电动车控制系统可靠性与稳定性研究

1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。南京理工大学硕士研究生学位论文开题报告姓名 :甄文奇学号 :1学科 :电力系统及其自动化所在院系 :自动化学院指导教师 :孙瑜年 1 月 5 日填一、 拟选定学位论文的题目名称电动车控制系统可靠性与稳定性研究资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。二、选题的科学意义和应用前景随着社会的不断发展和人们生活的不断改进 , 人们对自己的出行和生活的质量要求越来越高 , 电动车作为一种绿色交通工具 , 不但环保、 而且清洁无污染 , 正在越来越受到广大人群的追捧和青睐。电动车具有环保功效 , 而且价格低廉 , 使用便捷

2、 , 这些优势使电动车非常具有发展潜力 , 并促使城市中低收入人群偏爱电动车这一代步工具。然而在中国电动车由于经济发展的因素,在使用和开发方面起步稍晚一些,可是速度比较快 ,而且在上世纪九十年代中期已经有少量投入到市场。进入新千年,特别是近年来无论是生产还是销售 , 一直呈逐年大幅增长的势头。由于中国经济社会不断发展 , 消费与经济水平呈正比关系 , 因此表现出来的就是内需消费市场不断增长。我们知道电动自行车具有体小轻便、占有空间小、便捷等特点 ,有助于我们节约消耗能源。 从发展趋势上看 ,电动车行业将会发展迅速而且市场占有率将会不断提升。电动车作为一种节能交通工具,非常适宜短途出行 , 比如

3、对于农村老百姓 , 她们赶集市买东西就会非常青睐电动车 , 而且随着农民生活水平的不断改进 , 人们有能力支付电动车这一耐用实惠的便捷交通工具 , 因此能够想象电动车的市场还会进一步扩大 , 而且会越来越受欢迎。当今经济发展的助推力就是能源,特别是中国经济正快速发展,产业结构巨大的转型期 , 必须能够找到一条可持续发展的道路。同时不能忽视环境对我们生活的影响 , 需要提高生活水平且能够改进生存环境的呼声越来越高。我们知道现在的大多数交通工具都是使用不可再生能源 ,比如石油和煤等 ,这些资源在我们日常生活中发挥着巨大作用,可是这些能源总有枯竭的一天 , 而且这些能源在消耗的同时还带来大量工业污染

4、和大气污染 , 破坏了自然环境 , 影响了我们发展的步伐 , 给我们造成大量损失。因此从科学发展的角度出 , 为了我们的经济社会不断向前进步 , 解决能源危机和生态环境危机成为世界各国的目标 , 为了适应这个发展趋势 , 世界各国和各大企业正在加大对电动车开发的投资力度 , 进而促进电动车技术的发展 , 加快电动车的商品化步伐 , 间接促使电动车成为一个切入口 ,让人们认识到技术的进步能够减小对不可再生能源的依赖, 减小对生态环境的破坏 , 还世界一个和谐而充满生机的环境。电动车控制系统是电动车赖以工作的核心部件 , 一个好的控制系统既能够保证电动车的稳定运行 , 又能解决各种突发状况。电动车

5、控制系统肩负着电动车的调速功能 , 保证无刷直流电机的无极调速 , 又能保证在负载增加时适时增加电动车电机的输出转矩。一款好的电动车控制系统是必须的。保证电动车控制系统的可靠性与稳定性,使电动车可靠稳定运行是必要的。现在我们已经初步设计出一款电动车控制系统 , 但其在运行时 , 可靠性与稳定性都不好 , 当遇到上坡或者负重增加时 , 电流过大 , 烧坏控制系统。当控制系统接线短路或控制器内部短路时出现过电压时也会击穿控制器元件,这就对控制系统的安全性与稳定性产生了影响 , 我们要做的就是在已有的控制系统的基础上做些改进措施 , 提高系统的可靠性与稳定性。三. 背景科研项目情况简介本学位论文是一

6、电动车标杆控制器的研发为背景的 , 设计一款高可靠性低成本的电动车控制器。控制器基本功能目标 :（1） 能够在日常生活环境中安全稳定可靠的骑行（2） 采用能量回馈技术 ,使电动车的行驶里程增加10%-15%（3） 最优加减速曲线 ,使用户获得最舒适的骑行体验（4） 在电机能支持极限下 ,使电动车能够稳定的速度在崎岖路上前行资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。四. 学位论文主要研究内容本论文主要包括以下几个方面的研究内容:1. 瞬时过流保护当电动车处于上坡时 , 或电动车负载过重时电流会急剧增加 , 导致控制系统的元件发热增加 , 从而烧毁控制系统 , 我们要对电流进行

7、控制 , 使电动车在负载增加时保持电流在合适范围内。2. 能量回馈所谓能量回馈是根据电机的可逆性, 在电动汽车制动时使电机处于发电状态, 从而将制动的动能转换为电能并回收到车载储能装置中进行再利用的技术。在城市交通中, 应用了能量回馈技术的电动汽车能够将减速或刹车时的惯性能进行回收利用 , 从而提高行驶里程 ; 在丘陵和山区中 , 应用了能量回馈技术电动汽车能够将下坡时回收的能量作为辅助能源应用在上坡中 , 从而提高整车的运行效率和爬坡能力 , 除此之外 , 能够减少机械刹车磨损 , 降低车辆倾翻、 侧翻等事故的发生率。 相关研究表明 , 在存在较频繁的制动与电动的城市工况运行条件下 , 有效

8、地回收制动能量 , 可使电动汽车的行驶里程延长 10%到 30%, 因此对电动车能量回馈技术的研究具有重要的理论意义和实际意义。3. 最优的电动车加减速曲线为了保持电动车骑行时的舒适性 , 以及由于疏忽突然把电动车刹把信号放到最大 , 由于电动车速度的突变 , 可能会发生不可预料的危险。 为了降低危险性和提高舒适性 , 电机启动会有一条最优的加速减速曲线 , 我们的目的就是要经过数据的采集和调查 , 仿真获得一条这样的最优加减速曲线 , 使电动车在加速减速过程中都能以这条曲线为原则 , 从而获得最佳的骑行体验。五、开题条件1. 学术条件( 1) 要具备充分的电机知识 , 这能够经过上网、 借阅

9、书籍了解这方面的知识 ; 还有就是电路知识的积累 , 主要是数电模电的知识 , 这方面的知识是控制系统原理图和 PCB 设计的前提。( 2)老师的指导和同学的合作也是非常重要的,它们能够提供一些很重要的观点和建议。( 3)项目委托方的要求给论文提出了方向,另外相关人员能够提供电机方面的经验 ,这对于电机的控制也非常重要。2. 设备条件( 1)电动车一辆( 2)示波器一台、 万用表一个( 3)万用板、 各类元器件、 电烙铁、 焊锡丝、 松香等若干( 4)用于编程调试 , 原理图、 PCB设计用电脑一台( 5)软件 keil 、 Altium Designer资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵

10、权，请联系改正或者删除。六文献综述1. 引言电动车控制器是用来控制电动车电机的启动、 运行、 进退、 速度、 停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件 , 它就象是电动车的大脑 , 是电动车上重要的部件。电动车就当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。 车用电机控制器近年来的发展速度之快 , 使人难以想象 , 操作上越来越”傻瓜”化 , 而显示则越来越复杂化 . 比如 , 车速的控制已经发展到”巡航锁定” ; 驱动方面 , 有的同时具有电动性能和助力功能 , 如果转换到助力状态

11、 , 借助链条张力测力器 , 或中轴扭力传感器 , 只要用脚踏动脚蹬 , 便可执行助力或确定助力的大小电动车控制器在电动车里起着重要作用, 是一款电动车能够可靠稳定工作的核心。2. 电动车控制系统简介简略地讲控制器是由周边器件和主芯片 ( 或单片机 ) 组成 . 周边器件是一些功能器件 , 如执行、 采样等 , 它们是电阻、 传感器、 桥式开关电路 , 以及辅助单片机或专用集成电路完成控制过程的器件 ; 单片机也称微控制器 , 是在一块集成片上把存贮器、 有变换信号语言的译码器、锯齿波发生器和脉宽调制功能电路以及能使开关电路功率管导通或截止、经过方波控制功率管的的导通时间以控制电机转速的驱动电

12、路、输入输出端口等集成在一起,而构成的计算机片 . 这就是电动自行车的智能控制器. 它是以”傻瓜”面目出现的高技术产品 .控制器的设计品质、 特性、 所采用的微处理器的功能、 功率开关器件电路及周边器件布局等 , 直接关系到整车的性能和运行状态 , 也影响控制器本身性能和效率 . 不同品质的控制器 , 用在同一辆车上 , 配用同一组相同充放电状态的电池 , 有时也会在续驶能力上显示出较大差别 .电动车电机的控制系统一般由电动机、 功率变换器、 传感器和器 电动车控制器组成。电动车电动机控制系统应根据其控制算法的复杂程度 , 选择比较合适的微处理器系统。较为简单的有选用单片机控制器 , 复杂的可

13、使用 DSP控制器 , 最新出现的电动机驱动专用芯片能够满足一些辅助系统电机控制需求。对电动汽车电动机控制器而言 , 一般较为复杂宜使用 DSP处理器。控制电路主要包括以下几部分 : 控制芯片及其驱动系统、 AD 采样系统、 功率模块及其驱动系统、 硬件保护系统、 位置检测系统、 母线支撑电容等3. 电动车控制系统的型式当 前 , 电 动 自 行 车 所 采 用 的 控 制 器 电 路 原 理 基 本 相 同 或 接 近 . 有刷和无刷直流电机大都采用脉宽调制的 PWM控制方法调速 , 只是选用驱动电路、 集成电路、 开关电路功率晶体管和某些相关功能上的差别 . 元器件和电路上的差异 , 构成

14、了控制器性 能上 的 不大 相同 . 控制 器从 结 构 上 分两 种 , 我 们把 它 称 为分 离 式 和 整体 式 。1、 分离式所谓分离 , 是指控制器主体和显示部分分离 . 后者安装在车把上 , 控制器主体则隐藏在车体包厢或电动箱内 , 不露在外面 . 这种方式使控制器与电源、 电机间连线距离缩短 , 车体外观显得简洁。2、 一体式控制部分与显示部分合为一体 , 装在一个精致的专用塑料盒子里 . 盒子安装在车把的正中 , 盒子的面板上开有数量不等的小孔 , 孔径 45mm,外敷透明防水膜 . 孔内相应位置设有发光二极管以指示车速、 电源和电池剩余电量。资料内容仅供您学习参考，如有不当

15、或者侵权，请联系改正或者删除。4. 电动车控制系统主要功能超静音设计技术 : 独特的电流控制算法 , 能适用于任何一款控制器无刷电动车电机 , 而且具有相当的控制效果 , 提高了电动车控制器的普遍适应性 , 使电动车电机和控制器不再需要匹配。恒流控制技术 : 电动车控制器堵转电流和动态运行电流完全一致 , 保证了电池的寿命 , 而且提高了电动车电机的启动转矩。自动识别电机模式系统 : 自动识别电动车电机的换相角度、 霍尔相位和电机输出相位 , 只要控制器的电源线、 转把线和刹车线不接错 , 就能自动识别电机的输入及输出模式 , 能够省去无刷电动车电机接线的麻烦 , 大大降低了电动车控制器的使用

16、要求。随动 abs 系统 :具有反充电 / 汽车 EABS刹车功能 ,引入了汽车级的 EABS防抱死技术 ,达到了 EABS刹车静音、 柔和的效果 , 不论在任何车速下保证刹车的舒适性和稳定性 , 不会出现原来的 abs 在低速情况下刹车刹不住的现象 , 完全不损伤电机 , 减少机械制动力和机械刹车的压力 , 降低刹车噪音 , 大大增加了整车制动的安全性 ; 而且刹车、 减速或下坡滑行时将 EABS产生的能量反馈给电池 , 起到反充电的效果 , 从而对电池进行维护 , 延长电池寿命 , 增加续行里程 , 用户可根据自己的骑行习惯自行调整 EABS刹车深度。电机锁系统 : 在警戒状态下 , 报警

17、时控制器将电机自动锁死 , 控制器几乎没有电力消耗 , 对电机没有特殊要求 , 在电池欠压或其它异常情况下对电动车正常推行无任何影响。自检功能 : 分动态自检和静态自检 , 控制器只要在上电状态 , 就会自动检测与之相关的接口状态 , 如转把 , 刹把或其它外部开关等等 , 一旦出现故障 , 控制器自动实施保护 , 充分保证骑行的安全 , 当故障排除后控制器的保护状态会自动恢复。反充电功能 : 刹车、 减速或下坡滑行时将 EABS产生的能量反馈给电池 , 起到反充电的效果 , 从而对电池进行维护 , 延长电池寿命 , 增加续行里程。堵转保护功能 :自动判断电机在过流时是处于完全堵转状态还是在运

18、行状态或电机短路状态 , 如果过流时是处于运行状态 , 控制器将限流值设定在固定值 , 以保持整车的驱动能力 ; 如电机处于纯堵转状态 , 则控制器 2 秒后将限流值控制在 10A 以下 , 起到保护电机和电池 , 节省电能 ; 如电机处于短路状态 , 控制器则使输出电流控制在 2A 以下 , 以确保控制器及电池的安全。动静态缺相保护 : 指在电机运行状态时 , 电动车电机任意一相发生断相故障时 , 控制器实行保护 , 避免造成电机烧毁 , 同时保护电动车电池、 延长电池寿命。功率管动态保护功能 : 控制器在动态运行时 , 实时监测功率管的工作情况 , 一旦出现功率管损坏的情况 , 控制器马上

19、实施保护 , 以防止由于连锁反应损坏其它的功率管后 , 出现推车比较费力的现象。防飞车功能 : 解决了无刷电动车控制器由于转把或线路故障引起的飞车现象 , 提高了系统的安全性。1+1 助力功能 : 用户可自行调整采用自向助力或反向助力 , 实现了在骑行中辅以动力 , 让骑行者感觉更轻松。巡航功能 : 自动 / 手动巡航功能一体化 , 用户可根据需要自行选择 , 8 秒进入巡航 , 稳定行驶速度 , 无须手柄控制。模式切换功能 : 用户可切换电动模式或助力模式。防盗报警功能 : 超静音设计 , 引入汽车级的遥控防盗理念 , 防盗的稳定性更高 , 在报警状态下可锁死电机 , 报警喇叭音效高达 12

20、5dB以上 , 具有极强的威慑力。 并具有自学习功能 , 遥控距离长达 150 米不会有误码产生。倒车功能 : 控制器增加了倒车功能 , 当用户在正常骑行时 , 倒车功能失效 ; 当用户停车时 , 按下倒车功能键 , 可进行辅助倒车 , 而且倒车速度最高不超过 10km/h。资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。遥控功能 :采用先进的遥控技术,长达 256 的加密算法 ,灵敏度多级可调 ,加密性能更好 , 而且绝无重码现象发生 , 极大地提高了系统的稳定性 , 并具有自学习功能 , 遥控距离长达 150 米不会有误码产生。高速控制 : 采用最新的为马达控制设计专用的单片

21、机 , 加入全新的 BLDC控制算法 , 适用于低于 6000rpm高速、 中速或低速电机控制。电机相位 : 60 度 120 度电机自动兼容 , 不论是 60 度电机还是 120 度电机 , 都能够兼容 , 不需要修改任何设置。5. 能量回馈5.1 基本原理电动车用无刷直流电机的能量回馈方式分为减速制动能量回馈和刹车停止能量回馈。前一种能量回馈是当电机转速超过基速时 ,根据电动机与发电机可逆的原理 ,经过控制器使电机产生反向的转矩 ,同时将发电机产生的电能存储于蓄电池中。后一种能量回馈工作原理与前一种相同 ,不同的是以制动性能为重点 ,使得能量回馈效率偏低。 因此电动车的能量回馈多处于前一种

22、情况。在能量回馈过程中 ,由于制动力矩产生的电压低于蓄电池电压 ,为实现对蓄电池的充电 ,需要升压斩波电路 (Boost Chooper Circuit) 对回馈能量的电压进行升压控制。当前关于无刷直流电机能量回馈的 PWM 控制主要为半桥控制。而无刷直流电机能量回馈过程在一个 PWM 开关周期内可分为两个阶段 ,即续流阶段和回馈阶段。 下图 1, 图 2, 图 3 分别是半桥调制时理想反电动势和电流波形 , 半桥调制下续流阶段电流流向图 , 半桥调制下回馈阶段电流流向图。图 1 理想情况下反电动势和电流波形图 2半桥调制下续流阶段电流流向图资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。图 3半桥调制下回馈阶段电流流向图(1) 续流阶段续流阶段 , 无刷直流电机的电流流向图如图2 所示。 Q4 导通为电流提供续流通道。在此阶段 , 制动产生的电能存储于三相绕组的电感中。在电机反电动势作用下, 电流经过 D2 构成了一条由 B A 的续流通道 ,同时存在一条经过D6 流向 C 相的电流通道(2) 回馈阶段Q4 关断期间 , 在反电动势和寄生电感的共同作用下 , 之前存储于三相绕组上的能量与反电动势一起向蓄电池共同回馈能量。此阶段 ,