1、摘要在當前全球汽車工業面臨金融危機和能源環境問題的巨大挑戰的情況 下，發展電動汽車，利用無污染的綠色能源，實現汽車能源動力系統的電 氣化，推動傳統汽車產業的戰略轉型，在國際上已經形成了廣泛共識。本課題以電動汽車他勵電機控制器為例， 以實現電動汽車的加、 減速， 起、制動等基本功能以及一些特殊情況下的處理。以開發出高可靠性、高 性能指標、低成本并且具有自主知識產權的電動汽車電機驅動控制系統為 目的。 主要包括硬件電路板的設計， 以及驅動系統的軟件部分的仿真調試。在驅動系統硬件設計中，這里主控制芯片采用 ATMEL 公司的 ATmega64 芯片。 功率模塊采用多 MOSFET 并聯的方式， 有效

2、的節約了成 本。電源模塊采用基于 UC3842 的開關電源電路。選用 IR 公司的 IR2110 作為驅動芯片，高端輸出驅動電流可到1 9A ，低端輸出驅動電流可到2.3A ,能夠提供7個MoSFET并聯時驅動電流。對于電流檢測模塊，本文 沒有采用電流傳感器或者是康銅絲,而是采用了一種基于 MOSFET 管壓降的電流檢測電路，這種方式即節約了成本也保證了檢測精度。驅動系統的軟件設計中，主要實現的功能為：開關量的檢測處理，故 障檢測，串口通訊，勵磁、電樞控制，報警功能等。針對他勵電機電動汽 車的控制特性，提出了節能控制算法和最大轉矩控制算法，用于提高電動 汽車的續航里程和加速性能。他勵直流電動機

3、驅動系統能夠很好的運行在電動汽車上，性能可靠、 結構簡 單，并且節約了成本，使電動汽車的性價比大大提高，有利于電動汽車的 普及。關鍵詞：電動汽車， ATmega64 ，他勵直流電機， PID 模糊控制目錄摘要 1第一章 緒論1.1純電動汽車在國內的發展狀況 31.2國外電動汽車發展現狀 31.3本課題的任務和主要工作 4第二章 他勵電動機的控制理論基礎2 . 1他勵直流電動機的調速與制動 52 . 1 .1直流電動機電樞電動勢和電磁轉矩 52 . 1 . 2他勵直流電動機的機械特性 6第三章系統的硬件設計3.1系統硬件的整體設計方案 1032主控制器 MCU 的介紹 103 2 1 MCU 的

4、選擇 10322 ATmega64 的特性與內部結構 113 3開關電源模塊 123.4電流檢測模塊 133.5驅動電路的設計 163 6電壓檢測電路 173.7溫度檢測電路 183.8加減速踏板信號檢測電路 1939 開關量輸入信號 20310 蜂鳴器報警電路 20311 通訊模塊電路設計 213 . 12硬件抗干擾的設計 22313 本章小結 23第四章系統的軟件設計4.1 電 動 汽 車 的 控 制 策 略 研究 244 11 再 生 制 動 控略 244 1 2驅動控制策略 244 2 主 要 任 務 模 塊 的 詳計 26421主序 264 2.2 勵磁、電樞 PWM 控制模塊 27

5、284 2 3 電動機速度測量43本章小結 29第五章總結 3031第一章 緒論1.1 純電動汽車在國內的發展狀況與世界其他國家一樣，電動汽車研發工作在我國也正在如火如荼的進 行著：“十五”期間，國家從維護我國能源安全、改善大氣環境、提高汽 車工業競爭力、 實現我國汽車工業的跨越式發展的戰略高度考慮， 設立“電 動汽車重大科技專項''，通過組織企業、高等院校和科研機構，集中國家、地方、企業、高校、科研院所等方面的力量進行聯合攻關。為此，從2001 年10 月起，國家共計撥款 88 億元作為這一重大科技專項的經費1】。我國電動汽車重大科技專項實施4年來，經過200 多家企業、 高

6、校和科研院所的 2 000 多名技術骨干的努力，目前已取得重要進展：燃料電池汽 車已經成功開發出性能樣車，燃料電池轎車累計運行 4000km ，燃料電池 客車累計運行 8000km ：混合動力客車已在武漢等地公交線路上試驗運行 超過 140000km ：純電動轎車和純電動客車均已通過國家有關認證試驗。國內主要汽車制造商對純電動汽車的開發和研制也投入了相當的人力 和物力，并取得了一定的成果。北京奧運會期間，奇瑞、長安、東風、一 汽、京華及福田等汽車生產企業聯合清華大學、北京理工大學等單位，向 社會提供了自主研發的 55 輛純電動鋰電池汽車、 25 輛混合動力客車、 75 輛混合動力轎車、 20

7、輛燃料電池轎車，以及 400 輛純電動場地車等各種新 能源汽車為奧運會服務。奧運會后，科技部還將計劃連續 3 年在國內 10 個 以上有條件的大中城市開展千輛級混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池 汽車、以及提供基礎設施的大規模示范， 到 2010 年底節能與新能源汽車達 到1 萬輛。最近，比亞迪公司新推出一款商業化的電動汽車比亞迪e6 ，為我國電動汽車產業做出了重大貢獻。1.2 國外電動汽車發展現狀近二十多年來，西方工業發達國家把電動汽車的研究開發看是作解決 環境問題和能源問題的一種有效手段。美國政府動員全美所有科研機構進 行電動汽車 （Electric vehicle ，簡稱 EV） 的研究

8、，在 1991 年，美國通用汽 車公司、福特汽車公司、克萊斯勒汽車公司共同協議，成立了“先進電池 聯合體” （USABC） ，共同研發新一代電動汽車所需要的高性能電池。為實 現新的節能車而能保持現有汽車的價格和性能，美國先后推出了 PNGV 、 Freedom CAR 、AVP 計劃。法國政府推出“ PREDlT m-2002/2006"計劃，并給購買EV的用戶提供5000法郎的補貼。德國政府同 9個主要公司簽訂了一份理解備忘錄，為創建一個清潔能 源城市 （柏林 ）而結成同盟。英國、意大利等歐洲國家都在開展電動汽車的 研發工作。 而日本政府更是特別重視電動汽車的研究和開發。 1998

9、 年日本 東京電力公司聯合日本電池公司，共同開發了“ ZA一牌電動汽車，該電動 汽車采用了高新技術，使其具有當時EV的世界最高水平。而豐田汽車公司 在1996 年就已成功地研制出燃料電池汽車的生產樣車， 并先于其他汽車廠 家在 1997 年開始批量生產混合動力電池汽車， 成為環保技術領域和世界電 動汽車產業化的領頭羊。以上各國政府在大力扶持大型汽車集團的同時， 紛紛通過制定環保和節能法規，采取投資、稅收優惠、政府補貼促進消費 的政策，旨在搶占電動汽車產業制高點。代表著當代EV先進水平的福特汽車公司的 Think 、通用汽車公司的 lmpact 、豐田汽車公司的 Ecorn 、 Prius 電動

10、汽車、本田公司的 Civic 電動汽車正是這種競爭的產物。1.3 本課題的任務和主要工作本文在廣泛查閱相關文獻的基礎上，設計基于 ATmega64 的他勵電機 電動汽車控制系統。本文的主要工作歸納為以下幾點： 1介紹了他勵電動機的控制理論基礎與調速系統的仿真，為后章系統硬 件與軟件的設計做好了準備。2. 討論系統的硬件設計。詳細討論了開關電源模塊電路、電流檢測電路、 串口通信電路、驅動電路、及抗干擾電路的設計。3. 討論系統的軟件設計。 設計系統的程序整體框架、 各任務模塊程序、 中 斷服務程序和抗干擾程序。4. 進行系統調試與實驗。 系統設計完成后進行硬件調試和軟件調試， 搭建 實驗平臺，記

11、錄實驗數據及圖表，進行實驗分析。第二章 他勵電動機的控制理論基礎2 1他勵直流電動機的調速與制動 為了滿足各種生產機械對負載轉矩特性的要求，在實際應用中需通過 設法改變電動機的各種控制參數來達到所需的人為機械特性。由于他勵直 流電動機的可控參數多，易實現所需要的人為機械特性，所以在直流調速 中較多地采用他勵直流電動機，電動汽車中一般也是選用他勵直流電動機 作為直流驅動電動機。因此，需要給出直流電動機電樞電動勢和電磁轉矩 的兩個數學公式，從而導出他勵直流電動機的機械特性數學方程式，即電 動機的電磁轉矩和轉速之間的函數關系式 n=f(t) ，然后才能說明如何改變 方程式中的相關參數來獲得所需人為機

12、械特性。2 1 1 直流電動機電樞電動勢和電磁轉矩 1)電樞電動勢。電樞電動勢是指直流電動機正常工作時，電樞繞組切 割氣隙磁通所產生的電動勢。無論是發電機還是電動機，只要電樞旋轉切 割磁通就有電樞電動勢。根據前述直流電動機的結構原理可導出直流電動 機電樞電動勢 Ea 為：( 2.1 )式(2 . 1)中P電動機極對數；N電樞繞組總的導體數；a 電樞繞組的支路對數；電動機每極磁通(Wb);n 電動機轉速 (r min) ；C (e)電動勢常數。2) 電磁轉矩。電磁轉矩是指直流電動機的電樞繞組流過電流時，這些載流 導體在磁場中所受力而形成的總轉矩。同樣按直流電動機的結構原理可推 得直流電動機的電磁

13、轉矩 T為：( 2.2 )式(2 . 2)中I ( a)電樞電流(A);C (t)轉矩常數。電動勢常數C(e)和轉矩常數C(t)都是決定于電動機結構的數據，對于一臺 已制的電動機C(e)和C(T)都是恒定不變的常數，并且從式(2 . 1)和式(2 . 2)可知兩者之間的關系為：2 1 2 他勵直流電動機的機械特性 得出他勵直流電動機的機械特性數學方程式：(2.3)式(2.3 )中 R (a) 電樞繞組內電阻；R (C) 電樞外串聯電阻；n(0) 理想空載轉速； 機械特性斜率其中，2. 1. 3他勵直流電動機的調速 通過對他勵直流電動機的機械特性數學方程式 (2. 3)的分析，可知改 變其中U、

14、0、R (C)三個參數即可改變其轉速 n。因此相應的調速方法也 要降壓、弱磁、串電阻三種：降壓調速是改變電源電壓U來獲得恒轉矩調速；弱磁調速是通過改變勵磁電流1(f),從而改變電動機磁通量來獲得恒功率調速；串電阻調速是通過逐級改變電樞回路中所串電阻R(C)來進行調速，它使機械特性變軟，并增加了功耗，所以目前很少采用，主要用在大 電動機的起動過程， 即通過逐級減小電樞回路中所串電阻來減小起動電流。 而前兩種調速方法目前用得較多，并也是電動 汽車中需配合采用的方法，現分別具體介紹如下：(1) 降低電源電壓的恒轉矩調速 保持他勵直流電動機的磁通為額定值，電樞回路不串電阻，若將電源電壓分別降低為U1、

15、U2、U3等不同數值時，則可獲得與固有機械特性平 行的人為機械特性，如圖 2. 1所示。圖中所示的負載為恒轉矩負載，在電 源電壓為額定值U(e)時，其工作點為e,電動機為額定轉速n(e);當電壓降低到U1時，工作點為A ,轉速為n(a);電壓為U2時，工作點為B ,轉速為 n(b)等。即轉速隨電源電壓降低，調速方向是從基數(額定轉速N(e)向下調 節，并且電源電壓為不同值時，其機械特性的斜率都與固有機械特性斜率 相等，即特性較硬。通常電源電壓不超過額定值，即采用連續降低電源電 壓來實現恒轉矩無級調速，以獲得如圖2. 3所示的從基速到零速段的調速控制。uc>ul>u2>u.QT

16、L = Ttffl2.I降低電源電壓的恒轉距調速(2) 減弱磁通的恒功率調速由于通常電動機額定運行時均已在磁通近飽和狀態，故一般只能采用減弱 磁通量的方法來調速。保持他勵直流電動機電源為額定值，電樞回路不串 聯電阻，通過減小電動機的勵磁電流1(f),即減弱電動機磁通時，其機械特性方程式為：(2.4)從式(2 . 4)中可看出n(0)隨的減弱成反比例增加，而n隨的二次方成反比地增加，若將近飽和額定磁通(e)的比例定為I,減弱后其比例也就小于I ,平方后其比例是減小，因此n(0)比厶n增加得快，即減弱磁通后電動機的轉速n將升高，調速方向是從基速(額定轉速n(e)向上調節。弱磁調速的機械特性如圖2.

17、2所示。設電動機拖動恒轉矩負載互運行于固有機械特性e點上，轉速為n(e)。當磁通從 (e)降到(1)時，轉速n未能及 時變化，而電樞電動勢 E(a)= c(e)n(e),則因下降而減小，使電樞電流I(a)=(U-E(a) / R(a)增大。由于R(a)較小，E(a)稍有減小就能使l(a)增加很 多，此時雖然減小了，但它減小的幅度小于l(a)增加的幅度，所以電磁轉矩 T=c(t)l(a)還是增大了。增大后的電磁轉矩即為圖4-9中的T',工作點由e點過渡到 = 1的人為機械特性曲線上的C點。由于T>T(L),轉速n上升，E(a)隨之增大，l(a)及T也跟著下降，當T下降到T=T(L)

18、時，又建立新 的轉矩平衡，電動機轉速升至n(a)穩定運行于A點。I- -I I I圖2.2弱磁調速的機械特性在弱磁調速中，電樞電壓 U為額定電壓U(e),若保持電樞電流1(a)為額定電 流I(e)不變時，則輸出轉矩T=C(T) l(e),代人式(2 . 3)即可得變化磁通與 轉速n的關系式：(2.5)式 ( 2.5 )中 C1 常數 1 ;于是電磁轉矩可表示為，(2.6 )式(2.6 )中 C2 常數，C2=C1C(T)I(e)。帶入電動機輸出的功率公式有- T-60l O32n C260l0rn二常數該式說明了弱磁調速時電動機允許輸出功率為常數，與轉速無關；允 許輸出轉矩與轉速成反比變化，即

19、屬恒功率調速方式。由于勵磁電流一般較小，因此弱磁調速控制較方便、功耗也小，通過 連續調節勵磁電源的電壓，即可實現無級的弱磁恒功率調速，以獲得如圖 2.3所示的低速恒轉矩、高速恒功率的調速特性。他勵直流電動機弱磁升 速能達到的最高轉速，受電動機換向條件和機械強度的限制，一般他勵直 流電動機的最高轉速只能升到額定轉速n(e)的1. 22倍，對于特制的調速電動機才可升到ne的34倍。在此需特別注意的是勵磁電流1(f),在運行中絕對不能為0,否則趨近于0, n趨近于無窮即將產生飛車，因此必須采 取相應的互鎖保護措施。為滿足電動汽車行駛時能有較寬的速度要求，可 把降低電樞電壓和減弱磁通兩種調速方法合起來

20、實用，以獲得低速恒轉矩、高速恒功率的調速特性。【7-9】第三章系統的硬件設計本章主要介紹了他勵直流電機電動汽車控制器的硬件設計，其中包括 了控制器整體電路模塊的設計、電源模塊設計、驅動模塊設計、電流檢測 模塊設計和通信模塊設計等。下面做具體的介紹。3.1系統硬件的整體設計方案本電動汽車動力系統是基于他勵直流電機設計的，控制器的硬件設計 既要達到動力性能要求，也要達到便捷的操控性要求。根據第二章對他勵直流電機調速系統提出的性能要求結合電動汽車的操控性要求，設計了如 圖3 . 1所示的硬件系統。$電剋鷹握ft ft ¾IMDD ZD PWMDF R PWMlADCAtiTIega64fi

21、 口OI1ADC圖3系統硬件結構框團本控制系統包括對電樞和勵磁的分別PWM控制模塊，電源模塊，開關量處理模塊，和模擬量處理模塊，硬件性能滿足設計要求，可在此硬件系 統上對MCU進行軟件設計，從而達到最終的控制要求。3 . 2主控制器MCU的介紹3 . 2 . 1 MCU的選擇MCU是整個系統的控制核心，實現對數據的處理、存儲和通訊等功能。 選擇一款合適的控制器對整個系統起著至關重要的作用。對于明確應用對 象的系統，選擇功能過少的控制器，難于完成控制任務，外圍器件的擴展 也會使系統的硬件結構笨重復雜從而使精確度降低。選擇功能過強的控制 器，則會造成資源浪費，使產品的性能價格比下降。目前，市面上的

22、控制 器不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同。考慮到單片機結構簡單容 易上手且系統對速度要求不高，因此本系統選用一款高性價比的單片機充 當MCU。在實際應用中，選擇單片機時應考慮以下幾點：【5】(1)單片機的基本性能參數，例如指令執行速度，程序存儲器容量，中 斷能力及可用 IO 口引腳數量等。(2)單片機的增強功能，例如看門狗， AD 功能，雙串口， RTC( 實時 時鐘 )，EEPROM ， CAN 接口等。(3)單片機的存儲介質， 對于程序存儲器來說， Flash 存儲器和 OTP( 一 次性可編程 )存儲器相比較，最好是選擇 Flash 存儲器。(4) 芯片的封裝形式，如 DIP 封裝

23、， PLCC 封裝及表面貼附封裝等。(5) 芯片工作溫度范圍符合工業級、軍品級還是商業級，如果設計戶外 產品，必須選用工業級芯片。(6) 單片機的工作電壓是否在常用范圍內。(7) 單片機的抗干擾性能。(8) 編程器以及仿真器的價格， 單片機開發是否支持高級語言以及編程 環境要好用易學。(9) 供貨渠道是否暢通， 價格是否低廉， 是否具有良好的技術服務支持。 根據上面所述的原則，結合本系統實際情況，儀表選用 ATMEL 公司 生產的 ATmega64 單片機作為主控模塊的核心芯片 322 ATmega64 的特性與內部結構ATmega64是ATMEL公司生產的高性能、低功耗的 8位AVR高檔微

24、處理器，采用 RISC 結構，具備 IMIPS MHz( 百萬條指令每秒兆赫茲 )的 高速處理能力，有效緩減了系統在功耗和處理速度之間的矛盾。它可以廣 泛應用于計算機外部設備、工業實時控制、儀器儀表、通訊設備、家用電 器等各個領域。其主要特點和優點如下：【 6】(1) 自帶廉價的程序存儲器 (FLASH) 和非易失的數據存儲器 (EEPROM) 。這些存儲器可可擦寫 1000 次以上，新工藝 AVR 器件，程序 存儲器擦寫可達 1 萬次以上，基本不再會有報廢品產生。這樣使程序開發 更加方便，工作更可靠。(2) 高速度， 低功耗。 在和 M51 單片機外接相同晶振條件下， AVR 單片 機的工作

25、速度是 M51 單片機的 30- 一40 倍；并且增加了休眠功能及低功率、非揮發的CMoS工藝，一般耗電在12 . 5mA ,典型功耗情況， WDT 關閉時為 100hA ，其功耗遠低于 M51 單片機， 更適用于電池供電的應用設 備。(3) 工業級產品。具有大電流輸出可直接驅動SSR和繼電器，內有看門狗定時器，防止程序跑飛，從而提高了產品的抗干擾能力。工作電壓范圍寬(2 . 7"-6 . OV),電源抗干擾性強。I/ O口功能強、驅動能力大。AVR的I/O口是真正的I/O口，能正確反映I/O口輸入/輸出的真實情況。I /O 口有輸入/輸出，三態高阻輸入，也可設定內部拉高電阻作輸入端

26、的 功能，便于作各種應用特性所需 (多功能I /O 口 )。（4）程序下載方便。 AVR 程序寫入可以并行寫入 （用萬用編程器 ），也可 用串行ISP（通過PC機RS232H或打印E1）在線編程擦寫。也就是說不需要 將IC芯片拆下拿到萬用編程器上擦寫，可直接在電路板上進行程序修改、 燒錄等操作，方便產品升級。（5）具有模擬比較器、脈寬調制器、模數轉換功能。 AVR 內帶模擬比較 器，I/O口可作A/D轉換用，可組成廉價的 A/D轉換器。使得工業控制 中的模擬信號處理更為簡單方便。（6）強大的通訊功能。內置了同步串行接 HSH 、通用串行接 HUART 、 兩線串行總線接 HTWI（12C） ，

27、使網絡控制、數據傳送更為方便。（7）超級保密功能，應用程序可采用多重保護鎖功能。不可破解的位加密鎖 Lock bit 技術， Flash 保密位單元深藏于芯片內部，無法用電子顯微 鏡看到保密位，可多次燒寫的 Flash 且具有多重密碼保護鎖死 （LOCK） 功 能，因此可快速完成產品商品化，并可多次更改程序（產品升級 ）而不必浪費IC芯片或電路板，大大提高產品質量及競爭力。由上述內容可知， ATmega64 的處理速度快且功耗低，內部自帶的 EPROM 能夠滿足車輛運行曲線參數的存儲， FOE 的推挽設計使抗干擾能 力更加增強， 在線仿真功能使得程序開發更加簡單，兩 USARTD 滿足系統 的

28、需要 （232 和485） ，內部各種增強功能的設計使得控制器外設更加簡單。 因此，本系統選用 ATmega64 作為主控制芯片。3 3 開關電源模塊、 近年來，隨著電源技術的飛速發展，開關穩壓電源朝著高頻化，集成 化的方向發展，開關電源已經得到廣泛的應用。高頻開關穩壓電源與線性 電源相比，具有如下優點 1）效率高； 2）體積小、重量輕； 3）穩壓范圍廣； 4）性能靈活、驅動能力強； 5）可靠性高，當開關損壞時，也不會有危及負 載的高低壓出現。而傳統的開關電源普遍采用電壓型 PWM 技術。電流型PWM是近年興起的新技術， 與電壓型PWM相比，電流型PWM開關電源具 有更好的電壓和負載調整率，系

29、統的穩定性和動態特性得以明顯改善，特 別是其內在的限流能力和并聯均流能力可以使控制電路簡單可靠。目前， 小功率開關電源正從電壓控制模式向電流控制模式方向轉化。UC3842 是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變 換器應用而設計，為設計人員提供只需要最少外部元件就能獲得成本效益 高的解決方案。此集成電路具有可微調的振蕩器、能進行精確的占空比控 制、溫度補償的參考、高增益誤差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰 柱式輸出， 是驅動功率 MOSFET 的理想器件。 本文以 UC3842 為核心控制 部件，設計了 DC60 V 輸入、 DCl2V 輸出的單端反激式開關穩壓電源。開 關電源控

30、制電路是一個電壓、電流雙閉環PI控制系統。主要的功能模塊包括：啟動電路、反饋電路、保護電路、整流電路。系統電源電路原理圖如圖 3. 3所示。圖3.3開關電源電路圖在電路設計中，利用 UC3842控制芯片內部的誤差放大器、由R1、R2構成的電壓反饋電路，和 R3、C1共同構成電壓閉環PI調節器，禾U用芯 片內部的比較器與由 R5電流檢測和R4、C2濾波電路構成的電流反饋電路 構成電流閉環。外接的定時電阻R (T)和定時電容C (T),決定系統的工作頻率，f=1 . 8 / R (T) C ( T)。系統中取 R (T)為7 . 5K ,取C, 為O . Oluf。系統的工作頻率f=24KHz。采

31、用LM7905變換芯片產生-5V 電源，給運放工作提供負電源。3. 4電流檢測模塊在功率變換器中，經常要對流過主功率開關器件的電流進行檢測，其 目的主要有兩個：1)對功率變換器進行過流保護；2)作為功率變換器控制器的電流反饋檢測量。通常的做法是在功率變換器的直流母線上安裝電流 霍爾或電流互感器以提供電流反饋檢測量。由于流過主開關器件的電流通 常都較大，所采用的霍爾器件或電流互感器的額定參數也必須很大，不僅 成本高、體積大、安裝不方便，且不便于實現功率變換器的高功率密度。 文中介紹一種用半導體器件構成的電流檢測電路，可以直接布置在功率變 換器的控制器的印制板上，不僅成本低廉，體積小，安裝方便，而

32、且性能 良好，還可以同功率變換器固化在一起形成專用集成電路(ASIC) o3 . 4 . 1 MoSFET 電流檢測原理MOSFET 的通態電阻具有正的溫度系數，約為 04 一 08，有利 于采用多 MOSFET 管并聯。多只元件并聯工作時， MOSFET 間可以自動 均流。當 MOSFET 功率開關流過通態電流時，由于通態導通電阻的存在， 在其導通溝道上有一定的壓降，又因器件的導通溝道電阻基本穩定，該壓 降與器件的通態電流成正比。所以，檢測出主開關器件的通態壓降也就是 檢測流過器件的電流大小。即：（3.1 ） 式（3.1 ）中，V （ DSN ） OS開關的漏源通態壓降；R（ D ）溝道等效

33、電阻； Id 漏極電流。 342他勵直流電機電流檢測方法 他勵直流電機控制器要采集的電流信號是電樞電流信號和勵磁電流信號， 電樞電流只有一相，勵磁電流要采集的信號有兩相，如圖3 1硬件結構框圖所示，電樞電流采集流過下橋 MOSFET 的電流，勵磁采集流過 H 橋下橋 MOSFET 的電流。因為原理都是一樣的，故只分析采集電樞電流的電路。 由于電機所需功率比較大，所以每一項都是多個 MOSFET 管并聯【 251 。 他勵電機電樞電流檢測電路如圖3 4所示。VCC圏3.4他勵電機電樞電流檢測電路電路工作原理：VloW驅動下橋MoSFET管，當VIoW為低電平時，D2 右端也被鉗位為低電平，U1的

34、正向輸入端即為低電平，U1的負向輸入端為固定電平，此時U1輸出為低電平，U2輸出也為低電平，經過 U3 ,正反 輸入端都為0 ,所以U3輸出為0。 MCU電流采樣點V04為0。當VIoW為高電平時，D2右端電壓為高電平，此時 U1輸出為高阻態， Vol的電壓為MOSFET電流在內阻上的壓降加上 D1的管壓降，因為加上了 D1的管壓降，所以檢測的電流不準，故我們采用了U2來去除管壓降，此時U2輸出為高阻態，V02的電壓為二極管管壓降。V03=K*(V01. V02) ; K=(R9 / R8)為電壓放大倍數；V03經過C1和R10組成的濾波電路可得電壓 V04 ,此時V04的電壓即 能準確Ql上

35、的管壓降，將V04的電壓送入MCU進行處理。開關管管壓降和電流檢測電路相關點的波形分析如圖3 . 5所示。II圖35電流檢測電路相關點對應的波形T1和T3是導通時刻，T2是MoSFET關斷時刻，Vl是導通時D3的管壓 降，V2是運放的零飄電壓。3. 5驅動電路的設計驅動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是實現主電路中的電力電子器件按照預定設想運行的重要環節。采用性能良好的驅動電路，可以使電力電子器件工作在較為理想的開關狀態，縮短開關時間，減小開 關損耗。此外，對器件或整個裝置的一些保護措施也往往設在驅動電路中， 或通過驅動電路實現，因此驅動電路對裝置的運行效率、可靠性和安全性 都有重要

36、的影響。功率MOSFET為電壓型驅動功率器件，常見的MOSFET 柵極集成驅動器為IR公司生產的IR21XX系列高壓浮動MOS柵極驅動集 成電路，該集成電路將驅動一個高壓側和一個低壓側MOSFET所需的絕大部分功能集成在一個封裝內，它們依據自舉原理工作，驅動高壓側和低壓 側兩個元件時，不需要獨立的驅動電源，因而使電路得到簡化，而且開關 速度快，可以得到理想的驅動波形。在設計功率主電路的驅動電路中，要 綜合考慮減小開關損耗、驅動的一致性、抑制感生電壓等問題，因此驅動 電路對系統的可靠性有重要的影響。在系統設計中，選用IR2110作為驅動芯片。圖3. 6為單橋臂的驅動電路的原理圖。VCC+5vGN

37、DHOlLOIlIR211O VB !VUUg-NVO .-HIKIVrr INPbHM -SDWlVILO +12VITGNDR2RIJrTVS0+圖3+6單橋腎的驅動電路的原理圖在MoSFET柵極串聯一個限流電阻 Rl ,降低MoSFET的開關速度， 減小電壓電流的變化率，降低 EMI ,且對動態均流有顯著的作用，但增大 了 MOSFET的開關損耗，經過反復實驗，取 R1的電阻值為15 ;電阻R2 是防靜電電阻，以免由于靜電燒損功率管；采用 15V的TVS防止驅動電壓 過高，損壞功率管。3. 6電壓檢測電路在驅動控制系統中使用的功率器件是IRFB4310 ,其耐壓值為100V ,當電壓過高

38、時，功率器件會因過壓而損壞，所以電壓信號的檢測是很重要的一 個信號量。電壓檢測電路如圖 3. 7所示。我們需要測量蓄電池電壓值，在 信號的采樣點的選擇上，我可以選擇鑰匙開關的接口點KEY作為蓄電池電壓的采樣點，為了配合系統的故障檢測功能的實現，選擇B+點作為蓄電池電壓采樣點。在驅動系統上電后，系統先通過二極管和PTC功率熱敏電阻給功率電路中的濾波電容充電，延時IS后，通過檢測B+點的電壓，電壓過低，可以判斷功率電路出現故障，發出故障報警信號；電壓過高，發出報 警信號。如果系統正常，吸合主接觸器，系統進入運行狀態，但也存在主 接觸器不能可靠吸合在運行的過程中斷開的故障情況，此時B+點的電壓將下降

39、，系統應及時停止運行。當功率電路出現故障時，充電電路的電流較 大，PTC功率電阻溫度升高，其阻值升高，起到抑制充電電流，保護電路 板的功能。OK20+5VDIA/*圖VZ電壓檢測電略3. 7溫度檢測電路在驅動控制系統的功率電路中利用MoSFET的關斷與導通來控制電機的轉速。MOSFET的損耗都轉換成熱量，并變成溫升，但MOSFET溫度過高時，驅動控制系統的穩定性和可靠性將會下降，甚至造成功率器件 損壞。因此控制器設計時，考慮功率器件溫升情況，通過采集功率結構散 熱器的溫度信號，間接檢測功率器件工作的環境溫度，當功率器件的工作 環境溫度大于60 C時，驅動系統將發出警報聲音，提醒用戶；當功率器件

40、 的工作環境溫度大于70 C時，驅動系統將強制停止運行， 并發出報警聲音， 等待功率器件的工作環境溫度小于 60 C時，重新恢復正常工作狀態。在驅 動控制系統中電路設計中，溫度信號的檢測采用玻封的NTC熱敏電阻裝在散熱器上作為溫度傳感器，NTC熱敏電阻是負溫度系數熱敏電阻，當溫度升高時，其電阻值變小，通過查閱器件資料，可得到具體型號的NTC熱敏電阻在不同環境溫度下所對應的阻值。通過電阻分壓，將溫度信號轉換成 電壓信號，輸入微處理器的 A/D口。溫度檢測電路如圖3 . 8所示。+5V圖3$溫度檢測電路3. 8加減速踏板信號檢測電路電動機的運轉速度由加速踏板的加速器控制。在本驅動系統中，加速 器采

41、用線性霍爾測量駕駛員的速度給定信號，其輸出為O . 5V4 . 5V的電壓信號，該信號經過 RC濾波和電壓跟隨器后送人微處理器的A/D口。加速信號處理電路如圖3 . 9所示。在加減速踏板中，安裝了微動開關，配合加速器的使用，可以提高系 統的可靠性，微動開關閉合時，系統根據加速器的信號進入電動狀態運行， 微動開關斷開時，系統進入制動狀態，速度為零，轉入靜止準備狀態。3 . 9開關量輸入信號控制系統中使用的開關量輸入有：加速器內部的微動開關信號、檔位 信號及電機驅動使能開關信號。當外部的開關閉合時，相應的I/O口接收到4V的高電平信號；當外部的開關斷開時，相應的I/0 口接收到O的低電平信號。開關

42、輸入信號處理電路如圖3. 10所示。SWITCHK15I/O3J0開關輸入信號處理電路3 . 10蜂鳴器報警電路故障報警器件采用12V壓電式蜂鳴器。當系統運行時發生電池電壓在不允許的范圍內、散熱器溫度超限，系統接線故障，功率橋損壞等故障時蜂鳴器將根據故障的情況，發出不同的報警提示聲音。報警電路如圖3 .11 所示。蜂鳴器341蜂鳴器接電路圖3 . 11通訊模塊電路設計通訊模塊包括JTAG接口和USART接口。JTAG接口用于系統開發環境與所開發系統之間的通訊，主要用于處理器的熔絲位設定、程序下載、系統調試等。USARTo接口用于和上位機完通訊完成成現場數據采集和各 種控制任務，控制器提供了一種

43、通信接口即RS232。在設計時，ATmega64的USART0121用于負責本RS232接口通信，電平轉換芯片采用MAX232 ,具體接口電路設計如圖 3 . 12 . -3 . 13所示。JTAG接口同過仿真器與 PC連接，JTAG接口圖如圖3 . 12所示：+5V圖3J2 JTAG接口電路圖圖3.13RS232接口電路3 .12硬件抗干擾的設計合格的硬件系統設計包括兩個方面：系統功能的實現與良好的抗干擾能力。干擾不僅會使電子元器件性能降級或失效，使處理器工作失常；同時 還可能使輸入輸出及控制信號發生偏移或嚴重失真，導致計量誤差。系統 的干擾信號主要來自以下幾個方面：1)元器件布局不合理造成

44、的干擾；2) 數字地和模擬地的相互影響； 3) 寄生耦合； 4)電磁干擾； 5) 靜電干擾等。 這些干擾使 MCU 的檢測值嚴重失真，直接影響系統整體系能。3 13 本章小結 本章根據系統提出的要求，提出了硬件電路總體設計方案，并詳細描 述了各硬件模塊的電路實現。對影響系統的干擾進行了分析，給出了具體 的抗干擾措施。設計的電路具有簡單可靠成本低等特點。第四章系統的軟件設計4.1 電動汽車的控制策略研究控制器是分工況對純電動汽車進行實時控制的。純電動汽車的行駛工 況分為以下五種：1啟動。2勻速行駛。3加速行駛。4減速行駛。5制動。對不同的行駛工況采用不同的控制策略，這樣不僅能改善純電動汽車 的響

45、應方式，而且能優化控制效果。4 1 1再生制動控制策略1 長下坡時的再生制動控制策略純電動汽車行駛在下坡路況，當坡度角大于某一數值時，電樞電流小 于零，電機從電動運行狀態過渡到再生制動狀態，向蓄電池充電，再生制 動所產生能量經功率變換器存儲到純電動汽車動力蓄電池中。坡度越大， 回饋的能量越多。當坡度過大時，回饋電流將大于動力蓄電池最大允許充 電電流，這種情況下必須對充電電流進行限制，此時采用再生制動和機械 制動相結合的制動方式來保證動力蓄電池的安全充電及行車安全。2 中輕度剎車時的再生制動策略中輕度剎車是車輛行駛過程中最常見的一種剎車。中輕度剎車時，若 所需制動力小于動力蓄電池允許最大充電電流

46、等效的制動力，機械能直接 通過 PWM 變換器給蓄電池充電； 若所需制動力大于動力蓄電池允許最大充 電電流等效的制動力，則用最大允許充電電流向蓄電池充電，多余部分能 量由機械制動消耗。3 急剎車時的再生制動策略 當駕駛員在駕駛過程中遇到時緊急情況時會進行緊急剎車行為，此時 考慮到行車的安全性，應使用機械制動迅速停車。412驅動控制策略在現代控制系統設計中， PID 控制是應用最廣泛的控制策略。 PID 算法 不僅具有簡單而固定的形式，而且在很寬的工作范圍內都能保持較好的魯 棒性。然而常規 PID 控制器難以滿足高精度、快響應的控制要求，常常不 能有效克服負載、模型參數的大范圍變化以及非線性因素

47、的影響。模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種智能控制方法，它從行為上模擬人的模糊推理和決策過程。其最大的特點是將專家的經驗和知識表示為語言控制規則，并用這些控制規則去控制系統，這樣它可以不依賴于被控制對象的精確數學模型，能夠克服非線性因素的影響，對被控制對象的參數具有較強的魯棒性。純電動汽車在行駛過程中，環境的變化具有不可預知的特點，因此常 規的PID控制算法在控制系統中較難取得滿意的控制效果。所以，對速度 的控制策略采用將PID控制和模糊控制相結合的方法一模糊自適應整定 PID控制，即利用模糊控制規則在線對PID參數進行修改。【7】如圖4 . 3所示：PlDlil

48、B圏43 J PLDfi制器結構圖PID參數自整定的實現思想是先找出PID的三個參數與誤差e和誤差變化率eg之 間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測e和eg ,再根據模糊控制原理來對三個參數進行在線修改，以滿足不同e和ec時對控制器參數的不同要求，而使被控對象有良好的動、靜態性能。確定系統中連續變量e, ec的變化范圍，本系統中速度變化范圍為(0-3Ooor / min)。那么速度誤差e范圍是(-3000 , 3000);而誤差變化率 ec的變化范圍可以設定為(-5000 , 5000)。將e , ec的變化范圍整定到模 糊論域E=(-7 , 7)內：由此，可以得到速度誤差及誤差變化率的整定公式

49、為(4 . 1) , (4 . 2):e' =73000e(4.1)ec' =75000ec(4.2)這樣就得到模糊量e', CC '。在模糊論域內，將e '和ec'的語言變 量定義為：NB=負大NM=負中NS=負小ZE= 零PS= 正小PM= 正中PB= 正大將e'和ec'量化為15個等級，分別為.7, 6 ,5 ,4 ,3 ,2 ,1 , 0 , 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7。那么 e '和 ec '的論域為：e' =-7 ,一 6 , 一5-4 一3一2-l01234567 ec

50、' =-7-6-5-4-3-2-101234567。 Kp 、Ki 的輸出范圍都為(一 O . 3, 0 . 3) , Kd的輸出范圍為(-0 . 2 , 0 . 2)。同理，將輸出量 KP、Ki和Kd也量化為15個等級，即KP '、Ki '、 Kd '.的論域為-7 , -6 ， -5 ， -4 ， -3 ， -2 ， -1 ， 0 ， 1 ， 2 ， 3 ， 4 ， 5 ， 6 ， 7 。該部分主要代碼如下：RAM ： sectionabsentry fllzvarfuzvar ： ds.b 7 ； inPutsNB ：equ 0；負大N1Vl- equ l

51、；負中NS：equ 2：負小ZE ：equ 3；零PS：equ4；正小 ,PM：equ4：正中PB ：equ4：正大outPut membershiP variables absentry fuzoutfuzout ： ds. b 4 ； outPutsNB： equ 0：負大NM： equ l：負中NS： equ 2：負小ZE： equ 3；零PS：equ4；正小PM： equ4：正中PB： equ4；正大4 . 2 主要任務模塊的詳細設計4. 2.1 主程序系統上電后首先對系統實施初始化和自檢,然后管理層根據駕駛員的 操作,結合當時車輛狀況及環境狀況完成工況判斷后,對純電動汽車分工 況控制

52、,并完成實時通訊等工作。主程序流程圖如圖 4. 2所示。4 . 22電樞PWM控制模塊PWM信號是電機驅動電路的控制信號，通過調整PWM信號的占空比，控制電機電樞兩端電壓的大小，從而控制轉速。PWM輸出控制信號的處理時應該避免由于系統干擾造成 PWM占空比變化過于頻繁和IGBT瞬間產生 大電流損壞電動機。系統程序為：/*FlLE NAME:dc_motor.cCHIP TYPE:ATMEGA64CLoCK FREQUENCY:8MHZIDE:VSMStUdiOCOMPILER:AVR-GCCTIME:September 2011 */ #include <avr/io.h> #in

53、clude <util/delay.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int/* Low level port/pin definitions */ #define sbit(x,PORT) (PORT) |= (1<<x) #define cbit(x,PORT) (PORT) &= (1<<x) #define pin(x,PIN) (PIN) & (1<<x)/* Main Program*/ Initialize Stack Pointerint ma

54、in(void) SPL = 0x5f;SPH = 0x04;DDRB = 0x0c;PORTB = 0xff;/ pins PB2 & PB3 as outputs/* Set PWM Duty Cycle */ TCCR0 = 0x65;OCR0 = 0xcc;while(1);4 2 3 電動機速度測量 電機輸出軸轉速和車輛速度是通過磁電式速度傳感器產生與速度成正比的正弦信號，進過信號調理電路的處理轉換為對應的脈沖信號進入單片 機，單片機對采用定周期法進行計數，即可計算出電機和車輛的速度。用 一個 16位的定時器實現精確的定時，周期設定為 10ms ，同時用一個 16 位 的計數

55、器來實現脈沖的計數。計時器啟動的同時啟動計數器，當 10ms 時 間到立即停止計數器的工作， 并讀取計數器的值 PACNx(x 代表不同的計數 通道 )，若電機車輪每轉一圈產生 40 個脈沖，則每秒鐘的脈沖數為： M1=100 × PACNx 每分鐘的脈沖數為： M2=60*100*PACNx 電機轉速和車輪轉速： N=60*100*PACNx/40車輛速度：V=N ( L) *2 R*601000式中N ( L)為車輪的轉速，單位為轉/分鐘。為了提高測速的實時性，測速處理程序作為定時器中斷的中斷服務程序來處理，詳細的測速處理程序流程圖如圖4 . 12所示。fnew*, -ftttF1主黯環林圖4.2.3速度測量處理程序流程圖 主要程序片段如下：#PragmaCODE_SEG NON_BANKED Void in terrupt 26 MDC_ISR(Void) CoUn t+；if(count=iSpeedNum)0. 5秒讀取一次CoUn t=O ;Iu