电动高尔夫球车控制器的开发

1、电动高尔夫球车控制器课题开发注意事项1 、设计（论文）内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2) 原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4)外文摘要、关键词5）目录页（附件不统一）6）论文主体部分：引言（或引言）、正文、结论7)参考文献8) 到9）附录（如果需要论文支持）2 、论文字数要求：科学与工程设计（论文）主体字数不少于10000字（不含图纸、程序清单等），字数文科论文正文不少于12000字。3.附件包括：任务书、开场报告、外文翻译、原译（复印件） 。4.文字和图表要求：1)文字流畅，语言流利，字迹工整，印刷字体大小符合要求，无错别字，不得代写2)工程设计课题的图纸

2、，有的用尺子画，有的用电脑画，所有图纸均应符合国家技术标准。图表整齐，布局合理，文字注释必须用工程字书写，不允许徒手画3）毕业论文必须打印在A4纸的一面，超过50页的论文必须双面打印4)图表应该在没有网格的页面上绘制5)软件工程学科应有程序清单并提供电子文件5.绑定顺序1）设计（论文）2）附件：按作业本、开题报告、外文翻译、原译（复印件）的顺序装订3)其他学生毕业设计（论文）的原创性声明本人郑重声明：提交的毕业设计（论文）是设计（研究）作品和导师指导下取得的成果，设计（论文）中引用了他（她）人的文献、数据和图纸。 ，且材料已标注清楚，论文中的结论和结果由本人完成，不包括他人取得的成果以及使用其

3、材料获得科学技术研究所或其他教育机构的学位或证书.与我一起工作的同志对这个设计（研究）的任何贡献都已在论文中明确说明和表达。毕业设计（论文）作者（署名）：年月日概括在石油资源日益紧缺的背景下，如何减少交通运输对石油资源的不可回收消耗以及对环境的压力，发展电动汽车，尤其是电动汽车（EV）的发展是一项重大课题。世界上的问题。在此背景下，本文结合具体的科研项目，对电动高尔夫球车的驱动系统进行了研究。论文的主要任务是完成电动高尔夫球车的核心部分电机驱动系统，实现对高尔夫球车无刷直流电机的控制。本文设计了电机驱动系统的总体方案。主控芯片采用意法半导体设计的用于电机控制的芯片STM32F103ZE。结合I

4、R公司的驱动芯片IR2130和功率开关管IRF2807，采用STM32数字电机设计开发了系统硬件电路。平台对程序进行仿真调试。对电动汽车驱动系统中使用的无刷电机的一些常见问题和特点问题进行了详细的分析和研究。总结了无刷电机调速常用的6种PWM调制策略，最终确定了简单的H-PWM-L-ON调制方式来实现电机调速。 关键词：电动高尔夫球车，永磁无刷电机，PWM调制目录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295317934 摘要我 HYPERLINK l _Toc295317935 摘要二 HYPERLINK l _Toc295317936 1简介 PAGEREF _To

5、c295317937 h 1 HYPERLINK l _Toc295317937 1.1项目的目的和意义 PAGEREF _Toc295317937 h 1 HYPERLINK l _Toc295317938 1.2电动汽车驱动系统概述 PAGEREF _Toc295317938 h 1 HYPERLINK l _Toc295317939 1.3电动高尔夫球车驱动系统方案2的比较与确定 PAGEREF _Toc295317939 h HYPERLINK l _Toc295317940 1.3.1无刷直流电机工作原理 PAGEREF _Toc295317940 h 2 HYPERLINK l _

6、Toc295317941 1.3.2直流无刷电机调速 PAGEREF _Toc295317941 h 4 HYPERLINK l _Toc295317942 1.3.3电机制动控制研究 PAGEREF _Toc295317942 h 5 HYPERLINK l _Toc295317943 1.3.4电机驱动控制 PAGEREF _Toc295317943 h 6 HYPERLINK l _Toc295317944 2 、驱动系统硬件设计 PAGEREF _Toc295317944 h 7 HYPERLINK l _Toc295317945 2.1主控芯片的选择 PAGEREF _Toc2953

7、17945 h 8 HYPERLINK l _Toc295317946 2.2三相H桥逆变模块 PAGEREF _Toc295317946 h 9 HYPERLINK l _Toc295317947 2.3控制电源电路 PAGEREF _Toc295317947 h 9 HYPERLINK l _Toc295317948 2.4转子位置信号检测电路 PAGEREF _Toc295317948 h 10 HYPERLINK l _Toc295317949 2.5 STM32 AD转换控制器 PAGEREF _Toc295317949 h 11 HYPERLINK l _Toc295317950

8、2.6 STM32高级定时器 PAGEREF _Toc295317950 h 11 HYPERLINK l _Toc295317951 3驱动系统软件设计 PAGEREF _Toc295317951 h 13 HYPERLINK l _Toc295317952 3.1系统分析 PAGEREF _Toc295317952 h 13 HYPERLINK l _Toc295317953 3.2系统初始化和电机启动程序 PAGEREF _Toc295317953 h 13 HYPERLINK l _Toc295317954 3.3霍尔中断程序 PAGEREF _Toc295317954 h 14 HY

9、PERLINK l _Toc295317955 3.4 PWM更新中断 PAGEREF _Toc295317955 h 15 HYPERLINK l _Toc295317956 3.5速度检测程序 PAGEREF _Toc295317956 h 16 HYPERLINK l _Toc295317957 4电机控制算法 PAGEREF _Toc295317957 h 18 HYPERLINK l _Toc295317958 4.1数字PI PAGEREF _Toc295317958 h 18 HYPERLINK l _Toc295317959 4.2位置PID PAGEREF _Toc29531

10、7959 h 19 HYPERLINK l _Toc295317960 4.3增量PID控制算法 PAGEREF _Toc295317960 h 20 HYPERLINK l _Toc295317961 5系统调试与实验结果分析 PAGEREF _Toc295317961 h 23 HYPERLINK l _Toc295317962 5.1系统调试步骤 PAGEREF _Toc295317962 h 23 HYPERLINK l _Toc295317963 5.2系统调试及解决方案 PAGEREF _Toc295317963 h 23 HYPERLINK l _Toc295317964 6结论

11、与展望 PAGEREF _Toc295317964 h 25 HYPERLINK l _Toc295317965 参考24_ _ PAGEREF _Toc295317965 h HYPERLINK l _Toc295317984 到 PAGEREF _Toc295317984 h 25 HYPERLINK l _Toc295317985 附录一： PAGEREF _Toc295317985 h 26 HYPERLINK l _Toc295317986 附录2 ： PAGEREF _Toc295317986 h 3 41 简介1.1 项目的目的和意义在石油资源日益紧缺的背景下，如何减少交通运输对

12、石油资源的不可回收消耗，发展电动汽车，特别是推动电动汽车（EV）的发展，是世界范围内的重大课题，不仅仅是一个话题中国社会关注的问题，也是国际社会高度关注的重大问题。我们看到，发达国家政府和企业共同制定了各种计划，投入巨资发展电动汽车产业。与他们的措施和政策相比，虽然我国也设立了专项资金来鼓励电动汽车的发展，但我国汽车技术在品牌创新、自主研发、自主研发等方面与世界发达国家还有一定差距。开发能力、资本运营管理、品牌影响力。 .但无论在发展力度、业务流程和市场等方面，中国都远超国外。一大批名不见经传的小企业已经开始了自己的电动交通业务。 1997年，从几家企业开始，电动自行车的年总产量还不到2万辆。

13、到2003年，参展企业近1000家，年总产量一举突破400万只，6年增长200多倍。 2004年以来，电机功率性能和电控技术也得到了快速发展。电机功率从一开始的150W逐渐增加。到2004年底，额定功率500W、最大输出功率1KW的高性能稀土永磁电机已实现低成本、大型化。可就地生产，极大地满足了人们的需求。轻型电动汽车既能满足城市中低收入居民的出行需求，又能满足农村居民的生产生活需求。不断降低的价格和不断提升的性能，为轻型电动汽车赢得了真正的市场。2006年上半年，全国数百家企业生产各类轻型电动车（含电动自行车）800万辆，预计全年总产量1500万辆。一些关键技术创新（如轮毂电机、能量回收技术

14、、新型节能车型等）也成功应用于产品，企业取得了较好的经营成果，政府获得了巨大的社会效益。随着技术水平的提高和市场需求的进一步提高，中国式微型电动汽车的发展被提上了日程。本课题就是在这样的背景下设立的，并结合具体的科研项目，最终确定为：电动高尔夫球车永磁无刷直流电机驱动系统的研制。根据高尔夫球场的特点，采用永磁无刷电机驱动电机。它具有零污染、低噪音的优点，同时不会造成草坪的枯竭和衰减，影响球场的美观，非常适合在球场上使用。与微型电动汽车相比，它的开发难度也较小。通过本实验，获得了电动高尔夫球车电机驱动控制器开发的实践经验和数据，验证了所采用技术策略的合理性，为电动高尔夫球车的进一步开发奠定了坚实

15、的基础。1.2电动汽车驱动系统概述电机系统是影响电动汽车性能的关键因素。电机类型的选择和车辆驱动方式的确定是电动汽车发展面临的首要选择。目前用于电动汽车驱动的主要电机系统有：直流电机系统一直是电动汽车驱动电机的主流，直到 1980 年代中期，它已经在实用的电动汽车市场中占有一席之地。直流电机系统技术成熟，控制简单。采用斩波驱动方式，具有良好的控制和驱动特性。但是，由于使用机械刷和换向器，其过载能力、速度范围、功率体积比、功率重量比、系统效率和维护都受到限制。自 1990 年代以来，电动汽车相关论文中对直流电机的研究很少。与传动领域的趋势一样，在电动汽车驱动中，以交流电机系统代替直流电机系统是必

16、然趋势。开关磁阻电机系统是近年来逐步发展和完善的传动和牵引动力系统。它结构简单，坚固耐用，成本低，免维护。然而，原则上存在较大的转矩脉动和过大的噪声。目前，开关磁阻电机系统在电动汽车驱动中的应用仍处于预研阶段，有待进一步研究。德国、瑞典和中国已经在电动汽车驱动应用中尝试过开关磁阻电机。感应电机（鼠笼式）系统结构简单，坚固耐用，成本低，免维护，无原理转矩脉动；由于电机固有特性的强非线性，控制复杂。美国和欧洲的电动汽车发展以感应电机系统为主。永磁无刷电机系统具有良好的控制和驱动特性，电机能量密度和系统效率高，功率体积比和功率重量比高；它还具有电机成本高和制造工艺复杂的局限性。它是 1990 年代日

17、本电动汽车发展的主流选择。目前，世界上发展电动汽车的电机选择主要集中在感应电机系统和永磁无刷电机系统上。日本丰田、美国通用、德国西门子、德国宝马等在相同功率下，对感应电机系统和永磁无刷电机系统进行了实验比较，得出了相同的结论：永磁磁无刷电机比感应电机具有更好的性能。系统效率高（特别是在启动和低速运行时），更高的功率重量比。日本富士电机公司推出了用于电动汽车的永磁电机解决方案，结构和工艺简单，适合大批量生产。达到与感应电机竞争的水平。我国稀土永磁材料储量是世界上最丰富的，具有先天优势。基于永磁无刷电机系统开展深入工作，开发适合电动汽车应用的驱动系统更为合理和紧迫。本文开发的电动高尔夫球车电机驱动

18、系统采用永磁无刷直流电机方案。1.3电动高尔夫球车驱动系统方案比较与确定在电动汽车中，驱动系统是绝对核心。它的任务是在驾驶员的控制下将电池的能量高效地转化为车轮的动能，或者将车轮的动能回馈给电池。整车的运行性能和效率很大程度上是由它决定的。不同的电动汽车发展有不同的系统组成和控制策略。在介绍中，基于对几种电机的比较，确定本设计将采用永磁无刷直流电机；在此基础上，进一步分析了无刷直流电机的调速和制动方法；并详细研究了驱动系统的控制策略；最后确定了所开发的电动高尔夫球车系统的组成和实现功能。1.3.1无刷直流电机工作原理无刷直流电机与有刷直流电机相反，它具有旋转磁场和固定电枢。这样，电子换向电路中

19、的功率开关器件，例如晶闸管、晶体管、功率 MOSFET 或IGBT （绝缘栅双极晶体管），可以直接连接到电枢绕组。在电机中，安装有转子位置传感器，用于在运行过程中检测转子的位置。与电子换向电路一起，它取代了有刷直流电机的机械换向。综上所述，无刷直流电机由电机本体、转子位置传感器和电子换向电路三部分组成，如下图所示。图 1.1 无刷直流电机工作原理图在无刷直流电动机中，以位置传感器的输出信号反映主转子的位置，通过电子换向电路驱动连接在电枢绕组上的相应功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断发出信号，改变电枢绕组的通电状态，

20、使导体中的电流方向在一定磁极下保持不变。这就是无刷直流电机的接触换向过程。 ，下图是直流无刷电机的工作原理框图。图 1.2直流无刷电机工作原理框图无刷直流电机为了取消有刷，将电枢绕组移到定子上，转子由永磁体组成，结构与有刷直流电机正好相反；然而，即使是这样的改变也是不够的，因为定子接上直流电后，只产生了一个恒定的磁场，电机仍然不能转动。为了使电机的转子转动，必须对定子电枢的相绕组进行连续换向和依次通电，使定子磁场随转子位置不断变化，从而使定子磁场和转子永磁场可以始终保持90左右的空间角，产生转矩驱动转子旋转。无刷直流电机的控制根据有无转子位置传感器分为两种：无位置传感器控制和位置传感器控制。常

21、用的传感器有光电式位置传感器和霍尔式位置传感器。三相无刷直流电机的反电动势与传感器输出信号的相位关系如下图所示：图 1.3 三相无刷直流电机反电动势与传感器输出信号的相位关系1.3.2直流无刷电机调速无刷直流电机是一种自控变频永磁同步电机。就其基本结构而言，可以认为是由电力电子开关逆变器、永磁同步电机和磁极位置检测电路组成的“电机系统”。 ”。普通直流电机的电枢通过电刷和换向器与直流电源相连，电枢本身的电流是交流的，而无刷直流电机则用磁极位置检测电路和一个磁极位置检测电路代替有刷直流电机。电力电子开关逆变器电刷和换向器的作用是用电子换向代替机械换向，逆变器中的电源开关按一定顺序触发，功率分配到

22、电机定子各相绕组中一定的逻辑关系，使电机能够产生连续的转矩。一般情况下，三相永磁无刷直流电机采用传统的三相桥式逆变器作为驱动电源，电机本体一般装有转子位置传感器。只有驱动变频器，电机才能正常工作。 ，以形成完整的无刷直流电机驱动系统。结合实际情况，开关装置采用功率场效应管，以电池为电源，通过霍尔位置传感器获取转子位置。在该驱动系统中，电压和电流由功率模块的开关功能控制，从而控制转速和转矩。电机工作在120导通方式（每个开关管导通120电角），每一个瞬间只有两相绕组导通，另一相绕组悬空；每60电角有一个开关管关闭，另一个开关打开。通常，无刷直流电机通过调节输入电机的平均直流电压来达到调节转速的目

23、的。调节模式有两种：一种是PAM模式，另一种是PWM模式。 PAM模式下，直流母线电压dc U可调，逆变功率开关器件只负责电机换向控制，通过调整直流母线电压dc U来调节电机转速。虽然这种方法可以降低成本功率器件在一定程度上无法对每个桥臂实现不同的调制，缺乏灵活性。在PWM模式下，直流母线电压dc U 不可调，逆变功率开关器件不仅负责无刷直流电机的换向控制，还通过斩波来调整电机输入电压的平均值，所以以达到调节速度的目的。当然，逆变器也可以采用SPWM技术或磁滞控制技术调制正弦电压，与电机反电动势保持适当的相位关系，产生有效的电磁转矩，达到全速范围的效率优化目的，但转矩的波动往往很大，也有文献提

24、出用电流源逆变器供电的主电路可以通过调节母线电流来调节无刷直流电机的转速。这种调制方式在实际应用中很少使用。无刷直流电机一般采用五种PWM调制方式，分别是：ON-PWM开关管导通120，前60恒定，后60PWM调制；PWM-ON开关管导通120，前60为PWM调制，后60恒定；H-ON-L-PWM，上桥臂开关管保持恒定，下桥臂开关管PWM调制；H-PWM-L-ON 上桥臂开关管进行PWM调制，下桥臂开关管保持恒定；H-PWM-L-PWM上下桥臂开关均为PWM调制。还有文献中提出的所谓PWM-ON-PWM方法，可以彻底消除非导通相续流问题，有效削弱部分转矩脉动，但需要更详细的位置信号。该调制方式

25、采用数字细分策略实现，无需安装位置传感器，取得了良好的效果。1.3.3 电机制动控制研究根据制动目的不同，电动汽车制动可分为减速制动和紧急制动两种。在减速制动状态下，车轮和电机仍处于转动状态，电磁力矩与转向相反，电机在二、四象限运行；紧急制动立即停止车轮旋转。紧急制动需要较大的制动力矩，通常利用摩擦阻力机械实现。在制动过程中，系统的动能转化为摩擦热，是一个能量消耗的过程。减速制动可以通过电制动来实现。下面对电气制动过程进行分析研究。电制动的方式有倒车制动、动力制动和再生制动三种。反向制动改变相电压的极性使其与反电动势的极性一致，两者叠加在相绕组上使电流极性反向。反向制动时，电源的能量和电动汽车

26、的动能都消耗在相绕组的电阻上，制动力矩较大，但实际制动电流受限于功率器件的能力。处理电流，直流电源电压与反电动势叠加所达到的电压值可能超过功率器件的耐压范围；能源消耗;制动时，三相绕组短路。此时，在反电动势的作用下，会产生与反电动势方向相同的电流，从而产生制动力矩。在再生制动模式下，电机进入发电机状态，将车体的部分动能转化为电池储能。由于电池中储存的能量可以被系统重复利用，这种方案无疑提高了系统的运行效率。 ，可以延长车辆的续驶里程。显然，在电动汽车的制动方案中应该优先采用这种方法。通过先进的换向措施，无刷电机可以实现恒功率运行。此时，线路反电动势将高于逆变器直流侧电压。当无刷电机从恒功率运行

27、模式进入再生制动模式时，必须经过正相过程，直到转速下降到基速。这是因为当线路反电动势高于逆变器直流侧电压时，一旦相电流极性发生变化，逆变桥就会工作在二极管不可控整流模式，会造成很大的制动电流损坏功率器件甚至电源。 .当永磁无刷直流电机末端的反电动势低于电源电压时，无法满足通常的能量回馈制动条件，电机难以向电池输出充电电流。但是，相电感的储能元件可以作为桥接电机和电源，实现能量的反向流动。1.3.4 电机驱动控制高尔夫球车在高尔夫球场上行驶。对转速要求不高，但需要保证安全、可靠、性能稳定。高尔夫球车以直流无刷电机为控制对象，具有控制简单、动态性能好等特点。本项目使用的STM32数字电机开发实验平

28、台，以ULINK/JLINK为仿真器，仿真下载CPU程序，核心板为控制核心；底板具有各种功能模块如：TFT彩屏显示模块、SD卡模块、CAN通讯模块、串口通讯模块、蜂鸣器、指示灯等接口；逆变板主要由MOSFET三相H桥模块、MOSFET驱动IC模块、高速光耦模块和信号处理模块组成。各模块可自由接线或选择默认接线，在众多模块的基础上实现各种功能的应用系统。对应于在高尔夫球场上行驶的电动高尔夫球车，驾驶员的目的与场地的路况不同，降低对车辆的续驶里程要求，但对车辆的动力性能提出了较高的要求。驱动系统。永磁无刷直流电动机具有起动转矩大、调速方便、结构简单、维修方便、功率密度高等优点。非常适用于此类中小功

29、率调速系统和拖动系统。2、驱动系统硬件设计本章介绍控制器产品的设计和实现。电动高尔夫球车的驱动系统是在前人程序论证和理论的基础上设计的。驱动系统由三相H桥逆变输出模块、IGBT/MOSFET驱动IC、高速光耦、主电源、控制电源、采样、保护电路组成。在48V、2.2kW应用中，MOSFET作为电压驱动的功率器件，具有驱动功率低、工作频率高、价格低廉等优点。业界倾向于使用功率 MOSFET 作为开关器件。功率 MOSFET 具有正温度系数，这对于并联使用的器件特别有利。为了达到最佳的并联效果，在设计中遵循以下原则： MOSFET的参数一致性要好，一般同批次就可以满足要求；根据理论分析和实验确定合适

30、的降额系数；MOSFET应安装在同一个散热器上，间距相同，热耦合好； 精心设计MOSFET驱动电路，尽可能降低驱动电路的输出电阻，最大限度地发挥驱动电路的驱动能力； 使用间接耦合将每个 MOSFET 的栅极并联，以抑制潜在的功率振荡问题。在本系统中，控制器是其核心部件。它不仅需要完成对外部信号、给定电机驱动信号的处理，还需要完成整个系统的控制策略。下图为硬件系统框图：图 2.1 硬件控制系统框图2.1 主控芯片的选择Cortex-M3处理器是一种门数少、中断延迟低、调试方便的低功耗处理器。它是一款高性能处理器，专为从低端微控制器到复杂 SoC 的功耗和价格敏感型应用而设计。Cortex-M3

31、处理器采用 ARM v7-M 架构，是一款可综合、高度可配置的处理器。它包含高效的哈佛架构三级流水线，可提供 1.25DMIPS/MHz 的性能。在具有 32 个物理中断的标准处理器实现（0.13um Metro 50MHz）上，实现了 0.06mW/MHz 的出色能效比。为降低器件成本，Cortex-M3处理器采用与系统元件紧耦合的实现方式来减小芯片面积，其核心面积比现有的三级流水线核心小30%。 Cortex-M3处理器实现了具有高代码密度的Thumb-2指令集架构，降低了内存需求，实现了非常接近32位ARM指令集的性能。STM32系列32位闪存微控制器采用ARM开创性的Cortex-M3

32、内核，专为满足嵌入式领域的需求而设计，集高性能、低功耗、实时应用和有竞争力的价格于一身。要求。 Cortex-M3系统结构的增强有利于STM32； Thumb-2指令集带来更高的指令效率和更强的性能；通过紧密耦合的嵌套向量中断控制器，提高了对中断事件的控制。响应速度比以往任何时候都快；同时结合行业领先的功耗水平。STM32系列为MCU用户提供了集高性能、实时性、低功耗、低电压于一体的全新32位产品选择，同时保持了高集成度和易于开发的优势。本实验创新平台采用增强型产品STM32F103ZE作为核心CPU。 32 位 CPU 具有以下特性：32位ARM Cortex-M3结构优化；72 MHz工作

33、频率，1.25 DMIPS/MHz ；硬件除法和单周期乘法；快速嵌套中断， 612个时钟周期； 具有MPU保护设置访问规则；512K 闪存和 64K SRAM8个定时器，12个DMA通道，1个CRC计算单元；3个12位1us A/D， 21个模拟通道； 2个12位D/A ， 2通道；5个USART接口；2个I2C接口；3个SPI端口； USB OTG ；一个CAN2.0B2.2 三相H桥逆变模块三相H桥电路采用六个绝缘栅双极晶体管（IGBT）和电压型逆变电路。 IGBT本质上是一个场效应晶体管，但在漏极和漏极区之间有一个P型层。各部分的命名基本沿用场效应管的命名方式。 IGBT综合了MOSFE

34、T和功率晶体管（GTR）的优点，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单、通态电压低、耐压高等优点。系统，被广泛使用三相H桥逆变模块由6个IGBT/MOFET管组成的直流母线电压电流采样电路如下图所示。 MOSFET管STB75NF75 ：V(BR)DSS漏源击穿电压75V， VGS(th)栅极阈值电压4V， RDS(on )导通电阻0.0095，导通时间125ns，关断时间为96ns，源漏二极管导通电压为1.5V。通过驱动电路致信号来控制六个管子的通断，从而控制电机的转动。图 2.2三相 H 桥逆变模块2.3控制电源电路下图是控制电源电路，它还具有过流和电源反接两种保护功能。控制电源

35、和逆变电源共用同一地。输入电压范围为18V36V，采用DC/DC稳压芯片实现15V和5V控制电压输出。图 2.3 控制电源电路2.4 转子位置信号检测电路在带位置传感器的无刷直流电机控制系统中，为了获得最大转矩，微处理器需要根据位置传感器的信号对无刷直流电机进行换向。掌握合适的换向时机可以减少电机扭矩波动，因此位置检测非常重要。位置传感器在无刷直流电机中起到检测转子磁极相对位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后控制定子绕组的换向。无刷直流电机中常用的位置传感器有三种：电磁式、光电式和磁性式。霍尔位置传感器作为一种磁敏位置传感器，因其结构简单、价格

36、低廉而得到了广泛的应用。在大多数 BLDC 电机中，霍尔位置传感器由安装在定子上的霍尔 IC 和安装在转子上的传感器转子组成。传感器转子随电机转子旋转，以指示电机主转子的位置。若干个霍尔集成电路等距安装在电机的定子上。主转子每转过一对磁极，传感器就会产生一组跳跃信号。主转子的极对数越多， 360度机械角传感器产生的跳跃信号就越多。在一个电周期内，霍尔位置感应产生的开关状态不重复，每个开关状态占据相等的电角度。以三个电角相差120度的霍尔位置传感器为例，每个霍尔位置传感器在每个周期都会产生一个脉冲宽度为180度的输出信号，三个霍尔位置传感器输出的信号为120度异相。花费。这样，它们在每个转子电周

37、期中有 3 个上升沿和 3 个下降沿，分别对应 6 个换相时刻。位置检测不仅用于换向控制，还可以用于产生速度反馈控制量。转子位置反馈信号被送到微处理器的输入接口。这组信号的电平状态和跳跃时间决定了电机的换向。状态和时刻。霍尔位置传感器的输出信号HA、HB、HC经过高速光耦隔离后输出。经过整形和电容滤波滤除高频信号干扰后得到HALL-A、HALL-B和HELL-C，最后送到微处理器中间2.5 STM32 AD转换控制器12 位 ADC 是一个逐次逼近型模数转换器。它有 18 个通道，可以测量 16 个外部和 2 个外部源。每个通道的 A/D 转换可以在单个、连续、扫描或不连续模式下进行。 ADC

38、 的结果可以存储在左对齐或右对齐的 16 位数据寄存器中。A/D转换器的主要特点如下：扫描模式，通道0自动转换为通道n；按通道配置采样时间；双模式（在具有 2 个 ADC 的设备上）；ADC转换时间：STM103xx系列MCU，56MHz时1us（72MHz时1.17us）；ADC供电要求：2.43.6V；ACD输出范围：VREF-VINVREF+； DMA 请求在常规通道转换期间生成。2.6 STM32 高级定时器STM32最多有8个定时器 HYPERLINK %20%20%20%20:/article.ednchina%20%20%20%20/word/212362.aspx o 定时器

39、，其中TIM1和TIM8是高级定时器，可以产生三对 HYPERLINK %20%20%20%20:/article.ednchina%20%20%20%20/word/212360.aspx o PWM PWM互补输出，常用于 HYPERLINK %20%20%20%20:/article.ednchina%20%20%20%20/word/212363.aspx o 三相电机 三相电机的驱动，它们的时钟由APB2的输出产生.对于STM32系列微处理器来说，执行一条指令只需要几十ns。在执行for循环时， N毫秒的x值非常大，并且由于系统频率较宽，很难计算出精确的N毫秒延迟。价值。对于STM3

40、2微处理器，需要重新设计一种新的方法来实现这个功能，以便在程序中使用Delay(N) 。Cortex-M3内核包含一个SysTick时钟。 SysTick是一个24位递减计数器。 SysTick设置初始值并启用后，每经过一个系统时钟周期，计数值减 1 。当计数达到0时， SysTick计数器会自动重新加载初始值并继续计数。同时，将设置COUNTFLAG标志以触发中断（如果启用了中断） 。在STM32的应用中，使用Cortex-M3内核的SysTick作为定时时钟，设置为每毫秒产生一个中断。如果不为0则循环等待；如果为0 ，则关闭SysTick时钟并退出该功能。需要注意的是，全局变量Timing

41、Delay必须定义为volatile ，延迟时间不会随系统时钟频率变化。外部晶振为8MHz ，乘以9 ，系统时钟为72MHz ， SysTick的最大频率为9MHz （最大HCLK/8 ）。在这种情况下，将SysTick测试值设置为9000 ，将SysTick时钟设置为9MHz产生一个 1ms 的时基值，即SysTick 产生一个 1ms 的中断13。使用ST的函数库来使用systick方法： ( 1 ) 调用SysTick_CounterCmd()来禁用SysTick计数器 ( 2 ) 调用SysTick_ITConfig()来禁用SysTick中断 ( 3 ) 调用SysTick_CLKS

42、ourceConfig()来设置SysTick时钟源。 ( 4 ) 调用SysTick_SetReload()设置SysTick重载值。 ( 5 ) 调用SysTick_ITConfig()启用SysTick中断 ( 6 ) 调用SysTick_CounterCmd()启用SysTick计数器3 驱动系统软件设计3.1系统分析系统通过HALL传感器信号获取电机实际运行速度信息，通过直流母线单次电流采样获取电机电流信息。以输出的形式控制逆变器的输出电压，从而控制电机转速。直流无刷电机启动：采用分相启动方式，即在电枢绕组上施加一定幅度的直流电压，迫使转子旋转到一定位置，同时霍尔传感器输出相应的转子

43、位置信息。进入正常运行。在正常运行状态下，在HALL信号触发的中断服务程序中，控制器根据三相HALL信号的状态获取下一个三相逆变H桥功率器件的状态，然后软件产生换相事件，实现三相H桥输出换相，使电枢绕组形成旋转磁场，保证电机连续转动；同时，系统通过统计HALL信号相邻跳变的间隔时间，获得电机的转速信息。液晶屏显示。BLDCBLDC双闭环调速控制系统MCU外设初始化模块BLDC换相模块PID算法模块LCD显示驱动模块BLDC系统参数主函数模块图 3.1 系统主要模块组成3.2 系统初始化和电机启动程序系统初始化主要包括单片机时钟配置、系统时钟SysTick初始化、GPIO初始化、定时器配置、嵌套

44、向量中断控制器（NVIC）配置、LCD初始化、PWM初始化、ADC初始化.其中，单片机的时钟配置决定了单片机的工作频率。在本设计中，单片机配置的工作频率为 72MHz。测量模拟通道直流偏置电压，初始化全局变量和PID参数。完成后，固定电机转子并延迟一定时间。等待HALL信号判断是否有效。有效时电机启动。如果无效，如果HALL没有超时，则继续等待，如果超时，则报电机故障。图 3.2 系统初始化和电机启动流程图3.3 霍尔中断程序无刷直流电机根据霍尔位置传感器获取转子位置信息，转子在不同电角度下输出相应的信号和三个相反的电位。通过电子换向电路驱动连接在电枢绕组上的相应功率开关器件，使电枢绕组依次馈

45、电，从而在定子上产生跳跃的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断发出信号，改变电枢绕组的通电状态，使导体中的电流方向在一定磁极下保持不变。在 HALL 中断函数中，首先检查 HALL 信号标志，然后读取其状态信息。获得HALL信号后，通过查看换相表产生换相事件，同时读取TIM2定时器的信息，计算转速。现在将运行速度与设定速度进行比较，并继续调整，直到速度与设定速度相同。图 3.3HALL 中断流程图3.4 PWM更新中断STM32单片机的TIM4都可以产生和输出互补的PWM信号。重要的是STM32的TIM1高级定时器可以产生具有可编程死区时间的PWM脉宽波形。STM32的P

46、WM模式有模式1和模式2。在PWM模式1下，当TIM1_CNT小于PWM脉宽加载值时， TIM1的参考信号OCxREF为高电平，否则为低电平。模式2与模式1相反，为了减少单片机的运算，这里采用PWM模式1。同时TIM1的CH1具有互补输出功能。因此，CH1 输出端口 PE8 和 PE9 用于输出互补 PWM 波形。在主电路IGBT的H桥中，由于IGBT的关断时间大于其开通时间，上下桥臂同时换流会导致IGBT关断可靠关断，待导通的IGBT导通。 ，此时上下桥臂会通过，严重时会直接烧毁IGBT。因此，上下桥臂换相时应设置死区时间，以防止H桥的直通现象。可以使用 STM32 高级定时器 TIM1 的

47、死区插入在这里设置死区时间。根据IGBT数据手册和驱动IGBT的光耦数据手册，这里选择3微秒的死区时间。输出占空比为 70% 的 PWM图 3.4 PWM 信号中断流程图忽略电机电枢电阻和开关管压降，直流无刷电机转速（rpm）：(3.1)式中，为反电动势系数（V/rpm），为电机反电动势（V），逆变器输出线电压（V）。在 PWM 模式下，逆变器输出线电压：(3.2)式中，为占空比（01），逆变器直流母线电压（V）。然后有：(3.3)3.5 速度检测程序速度检测是电机数字调速的一个非常重要的部分。它关系到电机的性能和稳定性。通过STM32单片机的编码器接口定时读取位置信号，然后计算速度并进行数字

48、滤波。 TIM2 定时器连接到霍尔传感器。来自霍尔传感器的转子三相位置信号通过定时器的三个输入引脚（CC1、CC2、CC3）输入，然后通过异或门输出。定时器负责捕捉这个信号。当 3 个输入之一发生变化时，计数器从 0 重新开始。捕获的值反映了两个输入变化之间的时间延迟，提供了有关电机速度的信息。设置定时器时钟频率为（Hz），则三相HALL信号变化频率（Hz）：（ 3.4）式中，CCR1 为定时器的捕捉值。然后是电机转速 n (rpm)：(3.5)式中，p为电机极对数。4 电机控制算法在连续时间控制系统中，PID控制器被广泛使用。其设计技术成熟，长期形成典型结构。参数设置方便，结构改变灵活，可满

49、足一般控制要求。4.1 数字 PI自从计算机进入控制领域以来，数字计算机已被用来代替模拟计算机调节器，形成计算机控制系统。不仅可以通过软件实现PID控制算法，还可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活。生产过程采用数字PID控制。它是最常用的控制方式之一，已广泛应用于机电、冶金、机械、化工等行业。偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制变量来控制被控对象，因此称为PID控制器。在模拟量控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统的原理框图如下图所示。该系统由PID控制器和被控对象组成。图 4.1 PID 控制系统示意图PID控制器为线性控制器，根

50、据给定值r(t)和实际输出值c(t)形成控制偏差： (4.1)线性偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合形成控制变量来控制被控对象，因此称为PID控制器。其控制规律为：(4.2)或者写成传递函数形式： (4.3)在：- 比例系数；- 积分时间常数；- 微分时间常数。简单来说，PID控制的各个校正环节的作用如下：比例链接立即按比例反映控制系统的偏差信号 E(t)。一旦出现偏差，控制器将立即采取控制措施以减少偏差。积分链接主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间常数越大，积分作用越弱，反之亦然。 差分链接可以反映偏差信号的变化趋势（变化率），可以在偏

51、差信号值变得过大之前，将有效的提前微调信号引入系统，从而加快系统的动作速度，减少调整时间。4.2 位置PID根据模拟PID控制算法，连续时间t用一系列采样时间点kT表示，积分用矩形法数值积分逼近代替，微分用一阶反向差分逼近代替，即： (4.4)离散PID可以得到： (4.5)其中。是采样周期，是采样序列号，是分别在第 (k-1) 次和第 k 次获得的偏差信号。图为位置PID控制系统。PIDPID控制算法PWM执行机构被控对象r(k)+-y(k)图 4.2 位置 PID 控制系统4.3增量PID控制算法当执行器需要增加控制量时（如驱动步进电机），应采用增量PID控制。根据递归原理，我们可以得到

52、(4.6)F：(4.7)在5 系统调试与实验结果分析5.1 系统调试步骤1、逆变器硬件检查：将24V电源接到逆变器控制电源端，上电后5V指示灯亮，万用表检查5V和15V控制电源电压是否正常，否则，检查电源极性是否错误。2、控制板硬件检查：断电，用34芯排线将控制板和逆变板的相应引脚一一连接。接通电源后，控制板的5V和3.3V指示灯亮，万用表检查3.3V电源电压。3、MCU初步测试：编写一段LED闪烁代码并下载，初步检查MCU是否正常。4、TIM8定时器（PWM输出定时器）编程调试：设置TIM8CCRx小于载波周期。用示波器检查逆变板的6路PWM输入信号：如光耦输入/输出，IR21368的PIN

53、2PIN7。注意：MCU 6 PWM 输出引脚应设置为推挽模式；载波频率20 KHz。5、烧录和调试查表定时器（选择除TIM8/2/1以外的任意一个）：设置定时查表频率为某个值（如50Hz），根据中断中的查表值设置TIM8CCRx服务程序。用示波器检查逆变板6路PWM信号，观察到三相相差120、频率为50Hz的PWM波。6、系统调试：设置电机的启动转速（较低，如50rpm），并据此计算占空比和查表频率，使能IR21368，将逆变电源接入24V电源。接通电源后，电机应运转平稳，同时注意观察是否有异常。如有异常应立即切断电源，并检查相应的软硬件。7、电机闭环运行：速度给定经速度和电流两段式PID调

54、节器处理后，以占空比的形式输出。上电运行，根据速度反馈、电流等信号的变化，调整PID参数，直至满足技术指标要求。5.2 系统调试及解决方案由于缺乏专业知识综合知识等原因，在系统调试中存在一些问题。系统调试中遇到的主要问题及其解决方法有：由于专业基础知识不够扎实，对霍尔传感器在确定转子位置和电机转速方面的应用了解不多。通过查阅图书馆资料和网上资料，我知道如何使用溢出中断和捕捉中断来确定转子位置和速度。在编程方面，由于之前没有对ARM嵌入式软件进行过系统的学习，使用EealView MDK软件比较困难。咨询了老师，去图书馆借了对应ARM嵌入式开发工具的书籍，调用MDK非常难。库文件和调试功能的使用

55、更加熟练。在调试TIM2定时器（PWM输出定时器）时，输出波形总是与理论波形不一致，经查阅资料，相互讨论解决。原因是设置定时器不够准确。通过反复调整PWM周期和PWM占空比，用示波器检查逆变板的6路PWM输入信号，最终得到理想的波形。调试波形：图 5.1 逆变板 6 路 PWM 输入信号波形图 5.2 逆变板三路 HALL 信号图6 总结与展望电动汽车系统集成了电机、电力电子、力学、材料、电化学、能源和控制等众多技术学科，以高可靠性、良好性能、合理成本为发展目标。由于科学技术的发展，特别是计算机技术、电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展，带动了电机本身及其相关科学的飞速发展，电机的模拟

56、控制电机已逐渐被数字控制所取代。为了实现直流电机的数字化控制，本课题主要做了以下几个方面：研究讨论永磁无刷直流电机的一些常见问题以及应用于电动汽车的一些特性问题。总结和总结。直流电机控制系统的硬件电路分析。本文主要分析无刷直流电机控制系统的主电路、三相H桥及驱动电路、转子位置信号检测电路、微处理器控制电路、STM32 AD转换控制器和高级定时器。使用32位ARM系列单片机完成无刷直流电机控制系统的设计。不足之处，需要进一步改进：软件编程控制直流无刷电机不完善由于之前没有接触过RealViewMDK开发工具，所以在编程过程中遇到了很多问题。由于时间紧迫，这些问题还没有深入研究，有待进一步研究。所

57、设计的系统与市场上的产品相比还有很大差距。还有很多附加功能需要添加。控制系统的精度和扭矩需要进一步修改和调试，还有很多地方需要改进。参考1 中国经济报告研究组。中国轻型电动汽车发展战略研究项目报告R :国务院发展研究中心, 2006电动汽车发展趋势 J科学汉语。 2006 , 3(1): 44-473陈朱.直流无刷电机原理与应用（第二版）M机械工业。 2004 年。4叶金虎.现代无刷直流永磁电机原理与设计M.科学 。 2007 年。5唐仁远.永磁电机理论与设计M机械工业。 1997 年。6建中，白凤先主编。特种电机及其控制M中国水利水电. 2005 年。7 中国经济报告研究组。中国轻型电动汽车

58、发展战略研究项目报告R.：国务院发展研究中心，2006。8 丰春电动汽车发展现状与趋势J科学汉语。 2006 年，3(1)：44-47。9 向军. 无刷直流电机无传感器控制技术研究D.: 大学. 2001 年。10 魏坤永磁无刷直流电机电磁转矩脉动抑制技术研究：大学。 2005 年。11徐振林，姜伟，王秀智，等.无刷直流伺服电机换向转矩脉动分析与消除J.电力传输。 1994, 16(5): 36-41。12 AMTrzynadlowski。电动汽车驱动控制新PWM技术J.变流器技术和电力牵引。 2005（1）：25-31。13 谭辉应用于两轮电动汽车的永磁无刷直流电机研究D.：大学。 2000

59、 年。14 唐云淼，施耐着。电气工程M.：机械工业。 2001 年。15 永东，王健。 PWM整流器的现状与展望C.中国电工学会电力电子学会第十届年会论文集。 2006 年。16 程伟，徐国庆，王晓东电动汽车用永磁无刷电机再生制动技术研究J.电力传输。 2005, 35(11): 15-23。17 权石先进电动汽车技术M.：化学工业。 2007 年。18 李勇电动汽车用永磁无刷直流电机控制技术研究D.：大学。 2004 年。至这个毕业设计是在我的导师王华斌老师的悉心指导、关心和鼓励下完成的。首先，本次设计的题目难度适中，非常适合作为本科生的科目。其次，本文设计的内容需要更多的知识，适合将本科生

60、所学的专业知识应用到实践中。再次，王老师丰富的设计经验和工程经验帮助我解决了设计中遇到的一些非常棘手的问题。另外，本系统设计选用的单片机是32位ARM v7架构芯片，是ARM公司推出的全新核心架构。同时，王老师在设计中提供了正确的方向和一些有价值的信息。在此，谨向我的导师王华斌先生致以最诚挚的祝福！同时在设计中感谢其他老师和同学的指导和帮助，让我完成毕业设计任务。许开峰2011年6月科学技术学院附录1：主程序：/* * *LED1：PG6指示BLDC运行状态： 1.亮：运行中；2. 关：停止。LED2：PG7指示： 闪烁：表示在一个捕获周期内没有捕获霍尔信号，可以认为BLDC没有旋转，熄灭：表