有掌握其核心技术，也没有了解控制器的软件技术。而我们所要做的是电动三轮车控制器。关键词：刹车 单片机 报警 AbstractWiththedevelopmentofdomesticelectriccarindustryismoreandmorepopular,electricvehicledrivingsafetyandrechargeablesecurityhasbecomeincreasinglyimportant.Andelectricvehiclecontrollerisusedtocontroltheoperationoftheelectriccar,runningspeed,stopastern,falsechargeremindandotherelectronicdevicesatthecoreofthecontroldevice,electricvehiclecontrolleristhebrainelectriccars,electricvehicleisimportantparts.Electriccarsfornowmainlyincludeelectricbicycle,electricmotorcycle,electrictricycle,electricthree-wheeledmotorcycle,electriccarriage,storagebattery,suchaselectricvehiclecontrolleralsobecauseofthedifferentmodelshavedifferentperformanceandcharacteristics.Varioustypesofelectricvehiclecontrollerisnowontheworld,mostmanufacturersarebuysomecomponentsandassemblemotherboard,didnotgraspitscoretechnology,alsonotunderstandthesoftwaretechnologyofthecontroller.Andwehavetodoistheelectrictricyclecontroller.Key words: Brake、Singlechipmicrocomput、Callthepolice。目录1.引言51.1电动车智能控制的简介及发展趋势61.2本设计所要实现的目标72系统硬件设计方案与实现82.1单片机模块83主要元器件介绍93.2 MOS管75NF75123.3直流无刷电机133.3.2 无刷直流电动机的转矩脉动153.3.3 转矩脉动的产生原因153.3.4 换相与转矩脉动164电路总体构成194.1电力驱动系统194.2电源系统194.2 -5V/+5V直流电压204.3 +15V稳压电路204.3霍尔测速系统214.3.1霍尔效应21参考文献26致谢27附录A驱动电路图28附录图B实物图301.引言汽车的发展，给人们带来了很多便利，在给人们带来便利的同时也给人们带来环境和噪声污染，严重影响了人们的健康和环境，并伴随着石油价格的增长，使得使用汽车的成本越来越高。人们开始注意到这个问题，并呼吁改变这种情况，随着这种呼声的提高，电动车呼之欲出。由于电动车本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外，其它污染物也显著减少，由于电厂大多建于远离人口密集的城市，对人类伤害较少，而且电厂是固定不动的，集中的排放，清除各种有害排放物较容易，也已有了相关技术。由于电力可以从多种一次能源获得，如煤、核能、水力等，解除人们对石油资源日见枯竭的担心。电动汽车还可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电，使发电设备日夜都能充分利用，大大提高其经济效益。有些研究表明，同样的原油经过粗炼，送至电厂发电，经充入电池，再由电池驱动汽车，其能量利用效率比经过精炼变为汽油，再经汽油机驱动汽车，因此有利于节约能源和减少二氧化碳的排量，正是这些优点，使电动车的研究和应用成为一个“热点”。 但是电动车的蓄电池单位重量储存的能量太少，又没形成经济规模，故购买价格较贵，电动车的运行速度不稳定、无法实现能量反馈。这些都限制了电车的发展。这次设计以现有电动车为基础，通过对电动车的智能化设计，达到速度稳定、能量反馈的目的。1.1电动车智能控制的简介及发展趋势电动车（Electric Vehicle）是指以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，且满足道路安全法则对车辆的各项要求的车辆。电动车与传统燃油汽车相比较有一下有点：1.电动车能够实现低排放，甚至于零排放，可以解决汽车对环境的污染问题，环境和生态意义非常重大。2.电动车采用电动机为驱动单元，使用的电能可以从多种能源获得，如水电、核能、潮汐能、氢能、风能、太阳能等均可高效地转化为电能。即使将发电厂的污染考虑在内，电动车也比燃油车造成的污染少得多。3.电动车的行驶基本无噪声，是降低城市噪声污染的重要途径之一。4.实现了结构简单，操作简便。5.对电机进行控制时，响应时间短，转矩控制准确，有利于改善车辆的性能。中国人口众多，具有世界上最庞大的电动车市场截至目前为止我国电动车出口量占世界的90%，而且有着显著的提升趋势。目前自行车拥有量4亿多辆，如把10个自行车换成电动车，就需要4000万辆电动车。以每辆均价500元（保守市场价）来计算，就是60亿，这是一个巨大的市场，有这强力的吸引力。1.2本设计所要实现的目标 本项目主要研究电动车控制器，完成其从技术方案到产品调试的整个过程。项目研究的主要内容有：根据项目目标分析其功能需求，进行电路的设计，软件的开发，调试，最终做出一个功能齐全的产品。本项目的功能要求如下：分体报警+拨档普通三档：上电防飞车、运行防飞车、巡航（Q）、ABS(X)、助力（ZL）、停止倒车（F2）、电刹转换（DS与X孔相连）、电机角度（60/120）、抱死选择（L接GND）、外接报警（低电平A3）、软件三档【一档（60%）、二档（80%）、三档（100%）、默认80%、由高到低】、切换模式【拨档普通三档（K1，K2）】、三档指示【一档（F4）、二档(F5)、三档（F7）】。2系统硬件设计方案与实现2.1单片机模块本次设计由单片机控制系统、电源模块、直流电机驱动模块、方向检测模块、速度检测模块、中断保护模块组成。系统可以把电动车控制系统分为两个大的子控制系统：方向控制系统与速度控制系统。方向控制系统由方向检测模块和方向控制模块组成，单片机根据方向检测模块来判断电动机的的正反转方向及大小，并通过方向控制模块来确定电车的转向。速度控制系统由直流电机控制模块和速度检测模块组成，通过速度检测模块检测电车的速度，经过单片机处理，给驱动芯片一个PWM信号，通过PWM信号的不同占空比来控制电机以不同的速度匀速行驶。根据电机主轴转动的圈数和霍尔器件输出的方波来测试电动机的速度。具体工作流程如下图1所示。图1工作流程图2.2单片机的概述X8M06C是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的X8M06C是一种高效微控制器，提供了一种灵活性高且价格低廉其主要特点是：1) 与MCS-51 兼容 2) 4K字节可编程闪烁存储器 3) 寿命：1000写/擦循环 4) 数据保留时间：10年 5) 全静态工作：0Hz-24MHz 6) 三级程序存储器锁定 7) 128*8位内部RAM 8) 32可编程I/O线 9) 两个16位定时器/计数器 10) 5个中断源 11) 可编程串行通道 12) 低功耗的闲置和掉电模式 a13) 片内振荡器和时钟电路 3主要元器件介绍3.1放大器LM358LM358的总体电路设计还是比较简洁的，此类拓扑在目前的功率运算放大器设计中是主流：输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射级放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，200的电阻用来限制输出短路电流。LM358引脚图及LM358内部结构图如下图2所示 图2 LM358引脚及内部结图具体参数如表1所示表1 LM358具体参数表参数符号价值单位电源电压VCC18V差分输入电压VI(DIFF)30V输入电压范围VI15V输出短路持续时间-连续_功率耗散PD500mW工作温度范围TOPR0 +70C存储温度范围TSTG-65 +150C电气特征如表2所示表2 LM358电器特征参数表参数符号条件最小Typ.最大单位输入失调电压VIORS=10K510mV0 CTA+70 C输入失调电压漂移VIO/TRS=10K10V/ C0 CTA+70 C输入失调电流IIO25100pA0 CTA+70 C4nA电流输入偏置I偏置50200pA0 CTA+70 C8nA输入电阻RI1012大信号电压增益GVVO(P-P) = 10V25100V/mVRL = 2K15输出电压摆幅VO(P_P)RL = 10K1213.5V输入电压摆幅VII1115/-12V共模抑制比CMRRRS 10K70100dB电源抑制比PSRRRS 10K70100dB电源电流ICC3.66.5mA摆率SRGV = 113V/S声道分离CSf = 1Hz 20KHz120dB等效输入噪声电压VNIRS = 10016nV/Hzf = 1KHz 3.2 MOS管75NF75 75NF75是N沟道场效应管,参数：80A 75V 160W如下图3所示：图3 MOS管内部图3.3直流无刷电机图3.3为无刷直流电动机系统图，以此说明无刷直流电动机的工作原理。电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各项绕组按一定的顺序工作。图4无刷直流电动机系统当转子转至图5 (a)所示位置时，控制电路根据所获得的转子位置信息，使VTl、VT6导通，即A、B两相通电。电枢绕组在空间产生的磁动势为Fa，与定子磁场产生的磁动势Fr相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图5 (b)所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VTl、VT2导通，A、C两相绕组通电，电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图5 (b)所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转予在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，其导通逻辑为VTl、VT6一VTl、VT2一VT3、VT2一VT3、VT4一VT5、VT4一VT5、VT6。在此过程中，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。a) VT1、VT4导通，A、B相通电 b)VT1、VT6导通，A、C相通电图5 无刷直流电动机的工作原理示意图在图3.4(a)到图2.4(b)的60电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持图3.4(a)中Fa的位置静止；只有当转子磁场连续旋转60电角度，到达图3.4(b)所示的Fr位置时，定子磁场才从图3.4(a)的Fa位置跳跃到3.4(b)中的Fa位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式旋转磁场。转子在空间没转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跳跃。可见，电动机有六种磁状态，每一次有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电机的这种工作方式称为两相星形六状态。3.3.2 无刷直流电动机的转矩脉动通常，转矩脉动可以定义为最大电磁转矩和最小电磁转矩之差与额定运行时的平均电磁转矩之间的比值，即 (2.11)式中，T为转矩脉动；Tmax为最大电磁转矩；Tmin为最小电磁转矩；TN为额定运行时的平均转矩。3.3.3 转矩脉动的产生原因理想的无刷直流电动机绕组反电动势是梯形波，不会有转矩脉动。但是电机本体或是控制系统的对理想情况的任何偏离都会产生转矩脉动。转矩波动分为以下几类：(1)电磁因素引起的转矩脉动。电磁因素引起的转矩脉动是由于绕组电流和永磁场的相互作用而产生的转矩脉动。理想情况下，电枢采用集中绕组结构，电动势波形具有120电角度的平顶，但实际往往做不到极弧系数为l，且常常采用分布绕组，因此会产生转矩脉动，它与气隙磁通密度分布和绕组电流波形以及绕组形式有关。(2)齿槽引起的转矩脉动。由于定子齿槽的存在，转子旋转时定子磁阻随转子旋转角度变化而变化，因而会产生转矩的脉动。(3)电枢反应引起的转矩脉动。电枢反应改变了永磁体的方波气隙磁感应强度分布波形，使气隙磁场的前极尖部分被加强，后极尖部分被减弱。该畸变的磁场与通电绕组相互作用，电磁转矩随转、定子相对位置的变化而产生了转矩脉动。(4)机械加工引起的转矩脉动。机械加工和材料的不一致也是引起转矩脉动的重要原因。工艺误差造成摩擦转矩不均匀，绕组各相电气参数不对称，各永磁极性能不一致等。(5)电流换相引起的转矩脉动。由于换相时相绕组电流发生瞬变导致电动机的电磁功率瞬变，进而产生了换相转矩波动。换相转矩波动与相绕组旋转反电动势的波形、换相位置角、换相时刻的相电流初值以及相绕组阻抗参数等因素有关。其中，换相转矩脉动是引起转矩波动的主要原因。3.3.4 换相与转矩脉动无刷直流电动机每经过一个磁状态，就需要进行一次换相，每一次换相都会对电磁转矩产生一定影响。下面以两相导通星形三相六状态为例，进行换相转矩脉动分析。如图2.5无刷直流电动机等效电路所示，假定功率开关管从VTl、VT6导通变为VT6、VT2导通，电路状态由A、C两相绕组导通切换到B、C两相绕组导通。换相时，VTl关断，由于A相电流不能突变，经VD2续流，形成A相一C相一VT6一VD2一A相的续流回路。同时VT2，VT6导通，形成了电源一VT3一B相一C相一电源的回路。1、换相过程中的相电流和转矩为了简化分析，忽略电枢绕组的电阻，则换相过程中电路方程可变为 （2.12）又因为各绕组的反电动势为平顶宽大于等于120电角度的梯形波，所以 （2.13）由于ia+ib+ic=0 (2.14)把（2.13）和（2.14）代入（2.12），得 解上述方程组，并将结果代入（2.14），得换相过程个相电流的变化率为 解上述微分方程组，各相电流的换相前的初始值和换相后的稳态值如图3.5所示，设换相开始时刻即积分起始时刻为0时刻，换相时间为tf,A相绕组电流ia降为O，B相绕组电流ib从O上升到稳态值I，C相为非换相绕组，换相前后的电流值均为I。换相期间，各相电流的瞬时值为2.电机转速对换相的影响根据不同转速，换相存在三种情况，如图3.6所示。图6 三相电流示意图3.换相对转矩的影响在换相过程中，电磁转矩为 由基尔霍夫电流定理，知a、b、c电流和为0，所以 可见，换相期间的电磁转矩与非换相绕组的电流成正比。非换相时的电磁转矩由两相绕组的合成磁动势与转子永磁磁动势相互作用产生，其计算公式为： 4电路总体构成4.1电力驱动系统 电力驱动系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电动汽车对驱动系统的要求很高。一般认为驱动系统应符合下列要求：1）瞬时功率大，短时过载能力强，以满足爬坡及加速的需要；2)调速范围宽广；3)在运行的全部速度范围和负载范围内，具有较高的效率。也就是在电机 所有工作范围内综合效率高，以尽量提高电动汽车一次续驶里程；4)可靠性高，使用方便简单，价格低廉；5)功率密度高，体积小，质量轻。一般地，驱动系统由电气和机械系统组成。电气系统由电子控制器，功率变换器驱动电动机组成；机械系统由机械传动装置和车轮组成。驱动系统的功能是将储存在蓄电池中的电能高效地转化为车轮的动能进而推进汽车行驶，并能够在汽车减速制动或者下坡时，实现再生制动。4.2电源系统电源模块在电车的智能控制里好比人的心脏，向其他模块供电，保证他们正常工作，由于电车的电压会有扰动，而且电机的功率改变会导致电压的突变，因此所要给电源稳压，本电车采用48V电源箱供电。4.2 -5V/+5V直流电压电动车的工作电压是43V ，而单片机、方向控制系统、速度控制系统和驱动电路的电压是5V，单片机等的工作电压要求其有稳定的电源电压，所以需要对其蓄电池的电压进行降压处理，这样才能够得到所需电压。使用7805和7905作为系统的电源管理芯片的优点如下：1)只需要很少的外围器件就可以达到应用系统的要求，实现稳定的电压输出；2)由于“热损失”小，在设计中基本可以不用考虑电源芯片的散热问题，为电路的设计带来了方便；3)具有输入电压范围大、过热、过流及电压反接保护，有更低的工作压降和最小的静态工作电流(体现了其低功耗的优点)。本设计中给单片机、角度传感器、放大电路和测速传感器提供的5V电压的电路图有7805、7905以及外围元件组成。由于直流电机在高速运行时的大电流特性，使得供电电源被严重污染。为了解决纹波对7805输入电源的影响，在输入端采取了滤波措施，即在输入、输出端增加了电容与电阻组成的RC滤波电路，可以有效的减小直流电机的输出纹波对5V电源的影响。4.3 +15V稳压电路 显示电路所需要电压是15V，要求其电压的稳定，与5V电源要求一致，所以选择7812作为其稳压电路，其电路有7812及外围电路组成。4.3霍尔测速系统 在电动车的设计中，测速传感器的设计主要有两种：霍尔传感器和光电式脉冲编码器。霍尔传感器是基于霍尔效应原理，将电流、磁场、位移、压力、压差转速等被测量转换成电动势输出的一种传感器。虽然转换率低、温度影响大、要求转换精度较高时必须进行温度补偿，但霍尔传感器具有结构简单、体积小、坚固、频率响应宽（从直流到微波）、动态范围（输出电动势的变化）大、无触点、寿命长、可靠性高，以及易于微型化和集成电路化等优点。光电式脉冲编码器是将机械位移、转角或速度变化转换成电脉冲输出，是精密数控采用的检测传感器。光电编码器的最大特点是非接触式，此外还具有精度高、响应快、可靠性高等特点。本设计采用霍尔传感器，尽管这种方案具有精度不高的缺点，但通过计算，它的分辨率是可以接受的。4.3.1霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。如图三所示：mvZ1YBXIv243图三 霍尔效应图假设薄片为型半导体，磁场方向垂直于薄片，磁感应强度为B。在薄片左右两端通以电流（称为控制电流），那么半导体中的截流子（电子）将沿着与电流的相反方向运动。由于外磁场的作用，使电子受到磁场力（洛仑兹力）作用而发生偏转，结果在半导体的后端面上电子有所积累而带负电，前端面则因缺少电子而带正电，在前后两个端面之间形成电场,称作霍尔电场。霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等。这时，片子两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。利用霍尔器件可以制作高灵敏度无抖动的接近开关，这也是我们速度传感器的基本原理。 使用霍尔器件检测磁场的方法极为简单，将霍尔器件作成各种形式的探头，放在被测磁场中，因霍尔器件只对垂直子霍尔片表面的磁感应强度敏感，磁力线必须和器件表面垂直，通电后即可由输出电压得到被测磁场的磁感应强度。若不垂直，则应求出其垂直分量来计算被测磁场的磁感应强度值。而且，因霍尔元件的尺寸极小，可以进行多点检测，由计算机进行数据处理，可以得到电场的分布状态，并可对狭缝、小孔中的磁场进行检测。转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随之转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便可在每一个小磁铁通过时产生一个相应的脉冲，检测出单位时间的脉冲数，便可知被测转速。根据磁性转盘上小磁铁数目多少，就可以确定传感器测量转速的分辨率。如图7所示： 转盘 输入轴 磁铁 霍尔元件图7霍尔效应结构图 5硬件调试在硬件电路设计过程中硬件调试主要是查看硬件芯片选取是否正确，特别是小型的元器件比如贴片电阻的阻值一定要看清楚，芯片引脚连接是否连接正确，焊接电路板后板子是否有问题。在检查板子的时候一定要细心，我们看看清楚每个焊点是否有虚焊漏焊的情况，还有是否有因为焊丝而造成的短路情况。在连接电路的时候我们一定要遵循电路的连接规则：1.电路连接的过程中，开关应该是断开的。2.每处接线必须接牢，防止虚接。3.先接好用电器，开关等元件，最后接电源。4.连接后要认真检查，确认无误后，才闭合开关。5.闭合开关后，如果出现不正常情况，应立即断开电路，仔细检查，排除故障 刚开始连接的时候我们需要的是48V的电源，而我们并没有这么大的电源，只能用24V的电源箱进行串联。在使用电源箱之前一定要对电源箱进行，就是没有检查不知道自己所用的电箱是不稳定的以至于电容被击穿板子烧坏了一块。所以细心是电子实验中必不可少的素质，任何的粗心大意都会造成不必要的损失。心得与体会通过此次课程设计，使我们更加扎实的掌握了有关单片机C语言编程和电路结构两方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我们在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说芯片的选择、集成块的选择、贴片元件的焊接，对单片机汇编语言掌握得不好。通过这次课程设计之后，可以把以前所学过的知识重新温故。回顾此次课程设计，我们感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所