基于单片机的电动车控制系统设计(毕业设计)

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1、 毕 业 设 计 题 目： 基于单片机的电动车控制系统设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的

2、印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留

3、、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：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）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数

4、要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：

5、按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题的研究背景11.2 电动汽车发展的必要性11.3 电动汽车的基本机构21.3.1 电动汽车的工作原理与技术概述21.3.2 电动汽车的基本结构2第2章 基于单片机的系统控制策略研究52.1 控制系统的整体构成52.2 系统主要控制策略概述62.2.1 位置及电流检测信号处理单元62.2.2 速度调节及检测方案62.2.3 起动与换相控制方案102.2.4 蓄电池检测方案112.2.5 驱动、逆变电路控制方案122.2.6 故障检测与系统保护122.3 核心控制器件的选择13第3章

6、 系统硬件设计153.1 信号检测电路设计153.2 电机转速控制电路163.2.1 测速及换向调速电路163.2.2 速度检测及给定环节173.2.3 系统软件控制183.3 PWM波的控制单元193.3.1 PWM信号的产生及输出控制193.4 电池电压检测单元213.5 系统硬件可靠性设计223.5.1 电源与集成芯片去藕223.5.2 隔离及电磁兼容设计22第4章 系统软件设计244.1 主程序框图244.2 INT0中断服务程序254.3 子程序设计25结论27致谢28参考文献.29不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- VII -千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点

7、右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- VIII -第1章 绪论1.1 课题的研究背景汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。在能源方面，目前世界汽车保有量约8亿辆，并以每年3000万辆的速度递增，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆，主要增幅来自发展中国家。我国汽车产销保持快速增长，2007年汽车产量接近900万辆。作为能源消费大国，我国形势更为严峻，2007年中国原油消费总量约为3.5亿吨，其中净进口原油1.6亿吨，

8、占原油消费总量的45.7%，能源大量进口危及到国民经济正常运行和国家能源安全。在环境方面，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要原因之一。调查研究表明，平均而言大气污染的42%来源于交通运输。据有关部门2002年统计，在全国600多座城市中，空气质量达到国家一级标准的城市不足1%。汽车排出的气体使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题，并对人类和动植物产生危害，严重威胁着人类的身体健康1。由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车使用的能源是可以用于发电的一切能源。因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，

9、改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。 1.2 电动汽车发展的必要性电动汽车具有舒适干净、噪声低、不污染环境、操作简单可靠及使用费用低等优点，被称为绿色汽车。电动汽车技术则提供了对大气污染问题的一种解决方法，它不产生尾气排放，运行时几乎不产生污染，是一种真正意义上的零污染汽车。从汽车发展的历史来看电动汽车其实比燃油汽车还要早诞生几年，但受电池和驱动控制技术的局限,其发展却远远落后于燃油汽车。电动汽车是以电池为动力的汽车，与燃油汽车有显著的区别。汽车虽给国民经济带来了发展给人类带来了方便，但也给人类带来了巨大的灾害，42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放，80%的城市噪声是由交通工

10、具产生的，当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽车是消耗石油的大户！因而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。1.3 电动汽车的基本机构1.3.1 电动汽车的工作原理与技术概述电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同2。蓄电池电流电力调节器电动机动力传动系统驱动汽车行驶电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。它使

11、用存储在电池中的电来发动。在驱动汽车时有时使用12或24块电池，有时则需要更多。蓄电池供电给，照明系统，测量系统，驱动系统。电动车技术特点： 无污染，噪声低。 能源效率高，多样化。 结构简单，使用维修方便。 动力电源使用成本高，续驶里程短。1.3.2 电动汽车的基本结构1、电源电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，许多新型电池也在发展中。这些电源（电池）主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景

12、。 2、驱动电动机驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BLDCM）、开关磁阻电动机和交流异步电动机所取代。3、电动机调速控制装置电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实

13、现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（如GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的旋向变换，这使得电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变

14、换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。4、传动装置电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。5、转向装置专项装置是为实现汽车的转弯而设置的，

15、由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。6、制动装置电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。7、行驶装置行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。它同其他汽车

16、的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。8、工作装置工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成2。电动汽车的技术内容包括： 驱动电池技术：镍氢电池，镍镉电池，铅酸电池，钠硫电池，锂离子电池、燃料电池等，应具有比功率和比能量高，能满足动力性和续驶里程的要求：充电时间短、充电动循环多，以方便使用和保证寿命。 电机技术：主要有四种电机：直流电机、永磁电机、开关磁阻电机、交流感应电机。要求重量轻、效率高、可靠性好。 驱动系统控制与集成技术：多采用单片机和功率器件配合作为控制系统，功率器件主要使用IGBT

17、（绝缘栅双极晶体管）。 电池监视与管理系统技术。 充电系统技术。 电动汽车整车布置及匹配技术。第2章 基于单片机的系统控制策略研究2.1 控制系统的整体构成在其它硬件条件相同的情况下，控制系统决定着电动车的性能，相当于系统的神经中枢发出控制命令及处理各种异常情况。它的作用如下3。1、提高电机和蓄电池的效率，节省能源。2、保护电机及蓄电池。3、降低电动车在受到破坏时的损伤程度。4、保障使用者和他人的人身安全。本文设计的电动汽车控制系统主要由以下几部分组成：以单片机为核心的主控电路；以IR2131S为核心的驱动电路；功率逆变电路；位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围辅助电路。控制电路的主

18、要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护；驱动电路的主要功能是利用IR2131S的自举技术驱动功率MOSFET管控制电机电流；而外围辅助电路主要完成信号的采样、对电路的供电、发出报警信号等功能。系统原理框图如图2-1所示。报警信号单片机电源保护电路驱动电路IR2131S电流信号处理电路位置信号处理电路BLDCM整流稳压功率逆变器电池电压转速给定图2-1系统原理框图直流电源通过MOSFET构成的逆变桥向BLDCM供电，单片机在新的采样周期到来时，先判断系统的状态，如是静止状态则用软件开环起动，当达到一定速度后再切换到常规换相运行状态。“软启”的电控方案解决了零状态起

19、步耗电大的问题，大幅度地提高了一次充电的续行里程。常规的换相运行是直接根据位置传感器传来的信号进行换相控制，同时将电机速度反馈信号和手把给定的速度信号相减，得出偏差，经过控制算法得出控制量。再把控制量以PWM的形式输出给驱动电路，由驱动电路调节逆变器的输出电压，就调节了电机的电流大小，从而调节电磁转矩；当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度便达到了给定。2.2 系统主要控制策略概述2.2.1 位置及电流检测信号处理单元在对无刷直流电机的控制中，磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。方波电流驱动无刷直流电机是借助于位置检测信号控制逆变器换流以达到在电机定子线圈中通以互差120的方波电流才能正常

20、运行4。本系统采用霍尔元件式位置传感器来检测电机的位置信号。该传感器是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔120电角度，永磁体的极弧宽为180电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽为180电角度、相位互差120电角的矩形波信号。这三路信号经过一定的整形措施后被送到单片机的数字I/0口，以确定相位信息。霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、工作可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁

21、体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的稀土永磁无刷直流电动机应用场合，大量使用霍尔元件式位置传感器5。电流检测是系统电流环控制的重要环节，对于电流检测有两种方案: 1、采用电流检测模块。现在电流检测模块种类很多，以霍尔器件为主，反应很灵敏；但是，对于直流无刷机的控制特点，至少需要检测两相电流，需要两组传感器，这样就使成本提高了。2、采用一个分流电阻间接测流。在直流侧接相应阻值和瓦数的分流电阻，通过测量电阻上的电压，来测量直流回路的电流；然后检测三相绕组的相电压以确定采样的直流侧电流是哪一相的电流值。这种方案对于A/D转换的精度和软件数据处理有一定要求，但是造

22、价很低，本系统采用第2套方案。2.2.2 速度调节及检测方案本车采用的无刷直流电动机可以通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。图2-2是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us,t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0,t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程14。图2-2输入输出电

23、压波形电动机电枢绕组两端的电压平均值为： (2-1) 式中占空比表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，变化范围为01之间。所以当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。本系统利用AVR单片机的PWM口，通过软件编程改变占空比的大小控制电机调速。 最简单的调速系统为开环调速系统，但它的调速精度太低，不适用于电动车的调速系统。为了保证调速精度，本系统采用图2-3的电流、速度双闭环控制方案。这种控制方式把速度调节器作为主调节器，电流调节器作为辅助调节器。速度给n*与速度反馈nf送给速度调节器(SR)，速度调节器的

24、输出作为电流信号的参考值iref，与电流信号的反馈值if一起送至电流调节器(CR)，电流调节器的输出为电压参考值U*。与给定载波比较后，形成PWM调制波，控制逆变器的实际输出电压。图2-3无刷直流电机速度、电流双闭环控制双闭环调速的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电机的转矩和电流。这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的差额及时控制电机的转矩，在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值，在转速接近给定值时，又能使转矩自动减小，这样可避免过大的超调，以利于调速过程的快速性。本系统电流调节器用PI调节器，速度调节器为改进的PI调节器。数字PI控制是

25、普遍采用的一种过程控制算法，P是指比例项(Proportional)，是指积分项(Integral)，基本的PI控制算法有位置型和增量型两种。位置型PI算法的表达式是： (2-2) 其中是输入，起控制作用，为比例系数，为积分时间常数。增量型算法表达式是： (2-3) 其中。它们两者在本质上是一样的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的优点：1、控制器只输出增量，所以由误动作造成的影响比较小。2、手动一自动切换的冲击小。3、式中不需要累加，增量只与最近的两次采样有关，容易获得较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时产生饱和的危险。所以，本系统电流调节器采用增量式PI控制。其中采样周期的选取要考虑

26、以下三个因素：1、采样过程对保真度的影响，根据香农(Shannon)采样定理，采用频率至少为低通信号频谱最高频率的2倍。2、采样周期的大小和控制器的性能要求的影响，采样频率的提高必然要求控制器有足够快的运算速度，以满足在两次采样数据之间完成必须的处理计算。3、采样周期和主电路的功率器件的承受能力有关，高的采样频率必然要求高的PWM频率，一方面，PWM频率越高，输出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也越高，引起发热、散热的问题，另外，高的PWM频率可能使电磁辐射更加严重。综上各因素，考虑到使PWM频率在人耳敏感的频率范围(300Hz 4kHz)外，在本系统中，电流环采样频率定为5kHz，

27、就基本达到了预期效果。对于速度环的控制本系统根据AVR单片机逻辑判断能力强、编程灵活的特点采用改进的PI算法一积分分离PI算法来实现。该算法的表达式为： (2-4) 积分分离算法要设置积分分离阀,时，采用PI控制，可保证系统的控制精度；当时，也即偏差较大时，采用PI控制可使超调量大为降低。还有一种神经元自适应PI算法也是近些年来应用较多的控制算法，其表达式为： (2-5) 为对应与的加权系数，K(0）为神经元比例系数。该控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能的，加权系数的调整采用有监督的Hebb学习规则。电机的转速是双闭环系统的一个重要反馈量，如果安装测速器来解决这个问题无疑会增

28、加系统的硬件投资和整个系统的体积。所以在本系统中将利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速。经过上拉、滤波后的脉冲信号如图2-4所示。它们是脉宽为180度，相位上互差120度的方波信号。对其中的任一位置传感器而言，电动机每转能产生P个方波脉冲，P为电动机的极对数，显然这种方波脉冲的频率是正比于电机转速的。图2-4三相位置信号2.2.3 起动与换相控制方案无刷直流电机的反电动势大小和电机的转速成正比，在电机静止时电动势为零，没有换相信号，电机不能自起动。有些文献提出了一些附加电路来控制起动的方案。这样就增加了系统成本且使系统复杂化。而本文基于AVR单片机的起动控制策略无需附加任何电路，

29、由软件程序控制正常起动，体现“硬件软化”的设计思想。 软起动控制策略为：先由程序控制给任意两相定子绕组通电而另一相关断，则电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，经过一段时间即可确定转子的初始位置。然后按照电机旋转方向的换相顺序由程序控制给相应绕组馈电，使电机起动。期间不进行位置检测，换相时间间隔由软件延时控制，且该时间间隔不变，程序控制PWM波占空比逐渐增大以提高电压，因此这是一种恒频升压的起动方式。开环起动过程持续一个换相周期后，电机己经具有一定的速度，可以通过位置传感器检测到转子的位置，此时就跳出开环起动过程，进入由位置检测信号控制电机换相的自控式运行状态。

30、首先找出三个转子位置传感器信号H1，H2, H3的状态与六只功率管导通之间的关系，以表格形式存放在单片机的EEPROM中，如表2-1所示。这样单片机只需根据来自位置信号输入口的状态，查表即可决定下个时刻管子的导通顺序，从而控制电机的换相。表2-1 换相表H1H2H3导通的管子101V1.V2100V2.V3110V3.V4010V4.V5011V5.V6001V6.V1000电机静止，无导通管111出错2.2.4 蓄电池检测方案电动汽车使用过程中实时监测蓄电池的容量情况将给用户带来很大的方便，它能提供蓄电池的电能大约能够使车辆行驶多少里程，蓄电池是否需要充电等信息。蓄电池的总容量通常以充足电后

31、，放电至其端电压达到规定值时所释放出的总电量来表示。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量等于放电电流和放电时间的乘积： Q=IdTd (2-6)式中Q的单位为(Ah)。如果放电电流不是一个恒定的常数，蓄电池的容量为不同的放电电流与相应时间的乘积之和： Q=Id1Td1+Id2Td2+IdnTdn (2-7)由于蓄电池的容量受到很多因素的影响，长时间的使用，反复的充放电，一些蓄电池的容量将逐渐减小，因此要准确测量蓄电池的容量比较困难。本方案利用蓄电池端电压与容量之间的关系，通过测量蓄电池的端电压来监测蓄电池的容量。蓄电池的电势是指蓄电池在开路时的端电压，由于蓄电池内阻r的存在，当蓄电池两端接上负载

32、R时，内阻上就会产生压降，此时蓄电池的端电压不是电势E，而是： U=E-Ir (2-8)而蓄电池的内阻与蓄电池的容量成反比，在充电过程中，内阻逐渐减小，在放电过程中增加，通过实验的办法可测出蓄电池的容量与端电压的关系，并建立表格存于单片机的EEPROM中。实际运行中，就可利用软件让单片机对蓄电池端电压U进行测量、处理再和EEPROM中的数据进行比较得出容量的信息。这样的实时监测系统对蓄电池的保护、延长使用寿命有重要的意义。2.2.5 驱动、逆变电路控制方案驱动、逆变电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。功率场效应晶体管具有开关速度快、高频特性好、

33、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用。在本控制系统中就采用了MOSFET组成逆变器的变换电路。由于半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独立，必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外一相电流也得到了控制。因此本方案采用全桥逆变电路来控制各相位的导通6。逆变器的驱动形式主要有三种：双极性PWM、单极性PWM和倍频PWM 。双极性PWM控制模式下，逆变器在任意时刻每一相桥臂中

34、的上管与下管均处于PWM调制状态，上下管开关状态同步互补。为了避免在开关过程中桥臂出现直通短路，同一桥臂上下管切换期间需要嵌入死区，即两者同时处于断开状态。且由于上、下管均需要调制，双极性PWM开关损耗相对较高。单极性PWM则仅对逆变器上半桥或下半桥进行PWM调制。从单个桥臂来看，其上桥臂处于PWM状态时，对应下桥臂断开，反之亦然。基于同样的PWM调制频率，采用倍频型PWM则可以获得两倍于前两种PWM方式的压调制频率，可以进一步减小逆变器开关调制所对应的电流纹波。但对单片机的处理速度要求较高。综上分析，本文针对电动汽车应用的永磁无刷直流电机的驱动控制采用单极性PWM实现7。2.2.6 故障检测

35、与系统保护本系统设置了过压、欠压、过流及功率器件的保护等保护环节，并根据简单可靠原则设计了具体的保护电路。过压和欠压保护主要是针对蓄电池设置的，在运行过程中，电池的稳定性对系统是至关重要的。对蓄电池特性分析得知，当端电压下降到其终止电压时，必须停止放电，否则会损坏电池。因此，要在蓄电池正极与地之间串上分压电阻，然后进行A/D采样，单片机根据采样结果判断电池是否正常工作，如发生过压或欠压，立即发出警报，并切断电源以保护电池。以下是功率MOSFET的保护措施8。1、静电击穿的防护功率MOSFET输入阻抗极高，在高静电场情况下，电荷难以泄漏，容易使栅极绝缘薄氧化层击穿，造成栅一源短路，或因功率太大使

36、栅极引线断开造成栅极或源极开路。因此，在电路中，要保证栅源间外施电压不要超过规定限制：而且在取用、搬运、焊接等过程中人体尽量不要直接接触MOS管，因为在干燥环境下活动的人体电位可高达几千伏甚至上万伏，如果处理不当就可能对器件造成永久性损坏。 2、过电压保护由于栅源阻抗很高，漏一源间电压突然增加会通过极间电容藕合到栅极，使栅极绝缘击穿。若为正向栅一源电压增加，还会引起误导通。为此应在栅源间并联电阻或齐那二极管(约20V)，绝对不允许开路。而漏一源之间也要外加保护电路以防止开关过程中因电压的突变而产生的漏极尖峰电压损坏管子。可以采取齐那二极管钳位、二极管RC钳位或RC缓冲电路等保护措施。另外，当电

37、机因意外突然停转时，电机绕组会产生瞬间的反向高压，损坏功率管。如在系统直流母线上并联一只高耐压电容,在意外停机时，母线上产生的瞬间高压会由于电容两端电压不能突变而得到抑制。 3、过电流保护由于负载的变化可能会产生很大的冲击电流，以致超过器件的额定漏极峰值电流。在这种情况下，主回路的电流采样电阻能迅速的将电流的变化情况，通过单片机内部的A/D转换反映到电流调节环，要求系统能在微秒级的时间内将MOS管关断，这就需要选用的单片机有足够快的响应速度。过流保护电路如图2-5所示。 图2-5过电流保护电路图2.3 核心控制器件的选择基于以上对控制策略的分析与研究，本系统是一个要求高速、高效、高可靠性的控制

38、系统。要由一个能满足这些条件的控制器来控制系统的正常运行，并希望其价位适宜，这样才能更好的使研究成果向产品化发展。因此，单片机的选型十分重要。单片机概述如下：单片机微型计算机(Single-Chip Microcomputer)，简称单片机，因其主要用于控制，所以又称微控制器(MCU)。它在一块芯片上集成了一台微型计算机必需的基本功能部件，包括中央处理器(CPU)、只读寄存器(CROM)、输入输出口(I/0口)，可编程定时器/计数器等。单片机具有集成度高、功能强、结构合理、抗干扰性强和指令丰富的特点，它的应用打破了传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路、逻辑部件来实现的功能，现在都可

39、通过软件来完成。从1974年美国仙童公司生产出第一块单片机开始，在短短几十年中，单片机发展迅速，由4位、8位一直到16位单片机，目前32位的超大规模集成电路单片机(T414)也已面世，同时性能也不断提高。目前单片机已成为工控领域、军事领域及日常生活中最广泛使用的控制系统。高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位，一直是衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，采用较高分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。Intel公司推出的单片机，彻底打破这种就设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CI

40、SC)追求指令完备的做法；采用精简指令集(RISC)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。在AVR大家庭中尤为突出的是一款新型AVR高档单片机80C51。它是基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位单片机，芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备高档单片机MEGE系列的全部性能和特点，但由于采用了小引脚封装(为DIP 28和TQFP/1VILF32)，所以其价格仅与低档单片机相当，成为高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性能 价格比最好的品种9。第3章 系统硬件设计整个系统主要包括转子位置检测电路、测速电

41、路、调速电路、MOSFET全桥电路、限流电路等，图3-1所示是其原理框图。其中无刷直流电机由电动机本体、转子位置检测器和电子开关电路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置检测器可随时检测转子的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而实现电子换向。图3-1 无刷直流电动机调速系统原理框图3.1 信号检测电路设计1、位置检测位置信号是电机控制的主要反馈信息，只有确定转子的当前位置，才能根据程序要求决定下一步的定子三相绕组的导电模式。本系统采用的是霍尔传感型位置检测器，一般霍尔位置传感器是集电极开路输出，所以要在检测环节加上拉电阻。另外，对于编码信号要根据检测波形

42、采取一定的硬件滤波和软件防抖措施。经过电阻上拉和电容滤波后的信号被送到AVR单片机的数字I/O口10。位置检测电路见图3-2。图3-2位置检测电路2、电流检测电流反馈和过电流保护是所有驱动装置不可缺少的环节。本系统控制直流侧电流，测量的是母线电流，在功率管的近地端接入一个适当的负载电阻，将电流信号转换电压信号。由于80C51的A/D输入信号范围是05，用LM358构成的同相放大器，把信号进行低通滤波后再由RC电路籍位，然后送到单片机的ADC口，这样即有效的消除了尖峰噪声影响，又起到了过压保护的作用，电路如图3-3所示。 图3-3电流信号处理电路3、转子位置检测电路本设计中的无刷直流电动机有2对

43、磁极，定子绕组采用三相型接法，3个霍尔位置传感器的空间间距为60即电角度为120。3个霍尔传感器的输出H1、H2、H3分别直接接到80C51的26、27、28脚，运用这三个脚的数模转换功能(ADC)可对霍尔信号进行采样和转换。3.2 电机转速控制电路3.2.1 测速及换向调速电路要对无刷直流电动机的转速进行准确的控制首先要准确地测量出它的转速。本设计利用转子位置传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位置传感器信号经过采样调理电路后送至单片机的PD3脚，该引脚可作为外部中断源的输入口。随着电动机的转动PD3将不断接收到脉冲信号。当PD3接收到一个上升沿时将启动定时器T0以开始计时，直至接收

44、到下一个相邻的上升沿为止，定时器T0的计时结果便是电动机转动一圈所需的时间，据此即可计算出电动机的转速。无刷直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。由于前者所受的各类限制较多，且励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的是改变电枢端电压以实现调速的电枢电压控制法。设直流电源电压为Ud，为电枢串联一个电阻R并接到电源Ud，则电枢两端的电压Ua为UaUdIaR，显然,调节电阻R即可改变端电压，从而达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率较低。随着电力电子技术的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。PWM脉宽调制就是其中之一，其基本原理如图3-4所示11。图3-4 PWM波形图

45、设加在电机电枢两端的矩形波的幅值电压为Ud,则电机电枢两端电压的平均值为： （3-1）其中为占空比，通过改变的值可达到调压目的。由于, Ua的范围是UdUd，因而电机可以在正、反两个方向调速运转。3.2.2 速度检测及给定环节速度反馈的准确性对电机的调速控制非常重要，由上一章提出的软件测速法可以精确的对速度进行测量。为了提高脉冲信号的频率，便于单片机测量，本系统采用了双边沿单稳态触发电路，单相电路如图3-5所示。图3-5单相脉冲信号双边沿单稳触发电路它由一个正沿微分电路和一个负沿微分电路组成。正沿微分电路的作用是在该相接通的时刻输出一个正脉冲；负沿微分电路的作用是在该相断开的时刻输出一个正脉冲

46、。脉冲的宽度由电路的参数决定。该电路在某相信号有跳变时均产生一个正脉冲，电路中的二极管防止了输入Ui跳变时产生过高或过低的电压，起到了保护电路的作用。该电路工作原理是：当输入Ui的正脉冲到来时，即该相由断开转为接通的时刻，经RC微分电路，使U0立刻由低电平跳升为高电平，输出。也由低电平变为高电平，电路进入暂稳状态。此后U0电压按指数规律下降，当U0电压下降到与门的门坎电平时，与门重新关闭，输出U0变为低电平。电路经过一段时间回到原来的稳态。该过程中U0波形为始于绕组导通时刻的正脉冲；当输入Ui的负脉冲到来时，经微分电路使UA立刻由高电平跳变为低电平，且与非门输出U0也立刻变为高电平，电路进入暂

47、稳状态。随着电容器C放电的进行UA电位上升，当达到UA=UT=1.4V时，与非门重新开启，输出变为低电平，暂稳状态结束。该过程中输出端U0波形为起始于绕组断开时刻的正脉冲。调速是电动车不可缺少的一个功能。该系统调速功能的实现是在加速踏板上安装一个光藕可调电阻，由脚动实现的；在实验中用的是电位器，接在05V之间，给出一个模拟电压，经过简单的滤波环节后接到单片机的ADC引脚上，其原理图如图3-6所示。K点的电压Uk将随着可调电阻位置的变换而变换，向上调，Uk值增大；向下调，Uk值减小。图3-6电动汽车调速原理3.2.3 系统软件控制80C51在软件上能有效支持C语言及汇编语言。C语言目前已成为设计

48、嵌入式系统的标准语言，它既有普通高级语言结构化编程、可读性好、维护方便的特点，又具有汇编等低级语言对硬件访问方便、代码效率高的特点。本设计是用C语言编程实现的，具有很好的可移植性，其程序流程图如图3-7所示12。图3-7程序流程图3.3 PWM波的控制单元3.3.1 PWM信号的产生及输出控制在电机控制系统中，PWM被用来控制开关器件的开关时间，为电机绕组提供所需的能量，控制电机的转速和转矩。提供给电机的电压或者电流就是这种调制信号。要产生一个PWM信号，需要有一个合适的定时器来重复产生一个与PWM周期相同的计数周期，一个比较寄存器保持着调制值。比较寄存器的值不断与定时器计数器的值比较，当两个

49、值匹配时，在相应的输出上就会产生一个转换(由高到低或由低到高)。当两个值之间的第二个匹配产生，或当一个定时器周期结束时，相应的就会在输出上产生一个转换。通过这种方法，所产生的输出脉冲的开关时间就会与比较寄存器的值成比例。每个定时周期中，这个过程都会出现，但每次比较寄存器中的调制值是不同的，这样相应的输出就会产生一个PWM信号13。本系统使用的控制芯片80C51有一个16位的定时器/计数器1 (T/C1)可运行于PWM模式，并利用PB1的第二功能一一(OC1A) T/C1输出比较A匹配输出口输出相位、频率可调的PWM波。定时器/计数器1可以从晶振时钟、预定比例晶振时钟或外部引脚中选择时钟源，这可

50、由T/C1控制寄存器B (TCCRIB)的低3位(CS12, CS11, CS10)进行设置，如表3-1所示。表3-1 T/Cl的时钟源选择CS12CS11CS10说明000无时钟源（TC1被停止）001CK（系统时钟）010CK8（来自预分频器）011CK64（来自预分频器）100CK256（来自预分频器）101CK1024（来自预分频器）110外部T1脚，下降沿驱动111外部T1脚，上升沿驱动在T/C1的控制寄存器A (TCCRIA)中可以设置PWM为8位、9位或10位。当T/C1处于PWM模式时，可以通过COM1A1和COMlA2位来设置PB1 (0C1)，如表3-2所示。 表3-2 O

51、Cl方式选择COM1A1COM1A2在0C1上的作用00不连接01不连接10清比较匹配值，向上计数置比较匹配值，向下计数（PWM不翻转）11清比较匹配值，向下计数置比较匹配值，向上计数（PWM翻转）在相位、频率可调PWM模式下，计数器为双程计数器：从0x0000一直加TOP(可以为固定的8, 9, 10位)，在下一个计数脉冲到达时，改变计数方向，从TOP开始减1计数到0x0000。计数器计数上限TOP值大/小决定了PWM输出频率的低/高，而比较寄存器的数值则决定了输出脉冲的起始相位和脉宽。通过设置比较寄存器OCRlA/OCR1B的值，可以获得不同占空比的脉冲波形。从PB1口输出的PWM波经阻容

52、滤波后输入74LS08其中一个与门，该与门的输出为其它三个与门的一路输入，另外三个输入分别由PB2, PB3, PB4控制，这三个口的输出电平决定了某一时刻三路PWM波中的某一路传送给驱动电路IR2131S中相对应的那路上桥臂驱动信号输入端，使逆变器的上桥臂受控于PWM波，而下桥臂的通断由单片机的另外三个I/0口PD4, PD5, PD6控制。于是就实现了上一章所设计的单极性PWM波调制模式。这六个口的电平变化是由单片机通过软件检查上一时刻的相位表，进而决定下一时刻是哪两个口输出有效电平，使电机运行的相位和速度得到高效的控制，电路如图3-8所示。图3-8 PWM波的输出控制电路3.4 电池电压

53、检测单元 蓄电池电压的检测是实现对其容量监控的关键，也是对电池进行欠压保护的有效途径。本系统通过采样电池的端电压，并对信号进行简单滤波后输入单片机的ADC口，用软件进行比对，当小于某个设定值时，立即采取措施，关闭电源，从而实现对电池电压的检测及对蓄电池的必要保护14。检测电路见图3-9。图3-9电池电压检测3.5 系统硬件可靠性设计可靠性指标是系统非常重要的一个指标，它关系到系统的安全与具体实现问题。影响系统可靠性的因素既有外部的也有内部的，外部的因素如电源干扰，空间电磁干扰，机械震动等，内部原因有元器件失效，内部电磁干扰，电气接触不良，软件故障等。本章详细讨论系统的硬件可靠性设计，在下一章在

54、结合软件设计讨论软件的可靠性设计。影响本系统可靠性的硬件因素主要有：(1)电源及地线干扰；(2)电磁千扰；(3)电气接触不良等。针对这些问题，本系统采取了相应的一些措施。3.5.1 电源与集成芯片去藕由设计经验表明，微机系统的干扰相当大的可能性是电源藕合造成的，在印刷电路板的电源线与地之间并接去藕电容是常见的作法。另外，集成芯片工作在高速数字逻辑条件下，频繁的切换状态也会对电源造成干扰，对芯片进行去藕设计是电源去祸的重要部分，为此在每一个数字芯片的电源与地之间，都设计了一个去藕电容。3.5.2 隔离及电磁兼容设计本系统根据芯片或器件的工作电压不尽相同的情况设计了多套电压等级不同的电源，则采取措

55、施对它们隔离是非常必要的。例如，用变压器对高压大电流的强电与实现控制的弱电部分进行了很好的隔离。不仅不同的电源之间需要隔离，模拟部分与数字部分也需要隔离，容易接受干扰的信号与能够产生千扰的信号线需要隔离，另外，高频与低频也要隔离，这在电路板的布局阶段就应该考虑到。本系统中，分别将电流采样电路、位置检测电路、PWM输出电路、微处理器系统布局在不同区域，分别布线，这样在不同电气功能的电路之间实现了有效的隔离。一个设计良好的系统应符合国际电磁兼容(EMC)标准，即系统应有一定的抗电磁干扰能力，同时，它的运行又不能对周围其它系统或器件造成损坏。电力电子器件本身就是一个强电磁干扰源，对系统中的其它部件造

56、成干扰，因此，抗电磁干扰设计是一个必须认真考虑的问题。在本系统中，为了增强系统的可靠性，在比较重要的信号支路上，均设计了硬件滤波器，使系统对来自空间的电磁辐射影响降到了最低。在将来的设计中，将增加屏蔽装置，使系统的电磁兼容能力得到进一步提高。另外，电气接触不良也会给系统的可靠性带来问题，例如，本系统在第一次制板时，因为单片机的插座与芯片本身接触不好，使系统时好时坏，给调试增加了不少困难。后来改进后系统的可靠性就有了很大改善。此外，器件的选择也是可靠性要解决的问题，要充分考虑到系统运行的稳定性，不能只考虑降低成本。总之，导致系统不正常运行的硬件因素有很多，可靠性的设计也不是一次就能全部解决的，需

57、要设计者的经验和不断探索，特别是微机控制系统，原因很多，有时需要硬件与软件协调设计才能解决问题。第4章 系统软件设计调速系统程序主要由主程序、INT0中断服务程序、子程序等组成；主程序控制整个调速系统；INT0中断服务程序控制系统中的中断；子程序包括延时子程序和PWM子程序，延时子程序具有定时功能，PWM子程序用于控制马达转速。4.1 主程序框图主程序框图如图4-1所示。在执行主程序时，首先要将栈针初始化分配显示缓冲，然后设置中断开CPU中断允许INT0，接着扫描键盘，若按开始栈针初始化分配显示缓冲设置中断开CPU中断允许INT0扫描键盘按下未按下扫 描扫描IN7启动A/D转换 启动A/D转换

58、调用显示程序调用调宽子程序返 回图4-1 主程序框图下则扫描IN7接着启动A/D转换，调用显示子程序；若未按下则需要扫描后启动A/D转换，接着调用调宽子程序并循环直至返回。4.2 INT0中断服务程序在执行INT0中断服务程序时，首先要保护现场，然后读取A/D转换结果并将其送至显示缓冲区，接着启动A/D转换，最后回复现场后返回。INT0中断服务程序框图如图4-2所示。读A/D转换结果送至显示缓冲区启动A/D转换恢复现场返回保护现场图4-2 INT0中断服务程序框图4.3 子程序设计延时子程序：定时功能PWM子程序：用于控制马达转速。为了在输出PWM波时，单片机仍能执行其它程序，可以利用单片机内

59、部的定时器溢出中断来实现。占空比占用一个字节的PWM，占空比D=N/256。利用单片机输出PWM信号。实现了从0%100%线性可调。源码如下：单片机串口通信PWM输出程序；在P1.3输出调宽信号；定时器0在工作方式3，TL0为调宽值，TH0为脉冲频率；定义：TH0=30H，TL0=31H；TH0DAT EQU 30H；脉冲频率TL0DAT EQU 31H；脉冲宽度ORG 0000HAJMP STARTORG 000BHAJMP PWM-TUN；调宽子程序ORG 001BHAJMP PWM；脉频率子程序START：CLR P1.3MOV TCON，#00HMOV TMOD，#03H；T0工作方式

60、3定时MOV TH0，#56；200um频率为50KHZMOV TL0，#186；70us脉冲宽度为35%用示波仪实测相和SETB TR1 SETB TR0SETB ET0SETB ET1SETB EAAJMP MAIN1.PWM子程序：定时值通过串口接收，在P1.0输出调宽信号定时器0工作在方式3，TL0为调宽值，TH0为脉冲频率定义：TH0=30H， TL0=31H程序入口PWM输入：TH0DAT、TH0DATPWM： TH0使用T1的中断标志。本段为脉冲频率 MOV TCON，#00H CLR ET0；暂停中断以防干扰 SETB P1.3 MOV TMOD，#03H MOV TH0，#56；12MHZ晶振时PWM为50KHZ，脉宽35% MOV TL0，#186； SETB TR1SETB TR0SETB ET0SETB EARETIPWM-TUNCLR P1.3CLR TF0；脉宽结束，输出低电平CLR TR0；同时关TL0中断RETI- 29 -结论经过两个月的努力我设计的以单片机控制的电动汽车终于完成了。通过本文的分析与研究可以看出，基于单片机技术的控制系统设计方案能够以较小的系统投入实现整个电动汽车的控制问题。本课题选用单片机80C51作为整个数字控制系统的核心控制器，充分利用了其强大高速的运算处理能力以及其片内集成的丰富的电