电动汽车控制

1、第一章 绪论 目前电动汽车驱动电机技术发展状况电动汽车是二十一世纪的绿色交通工具，是当前国际上正在进行研究的一项高新技术。它集光、电、化各学科领域的最新技术于一体，是车辆、电力拖动、功率电子、智能控制、化学电源、计算机、新能源、新材料等工程技术的集成产物。它以电力为动力解除了人们对石油资源日渐枯竭的担心；作为清洁、节能的新型交通工具电动车可以做到“零排放”，它在行驶过程中没有污染，热辐射低，噪音小，不消耗汽油，可应用多种能源，结构简单，使用维修方便，因此受到广泛的欢迎。高效率、高性能电机驱动技术是其关键技术之一，就各种不同的电机驱动，作概略的回顾和展望。1.1电动车电机驱动系统目前，在电动汽车

2、上有望采用的有交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等4种。1.1.1交流异步电机驱动系统交流异步电机驱动系统由交流异步电动机、驱动控制器和速度传感器等组成。交流异步电动机的转子为笼型结构，定子嵌有三相绕组。这种结构简单牢固适于高速旋转，免维护，成本低。三相异步电动机的电磁转矩：（1）（1）式形式上与直流电动机有共同之处，式中I2为转子折算电流；cos2为转子功率因数。由此可见要控制异步电动机的转矩就应对气隙磁通m、转子电流和功率因数这3个物理量进行控制。要控制转子电流和功率因数不是一件容易的事，一是转子电流是由感应产生的；二是转子功率因数既是转子参

3、数的函数，同时它们都是转差率的函数；产生气隙磁通的励磁电流分量和转矩电流分量都是定子电流的一部分，很难将两者分开。所以，异步电动机的转矩控制要比直流电动机困难得多。正因为如此，异步电动机的调速控制：一是采用变频调速控制；二是采用矢量控制。前者控制器结构简单，成本低，但控制精度低，动态响应差；后者控制器结构复杂，成本高，但控制精度高，转速控制范围广，动态性能好，应用最普及。变频调速控制有恒压频比变频调速控制（包括恒磁通和恒功率控制）和转速闭环转差频率调速控制。矢量控制就是要通过坐标变换这一新型控制思想和控制结构（即三相至二相坐标变换、旋转坐标变换和直角坐标（极坐标变换）将异步电动机模拟成直流电动

4、机进行控制，使异步电动机得到与直流电动机一样优良的调速性能。异步电动机矢量控制主要有转差频率矢量控制、矢量控制、直接转矩控制、最大效率与最佳转矩综合控制等。转差频率矢量控制是直接利用直流电机模型的数学关系来求得转差频率和转矩角，从而确定定子合成磁势的大小和空间位置。转差频率矢量控制的优点是不经坐标变换，控制结构简单，但由于计算s时与转子时间常数T2有关，故受电机参数的影响比较大。R2数值要随电机温度变化而变化；L2要受电机饱和的影响，所以s值不准，将异致定子磁势的空间位置不准，这样矢量控制就失去了意义。矢量控制指的是转子磁链定向的矢量控制。其基本思路是将三相异步电动机的电压、电流量经坐标变换后

5、变成等效直流电动机的磁通和电流量，对磁通和电流进行闭环控制，将控制后的输出量再反变换到三相异步电动机进行控制。矢量控制比较复杂，且转子磁链的检测也较为困难，但由于有磁通观察和闭环控制，其控制性能达到了直流电动机的水平，转矩控制连续平滑，调速范围较宽。直接转矩控制的思路是通过3/2相坐标变换直接计算出定子磁链和转矩，再通过直角坐标/极坐标变换，求得定子磁链的幅值和空间位置，并利用两个滞环比较器，通过调节定子磁链的空间位置，直接实现定子磁链和转矩的解耦控制。直接转矩控制的优点是不经旋转坐标变换，转矩响应快，控制结构相对简单，且观察的是定子磁链，比观察转子磁链要容易，又不受转子参数变化的影响。缺点是

6、由于定子磁链空间位置的检测是通过开关模块分区进行，因而转矩脉动大，调速范围也不够宽。通常在传统控制中使系统效率最大的函数只能是在其运行的一点或一极小区域，但在电动汽车实际运行工况条件下，则要求在整个运行范围内每一个工作点都使系统效率最大。因此，要实现系统效率最大，必须在每一个工作点都有一个最佳转矩即最佳转子磁链与之相对应，所以步电动机实施的是最大效率与最佳转矩综合控制。但是，最大效率与最佳转矩综合控制是基于矢量控制来保证对转矩的控制的，所以，最大效率与最佳转矩综合控制是在跟踪转子磁链变化规律的基础上，以矢量控制作内环，而以最大效率控制作外环的双闭环控制，既可实现效率的提高，又可对转矩实施准确、

7、有效和灵活的控制。该系统效率高，动态调速性能好，但控制系统复杂，成本高。以上异步电动机矢量控制方案，在实际应用中应根据需要和性价比实时地综合加以选择。1.1.2无刷直流电机驱动系统无刷直流电动机由永磁同步电动机和转子位置传感器组成。永磁同步电动机结构简单，其中尤以外转子结构极具特色，将其嵌装在电动汽车车轮轮毂内，即可实现直接驱动轮驱。轮驱要用多台电动机，但取消了传动系统部件，使整车结构大为简化，质量大为减轻，且机械磨损和噪声，提高了车辆运行效率和使用效益，降低了成本，提高了可靠性。无刷直流电动机与相同功率的其他类型电动机相比，体积小，质量轻，可以实现低速大转矩，高效，高速旋转，免维护。在质量、

8、性能、价格等方面有相当明显的优势。无刷直流电动机的电磁转矩，在每相绕组的感应电量大为减轻，且无机械磨损和噪声，提高了车辆运行效率和使用效益，降低了成本，提高了可靠性。无刷直流电动机的电磁转矩，在每相绕组的感应电动势和电流同相位的情况下，其值等于（2）该式与直流电动机是相同的，因此调速控制较异步电动机要简单容易，是当前电动汽车领域应用最多的一种交流电机驱动系统。为了控制和改变无刷直流电动机端电压的大小和波形，逆变器常采用单侧斩波PWM控制。无刷直流电动机的三相绕组电流经处理后得到了反馈电流，该电流与给定电流进行比较经PI调节后输入PWM脉宽调制器，其输出信号与通过换向电路来的转子位置信号进行调制

9、就可得到多路PWM驱动信号，用此信号控制逆变器桥臂一侧即可实现单侧斩波PWM控制。单侧斩波PWM控制，它比双侧斩波PWM控制有更高的效率和更小的电枢纹波电流，控制灵活但其缺点是转矩脉动大和调速范围不广。转矩脉动产生的原因主要有：高次谐波引起的转矩脉动；定子齿槽效应和磁场畸变引起的转矩脉动；由于电枢绕组电感的影响，由换相电流引起的转矩脉动等。目前，减小转矩脉动采取的措施有：从电机本体来看，对于方波电机定子采用集中式绕组；对于正弦波电机定子则采用分布式绕组，并在绕组连接上采用Y-混合连接代替Y形连接，以大大减少高次谐波的影响，提高绕组利用率；另外采用永磁无刷无槽或轴向磁场无铁心无刷盘式电动机结构，

10、以减少齿槽效应的影响也是一条途径；从逆变器来看，就是要求20实验室研究与探索第24卷其输出PWM脉宽调制信号要有高质量，使其输出波形满足需要的方波或正弦波；从控制电路入手，采用定频采样与重叠换相相结合的电流反馈控制以消除换相电流的影响。无刷直流电动机在额定转速以下，可以实现恒转矩调速，但在额定转速以上时，必须采用弱磁扩速。在电机极数少（2P6）的情况下，可通过改变逆变器的导通角来实现，使定子电流的相位提前，从而达到弱磁升速的目的，实现恒功率调速。在电机极数多（2P6）的情况下，用上述改变逆变器导通角造成大范围弱磁是不能实现的，这样就出现了具有电励磁附加轴向磁场混合式永磁同步电动机。该电机的转子

11、仍为永磁转子，但其定子分为两段，中间放一个励磁线圈，通入直流电流产生一个附加轴向磁场。根据需要可以增磁，使转矩增大，也可以是去磁以削弱永磁转子磁场，达到弱磁升速的目的。1.1.3开关磁阻电机驱动系统开关磁阻电机驱动系统由开关磁阻电动机、转子位置传感器和驱动控制器三部分组成。开关磁阻电动机系双凸（定、转子）结构。该电机结构最简单坚固，适于高速旋转，免维护，成本低，所以备受人们的重视。开关磁阻电动机的电磁转矩（3）其值正比于电流IN的平方，也正比于电感对转子位置角的度化率d Ld。转矩的方向由d Ld的正负来决定。在转矩方向不变的情况下，平均转矩的调节可通过对电流的调节来实现，即实现对转矩的单一控

12、制，因而控制相对容易；同时由于开关磁阻电动机有转子位置传感器，所以可使电机始终工作于大的转矩下不会产生丢步，这是它的优点。其不足之处就在于电机双凸结构和与无刷直流电动机相类似的原因，所以，转矩脉动及其引起的振动和噪声是其最大难点。驱动控制器中的逆变器可实现零相电流开关，无开关损耗，因而系统具有高功率密度。同时它的转矩可通过相电流来调节，实现低速大转矩和高速高效率控制。特别是采用电压PWM控制和电流跟踪控制两种混合控制后，大大提高开关磁阻电动机运行效率，降低噪声和转矩脉动，提高系统动态性能。由于其结构最简单，高速工作能力，低成本，无开关损耗，控制柔性度好，故障容错率高等使其具有极大的竞争潜力，成

13、为电动汽车领域的最佳选择。1.1.4多态电机驱动系统多态电机驱动系统中的多态电动机是我国哈尔滨工业大学主持开发和研制的一种专用电动机。该电动机集混合式步进电动机与异步电动机结构特点于一身，通过专用驱动控制器，使电动机在低速时按混合式步进电动机方式驱动运行；高速时则按异步电动机方式驱动运行，从而发挥步进电动机低速大转矩和异步电动机高速高效率的作用，大大提高多态电机驱动系统的高低速综合效率和瞬时功率密度，控制性能优异在电动汽车领域有着极其潜在的应用前景。1.2电动车用电机驱动控制技术发展趋势电动车用电机驱动目前基本上形成主流，但并不单一，而是呈多样化趋势。各电机驱动系统综合指标各有侧重。各系统在现

14、有的电动车驱动中都有应用以异步电机和永磁无刷直流电机居多，同时也有尝试永磁同步电机和开关磁阻电机。值得指出的是，永磁无刷直流机集电力电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等多门学科于一体，体现多学科的综合应用，发展前景十分广阔，在电动车电机中是强有力的竞争者。各种电机要想在未来的电动车中占有一席之地，除了要对电机结构进行优化外，还可大胆尝试从反传统的观念对电机本体包括绕组进行改进，使之更适合与电动车，如转子分割型混合励磁同步电机，槽数多于极数的电机，绕组极数可变的电机、混合电机（如永磁磁阻同步电机，永磁式开关磁阻电机等）等多种形态电机。控制系统趋于智能化变结构控制、模糊控制、神经

15、网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动车电机控制系统。这些技术或者不要求系统精确建模，或者善于处理非线性问题。它们的应用，将使系统结构简单，响应迅速，抗干扰力强，对参数变化具有鲁棒性，将大大提高整个系统的综合性能目前这些智能化技术也有用于电动车控制中，但还仅仅用于改善系统的局部性能，也就是局部实现智能化如模糊控制器、神经网络观测器、模糊参数辨识等。然而完全智能化是必然的，也需要很大的努力。控制系统的全数字化微电子学及计算机技术的发展，高速、高集成度低成本的微机专用芯片以及DSP等的问世及商品化使全数字的控制系统成为可能。用软件代替硬件，除完成要求的控

16、制功能外，还可以具有保护、故障监视自诊断等其它功能。另外，为提高控制系统的可靠性和实用性，应使得改变控制策略、修正控制参数和模型也简单易行。全数字化是电动车控制乃至交流传动系统的重要发展方向之一。第二章 传统电机与无刷直流电机的区别和各自优缺点2.1无刷电机的特点优点： a) 电子换向来代替传统的机械换向，性能可靠、永无磨损、故障率低，寿命比有刷电机提高了约6倍，代表了电动车的发展方向； b) 属静态电机，空载电流小； c) 效率高； d) 体积小。 缺点： a) 低速起动时有轻微振动，如速度加大换相频率增大，就感觉不到振动现象了； b) 价格高，控制器要求高； c) 易形成共振，因为任何一件

17、东西都有一个固有振动频率，如果无刷电机的振动频率与车架或塑料件的振动频率相同或接近时就容易形成共振现象，但可以通过调整将共振现象减小到最小程度。所以采用无刷电机驱动的电动车有时会发出一种嗡嗡的声音是一种正常的现象。 d) 脚踏骑行时较费力，最好是电力驱动与脚踏助力相结合。 2.2有刷电机的优缺点优点： a) 变速平稳，几乎感觉不到振动； b) 温升低，可靠性好； c) 价格低，所以被较多厂家选用。 缺点： a) 碳刷易磨损，更换较为麻烦，寿命短； b) 运行电流大，电机磁钢易退磁，降低了电机与电池的作用寿命。2.3直流无刷电机的优越性直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备

18、可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。 此外已有很多微处理机将控制

19、电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器(analog-to-digital converter，adc)、脉冲宽度调制(pulse wide modulator，pwm)等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。 第三章 直流无刷电机结构、原理与调速控制方法3.1直流无刷电机的基本结构直流无刷电机基本结构的原理图直流无刷电机的组成框图无刷直流电机的组成框图如上图所示，它主要由电动机本体，电子开关线路和位置传感器三部分组成。在本章，如涉及到无传感器电机，“位置传感器”仅仅代表“获取转子位置信号”这层含义，并不代

20、表物理意义上机械位置传感器的存在，图中使用“位置传感器”这一名词，只是为了说明问题的方便，下同。当某一相定子绕组通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子旋转。由转子位置传感器检测转子磁钢位置，根据位置信号控制电子开关线路，使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换向。由于电子开关线路的导通次序与转子转角同步，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一个由电子换向线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者共同所组成的“电动机系统”。其原理框图下图所示如图2.1所示有刷直流电动机的结构包

21、括定子和转子，定子包括:磁铁，机身，电刷等。转子包括:电枢铁芯，电枢绕组，换向器和轴等。无刷直流电动机基本是内外倒置的直流电机。在一般直流电机中，定子是永磁体。转子上有绕组，对绕组通电。通过使用换向器和电刷将转子中的电流反向来产生旋转的或运动的电场。与之相反，在无刷直流电动机中绕组在定子上而转子是永磁体无刷直流电动机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中 (如图2.2所示)。定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。多数无刷直流电动机的控制基础无刷直流电动机都有三个星型连接的定子绕组。这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相

22、互连接组成绕组。沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分别的磁极。磁极插入转子铁芯中无刷直流电动机的转子用永磁体制成，可有2到8对磁极，南磁极和北磁极交替排列。要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料。传统使用铁氧体来制造永磁体。随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。铁氧体比较便宜，但缺点是给定体积的磁通密度低。相比之下，合金材料单位体积的磁场密度高，生成相同转矩所需的体积小。同时，这些合金磁体能改善体积与重量之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。3.2 直流无刷电机原理无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器(或

23、集电环)的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。3.3无刷直流电机意义实用性新型无刷电机是与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等发展紧密联系的。它不仅限于交直流领域，还涉及电动、发电的能量转换和信号传感等领域。在电机领域中新型无刷电机的品种是较多的，但性能优良的无刷电

24、机因受到价格的限制，其应用还不十分广泛。下面分别就主要的新型无刷电机进行探索与研究。 直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，而其组成是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，

25、满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进。 为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。 要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。 直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路

26、。 在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自成为一体。驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。目前，驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。模块化集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离栅场效应双极晶体管等组成形式。虽然，隔离栅场效应双极晶体管价格较贵，但从可靠安全和性能角度看，选用它还是较合适的。 控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控制电路有

27、专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。在对电机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向，有关数字信号处理器将在下面交流同步伺服电动机中介绍。 目前，在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。大体上有计算机外存储器以及VCD、DVD、CD主轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行车用多极、外转子结构等等。上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体，使用十分方便，它的产量也非常

28、大。为了满足大批量、低成本的市场需要，直流无刷电动机的生产必须要形成规模经济。因此，直流无刷电动机是一种高投入、高产出的行业。同时，我们应该考虑到市场也在不断地发展，如家用空调用电机正由3A转向3D，需要大量的中小功率的直流无刷直流电动机，研究和开发中小功率的直流无刷电动机也成当务之急。 无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。

29、 无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。 这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制

30、动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。 由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。 中小容量的无刷直流电动机的永磁体，现在多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。因此，稀土永磁无刷电动机的体积比同容量三相异步电动机缩小了一个机座号。 近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速

31、、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。第四章 无刷直流电机控制系统的硬件结构和各部分功能4.1无刷直流电动机控制系统的控制方案图4.1为无刷直流电动机控制系统结构框图。本系统采用速度环和电流环串联的双闭环控制结构，在无刷直流电动机闭环启动过程中，由于转速非常小，转速环迅速达到其最大值，即电机

32、允许通过的最大电流值，此时速环相当于开环，只有电流环起作用，因为电流环也是闭环系统，输出电流跟随给定电流，所以在启动过程中电机以最大允许电流值起动，即电机以最大转矩启动，转速迅速上升。随着转速不断上升，转速达到给定转速时，电机转速继续上升，从而出现超调，转速调节器退饱和，这时转速环起主要作用，调节转速，并使转速稳定在给定转速。转速、电流双闭环系统既可以起到限流作用，以电机允许的最大电流值起动，保证电机以最大加速度启动，又可以起到调速作用。图4.1 控制系统的结构框图具体实施过程为:当电机处于自同步运行状态时，PIC单片机根据3路霍尔位置信号计算出当前转速，速度给定信号与当前转速在PIC单片机中

33、进行PI计算(速度环)得到电流的参考值电机绕组电流反馈信号由采样电阻从川D口送入PIC单片机，川D转换得到当前电流值，将当前电流值与电流参考值进行PI计算(电流环)，最终通过电流环的PI调节算法实现对电机驱动波形的脉宽调制，从而控制电机达到预定的转速。这样就形成了一个无刷直流电机转速、电流双闭环控制系统(P.Beecue，etal，2003;谢世杰，2004)。4.2 无刷直流电动机控制系统的硬件原理框图图3.2为无刷直流电动机控制系统原理图，如图所示三相无刷直流电动机控制系统由PIC单片机主控电路、控制部分硬件电路、驱动部分硬件电路、电源部分硬件电路及无刷直流电动机几个模块组成4.2 无刷直

34、流电机控制系统原理图图中2路周D信号分别采样滑动变阻器阻值和绕组电流，通过调节滑动变阻器的阻值来调节PWM的占空比即设定期望速度，通过检测绕组电流来实现电流闭环和起到过流保护的作用。6路PWM输出连接三相桥式驱动器，再由三相桥式驱动器连接到6个N沟道的功率晶体管，这些功率管以三相桥式连接到3相无刷直流电动机绕组。无刷直流电动机的三路霍尔传感器信号连接到PIC单片机的IC模块，这三路信号只要有状态变化，PIC单片机就会产生中断，重新选择导通的功率晶体管，使无刷直流电动机按照一定的顺序换向，电动机就开始运转。4.3 无刷直流电动机的控制芯片控制芯片的选择目前，针对永磁无刷直流电机的控制芯片有下列三

35、种:采用专用集成电路控制芯片、利用PIC单片机专门为电机控制设计的芯片以及利用高性能的数字信号处理器(DSP)。利用专用集成电路控制芯片Motorola公司的MC33035组成的控制系统，系统结构简单、成本低廉。但是由于集成电路控制芯片在硬件上完成了从位置检测、译码到PWM调制输出的所有工作，它具有无刷直流电动机所需要的基本功能，但是系统功能不能进一步扩展，限制了专用集成电路控制芯片在一些场合的应用。利用高性能的数字信号处理器(DSP)，DSP具有快速运算能力，能够使数字控制系统实时地进行运算，其内部结构使控制系统能实现更复杂的控制算法，可以将速度环和电流环都以数字方式实现，形成全数字形式的永

36、磁无刷直流电机控制系统(王晓明，王玲，2004;吴东苏等，2002)。但是高性能的数字信号处理器(DSP)的价格昂贵。考虑到本设计与市场接轨，价格问题尤为重要，所以要选择一种即满足本控制系统要求，性价比高的控制芯片。利用PIC单片机专门为电机控制设计的芯片，不仅能够实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件的设计，实现多功能的电机控制。虽然控制精度不及高性能的数字信号处理器(DSP)，但是己经能够满足本系统的控制要求，更重要的一点是PIC单片机专门为电机控制设计的芯片在价格方面有很大的优势，所以本系统选择单片机PIC18F2431作为控制芯片。PIC18F243

37、1单片机的功能特性MierochiP公司的PIC18F2431芯片是专门为电机控制设计的单片机。PIC18F2431在程序寄存器中有16384字节的闪存、在数据寄存器中有768字节的SRAM和256字节的EEPROM、24个UO口、灵活的振荡器结构、良好的功耗管理模式、三个外部中断、增强型uSART模块、两个捕捉/比较用wM(ccP)模块、灌电流/拉电流峰值25mA/25mA、支持RS一485、RS一232通讯。除了具有常用PIC单片机的功能外，针对电机控制的特殊功能如下:(1)14位功率控制PWM模块:多达4个具有互补输出的通道;边沿或中心对齐的操作;灵活的死区发生器;硬件故障保护输入;占空

38、比和周期同步更新;灵活的特殊事件触发器输出。(2)运动反馈模块:l)三个独立的输入捕捉通道:灵活的周期和脉冲宽度测量操作模式;特殊霍尔传感器接口模块;输出到其他模块的特殊事件触发器。2)正交编码器接口:来自编码器的2相输入和一个索引输入;带方向状态和方向变化中断的高低位置追踪;速率测量。(3)高速的20OKsPslo位周D转换器:多达9个通道;两个通道同步采样;连续采样:1、2或4个选定通道;自动转换能力;带可选中断频率的4字FIFO;可选的外部转换触发器;可编程的采集时间。如图4.3所示为PIC18F2431芯片引脚图。PIC18F2431单片机的外围电路(l)振荡器配置PIC18F2431

39、器件可以在10种不同的振荡模式下工作。通过编程配置寄存器1H中的配置位FOSC3:FOSCO，用户可以对10种模式进行选择。1)LP低功耗晶振模式2)XT晶振/谐振器模式3)HS高速晶振八皆振器模式4)HSPLL使能PLL的高速晶振/谐振器模式5)RC在RA6上输出FOSC/4的外部电阻/电容模式6)RCIORA6为1/0的外部电阻/电容模式7)INTIOI内部振荡模式，RA6为FOSC/4输出，RA7为I/O8)INTI02内部振荡模式，I/O为RA6和RA79)EC带FOSC/4输出的外部时钟模式10)ECIORA6为I/0的外部时钟模式在XT、LP、HS或HSPLL振荡器模式下，晶振或陶

40、瓷谐振器与OSCI和OSCZ引脚连接，以产生振荡。在本系统中，选用晶振模式。晶振的工作频率是4M，电容C1和C2为27PF。(2)复位电路本系统采用上电复位。当检测到VDD上升时，会在片上产生一个上电复位脉无刷直流电动机控制系统的控制方案和硬件设计冲。要利用上电复位电路，将引脚材C丈尺置为低电平，PIC单片机开始复位。复位引脚上带有噪声滤波器，可以滤掉干扰信号，当VDD掉电时，二极管D有助于电容快速放电。本系统控制芯片的外围电路图如图4.4所示。4.4控制部分硬件电路设计本系统控制部分硬件电路包括:转子位置反馈电路、速度给定电路、速度检测环节和电流检测电路。转子位置反馈电路根据前面第二章所讲述

41、的无刷直流电动机控制基础，无刷直流电动机要不断的进行换向，才能使无刷直流电动机运转起来，恰当的掌握好换向的时机，可以减小转矩的波动，所以对无刷直流电动机转子位置的检测是至关重要的。根据之前所述，本系统采用3个霍尔磁敏传感器来检测转子的位置，它们之间的相隔是600电角度，当转子转动时，3个霍尔磁敏传感器便交替输出3个宽度为1200的电角度，相位差为60“的梯形波形信号，根据检测到的3个霍尔传感器的值来确定转子的位置，从而确定哪两相导通。霍尔磁敏传感器是集电极输出，因此需要上拉电阻，它输出的信号难免会存在一些高频干扰或抖动，所以要采用一定的硬件滤波和软件防抖的措施。本系统的霍尔磁敏传感器和PIC单

42、片机的接口电路及硬件滤波电路如图4.5所示。其中HALLA、HALLB、HALLC表示从霍尔磁敏传感器接出来的三路信号，RAZ、RA3、RA4分别为PIC单片机的输入捕捉模块(INPUTCApTURE)的三个输入端口CAPI、CApZ、CAP3图4.5霍尔传感器与PIC 单片机的接口电路输入捕捉(IC)子模块实现了以下功能CAPI、CAP2和CAP3引脚上的3个独立输入捕捉通道(16位/通道);每个通道的边沿触发、周期或脉宽测量工作模式;每个输入捕捉通道的可编程预分频器;特殊事件触发输出(仅CAP1);每个捕捉输入的可选噪声滤波器。CAPI输入捕捉框图如图4.6所示，CAP2和CAP3的输入捕

43、捉框图与CAP1类似。CAP1、CAP2、CAP3这三个引脚上有三个噪声抑制滤波器，这些滤波器的作用是帮助减少寄生噪声尖峰信号，这种信号可能会破坏输入引脚上的输入信号。滤波器确保在三个连续的采样时钟周期都获得同一个稳定值之后才允许改变输入信号。所有这些滤波器都由数字滤波器控制寄存器控制，可以通过对寄存器的设置来单独使能或者禁止这些数字滤波器，可以通过对寄存器的配置对采样频率进行编程，确保全部3个噪声滤波器都具有相同的采样率。本系统也采用了这样的软件防抖措施，这样采集到的信号更加的准确。图4.6 CAP1 输入捕捉框图速度给定电路在PIC18F2431中，一共有5路川D转换输入，在本系统中选用R

44、AO口作为速度给定电路的输入。RAO口是个多功能复用口，该端口有三个寄存器用于操作。它们是TRIS寄存器(数据方向寄存器)、PORI，寄存器(读取器件的引脚电平)、LAT寄存器(输出锁存器)，在对FO引脚电平驱动的值执行读一修改一写操作时，数据锁存器(LAT寄存器)非常有用。输出是由P沟道和N沟道的场效应管所组成。在RAO端口定义为模拟量输入后，再定义端口为输入端口。在PIC18F2431芯片内部的A/D转换电路如图4.7所示。由图可知，PIC18F2431有5路周D转换，A/D通道分为四组，每组分别有2或3个通道。对于PIC18F2431芯片来说，ANO和AN4在A组，ANI在B组，ANZ在

45、C组而AN3在D组。可以选择两组同时进行周D转换、也可以A、B、C、D四组按顺序进行A/D转换及单通道模式等等其它模式来进行川D转换，这些模式的选择都要通过A/D控制寄存器的相关配置。转换电压可以外加VREF+，VREF一，也可选用片上供电的AVDD和AVSS，这样外加电压最大电压不能超过AVDD如果外部参考电压用于取代内部AVDD和AVSS参考源，就必须考虑到VREF+和VREF一电压源的源阻抗。在采集过程中，这些源提供的电流可以被忽略。但是在转换过程中，A/D模块将通过这些参考源产生灌电流和拉电流。图4.7 片内A/D转换电路为了保持A/D精度，参考电压源阻抗应保持为低以减少电压的变化。当

46、参考电流流经这些参考源阻抗时电压将发生变化。因此本系统参考电压选用内部的AVDD和AVSS源，外加电压为5V，所选用电阻为10K的可调滑动变阻器，使采样输入电压为OV以上。速度给定电路如图4.8所示。图4.8 速度给定电路如图4.7电路设计，片内A /D采样为高速10位A/D采样，其分辨率大约为:由于功率控制PWM模块占空比的位数也为10位，所以从A/D模块的结果可以直接赋给功率控制PWM模块的占空比，从而达到速度给定的目的。速度检测环节对于本系统的控制器是专门为无刷电机控制设计的PIC18F2431单片机，其内部有运动反馈模块，对CAPI口的寄存器CA卫 1CON进行设置，使其工作在状态变化

47、时输入捕捉模式，并将其设置为时基复位时能，CAPZ和CA卫3则设置为在捕捉时禁止所选时基复位，每当CAPI口上有电平变化时，时基复位使定时器开始计时，在下一次电平变化时再次时基复位时，并把结果存在相应的寄存器中，通过计算可以得出霍尔信号变化一个周期的时间，所以利用这个模块可以通过检测霍尔位置信号来计算无刷电机的转速。本系统所使用的电机是三相4极的无刷直流电机，360“电角度对应的机械角度为180“，也就是霍尔信号变化2个周期，电机转一圈，霍尔信号在一个周期内共产生6个换向信号，在每两个换向信号之间有600的电角度，对于4极电机而言，其机械角度为so“。假设当芯片捕捉到一个周期需要的时间为Zms

48、，则无刷电机转过一圈需要 2x2=4m:，则一分钟的转速为:电流检测电路在无刷直流电动机控制系统中，相电流的幅值与电机输出转矩成正比，所以输出转矩一般通过对相电流的控制来调节，相电流的检测对控制系统电流闭环控制起到了很重要的作用。电流检测的原理是:在控制系统母线上和地线之间串联上一个已知小电阻，然后检测电阻两端的压降，根据欧姆定理可以算出电流值。但是电机是感性负载，转子旋转时，有很大的干扰可能串入母线，所以在已知小电阻两端电压检测之前要做处理(陈玉荣，倪正光，2004)。控制系统母线上的电流按照电机额定值计算应为1.4A，采样电阻应当按照在最大电流通过时分压不超过ZoomV为原则选取，而且要保

49、证电阻功率要求。选取康铜丝线绕电阻0.19/2W，这样当额定电流经过电阻时，产生的压降为14OmV。这样用PIC单片机的川D模块对电机运行时母线上的电压进行周期采样，采样的结果根据欧姆定理可以运算出电机母线上电流的大小，在电压量接入PIC单片机的川D模块之前运用运算放大器对小电压量进行适当的放大，以充分利用川D模块的精度。按照运算放大器正向输入比例放大的原理，调节图4.9中的电位器R22，使最大电压输出为SV。如图4.9中，RZO和Cn构成一阶RC低通滤波器，用来过滤电压尖峰。PIC18F2431单片机中的RAI口作为电流检测的输入。RAI口结构和寄存器设置与RAO口类似，这里不再详细阐述图4

50、.9 电流检测电路4.5驱动部分硬件电路设计本系统驱动部分硬件电路包括:功率晶体管驱动电路、三相桥式逆变电路、光祸隔离电路。4.6电源部分硬件电路设计电源部分硬件电路是整个系统不可缺少的组成部分，它主要给电机、功率模块、光祸隔离电路、位置传感器和控制器等提供电源。电机的额定电压为24v，使用外接变压器220VAC一24v供给，功率模块需要15v电压，光藕隔离电路、位置传感器和控制器都是使用的SV电压，为了满足相应的电压要求和功率要求。本系统选用降压型电源管理单片集成芯片LM25%，它能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。该芯片的特点:在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出

51、电压的误差可以保证在士4%的范围内，振荡频率误差在，15%的范围内;可以用仅80uA的待机电流，实现外不断电;具有自我保护电路 (NationalSemieonduetor，2004)。采用2片LM2596，一片固定输出，调到15V供给IR2130作为电源电压，另一片也产生固定输出SV，提供给控制器，光祸隔离电路和位置传感器。固定15V输出连接图固定5V输出连接图第五章 控制软件主程序设计无刷直流电机控制系统软件设计要求根据获得的电机转速的设定值以及利用PIC单片机运动反馈模块测得的电机实时转速，用比例积分PI算法计算出电机的转速控制量，从而调节电机的转速，使电机的转速跟随转速的设定值。根据转

52、速控制量和电机的实时转速，依照控制算法计算出新的PWM脉冲的占空比，并把值更新到PWM占空比寄存器中，从而产生PWM信号调节电机的转速。同时对电机的故障(过电流，低电压)进行检测，从而保护电机的运行。在本控制系统程序设计中，全部采用程序模块化设计，使程序调试和修改更为方便，本控制系统软件程序模块包括:初始化模块、功率控制PWM模块、运动反馈模块、A/D采样模块、Pm算法计算模块。主程序流程图如图5.1所示。首先初始化PWM模块、周D模块、运动反馈模块和定时器模块;然后检测RC3是否有键按下，如果没键按下，则等待，否则读取霍尔传感器的值，查霍尔信号输入与PwM输出的对应关系表如图5.2所示，通过

53、设置寄存器使得PWM开始输出，无刷直流电动机位置的变化引起霍尔输入信号变化，从而产生中断，重新查霍尔信号输入与PWM输出的对应关系表，设置寄存器使得PWM开始输出，重复上述过程，电机开始转动;功率控制PWM模块上升沿触发通道周D转换，RAO采样滑动变阻器确定给定转速，RAI采样绕组电流检测转矩和过流保护。利用检测CAPI上的状态变化触发定时器开始和停止计时，从而可以得出无刷直流电动机的实际转速，计算实际和给定转速的差值，并应用比例和积分控制调节 (proportionalandIntegal，pl)重新设置pWM的占空比，从而达到调速的目的。在此时同时检测RC3是否有键按下，如果没有，则系统等

54、待，无刷直流电动机处于运行状态，否则，设置寄存器使得禁止PWM输出，从而使无刷直流电动机停止运行。图1图2 霍尔信号输入与PWM输出的对应关系表5.3子程序设计初始化模块程序设计在初始化模块设计中，包括系统初始化、变量初始化。(1)系统初始化系统初始化是对PIC单片机的内部寄存器进行设置，包括振荡器的选择、时钟故障安全监测的使能、欠压复位等许多功能的设置，这些设置将直接影响其它的模块设计能否正常使用，所以系统初始化是非常重要和不可缺少的。本控制系统的的系统初始化子程序如下所示:(2)变量初始化变量主要是各个在程序运行过程中要重复使用寄存器的值暂时存放处，有Ksp、Ksi、hallvalue、F

55、lagsRunMotor、DesiredSPeed、ActualSPeed、SPeedError、DutyCycle、Speedlntegal等变量。功率控制PWM模块程序设计在PIC18F2431芯片上，运动反馈模块是为运动反馈应用设计的特殊功能外设。配合功率控制PWM模块，它可以为多种电动机提供各种不同的控制解决方案。此模块实际上由两个硬件子模块组成:输入捕捉模块 (InPutcaPture，Ic)和正交编码器接口 (QuadratureEneoderInterfaee，QEI)，在本运动反馈模块程序中，使用输入捕捉模块对3路霍尔信号进行检测，只要3路信号中有任何1路信号发生电平变化，就会产生中断，中断程序会重新确认3路霍尔信号的值，从而确定哪2路PWM输出。下面对所使用寄存器的设置进行详细讲解:首先把RA口设置为模拟输入口，接着通过