畢業(yè)設(shè)計(jì)--純電動(dòng)賽車(chē)永磁同步電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目： 純電動(dòng)賽車(chē)永磁同步電機(jī) </p><p>　　控制器設(shè)計(jì) </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文通過(guò)對(duì)2013年純電動(dòng)賽車(chē)比賽整個(gè)過(guò)程情況進(jìn)行了各方面的分析，針對(duì)我

2、院LS Racing車(chē)隊(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)在賽場(chǎng)上所出現(xiàn)的一些問(wèn)題，為了提高車(chē)隊(duì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，進(jìn)一步優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng),確定了本課題研究以及設(shè)計(jì)方案。</p><p>　　通過(guò)對(duì)永磁同步電機(jī)控制基本原理的研究和分析，為能夠達(dá)到純電動(dòng)賽車(chē)對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的要求，在本設(shè)計(jì)中選用了高速（100MIPS）8051微控制器內(nèi)核 C8051F120系列芯片作為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的主控芯片，根據(jù)芯片內(nèi)部定義，對(duì)額定功率為20k

3、w的永磁同步電機(jī)控制器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了CAN總線(xiàn)信息傳送模塊，進(jìn)一步提高信息的傳輸速度及可靠性能，且電機(jī)控制模式具有可更換模式，既可根據(jù)純電動(dòng)比賽的實(shí)際動(dòng)態(tài)賽來(lái)改變電機(jī)控制系統(tǒng)的控制模式，讓純電動(dòng)賽車(chē)在相應(yīng)的動(dòng)態(tài)賽中使用最佳控制模式。</p><p>　　為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，利用MATLAB仿真軟件中的Simulink模塊對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)2014年LS Racing車(chē)隊(duì)將要使用的動(dòng)力系統(tǒng)，把動(dòng)力

4、系統(tǒng)的實(shí)際參數(shù)放到仿真模型中進(jìn)行性能分析，在分析的結(jié)果中，直流電壓為：320V；而得出的轉(zhuǎn)速范圍基本接近于電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速；電機(jī)輸出扭矩得出的結(jié)果可以進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)的可行性以及優(yōu)越性，并且能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。</p><p>　　關(guān)鍵字：PMSM矢量控制；C8051F120；CAN總線(xiàn)；FSEC</p><p><b>　　Abstract</b></p>

5、<p>　　Based on the 2013 pure electric car race throughout all aspects of the case were analyzed , and for some of the problems in our hospital LS Racing team motor control system that appears on the field , in ord

6、er to improve the performance of the team's motor drive control system to further optimize power systems, as well as to determine the design of the research .</p><p>　　Through the permanent magnet synchr

7、onous motor control basic principles of research and analysis , to be able to achieve a pure electric car on the motor control system requirements in the design of high-speed selection (100MIPS) 8051 C8051F120 microcontr

8、oller core chips as a permanent magnet synchronous motor master chip control system , according to the chip inside the definition of power rating of 20kw permanent magnet synchronous motor controller software design, des

9、ign of cAN bus informatio</p><p>　　In order to verify the reliability of the design , the use of simulation software MATLAB Simulink simulation module of the control system analysis , power system based on 2

10、014 LS Racing team will be used , the actual parameters of the power system into the simulation model for performance analysis, analysis of the DC voltage : 320V; derived substantially close to the speed range of the mot

11、or rated speed ; record the motor output torque can further verify the results of the feasibility and advant</p><p>　　Keywords: PMSM Vector Control; C8051F120; CAN—BUS ;FSEC</p><p><b>　　1

12、 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究意義</p><p>　　1.1.1 中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽介紹</p><p>　　2009年，中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)把國(guó)際上的一項(xiàng)以高校學(xué)生為主的賽車(chē)項(xiàng)目引進(jìn)到了中國(guó)，叫做：大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽；也就是目前所說(shuō)的：中國(guó)大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽（Formula Student China，簡(jiǎn)稱(chēng)：FSC）[

13、1]，這項(xiàng)賽事主要是針對(duì)在校高校學(xué)生所建立的，目的就是要培養(yǎng)出高水平的汽車(chē)青年學(xué)生，為中國(guó)的汽車(chē)行業(yè)的壯大打下一個(gè)人才基礎(chǔ)，此項(xiàng)賽事于2010年10月在上?？ǘ≤?chē)世界舉辦了首屆FSC賽事，總共有來(lái)自國(guó)內(nèi)20所大學(xué)參加比賽，直到2013年，參加FSC的高校已經(jīng)達(dá)到60余所，而且開(kāi)放對(duì)國(guó)外參賽的限制，并且舉辦了第一屆中國(guó)大學(xué)生純電動(dòng)方程式汽車(chē)大賽（Formula Student Electric China，簡(jiǎn)稱(chēng)：FSEC；）[1]，總共有

14、10所大學(xué)（車(chē)隊(duì)）參加了首屆的純電動(dòng)方程式賽事，其中有一個(gè)來(lái)自德國(guó)的斯圖加特大學(xué)的車(chē)隊(duì)也參與了比賽。2013年中國(guó)FSAE賽事取得了空前的規(guī)模，相信在今后的比賽當(dāng)中會(huì)越來(lái)越激烈。</p><p>　　所有參加FSEC2013年賽季的車(chē)隊(duì)都知道，對(duì)于我們高校學(xué)生來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)并制造一輛純電動(dòng)賽車(chē)是十分困難的。很多都是技術(shù)上的難題，這與我們國(guó)內(nèi)的國(guó)情有一定的關(guān)系，尤其在電力傳動(dòng)方面，說(shuō)到電力傳動(dòng)技術(shù)上的難題就要關(guān)注控制系

15、統(tǒng)方面的技術(shù)。在賽場(chǎng)上所遇到的問(wèn)題基本都涉及到了控制系統(tǒng)方面，盡管現(xiàn)代電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在電力傳動(dòng)以及汽車(chē)電子行業(yè)當(dāng)中各種電子技術(shù)也隨之不斷創(chuàng)新和發(fā)展，但是依然難以解決新能源技術(shù)上的問(wèn)題，這也是全球新能源汽車(chē)遲遲不能得到廣泛普及的原因。</p><p>　　因此，根據(jù)2013年純電動(dòng)賽車(chē)比賽的情況，本設(shè)計(jì)針對(duì)于純電動(dòng)方程式賽車(chē)進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的初期通過(guò)閱讀和學(xué)習(xí)相關(guān)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的文獻(xiàn)

16、，了解了永磁同步電機(jī)的控制原理、控制方法以及控制策略；結(jié)合2013年車(chē)隊(duì)在參加第一屆FSEC賽場(chǎng)中的實(shí)際情況，以及車(chē)隊(duì)對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的需求，建立在對(duì)目前永磁同步電機(jī)控制器的控制原理，控制策略以及控制方法進(jìn)行研究和分析；采用以51系列為內(nèi)核技術(shù)的芯片，以及相應(yīng)的電子器件設(shè)計(jì)一款能夠針對(duì)于FSEC純電動(dòng)賽車(chē)專(zhuān)用的永磁同步電機(jī)控制器，通過(guò)C++軟件進(jìn)行程序編寫(xiě)，然后在使用仿真和分析軟件MATLAB/Simulink模塊對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行

17、建模分析；根據(jù)實(shí)際的分析及優(yōu)化，進(jìn)行原理圖及PCB電路的繪制，為今后的純電動(dòng)賽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)與制造奠定基礎(chǔ)。</p><p>　　1.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)于純電動(dòng)賽車(chē)比賽的重要意義</p><p>　　目前，我們的社會(huì)已經(jīng)不如了高速信息化的時(shí)代，因此我們很多的行業(yè)當(dāng)中的一些技術(shù)難題或者傳統(tǒng)化的東西都逐步在被新科技所取代。而在當(dāng)今的汽車(chē)行業(yè)當(dāng)中，傳統(tǒng)燃油汽車(chē)也已經(jīng)是步入了一個(gè)

18、巔峰時(shí)代，隨著汽車(chē)的增加，慢慢地突顯出很多因汽車(chē)的數(shù)量而帶來(lái)的問(wèn)題，比如能源、環(huán)境污染等方面的問(wèn)題。所以，這幾年來(lái)新能源汽車(chē)方面在不斷地被研制出來(lái)，給我們這個(gè)社會(huì)帶來(lái)更多的方便，并且讓我們生存的地球得以可持續(xù)發(fā)展。</p><p>　　我們都知道純電動(dòng)汽車(chē)在動(dòng)力系統(tǒng)上面目前是一直阻礙著純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，所以在電機(jī)和電池的技術(shù)上面還需要不斷的攻破。</p><p>　　在FSEC純電動(dòng)賽車(chē)的

19、比賽當(dāng)中，和乘用電動(dòng)汽車(chē)一樣，動(dòng)力系統(tǒng)也是賽車(chē)的最關(guān)鍵部分，兩者缺一不可，如果電機(jī)的功率和輸出效率無(wú)法達(dá)到我們?cè)诶碚撋系脑O(shè)計(jì)，那么在比賽當(dāng)中則無(wú)法讓賽車(chē)達(dá)到我們預(yù)先設(shè)計(jì)的車(chē)速和各方面的性能要求。因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)于純電動(dòng)賽車(chē)比賽是具有十分決定作用。</p><p>　　1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)賽車(chē)現(xiàn)狀分析</p>&l

20、t;p>　　國(guó)外的FSAE賽事的發(fā)展相對(duì)比較早，這與國(guó)外的工業(yè)發(fā)展起步也是具有很大的關(guān)系，國(guó)家的工業(yè)水平上升起來(lái)之后，自然會(huì)帶動(dòng)很多相關(guān)方面的企業(yè)的起步，因此，其他國(guó)家的大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽也就可以在較早的年代舉行，而國(guó)內(nèi)的汽車(chē)行業(yè)自身的起步就相對(duì)國(guó)外而言就較為緩慢，因此大學(xué)生方程式汽車(chē)大賽在國(guó)內(nèi)的舉辦時(shí)期就自然比國(guó)外要延遲很多，和國(guó)外進(jìn)行對(duì)比，已經(jīng)有很大的時(shí)間差距。</p><p>　　國(guó)外的FSAE賽事

21、發(fā)展就像他們的汽車(chē)行業(yè)發(fā)展一樣，速度十分快，所以到了目前的FSAE技術(shù)水平都能夠趕上汽車(chē)行業(yè)的技術(shù)水平，在2013年的中國(guó)FSEC比賽當(dāng)中，大賽增加了國(guó)際上的開(kāi)放，所以在FSEC 2013賽季比賽中有一支來(lái)自德國(guó)斯圖加特的電動(dòng)賽車(chē)隊(duì)。</p><p>　　在國(guó)內(nèi)的純電動(dòng)賽車(chē)發(fā)展還是需要一定時(shí)間，畢竟國(guó)內(nèi)在于電動(dòng)汽車(chē)方面的技術(shù)還不是十分先進(jìn)，并且2013才將此項(xiàng)賽事加入到FSAE賽事當(dāng)中，所以起步相對(duì)較晚，但是根據(jù)

22、去年的比賽情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)的純電動(dòng)賽事會(huì)得到十分迅速的發(fā)展，去年總共10支車(chē)隊(duì)，2014年就開(kāi)始增加到20支左右，關(guān)鍵的還是動(dòng)力系統(tǒng)方面，我們國(guó)內(nèi)的新能源汽車(chē)在全世界當(dāng)中已經(jīng)處于十分先進(jìn)的狀態(tài)，所以對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)方面會(huì)得到更快的解決。</p><p>　　通過(guò)純電動(dòng)方程式汽車(chē)大賽，我深深感覺(jué)到此項(xiàng)賽事的重要意義，其不僅僅是一項(xiàng)比賽，其意義更重要是培養(yǎng)更多的電動(dòng)汽車(chē)青年工程師，從比賽車(chē)隊(duì)所使用的技術(shù)來(lái)說(shuō)，在控制方面已經(jīng)

23、開(kāi)始超越純電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)，所以國(guó)內(nèi)的純電動(dòng)賽車(chē)比賽會(huì)得到更好更快的發(fā)展。</p><p>　　1.2.2 國(guó)內(nèi)外控制系統(tǒng)分析</p><p>　　在七八十年代，受到電力電子技術(shù)的限制，所以主流的電機(jī)還是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為主，到了21世紀(jì)之后，特別在電力電子技術(shù)飛速發(fā)展之后，電機(jī)的控制系統(tǒng)得到了不斷的改進(jìn)，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)也是得到了飛躍的發(fā)展，。在永磁材料被使用于永磁同步電機(jī)之后，使得

24、永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，控制不斷向數(shù)字化控制改進(jìn)。</p><p>　　在早期，在永磁同步電機(jī)控制器上只能使用16位的8097單片機(jī)作為控制芯片，但是已經(jīng)帶領(lǐng)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)入全數(shù)字控制時(shí)代。進(jìn)入電力電子器件更新的時(shí)代之后，永磁同步電機(jī)控制器的控制性能在發(fā)生不斷改變，控制策略也在不斷的優(yōu)化更新，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，永磁同步電機(jī)空制系統(tǒng)的發(fā)展都是十分迅速。</p><p>　　在控

25、制方式上， 自數(shù)字化以及電力電子技術(shù)快速發(fā)展之后，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)大多開(kāi)始采用PI（比例積分）控制，而隨后又不斷實(shí)現(xiàn)智能控制方式，其主要包括：人工智能專(zhuān)家系統(tǒng)、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。</p><p>　　在今后的技術(shù)發(fā)展不斷革新的時(shí)代當(dāng)中，無(wú)論國(guó)內(nèi)外的技術(shù)都會(huì)得到空前的發(fā)展。但是，若要區(qū)分國(guó)內(nèi)和國(guó)外的技術(shù)分界，那么國(guó)外的技術(shù)變革會(huì)更加領(lǐng)先，國(guó)外工業(yè)和電力電子技術(shù)的發(fā)展都起步較早，因此很多方面的技術(shù)國(guó)內(nèi)

26、還需要不斷的改進(jìn)以及優(yōu)化，會(huì)在不久未來(lái)，永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)會(huì)有一個(gè)新紀(jì)元。</p><p>　　1.3 本課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題是對(duì)純電動(dòng)賽車(chē)永磁同步電機(jī)控制控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外對(duì)永磁同步電機(jī)控制器的研究，首先選定一款電機(jī)，具體參數(shù)如下：</p><p>　　電機(jī)額定功率為：20kw；最大功率為：40kw；額定轉(zhuǎn)矩：7

27、6Nm；最大轉(zhuǎn)矩：165Nm；額定轉(zhuǎn)速：2500rpm；峰值轉(zhuǎn)速：7000rpm。</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要完成的內(nèi)容：初步選取以51單片機(jī)為內(nèi)核的C8051F120芯片作為設(shè)計(jì)控制器的主控芯片，采用空間矢量的控制方式，并且利用 PROTEL ALTIUM Designer 6.9軟件進(jìn)行電路圖繪制，采用MATLAB軟件對(duì)軟件進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)出具備以下功能的控制系統(tǒng)：</p><p&g

28、t;　　1.恒功率輸出和高功率密度；</p><p>　　2.具有較大的轉(zhuǎn)速范圍足以覆蓋恒轉(zhuǎn)矩輸出區(qū)和恒功率輸出區(qū)；</p><p>　　3.轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快；</p><p>　　4.在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性的較寬范圍內(nèi)具有高效率；</p><p>　　5.在剎車(chē)時(shí)具有能量回饋功能,以提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛能力；</p><p>

29、<b>　　6.性?xún)r(jià)比高。</b></p><p><b>　　2 方案論證</b></p><p>　　2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　在目前的電力傳動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求有高低之分，而在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)當(dāng)中，對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求就尤為重要，其控制系統(tǒng)的要求則更為精密。因?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常需要頻繁

30、的啟動(dòng)、停車(chē)、急加速、制動(dòng)以及減速狀態(tài)，在電動(dòng)汽車(chē)處于高負(fù)載（比如爬坡、低速等工況等）時(shí)，需要驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出較高的扭矩，以滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)功率的要求。在電動(dòng)汽車(chē)高速行駛工況時(shí)，需要低扭矩，以及較寬的調(diào)速范圍，但是在目前很多的驅(qū)動(dòng)電機(jī)當(dāng)中很難滿(mǎn)足這種性能要求，從而在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要比較獨(dú)特的功能設(shè)計(jì)要求，這些獨(dú)特的性能要求等方面的區(qū)別歸納起來(lái)主要有以下幾個(gè)方面：</p><p>　　1）較寬的恒功率輸出區(qū)域

31、和高功率密度；</p><p>　　2)高負(fù)載具有低速大扭矩，低負(fù)載低扭矩的特性；</p><p>　　3)具有較大的轉(zhuǎn)速范圍足以覆蓋恒轉(zhuǎn)矩輸出區(qū)和恒功率輸出區(qū)；</p><p>　　4)轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快；</p><p>　　5)在轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速特性的較寬范圍內(nèi)具有高效率；</p><p>　　6)在剎車(chē)時(shí)具有能量回饋功能

32、，以提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛能力；</p><p>　　7)堅(jiān)固可靠,能夠在不同的工作條件下可靠地工作；</p><p><b>　　8)性?xún)r(jià)比高；</b></p><p>　　9）具備良好的急加速以及急減速處理能力。</p><p>　　在純電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域中，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求主要體現(xiàn)在電機(jī)的功率密度，在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)具

33、備優(yōu)異的調(diào)節(jié)效率，進(jìn)而可以降低車(chē)輛的重量來(lái)增加續(xù)駛里程。在電力傳動(dòng)領(lǐng)域中，很多驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)企業(yè)更多對(duì)象都是特種電機(jī)和電池，并沒(méi)有完全形成一個(gè)針對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的電機(jī)，此外，工業(yè)當(dāng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)局限于功率密度和成本之間的考慮，并沒(méi)有在電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)中對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。因此，工業(yè)中的特種驅(qū)動(dòng)電機(jī)只能滿(mǎn)足某一種特定的性能需求。</p><p>　　然而針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求，作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工程師為電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)

34、了不同的電機(jī)，使其具有高功率密度、高效率、和適當(dāng)?shù)恼{(diào)速范圍。這些電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。而在純電動(dòng)汽車(chē)當(dāng)中使用最多是永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　下面各小節(jié)主要介紹一下電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。</p><p>　　2.1.1 永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p

35、><p>　　永磁同步電機(jī)（PMSM）是當(dāng)代電力傳動(dòng)領(lǐng)域，以及工業(yè)控制的各個(gè)行業(yè)主要運(yùn)用的電機(jī)系統(tǒng)。近幾年，永磁同步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越突出，不僅涵蓋了直流電機(jī)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、運(yùn)行起來(lái)安全可靠、維護(hù)起來(lái)方便等優(yōu)勢(shì)；另外，永磁同步電機(jī)還具有無(wú)機(jī)械換向裝置及電刷、體積很小、十分容易實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行、有較寬的調(diào)速范圍、能夠適應(yīng)多種工作環(huán)境、正反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換易實(shí)現(xiàn)、電機(jī)的定子散熱效率高，能夠快速響應(yīng)、可采用較高的電壓、易于實(shí)現(xiàn)大容量的電力傳

36、動(dòng)控制等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。在現(xiàn)代社會(huì)中得到很廣泛的運(yùn)用。</p><p>　　2.1.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)</p><p>　　由于直流電動(dòng)機(jī)的技術(shù)比較成熟和較為簡(jiǎn)單的控制優(yōu)勢(shì)，所以直流電機(jī)在電驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域一直有著突出的地位。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在低速的電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域當(dāng)中使用比較多，因?yàn)槠淇煽康倪\(yùn)行性能和較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，是被廣泛應(yīng)用的主要原因。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)和電樞的繞組磁場(chǎng)是屬于垂直分布格局

37、，因此它的控制原理就會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，進(jìn)而在工業(yè)當(dāng)中也是被運(yùn)用較多；但直流電機(jī)或者直流無(wú)刷電機(jī)依然存在著：要依靠換向器和電刷，這樣一來(lái)降低了其可靠性能，并且要定期更換電機(jī)的電刷才能繼續(xù)工作，給應(yīng)用帶來(lái)了不少的麻煩。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和問(wèn)題在永磁同步電機(jī)當(dāng)中不斷被借用和取代，這使得直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)以及一些特定的應(yīng)用中慢慢被取代掉。</p><p>　　2.2 電機(jī)控制系統(tǒng)控制方式論述</p>&

38、lt;p>　　如圖2-1所示，是屬于永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理圖，主要表達(dá)了永磁同步電機(jī)按照轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)區(qū)分為隱極式（a）和凸極式（b）兩種，永磁同步電機(jī)主要部件則是定子和轉(zhuǎn)子。而按照轉(zhuǎn)子勵(lì)磁方式的不同，永磁同步電機(jī)可分為永磁同步電機(jī)和轉(zhuǎn)子帶直流勵(lì)磁繞組的永磁同步電機(jī)。 </p><p>　?。╝）隱極式轉(zhuǎn)子 （b）凸極式轉(zhuǎn)子</p><p>　　圖 2-1

39、 永磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖 2-2 同步電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　如圖2-2所示同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中AX、BY、CZ分別表示等效的定子三相繞組、通常用空間軸線(xiàn)表示。轉(zhuǎn)子采用永磁體或通過(guò)直流勵(lì)磁繞組勵(lì)磁，其極對(duì)數(shù)與定子繞組相同。</p><p>　　根據(jù)同步電機(jī)的基本運(yùn)行原理可分析、若在同步電機(jī)的定子三相對(duì)稱(chēng)繞組中分別通以如下三相對(duì)

40、稱(chēng)電流：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p><b>　　式中： </b></p><p>　　I為三相對(duì)稱(chēng)電流的有效值；</p><p><b>　　為通電角頻率、；</b></p><p>　　為定子繞組的通電頻率。&l

41、t;/p><p>　　在三相對(duì)稱(chēng)電流的作用下，定子三相對(duì)稱(chēng)繞組必然產(chǎn)生圓形旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)和磁場(chǎng)。定子選擇磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速（即同步速）為： </p><p>　　M= （2.2）</p><p><b>　　式中：</b></p>

42、;<p>　　為同步電機(jī)的極對(duì)數(shù)。</p><p>　　根據(jù)式2.2可知，同步速是取決于電機(jī)本身的極對(duì)數(shù)，并取決于外部通電頻率。如果三相繞組的通電相序發(fā)生改變，定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)，由此產(chǎn)生轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)。</p><p>　　永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型</p><p>　　根據(jù)永磁同步電機(jī)等效電路，可以求得電機(jī)的電壓方程式[7]：</p><

43、;p><b>　　（2.3）</b></p><p><b>　　式中： </b></p><p>　　、、分別為、、相定子電壓；</p><p>　　、、分別為、、相定子電流；</p><p>　　、、分別為永磁體磁場(chǎng)在、、相電樞繞組中感應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)；為定制繞組電阻；為定子繞組電感；<

44、;/p><p>　　為繞組見(jiàn)的互感；為微分算子，。</p><p>　　與定子、、相繞組交鏈的永磁體磁鏈為：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　為與定子、、相繞組交鏈的永磁體磁鏈的幅值；為相繞組軸線(xiàn)與永

45、磁體基波磁場(chǎng)軸線(xiàn)之間的電角度，若為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角速度（電角度），</p><p><b>　　則有</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　　旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)、、為</b></p><p><b>　　（2.6）</b>&

46、lt;/p><p><b>　　（2.7）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　輸出軸的旋轉(zhuǎn)角速度（機(jī)械角度）為。</p><p><b>　　坐標(biāo)變換</b></p><p>　　把電壓、電流采用兩相交流表示,比用三相交

47、流表示更容易把握電機(jī)的控制特性和控制方式,而采用兩軸直流表示又比兩項(xiàng)交流表示更為簡(jiǎn)單。因此,為了改變對(duì)電機(jī)的觀察角度,需要改變觀察坐標(biāo)系,我們稱(chēng)之為坐標(biāo)變換[8]。</p><p>　　一般電動(dòng)機(jī)的電路方程式為:</p><p><b>　　（2.8）</b></p><p><b>　　式中:</b></p>

48、<p><b>　　為電壓矩陣；</b></p><p><b>　　為電流矩陣；</b></p><p><b>　　為阻抗矩陣；</b></p><p><b>　　為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)矩陣。</b></p><p>　　現(xiàn)在要從一坐標(biāo)系向另外的

49、坐標(biāo)系進(jìn)行變換，假設(shè)氣變換矩陣為[C],則有</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p><b>　　式中:</b></p><p>　　[C]-1為[C]的逆矩陣。</p><p>　　設(shè)[I]為單位矩陣，則有：</p><p><b>　?。?/p>

50、2.10）</b></p><p>　　式(2.9)中，若、、、，則式(2.9)變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　式中，阻抗矩陣?yán)锩婧形⒎炙阕?而且當(dāng)里面含有時(shí)間函數(shù)時(shí)，要充</p><p><b>　　分注意的作用范圍。</b></p

51、><p>　　在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)，一般都保持變換前后功率不變，這種變換叫做絕對(duì)變換，用</p><p>　　于該變換的矩陣叫做正交矩陣。為了保證從式(2.8)到式(2.11)的變換是絕對(duì)變換，即：</p><p><b>　　（2.12）</b></p><p><b>　　因而必須保證：</b><

52、/p><p><b>　　（2.13）</b></p><p>　　從而根據(jù)式（2-10）和（2-13）可得：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　永磁同步電機(jī)空間矢量控制</p><p>　　在圖2-3中：Va、Vb和Vc是逆變器的輸出電壓。S

53、1一S6是六個(gè)功率管，來(lái)控制出處波形的形狀，它們由S1、S2、S3、S4、S5、S6來(lái)控制。當(dāng)Sl、S3或S5為1時(shí)，逆變器上部的一個(gè)功率管導(dǎo)通。同時(shí)，其相應(yīng)的下部的功率管因?yàn)橄鄳?yīng)的S2、S4,，或S6為O而截止，反之亦然?？梢酝耆鶕?jù)上部功率管S1、S3和S5的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)等效Va、Vb和Vc的狀態(tài)輸出電壓[6][7]。</p><p>　　三相電壓源逆變器的空間電壓矢量如圖2.7所示，與三相功率逆變器相連的三個(gè)

54、功率管共有8種可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合，分別是：(Sl,S3,S5),(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(l,0,1),(1,1,1)。下部功率晶體管開(kāi)關(guān)狀態(tài)與上邊的相反,因此,一旦知道了上部功率晶體管的狀態(tài),就可以完全確定下部功率晶體管的狀態(tài)。</p><p>　?。╝） 電機(jī)扇區(qū)向量圖 （b） 電機(jī)相位位置開(kāi)關(guān)參數(shù)</p>

55、<p>　　圖 2-3 三相逆變器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　根據(jù)三項(xiàng)系統(tǒng)向兩項(xiàng)系統(tǒng)變換保持功率不變的原則，定子電壓的空間矢量為：</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　式中：為矢量旋轉(zhuǎn)因子，。</p><p>　　圖2.4表示三相電壓源逆變器的空間電壓矢量，8個(gè)空間電壓矢

56、量的大小可以用下列方程來(lái)表示：</p><p><b>　　（2.16）</b></p><p>　　式中:為逆變器的直流母線(xiàn)電壓。</p><p>　　在、坐標(biāo)系中，任何一個(gè)參考電壓矢量可以表示為</p><p><b>　?。?.17）</b></p><p>　　圖 2

57、-4 三相電壓源逆變器的空間電壓矢量原理圖</p><p>　　雖然逆變器不可以直接把和轉(zhuǎn)換為電機(jī)所需要的電壓，但是可以通過(guò)和兩個(gè)從逆變器工作狀態(tài)的矢量來(lái)獲得。在一個(gè)完整的調(diào)整周期內(nèi),除了和的導(dǎo)通時(shí)間外，其余為零狀態(tài)時(shí)間。零矢量的加入可以調(diào)節(jié)功率器件的導(dǎo)通時(shí)間，使控制更加靈活。</p><p>　　采用C8051F120芯片進(jìn)行控制，其全比較方式控制器在一個(gè)載波中期內(nèi)可以對(duì)比較控制寄存器

58、進(jìn)行修改，利用C8051F120比較的PWM5、PWM6巧妙完成PWM輸出功能。</p><p><b>　　2.3 方案選擇</b></p><p>　　2.3.1 FSEC純電動(dòng)賽車(chē)電機(jī)選型</p><p>　　在前面的內(nèi)容當(dāng)中主要是對(duì)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了陳述介紹，主要考慮到此兩種類(lèi)型電機(jī)是目前工業(yè)以及電力傳動(dòng)系統(tǒng)中

59、運(yùn)用較多的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為了進(jìn)一步確定本設(shè)計(jì)的方案選型的正確性，以下對(duì)目前所存在的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)各電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出表2-1中的各電機(jī)特點(diǎn)。</p><p>　　表 2-1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能對(duì)比</p><p>　　根據(jù)表2-1的分析以及對(duì)德國(guó)純電動(dòng)賽車(chē)的數(shù)據(jù)分析總結(jié)得出：無(wú)論賽車(chē)所使用的輪胎是conti，hoosier還是goodyear，在FSAE比賽的賽場(chǎng)上輪胎所能

60、夠提供的最大抓地力都在500N.m以上。同樣的，通過(guò)LS Racing車(chē)隊(duì)之前的賽道數(shù)據(jù)和仿真軟件，也能分析出，適合比賽的電機(jī)功率范圍。根據(jù)分析的結(jié)果可以知道，電機(jī)所需的功率基本集中在20kw（額定功率）左右，峰值功率越大越好，但是由于賽事規(guī)則的限制，最大功率必須控制在85kW以?xún)?nèi)，所以選擇電動(dòng)機(jī)的峰值功率要盡可能的達(dá)到這個(gè)值為最佳。</p><p>　　還有一個(gè)方面就是電機(jī)的冷卻方式。一般來(lái)說(shuō)，就是主動(dòng)風(fēng)冷和主

61、動(dòng)水冷兩種。水冷的制冷效果好，所以峰值功率也會(huì)更高一點(diǎn)，不過(guò)重量和成本也會(huì)會(huì)更高一些。</p><p>　　針對(duì)FSC中國(guó)大賽，本論文電動(dòng)汽車(chē)的結(jié)構(gòu)選用20kw的永磁同步電機(jī)作為電機(jī)控制器開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)產(chǎn)品。如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 電機(jī)控制器設(shè)計(jì)的試驗(yàn)電機(jī)</p><p>　　表 2-1 電機(jī)基本參數(shù)</p><p>

62、　　電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)主要由硬件電路設(shè)計(jì)和機(jī)殼設(shè)計(jì)兩部分組成。</p><p>　　2.3.2 FSEC純電動(dòng)賽車(chē)整車(chē)參數(shù)的確定</p><p>　　根據(jù)我院LS Racing車(chē)隊(duì)這幾年來(lái)燃油賽車(chē)的制作經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合國(guó)外電動(dòng)賽車(chē)的基本思維。最終確定本設(shè)計(jì)文純電動(dòng)賽車(chē)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)。如下表：</p><p>　　表2-2 2014 FSEC 純電動(dòng)賽車(chē)整車(chē)

63、參數(shù)</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)目前行業(yè)當(dāng)中相對(duì)使用廣泛的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了論述，結(jié)合國(guó)外FSE比賽所使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析來(lái)看，以及結(jié)合FSEC 2013年賽季的比賽情況，最終選擇了一款額定功率為20kw的永磁同步電機(jī)作為2014年FSEC純電動(dòng)賽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并且結(jié)合我院LS Racing車(chē)隊(duì)的實(shí)際情況，

64、確定了整車(chē)的基本參數(shù)，既2014FSEC純電動(dòng)賽車(chē)的整車(chē)參數(shù)。這樣對(duì)本設(shè)計(jì)以及車(chē)隊(duì)的設(shè)計(jì)都能夠融合在一起，能相互并進(jìn)，為2014 FSEC做出作戰(zhàn)的準(zhǔn)備。</p><p>　　3 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)是一個(gè)高精度，高效率，具備良好可靠性以及維護(hù)方便的控制系統(tǒng)，所以這就對(duì)控制器設(shè)計(jì)使用芯片的要求很高，否則將無(wú)法運(yùn)行復(fù)雜的矢量控制算法，

65、甚至不能有效地滿(mǎn)足硬件電路的要求，因此，控制芯片是至關(guān)重要。在前面章節(jié)已經(jīng)確定了本設(shè)計(jì)的主控芯片選擇C8051F120高速混合信號(hào)的微控芯片.雖然這并不是一款功能十分強(qiáng)大的芯片，但是對(duì)于永磁同步電機(jī)控制器來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠滿(mǎn)足了。</p><p>　　由于系統(tǒng)中的各模塊的運(yùn)行會(huì)影響著整個(gè)控制系統(tǒng)的控制性能和運(yùn)行可靠性，因此必須匹配設(shè)計(jì)好控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊，讓控制系統(tǒng)的各模塊運(yùn)作進(jìn)一步優(yōu)化。因而，需要著重對(duì)永磁同步電機(jī)控

66、制系統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.1 C8051F120芯片概述</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的需求不同，可以選擇合適的MCU封裝方式，在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，由于需要用到多路的AD轉(zhuǎn)換、PWM方波的產(chǎn)生以及高速控制和信號(hào)處理能力，因此本文選擇了以64 個(gè)數(shù)字I/O 引腳的C8051F120芯片作為永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的主控芯片（CPU）。</p><p>

67、;　　3.1.1 C8051F120芯片的特點(diǎn)</p><p>　　根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可以了解到 C8051F120高速芯片具備以下的功能特性：</p><p>　　兼容8051的高速、流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)CIP-51 內(nèi)核（100MIPS）；</p><p>　　全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）；</p><p>　　12 位或10 位、100 ks

68、ps 的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），帶PGA 和8路模擬多路開(kāi)關(guān)；</p><p>　　8 位500 ksps 的ADC，帶PGA 和8 通道模擬多路開(kāi)關(guān)；</p><p>　　2個(gè)12 位DAC，可編程進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新能力；</p><p>　　2 周期的16 x 16 乘法和累加引擎；</p><p>　　128KB可在系統(tǒng)編程的FLASH 存

69、儲(chǔ)器；</p><p>　　8448（8K+256）字節(jié)的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；</p><p>　　可尋址64KB 地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口；</p><p>　　硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/ I2C 和兩個(gè)UART 串行接口；</p><p>　　5 個(gè)通用的16 位定時(shí)器；</p><p>　　具有6 個(gè)P

70、CA的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列；</p><p>　　片內(nèi)看門(mén)狗定時(shí)器、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器；</p><p>　　工業(yè)當(dāng)中所使用的CPU或者M(jìn)CU的工作溫度基本都是需要保持在-45℃—+85℃范圍之間，引腳接口I/O、/RST 以及JTAG 端口的工作電壓是5V 的輸入信號(hào)。有100 腳TQFP 封裝和64 腳TQFP 封裝兩種封裝形式。圖3-2 和圖3-3是C8051F120芯片

71、的功能框圖。</p><p>　　3.2 主電路硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　主控板先后進(jìn)行了兩輪產(chǎn)品級(jí)電路設(shè)計(jì):第一輪電路設(shè)計(jì)中完成了主控板的基本功能，包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換!相電流的采集、加速踏板信號(hào)的采集、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、鑰匙門(mén)開(kāi)關(guān)的采集、解碼芯片的驅(qū)動(dòng)等。在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)試,我們又進(jìn)行了第二輪硬件設(shè)計(jì)，新的主控板硬件電路在功能上分布上更加合理：原來(lái)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)移到

72、驅(qū)動(dòng)板上；舍棄了一些無(wú)用的電平轉(zhuǎn)換芯片，降低了生產(chǎn)成本；10口的分布也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。PCB布線(xiàn)由原來(lái)的雙面PCB板升級(jí)為抗干擾能力更強(qiáng)的四層PCB板。</p><p>　　圖 3—1 硬件電路主控模塊原理圖</p><p>　　如圖3-4所示，主控板的硬件電路主要包括五部分：電流檢測(cè)模塊、母線(xiàn)電壓檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)模塊、智能功率模塊驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓保護(hù)電路、電

73、源模塊設(shè)計(jì)和CAN總線(xiàn)通訊電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.3 控制電路硬件設(shè)計(jì) </p><p>　　在硬件設(shè)計(jì)當(dāng)中，主控電路的主要功能就是將各個(gè)模塊電路和CPU的連接，完成主控電路的信號(hào)采集和CPU處理后的信號(hào)輸出功能。</p><p>　　主控電路的CPU采用C8051F120為主控芯片，主要完成電流檢測(cè)、母線(xiàn)電壓檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)、PWM信號(hào)輸出、過(guò)

74、壓、過(guò)流、欠壓保護(hù)和CAN總線(xiàn)通訊等方面任務(wù)。</p><p>　　3.3.1 電流檢測(cè)模塊</p><p>　　電流信號(hào)的采集通過(guò)安裝在電機(jī)內(nèi)部的電流傳感器來(lái)采集電機(jī)的三相電的相電流，進(jìn)而進(jìn)行電流信號(hào)的濾波、檢測(cè)處理，信號(hào)輸入到CPU進(jìn)行處理，再通過(guò)CAN總線(xiàn)來(lái)將電流相關(guān)信息發(fā)送到整車(chē)控制器CPU當(dāng)中，進(jìn)而提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作電流的需求。電流采集模塊正常工作電流范圍為：-500A—+500

75、A，輸出請(qǐng)求電壓為：0V—5V，而主控芯片的工作電壓為：3.3V，因此需要電源模塊進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換工作，最后完成電流的采集和控制工作。</p><p>　　圖 3—2 電流采集模塊</p><p>　　圖 3—3 電流采集模塊</p><p>　　MLX91207自帶溫度檢測(cè)傳感器， MLX91207溫度傳感器輸出電壓到對(duì)應(yīng)檢測(cè)溫度的到，是該芯片的使用極限溫度，對(duì)

76、電路板來(lái)說(shuō)也是較高的溫度，符合工作溫度變化范圍，當(dāng)輸出電壓到達(dá)時(shí)單片機(jī)會(huì)有相應(yīng)的停止工作的動(dòng)作，前文所述的四路運(yùn)放器還有一路并未使用，設(shè)計(jì)將它用在溫度檢測(cè)電路中作為跟隨器，這樣四個(gè)運(yùn)放器都被使用。在溫度檢測(cè)電路部分的末端同樣增加了低通濾波器和鉗位電路。電機(jī)A、B相和直流母線(xiàn)電流分別用三個(gè)霍爾式電流傳感器測(cè)定，C相電流用基爾霍夫定律算定。在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)電路進(jìn)行標(biāo)定以提高測(cè)量精度。</p><p>　　3.3.2

77、 母線(xiàn)電壓檢測(cè)模塊</p><p>　　電壓檢測(cè)電路如圖 3-6 所示。直流母線(xiàn)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放 AD7400A 后，通過(guò)TL084D低通濾波環(huán)節(jié)和 AD7400A 構(gòu)成的電壓跟隨器后，送入C8051F120 的 ADAIN0.6 口。同樣，通過(guò)改變電路電阻阻值的大小，改變運(yùn)放的放大倍數(shù)，使進(jìn)入 ADC 的電壓控制在0—3.3V 之內(nèi)。</p><p>　　圖 3—4 母線(xiàn)電壓采集模塊

78、</p><p>　　在設(shè)計(jì)中首先從正極母線(xiàn)和負(fù)極母線(xiàn)引出兩條線(xiàn)，并經(jīng)過(guò)精密電阻的串聯(lián)分壓將最高為380V的高壓電降壓成為只有的低壓電，隔離芯片輸入端并聯(lián)在的分壓電阻兩端，經(jīng)芯片轉(zhuǎn)化后變?yōu)轭l率為的3.3V的脈沖電壓，在這樣高的頻率下經(jīng)過(guò)無(wú)緣RC濾波器脈沖信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)。芯片輸入端和輸出端分別用+5V和+3.3V的電壓供電，達(dá)到了電源隔離的目的。最后為了不讓單片機(jī)的數(shù)字信號(hào)干擾模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)增加了一路運(yùn)算

79、放大器作為跟隨器進(jìn)行隔離。</p><p>　　3.3.3 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)模塊</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)子信號(hào)的解碼模塊通過(guò)采集并處理固定在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)，進(jìn)而采集當(dāng)下電機(jī)轉(zhuǎn)子工作的絕對(duì)角度，并通過(guò)C8051F120芯片的AIN口將信息傳送到CPU的處理中心，供PARK、逆PARK運(yùn)算使用。</p><p>　　旋變信號(hào)解碼模塊為旋轉(zhuǎn)編碼器提供兩

80、路勵(lì)磁信號(hào)(EXCI/EXCZ)，旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)子隨電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)時(shí),兩相正交的感應(yīng)繞組會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)(SinI/SinZ,CosI/CosZ)，我們通過(guò)解碼芯片(ADZS1200)采集!處理感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子的絕對(duì)角度。為了減少干擾,提高采集信號(hào)的精度,我們?cè)诒ＷC數(shù)據(jù)合理有效范圍內(nèi)，提高了勵(lì)磁信號(hào)的電壓幅度：在旋變信號(hào)解碼模塊內(nèi)通過(guò)MC33O63A器件，將5V供電到了+12V，在提高勵(lì)磁信號(hào)幅值的同時(shí)，避免了直接從主控板供電

81、電源(+12V)取電。</p><p>　　圖 3—5 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)原理圖</p><p>　　為了方便增量式光電傳感器的拆裝和更換且它是六路輸出，在本設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路中設(shè)置了一個(gè)六頭的插頭作為輸入接口，為了防止電機(jī)高電流和高電壓的變換的電磁干擾通過(guò)電路傳到控制器主控板，因此設(shè)計(jì)了光耦隔離，隔離光耦采用6N137高速光耦，光耦輸出5V的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦電路的信號(hào)被反相且上升沿

82、和下降沿的時(shí)間較長(zhǎng)，為保證波形與傳感器輸出一樣和提高波形質(zhì)量設(shè)計(jì)增加了一個(gè)三態(tài)反相緩沖器SN74LS540，波形經(jīng)反響和整形后輸入到單片機(jī)引腳。</p><p>　　3.4 智能功率模塊驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　C8051F120 的 PWM 信號(hào)輸出電壓在 0—3.3V之間，雖然IGBT 內(nèi)部已經(jīng)包含驅(qū)動(dòng)電路，但還需要提供驅(qū)動(dòng)電源和開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。IR2135J采用 15V

83、的驅(qū)動(dòng)電源，為具有良好的電氣隔離性能，保證 IGBT 能夠安全可靠的工作，運(yùn)用光電耦合器進(jìn)行隔離。由于 功率驅(qū)動(dòng)電路要求傳輸延遲時(shí)間在 0.5us 以?xún)?nèi)，因而需選用高速光電耦合器 TLP559。具體硬件電路如圖 4-6 所示。PWM 波先經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器整形，變?yōu)榉禐?5V 的脈沖波，然后再經(jīng)過(guò)高速光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離產(chǎn)生 15V 的PWM 波用于驅(qū)動(dòng)IGBT。</p><p>　　圖 3—6 智能功率模塊驅(qū)動(dòng)

84、原理圖</p><p>　　光耦輸出的15V的信號(hào)進(jìn)入到芯片的高橋和低橋控制管腳中，HO1、HO2、HO3為高橋輸出信號(hào)，LO1、LO2、LO3為低橋輸出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)由60P03和60N03組成的“對(duì)挽放大”電路進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)IGBT。VB1~VB3、VS1~VS3為浮動(dòng)補(bǔ)償電壓。FLT-CLR為故障清除管腳，當(dāng)電壓為8V時(shí)故障清除，芯片回復(fù)工作。TLP521-1光耦實(shí)現(xiàn)了在驅(qū)動(dòng)芯片正常工作時(shí)隔離單片機(jī)的作

85、用，R70為上拉電阻，當(dāng)光耦工作時(shí)STOP端被拉為3.3V的高電平。</p><p>　　3.5 保護(hù)電路硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)的永磁同步電機(jī)屬于高壓工作系統(tǒng)，因此為保證控制系統(tǒng)能夠正?？煽康毓ぷ?，防止一些故障和突發(fā)性因素對(duì)電路造成損壞，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，因而系統(tǒng)的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是必不可少的。 </p><p>　　本系統(tǒng)綜合考慮了各方面

86、的因素，設(shè)置了過(guò)電壓、過(guò)流、欠壓和IPM 模塊故障等保護(hù)電路。</p><p>　　3.5.1 過(guò)壓、過(guò)流、欠壓保護(hù)電路</p><p>　　借助于電流采集模塊和電壓采集模塊的信號(hào)，在經(jīng)過(guò)主控芯片處理之后，在主控芯片內(nèi)會(huì)設(shè)置一個(gè)保護(hù)電流和電壓的上限值，如果采集系統(tǒng)采集到的電壓和電流超過(guò)主控芯片設(shè)定的上限值，那么主控芯片測(cè)會(huì)將相關(guān)信號(hào)輸出到保護(hù)電路的當(dāng)中，保護(hù)電路接收到來(lái)自主控芯片的電流和

87、電壓信號(hào)，利用檢測(cè)電路的控制部分去強(qiáng)制將智能功率模塊的控制電路斷開(kāi)PWM的信號(hào)輸出，這樣就可以中斷電機(jī)的工作，并且在功率模塊中斷工作之后還會(huì)將信號(hào)反饋到主控芯片當(dāng)中，這樣就可以對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行二次保護(hù)控制。這樣就可以很大程度上實(shí)現(xiàn)了電路的保護(hù)作用，讓控制系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠地工作。</p><p>　　圖 3—7 過(guò)流保護(hù)電路原理圖</p><p>　　圖中兩個(gè)電壓比較器組成門(mén)限比較器，母線(xiàn)電壓

88、檢測(cè)電路的輸出值作為待比較值，3.3v經(jīng)過(guò)一系列電阻分壓后的電壓值作為比較值，比較值經(jīng)過(guò)換算，上門(mén)限為2.688V下門(mén)限1.84V對(duì)應(yīng)電壓380V和260V，當(dāng)電壓屬于這兩值之間時(shí)為正常電壓，比較器輸出高電平，否則輸出低電平。輸出信號(hào)通過(guò)反相器反相，這里選擇連接到轉(zhuǎn)子檢測(cè)電路的八路反相器中提高反相器管腳利用率，此過(guò)壓欠壓信號(hào)隨后輸入到ITRIP管腳。</p><p>　　圖 3—8 欠壓保護(hù)電路原理圖</

89、p><p>　　溫度保護(hù)和母線(xiàn)電流保護(hù)電路分別使用一個(gè)電壓比較器作為單向比較器，當(dāng)母線(xiàn)電流超過(guò)180A（過(guò)流）時(shí)霍爾傳感器的輸出為對(duì)應(yīng)電壓3.132V，當(dāng)單向比較器待比較電壓大于3.132V時(shí)輸出高電平，否則為低電平；當(dāng)溫度高于（過(guò)溫）時(shí)溫度傳感器輸出電壓2.93V，但是極限電壓，設(shè)計(jì)中比較電壓設(shè)計(jì)為2.929V，即待補(bǔ)交電壓一旦到達(dá)2.93V比較器就會(huì)輸出高電平，否則為低電平。這兩路信號(hào)同樣連接到ITRIP管腳。當(dāng)

90、出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及過(guò)溫的其中一種情況時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片就會(huì)停止工作。</p><p>　　因?yàn)樵谕Ｖ构ぷ骱驠AULT管腳會(huì)被拉低（這個(gè)過(guò)程為8ns），設(shè)計(jì)將FAULT管腳連接到單片機(jī)，從而給單片機(jī)一個(gè)停止信號(hào)，從硬件和軟件兩方面停止工作保護(hù)電機(jī)。</p><p>　　3.6. 電源模塊設(shè)計(jì) </p><p>　　電源模塊提供主控板各器件正常工作所需的供電,主控板的供電

91、由電機(jī)控制器外部±15V的電源提供。經(jīng)過(guò)電源模塊的LM2840/FDC20-24D15器件及其相關(guān)的外圍電路的處理，可以提供±5、±3.3V和±15V等多種供電。</p><p>　　為了提供電路的抗干擾性與穩(wěn)定性，主控板上的數(shù)字電與模擬電是由兩路供電系統(tǒng)分別提供的。具體供電分配如表3-1：</p><p>　　表 3-1 主控模塊電源分配表<

92、;/p><p>　　由于主控模塊需要使用到15V的電壓，所以外部供電電壓必須使用到比15V大的電源，又根據(jù)目前電機(jī)本身的需要，所以選擇了24V作為外部電源的電壓值。具體的電源模塊的電壓轉(zhuǎn)換如圖所示：</p><p>　　圖 3-9 電源電路原理圖</p><p>　　如圖3―10。FDC20―24D15是一款可輸出正負(fù)15V電壓的集成電源。兩款電源的出入電壓都是直流3

93、6V，假設(shè)36V是由BMS模塊供給，在實(shí)際應(yīng)用中在BMS中設(shè)置低壓直流電源輸出較為簡(jiǎn)單，也使集成度提高。在設(shè)計(jì)中四個(gè)電源電路并聯(lián)在一起通過(guò)一個(gè)兩腳插頭與外電路連接，100W的外電路功率的滿(mǎn)足控制器運(yùn)行需求。</p><p>　　3.7 CAN總線(xiàn)通訊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　由于C8051F120片內(nèi)不具備CAN通訊功能，因此需要在外部加載CAN通訊模塊，再通過(guò)P0接口將信號(hào)輸送到C

94、8051F120主控芯片內(nèi)，從而進(jìn)行信號(hào)的處理和發(fā)送，目前CAN總線(xiàn)通訊基本是執(zhí)行CAN2.0的標(biāo)準(zhǔn)，在本設(shè)計(jì)中使用了CAN2.0的標(biāo)準(zhǔn)，SJA1000是本設(shè)計(jì)中CAN總線(xiàn)所使用的收發(fā)信號(hào)的控制器，而PCA82C250是CAN總線(xiàn)通訊收發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，這樣一來(lái)就可以通過(guò)外部設(shè)計(jì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN的總線(xiàn)通訊功能。</p><p>　　CAN通信模塊的功能是提供電機(jī)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器與外界進(jìn)行信息、命令的交互方式?？?/p>

95、以通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行工況檢測(cè)、信息處理、在線(xiàn)調(diào)試、參數(shù)控制、命令傳輸?shù)葘?shí)時(shí)監(jiān)控。</p><p>　　本文的CAN總線(xiàn)通訊模塊如下圖所示：</p><p>　　圖 3-10 CAN總線(xiàn)通訊電路原理圖</p><p><b>　　3.8 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章是根據(jù)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理，設(shè)

96、計(jì)了基于 C8051F120 的永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的硬件電路。并對(duì)主電路、控制電路、保護(hù)電路以及其他接口電路做了較為詳細(xì)的論述。</p><p>　　4 永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件的設(shè)計(jì)部分是永磁同步電機(jī)控制器設(shè)計(jì)重要一部分，也是整個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中最為復(fù)雜的一部分，因?yàn)檐浖脑O(shè)計(jì)需要考慮很多的因素，因此并不像硬件電路那樣具有可預(yù)見(jiàn)性，而軟件的設(shè)計(jì)，在PC

97、機(jī)上的調(diào)試成功并不代表完全沒(méi)有錯(cuò)誤，或者一定能夠在實(shí)際當(dāng)中順利的運(yùn)行，因此控制系統(tǒng)的軟件部分會(huì)直接影響到整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。軟件的優(yōu)良設(shè)計(jì)是不可缺少的。</p><p>　　由于電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件控制方面十分復(fù)雜，并且編寫(xiě)矢量控制算法程序工作量十分龐大和復(fù)雜，所以在編寫(xiě)過(guò)程中需要進(jìn)行程序的模塊化、容易移植和易生級(jí)性。此外，永磁同步電機(jī)控制器還有較多的算法，比如：PWM模塊運(yùn)算，坐標(biāo)變換以及正余弦函數(shù)的運(yùn)算

98、等。所以采用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序，C語(yǔ)言也是高級(jí)語(yǔ)言，更能讓讀者讀懂程序中表達(dá)的含義，并且便于讀寫(xiě)和維護(hù)，又具有很高的編譯效率。</p><p>　　電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面的工作：主控模塊的基本功能調(diào)試、算法與控制邏輯的實(shí)現(xiàn)，PC機(jī)測(cè)試開(kāi)發(fā)平臺(tái)(Keil µVision4 IDE)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.1 Keil µVision4軟件開(kāi)

99、發(fā)環(huán)境介紹</p><p>　　Keil µVision4是在2代以及3代的基礎(chǔ)上進(jìn)行改革性的轉(zhuǎn)變，Keil uVision4優(yōu)化出了靈活的窗口管理系統(tǒng)，讓使用Keil µVision4開(kāi)發(fā)人員能夠使用多臺(tái)監(jiān)視器，Keil µVision4還對(duì)視覺(jué)上的窗口進(jìn)行了位置方面的人性化設(shè)置，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的用戶(hù)界面能夠利用PC機(jī)的有限空間來(lái)組織多個(gè)軟件窗口化，為開(kāi)發(fā)者提供了一個(gè)簡(jiǎn)潔的，高效的應(yīng)用

100、程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。Keil µVision4新版本還支持最新的ARM芯片、C8051F系列芯片等，還添加了很多其他新功能。</p><p>　　4.1.1 Keil µVision 4的特征功能</p><p>　　經(jīng)過(guò)升級(jí)后的Keil uVision4 IDE，目的是幫助使用者以及專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)人員提高開(kāi)發(fā)效率，因此Keil uVision4升級(jí)做了窗口管理系統(tǒng)的靈活設(shè)計(jì)，除

101、此之外，Keil uVision4升級(jí)之后，還增加了以下特殊功能：</p><p>　　多顯示器和靈活的窗口管理系統(tǒng)；</p><p>　　系統(tǒng)瀏覽器窗口能夠展示系統(tǒng)設(shè)備的外設(shè)寄存器信息；</p><p>　　具備還原視圖和調(diào)試窗口布局多個(gè)化特點(diǎn)；</p><p>　　多項(xiàng)目工作區(qū)簡(jiǎn)化與眾多的項(xiàng)目；</p><p>　

102、　圖 4-1 Keil uVision4 IDE 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境</p><p>　　圖 4-2 Keil µVision 4設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程</p><p>　　Keil µVision 4還具有以下功能：</p><p><b>　　uVision </b></p><p><b&

103、gt;　　集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 </b></p><p><b>　　調(diào)試器 </b></p><p><b>　　模擬器</b></p><p>　　keil c51擴(kuò)展8051編譯工具 </p><p>　　AX51 宏匯編器 </p>

104、<p>　　CX51 ANSI C 編譯器 </p><p>　　LX51鏈接器/定位器 </p><p>　　Keil c51編譯工具 </p><p><b>　　A51 宏匯編器 </b></p><p>　　C51 ANSI C 編譯器 </p&g

105、t;<p>　　BL51 Code Banking 鏈接器/定位器 </p><p>　　OH51 Object -HEX轉(zhuǎn)換器 </p><p>　　OC51 Banked Object 轉(zhuǎn)換器</p><p>　　keil c51目標(biāo)調(diào)試器 </p><p>　　FlashMON51目標(biāo)監(jiān)控器&

106、lt;/p><p>　　MON51目標(biāo)監(jiān)控器</p><p>　　MON390(Dallas 390)目標(biāo)監(jiān)控器</p><p>　　MONADI(Analog Devices 812)目標(biāo)監(jiān)控器</p><p>　　ISD51 In-System調(diào)試器</p><p>　　RTX51小實(shí)時(shí)內(nèi)核</p>&l

107、t;p>　　4.2 軟件的整體結(jié)構(gòu)</p><p>　　控制系統(tǒng)的程序主要由主程序、中斷服務(wù)程序、初始化程序以及子程序四個(gè)部分組成，在程序運(yùn)行的過(guò)程中首先會(huì)執(zhí)行系統(tǒng)初始化子程序，并完成相關(guān)控制系統(tǒng)的寄存器初始化以及程序中變量定義和初始值的設(shè)置過(guò)程，然后進(jìn)入While（1）循環(huán)階段。所有的程序算法和邏輯實(shí)現(xiàn)是在定時(shí)器中斷里進(jìn)行，周期為240us。當(dāng)油門(mén)踏板動(dòng)作時(shí)，輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)"其

108、軟件總體框圖如圖所示：</p><p>　　圖4—3 電機(jī)控制器系統(tǒng)軟件圖框</p><p>　　如上圖所示，系統(tǒng)首先會(huì)進(jìn)行上電，上電之后系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行自檢階段，若自檢無(wú)誤測(cè)進(jìn)行下一個(gè)程序階段；上電之后系統(tǒng)就開(kāi)始初始化，系統(tǒng)的初始化包含了主程序的初始化和各個(gè)模塊間的子程序初始化，初始化的目的就是給各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)入初始或者賦初值狀態(tài)等；當(dāng)完成初始化之后，主程序就會(huì)進(jìn)入到While（1）循環(huán)階段，

109、在While循環(huán)中會(huì)對(duì)電機(jī)的狀態(tài)、電機(jī)電流、電壓等數(shù)據(jù)的檢測(cè)，直到While循環(huán)遇到電機(jī)“Break”后停止循環(huán)，執(zhí)行下一個(gè)目標(biāo)程序，既開(kāi)始進(jìn)行定時(shí)器的中斷服務(wù)。中斷執(zhí)行過(guò)程中， 開(kāi)始調(diào)用各個(gè)子程序，并且會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)別進(jìn)行調(diào)用，優(yōu)先級(jí)別最高的會(huì)首先要求系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)，當(dāng)系統(tǒng)完成各個(gè)程序的調(diào)用之后，會(huì)再返回進(jìn)行循環(huán)階段，一直到系統(tǒng)遇到“Stop”后停止系統(tǒng)工作。</p><p>　　4.3 空間矢量算法子程序&

110、lt;/p><p>　　SVPWM信號(hào)的輸出是根據(jù)采集到的相關(guān)信號(hào)，然后通過(guò)轉(zhuǎn)速環(huán)、扭矩環(huán)電流環(huán)進(jìn)行PI運(yùn)算，才得到q軸和d軸的輸出值，進(jìn)而進(jìn)行矢量控制的運(yùn)算，最后得到相應(yīng)的PWM信號(hào)，再傳輸?shù)津?qū)動(dòng)板上進(jìn)行實(shí)時(shí)的電機(jī)矢量控制。根據(jù)矢量控制的原理，用C語(yǔ)言程序來(lái)實(shí)現(xiàn)空間矢量算法。程序流程圖如下圖所示。</p><p>　　圖 4-4 SVPWM信號(hào)產(chǎn)生流程圖</p><p&

111、gt;　　4.4 中斷服務(wù)程序</p><p>　　中斷是在處理器在運(yùn)行程序的過(guò)程中，CPU接受到需要緊急處理的信號(hào)時(shí)，CPU會(huì)暫停目前所進(jìn)行的工作，轉(zhuǎn)到需要緊急處理的事件去，優(yōu)先處理緊急時(shí)間。當(dāng)控制中心處理完緊急事件之后，處理器會(huì)返回到中斷前的事件當(dāng)中，繼續(xù)中斷前的工作，這樣就完成了一個(gè)中斷工作。</p><p>　　由于這種中斷類(lèi)似于一種應(yīng)急服務(wù)，所以稱(chēng)之為中斷服務(wù)程序。</p