（电气工程专业论文）电动高尔夫球车他励直流电机驱动系统研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 为了保持高尔夫球场的美观和优雅的环境，要求球场上的动力车具有零污染、 低噪声的特点；同时高尔夫球车对汽车动力性能和续驶里程的要求较低。作为2 1 世纪最有发展前途的绿色清洁汽车，纯电动汽车非常适合在高尔夫球场上使用。 论文的主要任务是完成电动高尔夫球车的核心部分一电机驱动系统，实现 对高尔夫球车他励直流电机的控制。论文对电机驱动系统做整体方案设计，并对 该驱动系统进行仿真分析，证实系统能够实现电动机的调速，并能够实现能量回 馈及软开关功能； 驱动系统硬件设计中，主控制芯片采用微芯公司针对电机控制设计的芯片 d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 。功率模块没有选用性能稳定但价格昂贵的i p m 模块，而是采用多 m o s f e t 并联的方式，有效的节约了成本。这是设计中最具有挑战性的部分，在 国内工程应用中也属首创。对驱动系统的散热方式和散热材料也进行了周到的考 虑。论文对多管并联方式下m o s f e t 的功率损耗进行了定量的分析，用以指导散 热方式的选择并校验其合理性，长期的运行实验证明了该散热系统能达到理想的 效果。同时将油门、电压电流的检测、c a n 通信、过流故障保护等设计到驱动控 制系统中 驱动系统的软件设计中，主要实现的功能为：微控制器通过采样油门踏板的 输出信号来调节p w m 波形的占空比，从而实现电动机的调速。软件用不同的p w m 调制方式还能够实现电机的正反转以及回馈制动。为了监视电动机的运行状态， 用c a n 通信将电动机运行中一些重要数据实时显示出来，完成了液晶显示仪表的 c a n 通信及液晶显示程序的编写。 论文对驱动控制模块的研制过程进行了介绍，并根据示波器观察的波形，对 驱动模型的运行状态进行了分析，重点讨论了在驱动模块引线端并联大电解电容 和无感电容对功率m o s f e t 的影响。 他励直流电动机驱动系统能够很好的运行在电动高尔夫球车上，结构简单、 性能可靠，并且节约了成本，使电动汽车的价格低到大众能够接收的范围，有利 于电动汽车的普及。 关键词：电动高尔夫球车，双向d c - d c 变换器，功率场效应晶体管，数字信号控 制器 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt om a i n t a i nab e a u t i f u la n de l e g a n te n v i r o n m e n to ft h eg o l ff i e l d , t h e v e h i c l eu s e dt h e r e 曲o u l dh a v ez 啪p o h u t i o na n dl o wn o i s e m e a n w h i l e ，t h eg o l f v e h i c l er e d u c e st h er e q u e s to ft h ea u t o m o b i l ed y n a m i cq u a l i t ya n dl r a v e lm i l e a g e e l e c t r i cv e h i c l e 、，) b e c o m e sak i n do fn e w ，f a s t - d e v e l o p i n gv e h i c l ei nt h el a s ty e a r s ， w h i c hh a st h eb e s tf u t u r ea sag r e e nv e h i c l e a st h ep r o b l e m so f e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a r eb e c o m i n gm o 佗a n dm o 糟s e r i o u si nt h e2 1 s tc e n t u r y i nt h i sc a s eu o f p u r ee l e c t r i c v e h i c l ea st h eg o l f v e h i c l es u i t ee x t r e m e l y t h ed r i v es y s t e mi st h ec o r ep a r to f t h ee l e c t r i cg o l f v e h i c l e sp o w e r s y s t e m , w h i c h i sa l s ot h em a j o rw o r kt h a th a sb e e nc o m p l e t e db yt b i st h e s i s t h et h e s i st a k e st h e o v e r a l lp l a nd e s i g nt ot h es e p a r a t e l ye x c i t e dd cm o t o r sd r i v es y s t e m , a n d 咖t i e so i l t h es i m u l a t i o na n a l y s i st ot h i sd r i v es y s t e mb ys a b e r f l w 眦8 0t h a tt o0 0 n 血l ni t 啪r e a l i z et h em o t o r sf u n c t i o n ss u c ha ss 1 3 0 dr e g u l a t i o n , e n e r g yr e g e n e r a t i o na sw e l l a ss o f t - s w i t c h i n g f o rt h ep a r to fh a r d w a r ed e s i g n , t h em a s t e rc o n t r o lc h i pa d o p t sd s p i c 3 0 f 4 0 11o f m i e r o c h i pc o m p a n y ，w h i c hi se s p e c i a l l yd e s i g n e df o rm o t o rc o n t r 0 1 n ep o w e rm o d u l e a d o p t st h em u l t i m o s f e t - p a r a l l e ls c h e m ei n s t e a do f 口mm o d u l e w h i c hp e r f o r m a n c e w e l lb u tm t h e re x p e n s i v e i nt h i s w a y , t h ec o s ti ss a v e dv e r ym u c h t h i si st h e c h a l l e n g i n gp a r to ft h i sd e s i g n , a n da l s oi st h eo r i g i n a t i o ni nt h ed o m e s t i cp r o j e c t a p p l i c a t i o n t h eh e a td i s s i p a t i o nm o d ea n dh e a td i s s i p a t i o nm a t e r i a lo f t h ed r i v es y s t e m a l s oc a r r i e so n t h o m u g h c o n s i d e r a t i o n t h e p o w e rd i s s i p a t i o n o ft h e m u l t i m o s f e t - p a r a l l e li sc a l c u l a t e di nt h i st h e s i s s ot h a ti t 锄i n s t r u c tt h ec h o i c eo f t h eh e a t d i s s i p a t i o nm o d ea n dv e r i f y i t s r a t i o n a l i t y , t h el o n g - t e r r am o v e m e n t e x p e r i m e n t sp r o v e t h i sc o o l i n gs y s t e mc a na c h i e v et h ei d e a le f f e c t t h eh a r d w a r ed e s i g n a l s oi n c l u d e st h ea c c e l e r a t o rp r e s e n t a t i o n , v o l t a g ea n dc u r r e n ti n s p e c t i o n , c a n c o m m u n i c a t i o n , o v e rc u r r e n tp r o t e c t i o n , e t e 1 1 s o f h 矾l r eo fd r i v es y s t e mc 锄r e a l i z et h ef u n c t i o no fm o t o rs p e e da d j u s t m e n t a c c o r d i n gt ot h ea c c e l e r a t o r , a n dt h ef o n c l i o no fm o t o r sp o s i t i v ea n dr o v e r f l er o m t i o m i no r d e rt oo b s e r v et h em o t o rr u n n i n gs t a t u s t h ec a nc o m m u n i c a t i o nr o u t i n ea n dl c d d i s p l a yr o u t i n eb a s e do nt h el c dm e t e l h a sb e e nc o m p l e t e d t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h em o t o rd r i v em o d u l ei si n n o d u c e di nt h i st h e s i s a c c o r d i n gt ot h ew a v ep r o f i l e sg e tf r o mt h eo s c i l l o s c o p e t h er u n n i n gs t a t u s a jo ft h e 重庆大学硕士学位论文英文摘要 d r i v e nm o d e la l ea n a l y z e di nt h i st h e s i s m e a n w h i l e ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ep a r a l l e l c a p a c i t ya n dn o n - i n d u c t i v ec a p a c i t y sp r o t e c t i o nf u n c t i o nt om o s f e t t h es e p a r a t e l ye x c i t e dd cm o t o rd r i v es y s t e mw o r k sv e r yw e l lo nt h ee l e c t r i cg o l f v e h i c l e t h ea d v a n t a g e sa s t r u c t u r es i m p l e p e r f o r m a n c er e l i a b l ea n dc o s tl i t t e r i t m a k e st h ep r i c eo f 也ee l e c t r i cg o l f v e h i c l el o w e rt ot h ep u b l i cc a n c e p t , 8 0t h a th e l p s t ot h ep o p u l a r i z a t i o no f e v k e y w o r d s ：e l e c t r i cg o l fv e h i c l e ，b i d i r e c t i o n a ld c - d cc o n v e r t e r , p o w e rm o s f e t d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：商香艳 签字日期： 矽7年岁月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庞太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名： 高吞狍 导师签名： 签字日期： 刎年箩月2 7 日 签字日期： 重庆大学硕士学位论文 1 绪 论 l 绪论 1 1 课题背景及选题意义 本课题以电动高尔夫球车电机控制器的工程研制项目为背景，以开发出商可靠 性、高性能指标、低成本并且具有自主知识产权的电动高尔夫球车电机驱动控制系 统为目的。 随着科学技术的进步和经济的发展，汽车已经成为人们日常生活中一刻也不能 离开代步的运输工具。同时汽车工业的发展所带来的对石油的急剧增加和对环境严 重的负面影响日益引起人们的关注。为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学 术界、工业界正在加大对电动汽车开发投入力度，加速电动汽车的商业化步伐【1 】( 3 l 。 电动汽车是主要以电泡为动力源，全部或部分由电机驱动的汽车，是涉及到机 械、电子、电力、微机控制等多学科的高科技技术产品。按照目前技术状态和车辆 驱动原理，电动汽车划分为纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车三 种类型。 纯电动汽车是完全由二次电池( 如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池或锂离子电池) 提供动力的汽车。由于一次石化能源的臼趋缺乏，纯电动汽车被认为是汽车工业的 未来。对于典型的纯电动汽车，动力电池组输出电能驱动电机，从而推动车辆行驶。 电池的电能通过充电系统在车辆行驶一定的里程后进行补充。纯电动汽车的突出优 点在于用户端真正实现了“零排放”。 混合动力电动汽车是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种 新车型。目前，混合动力电动汽车一般是指采用内燃机和电动机两种动力，将现有 内燃机与一定容量的储能器件，如：高性能电池或超级电容器，通过先进控制系统相 结合，提供车辆行驶所需要的动力。因此混合动力电动汽车没有从根本上摆脱交通 运输对石油资源的依赖问题。同时，在以内燃机为主提供动力时，无法有效降低车 辆对环境的影响。因此从技术角度分析，混合动力电动汽车是电动汽车发展过程中 一段时期内的一种过渡技术。 燃料电池电动汽车是以燃料电池作为动力源的电动汽车。燃料电池是利用氢气 和氧气( 或空气) 在催化荆的作用下直接经电化学反应产生电能的装置。具有无污染， 只有水作为排放物的优点燃料电池电动汽车就是利用这种电能实现车辆驱动。但 现阶段，燃料电池的许多关键技术还处于研发试验阶段。此外，燃料电池的理想燃 料一一氢气，在制备、供应、储运等方面距离产业化还有大量的技术与经济问题有 待解决。在车上存储大量压缩氢气的安全性也需要认真对待。 现阶段纯电动汽车技术开发已经相对完善，但由于推广应用面临充电等基础设 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 施建设资金的巨大社会成本和发达的传统汽车工业发展惯性，推广应用方面仍处于 示范运行阶段。目前，纯电动汽车主要在小型、低速、特种用途上不断发展。 运用于商尔夫球场的电动高尔夫球车，其电机驱动系统采用纯电动汽车的技 术。它充分发挥纯电动汽车的优点，降低了对汽车动力性能和续驶里程的要求，同 时具有零污染、低噪声的优点，不会造成草皮的枯竭衰减而影响球场的美观，十分 适合在球场上使用。本课题着眼于电动高尔夫球车电机驱动系统的开发，通过分析 比较、实验验证，以获得电动高尔夫球车电机驱动控制器研制的实际经验和数据， 验证所采取的技术策略的合理性，并为进一步研制发展电动高尔夫球车打下坚实的 基础。 电动高尔夫球车驱动电机及其控制系统，以他励直流电机为控制对象，以高性 能的数字信号控制器为核心，对电动机电枢控制采用双向d c - d c 变换器，对电动 机励磁控制采用受限单极式h 型可逆p w m 变换器，设计了一种基于d s c 的电动 高尔夫球车他励直流电机驱动控制器。该驱动控制系统能够很好的实现电动机的调 速功能、正反转功能以及能量回馈功能。硬件设计时，功率模块没有选用性能稳定 但价格昂贵的i p m 模块，而是采用多m o s f e t 并联的方案，在很大程度上节约了 成本。主控制芯片采用微芯公司的d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 ，用它来控制驱动控制系统的工作。 直流电动机的控制技术成熟并且简单，易于实现。本课题开发出具有极低价格的电 动高尔夫球车，使电动汽车在国内有可能较快的普及。 本课题涉及车辆、电机、电力电子、控制理论和化学电源等多个学科领域，是 诸多学科的交叉研究，并对电动汽车领域的一些重要问题，如系统的控制策略、能 量回馈等进行研究，对电动汽车开发研制项目具有理论和工程上的参考价值。同时， 电动汽车是本世纪的研究开发热点，本课题的选题符合社会需求和技术发展趋势。 1 2 国内外电动汽车的研究发展现状 面临能源和环境的压力，国外著名汽车公司都十分重视研究开发电动汽车，世 界发达国家不惜投入巨资进行研究开发，并制定了一些相关的政策、法规来推动电 动汽车的发展0 1 1 2 1 1 3 1 美日欧现阶段都将纯电动汽车的应用研究转向了以公交车为主的定点、定线运 行车辆和社区用车及特定用途的微型车。并进行车辆运行机制，基础设施建设等方 面的研究工作。 世界著名的汽车制造商如通用、福特、丰田等，在不断推出新的传统汽车品牌 的同时，还都投入大量的人力物力，发展电动汽车，以抢占先机。以美国兰鸟客车 公司、英国的f r z a e r - n a s h 公司为代表的电动客车和轿车已经上市，英国已有4 万多辆电动汽车在使用；法国是世界上推广应用纯电动汽车最成功的国家之一，成 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会，巴黎和拉罗谢尔已经建立了比较完善 的纯电动汽车充电站网基础设施，制定了优惠的支持和激励使用电动汽车的政策， 且已经初步形成了纯电动汽车运行体系。在近年的国际性大型运动会上，电动汽车 也成为各国展示其科技实力和环保意识的工具之一。 日本十分重视电动汽车的研制与开发。从目前世界范围内的整个形势来看，日 本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产 品发展方面，日本居世界领先地位。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企 业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司。丰田公司的p r i m 销售已在2 0 0 4 年累计 突破3 0 万辆。并于2 0 0 6 年初在我国长春一汽进行了组装生产和销售。丰田汽车公 司在普及混合动力系统的低燃耗、低排放和改进行驶性能方面已经走在了世界的前 列。此外，本田汽车公司开发的i n s i g h t 混合动力电动汽车也已投放市场，供不应求。 2 0 0 2 年4 月，本田汽车公司在美国市场上投放了c i v i c 混合动力汽车。 美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了混合动力电动汽车开发合同，进行 为期5 年的研制开发工作，并于1 9 9 8 年北美国际汽车展上展出了样车。在此基础 上现已推出三款混合动力概念车g mp r 印t 、f o r d p r o d i g y 、 d a i n t i e rc h r y s l e rd o d g ee s x 3 。 印度设计的r e v ae v ，为双门车、溜背式后行李仓门电动汽车，是印度2 0 0 1 年 所推出，首次大批生产的电动汽车。该车采用他励直流电动机( 7 0 n m ，最大功率 1 3 k w ) 和一个4 8 v 的管状铅酸蓄电池组驱动，利用车载系统充电器( 2 2 0 v ，2 2 k w ) 可以在3 小时内充电8 0 ，在6 小时内充电1 0 0 。r f f v a 车重6 5 0 k g ，最高车速6 5 k m h ， 续驶里程为8 0 千米。该车最具有诱惑力的是它令人难以置信的低价格和运行成本， 其售价为5 0 0 0 美元，每公里运行费用为不足1 美分【1 1 我国经过多年的努力，电动汽车重大专项经过三轮技术研发。自主研发出具有 自主产权的纯电动、混和电动、燃料电池车的样车，并按照相关规程初步完成了道 路试验和可靠性工况试验，性能指标不断提高。正逐步建立起我国新一代的新能源 汽车动力系统技术平台，并通过整车集成配套技术研发实现与传统汽车的技术对接， 逐步向产业化延伸。 “十五”期间实现了纯电动汽车的小批量生产，开发的产品通过了国家汽车产 品型式认证，纯电动汽车在特定区域的商业化运作广泛开展。混合电动汽车完成了 产业化生产的技术准备工作。燃料电池电动汽车建立了产品技术开发平台和演示验 证试验平台。同时建设了电动汽车箍车及关键零部件检测基地。 1 3 电动高尔夫球车驱动控制需解决的关键问题 本驱动系统采用的驱动电源是4 8 v 的铅酸蓄电池组，以微芯公司的d s p i c 3 0 f 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 芯片为控制芯片，采用并联的m o s f e t 为功率模块。控制目标是研发出价格低廉， 性能可靠的高尔夫球车，以下是电动高尔夫球车在驱动控制中重点要解决的关键问 题。 1 3 1 电机驱动系统 高尔夫球车运行在高尔夫球场上，它对转速没有很高的要求，但需要保证安全 可靠，性能稳定。高尔夫球车以他励直流电动机作为控制对象，它具有控制简单、 动态性能好的特点。本课题采用的是电动汽车专用的他励直流电动机，其励磁电压 和电枢电压可以互相独立控制，其转矩、转速特性是线性相关的，转速随转矩的增 大而减小，能够在不同的转速下得到最佳的功率曲线。采用双向d c - d c 变换器对 他励直流电动机的电枢进行控制，采用受限单极式h 型可逆p w m 变换器对电动机 的励磁进行控制。 1 3 2 功率器件的设计 为了很好的减少成本，功率器件没有选择性能更可靠的m m 模块，而是选择了 价格便宜的m o s f e t 管。选择功率管的首先要考虑它能够承受的最大电流。目前单 个m o s f e t 承受电流的能力有限，很难承受高达1 5 0 a 的大电流，这就需要用到 m o s f e t 的并联技术。多个m o s f e t 并联时，由于各个元件的管压降和动态参数 不同，会引起各元件间电流分配不均匀而发生损坏器件的事故，因此使用中必须采 用静态均流和动态均流措施。其次多管并联时驱动系统散热方式和散热材料的选择， 也是本课题需要解决的难点。 1 3 3 能量回馈 可进行再生制动，将部分车辆的行驶动能转化为电能并回馈电池组，是电动汽 车应该具有的基本性能之一。除了提高能源利用率和减小机械、液压制动方式的机 械磨损外，在当前电池容量成为局限电动汽车广泛使用的瓶颈现象下，这一功能尤 其具有实际意义吲。 理论推导和实际研究都表明，再生制动所回馈的能量可以显著提高电动汽车的 续驶里程。从参考文献中可以看出，在电池充电效率为1 0 0 0 4 ，电机效率、制动回 馈效率为5 0 0 , 4 ，车辆总消耗能量的5 0 用于获得车辆动能的设定条件下，基于能量 守恒而解析计算得：采用再生制动回馈能量，可提高车辆续驶里程3 3 。 不同于一般伺服电机系统的不可逆、不可控整流桥式供电方式，电动车以电池 组为电源，为再生制动能量回馈提供了便利条件。电动汽车再生制动的研究集中于 具体电路的实现、控制和在车辆制动中的应用两个方面。 在实际的电动汽车系统中，在驱动系统能量回馈时，除了考虑驱动系统自身的 特点而外，还要考虑车上蓄电池组的物理和化学特性，采用合适的控制策略，在不 损坏电池物理化学特性的条件下，尽量多地回收能量。 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 4 核心控制芯片 由于电动汽车运行情况多变，所以其控制策略也较复杂。控制策略最终要体现 为控制程序，放要求运行控制程序的核心控制芯片性能优越。 m i 凹o c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 系列d s c 提供了功能强大的1 6 位单片机所具备的全 部功能：快速、复杂和灵活的中断管理；丰富的数字和模拟外围；电源管理；可灵 活选择多种时钟模式：上电复位；掉电保护：看门狗定时器；代码加密；全速实时 仿真及全速在线调试解决方案。其中，灵活的中断、大寄存器组、看门狗定时器、 时钟故障检测以及实时仿真等功能是通常d s p 没有的。与此同时，微芯公司又在功 能强大的1 6 位单片机内巧妙地添加进了真正的d s p 功能，包括：双4 0 位累加器、 单指令周期的1 6 1 6 乘加、4 0 位柱式移位器、双操作数预取以及d o 和r e p e a t 循 环。由于同时综合了单片机和d s p 两类产品的优势，并且价格低廉( 和单片机类似) ， 所以将d s p i c 3 0 f 系列数字信号控制器运用于高尔夫球车的电机控制中，是个不错的 选择。 d s p i c 3 0 f 系列中包含用于电机控制的芯片，它由d s p 内核、电机控制外设( 如 p w m 发生器、正交编码电路和捕捉电路) 和a d 转换器等器件的集成，同时具有 r s 2 3 2 、c a n 等通信模块接口，可以提供一个单芯片式数字电机控制方案。 1 4 本论文研究的主要任务 随着大众环保意识的增强，以及政府对电动汽车给予的保护政策，电动汽车的 应用将会越来越广，所以电动高尔夫球车有很好的市场潜力。于是重庆大学与重庆 龙通科技有限公司合作开发适用于高尔夫球场的电动高尔夫球车。 本课题主要负责电动高尔夫球车的心脏部分，电机驱动系统。在设计的过程中， 吸取了国外的高尔夫球车的驱动系统的宝贵经验。首先对以软开关d c - d c 变换器 为主体的他励直流电机控制系统进行仿真，验证其能否实现很好的运行在电动机状 态和能量回馈状态。在考虑电动汽车驱动系统运行特点的前提下，以微芯公司的数 字信号控制器d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 作为控制核心、以m o s f e t 作为功率模块，设计出硬 件控制平台，驱动他励直流电动机，并根据电动汽车的运行工况做一些灵活应用， 设计出一套性能优越的电动高尔夫球车驱动系统。 本论文以电动高尔夫球车电机驱动系统的工程研究项目为背景，以达到高可靠 性、高效率、高性能指标并且具有自主知识产权的电动高尔夫球车电机驱动控制器 及相应的驱动系统硬件软件为目的。具体内容包括以下几个方面： 完成电动高尔夫球车电机驱动系统的整体方案设计，并对直流电机的驱动 系统进行仿真，证实该系统能够实现电动机的调速，同时能够实现能量回馈功能及 软开关功能。 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 完成驱动系统的硬件电路设计。功率模块选择多m o s f e t 并联的方式，有 效的节约了成本，这也是本设计中最具有挑战性的部分，在国内工程应用中也属首 创。为了能在可靠性方面与i p m 媲美，驱动模块添加了过流及过热保护电路，并通 过一系列的实验得到了验证 对散热方式和散热材料的选择也是一件非常考究的事情。本论文对多管并联 方式下m o s f e t 的功率损耗进行了定量的分析，用以指导散热方式的选择并校验其 合理性，长期的运行实验证明了该散热系统能达到理想的效果。 根据电动高尔夫球车要实现的功能，完成各软件模块的设计和调试。用c a n 通信将电动机运行中的一些重要参考数据实时显示在液晶显示仪表上，完成c a n 通信程序和液晶显示部分程序，最后对电动机驱动控制模块进行装车实验。 在驱动模块引线端并联的大电解电容和无感电容，能够起到保护功率器件的 作用。若不并联电容，电机刚开始运行就会损坏m o s f e t 。本论文对该实验现象进 行了仿真分析，仿真和实验中观测的波形相结合，发现在励磁回路上桥臂导通时， 由于下桥臂续流的m o s f e t 内部集成的反并联二极管的反向恢复时间过长，引起 上、下桥臂直通，这是造成m o s f e t 损坏的主要原因。 6 重庆大学硕士学位论文2 直流电动机驱动系统的仿真分析 2 他励直流电机驱动系统的仿真分析 2 1 他励直流电机驱动系统总体方案设计 电动机驱动系统是电动汽车的心脏，其功能框图如图2 1 所示【2 】。它的任务是 在驾驶员的控制下，高效率的将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮上 的动能反馈到蓄电池中。 图2 1 电动汽车的电动机驱动系统 f i 9 2 1e v sm o t o r d r i v es y s t e m 动力源选择4 节串联的铅酸蓄电池，额定电压4 8 v 他励直流电动机的额定 电压为4 8 v ，额定功率为2 2 k w 。该电机的电枢电流和励磁电流皆可调，在某个转 速下，可同时调节电枢电流和励磁电流以找到最佳的效率特性。在电动机和动力 源的基础上设计电动高尔夫球车的驱动系统。电动高尔夫球车要求本驱动系统达 到的指标为f 1 4 1 1 9 1 1 2 2 1 1 2 5 l 2 7 l z a 3 1 1 3 2 j ： 能够快速实现电动机的无级调速； 能够实现电动机的四象限运行，在电动机制动时实现能量回馈，提高电动 高尔夫球车的续驶里程； 能同时调节他励直流电机的电枢电流和励磁电流，实现效率最优控制； 采用电流闭环，实现恒转矩控制； 在实现以上功能的基础上尽可能的节约成本。 根据系统控制指标得出了电机的控制方式。对于电动机的电枢回路的控制采 用非隔离的双向软开关d c - d c 变换器。采用零电压变换器，可减小开关管在导通 时的开关损耗。该变换器可工作在电动机和回馈制动两种模式下：汽车运行时， 工作在电动机模式下，通过输出不同的占空比来控制电动机的转速；在汽车刹车 或者减速时，工作在回馈制动模式下，可以将电动机的制动能量回馈到蓄电池中， 提高电能的利用率。对于电动机的励磁回路采用h 桥来控制，用它来实现电动机 的四象限运行，同时通过控制励磁回路电流的大小来调节电动机的功率曲线。 7 重庆大学硕士学位论文2 直流电动机驱动系统的仿真分析 采样电枢回路电流，用数字p i 来实现电机的恒转矩控制，控制芯片采用 d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 ，原理框图见图2 2 。 蓄电池电压扰动 1二：二：二二二二ij1一 !jp 哪控制发生器h 卜叫h 型p 删变换器l ：d s p i c 3 0 f 4 0 1 1： 皇 主墅堡 悸吧纠鲨h 竺竺竺产 一f 一一一一i 图2 2 单片机控制直流电机调速系统原理框图 f i 9 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f d cm o t o rd r i v es y s t e mo n t r o l l e db yd s c 下面将详细介绍本项目中直流电动机的电枢和励磁的控制方法，同时进行 s a b e r 仿真分析验证 2 2 电动高尔夫球车电动机电枢的驱动控制方法 直流电动机的电枢控制采用香港大学开发出的适用于电动汽车电动机驱动的 二象限软开关d c d c 转换器【”，采用零电压转换( z e r o v o l t a g e t r a n s i t i o n ，z v t ) ， 具有最小的电压与电流开关应力，且能高效地工作于电动机和再生制动工作模式。 双向d c d c 变换器在电动汽车的能量管理中扮演着重要的角色。纯电动汽车 中，由于蓄电池的电压变动范围大，应用双向d c - d c 功率变换器可以优化电机驱 动性能，同时实现制动能量的回馈，提高电能的利用效率。在蓄电池电动汽车中， 汽车运行时，需要借助双向d c d c 变换器将蓄电池调压后对直流电动机进行调速； 当汽车制动时，借助双向d c - d c 变换器将制动能量回馈到蓄电池。 2 2 1 零电压转换双向d c d c 变换器 适用于电动汽车驱动的零电压转换双向d c - d c 转换器能够实现能量的双向流 动，其原理如图2 3 零电压转换双向d c - d c 变换器唧闭【3 7 】，它实际上可看作是由两个单向的零电 压转换i x ：i x ：变换器的反并联得到的，其中s 和s 为主开关，s a 和s a 是辅助开 关，l r 为辅助电感。零电压转换技术主要用于多子器件( 如m o s 聊) ，在主开关 开通前提前使其两端电压降到零，重点降低开通损耗。当工作在再生制动模式时， 电动机将通过转换器将能量存储在蓄电池中。该变换器有两种工作模式f 1 1 1 8 ，分别 介绍如下： 工作在电动机工作模式时，蓄电池向电动机供电，实现电动机的调速。开 关s 和开关s a 工作，s 和s a 不工作，但会用到s 内部寄生的反向二极管。如图 8 重庆大学硕士学位论文2 直流电动机驱动系统的仿真分析 2 4 ，该电路简化为b u c k z v t - p w m 变换器，辅助谐振网络由辅助开关管s a 、谐振 电感h 、谐振电容c f 及辅助二极管d a ( s a 并联的反向二极管) 构成。辅助开关 s a 在主开关s 开通之前导通，让电感和电容构成谐振，使得当s 导通时，其两端 电压降为零，减小开关s 的损耗。 。k i & 1 嘞鳓 图2 3 具有能量回馈功能的变换器电路图 f i 9 2 1 2t h ec i r c u i to f c o n v e r t e rw i t ht h er e g e n e r a t i o n - m o d e l 图2 4 电动机模式下的b u c kz v t - p w m 变换器 f i 9 2 3t h eb u c kz v t - p w m c o n v c 埘e l i nt h em o t o rp a t ：t c l n _ v 旧玉石 ；i 。 鳓仉， 产d， s l 。 图2 5 能量回馈模式下的b o o s tz v t - p w i v i 变换器 f i 9 2 4t h eb o o s tz v t - p w mc o n v e r t e ri nt h e e 增yf e e d b a c kp a t t e r n 工作在再生制动工作模式时，电动机将存储的动能回馈给蓄电池。开关s 9 重庆大学硕士学位论文 2 直流电动机驱动系统的仿真分析 和开关s a 工作，s 和s a 不工作，但会用到s 内部寄生的反向二极管。从电机侧 看，该电路简化为b o o s t z v t - p w l v i 变换器，如图2 5 。辅助谐振网络由辅助开关 管s a 、谐振电感l r 、谐振电容c r 及辅助二极管d a ( s a 并联的反向二极管) 构 成。辅助开关s a 在主开关s 开通之前导通，让电感和电容构成谐振，使得当s 导通时，其两端电压降为零，减小开关s 的损耗。 2 2 2 仿真验证直流电动机电枢调速的原理 用s a b e r 仿真软件来搭建零电压转换双向d c - d c 变换器的电动机驱动系统 模型，同时观察仿真波形来验证原理的正确性，仿真原理如图2 6 胃，l 粤日 图2 6 具有能量回馈功能的电机驱动仿真原理图 f i 9 2 6s i m u l a t i o nd i a g r a mo f m o t o rd r i v ew i t ht h em g 锄c r a t i o n - m o d e l 工作在电动机模式 t ( ) 图2 7 开关管的导通时序 f i 9 2 7c o p l d u c t i o ns e q u e n c eo f t h es w i t c l l _ i n gt u b e 1 0 重庆大学硕士学位论文2 直流电动机驱动系统的仿真分析 图2 7 为开关管的导通时序，即在主开关导通之前，辅助开关先导通。在电动 机模式和回馈制动模式下，虽然导通的开关管不同，但是开关导通的时序是相同 的。这样能实现主开关的零电压导通，减小主开关在导通时的功率损耗。图2 8 中 主开关s 在导通时的源极电压略大于4 8 v ，开关两端压降为零。 该电动机驱动系统通过改变占空比来调节电动机的电枢电压，实现电机的调 速。图2 9 为某一占空比下，电动机的输出转速波形以及电枢电流波形。 总结：由仿真波形可知，零电压转换双向d c - d c 变换器能够快速的改变输出 电压的大小来实现电机调速；并且能够通过辅助开关的作用，实现主开关的零电 压导通，减小功率管的损耗，起到保护功率管的作用 el 。一- 。一 b mt mi 蛔2 2 m 2 m2 l i r a t 啪 图2 8 电动机状态下输出电压 f i 9 2 8o u t p u tv o l t a g ei nt h em o t o rp a t t e r n 1 o 享啪_ o 薯0 o o 0 加o 暑 2 0 d o o ( r m j ) 焖 n - 1 - o 叼：t 旧 卜 瞄h o dm r t l ， i o o0 10 20 , 3 0 4 0 5 t i ) 图2 9 电机转速及电枢电流 f i 9 2 9m o t o rs p e e da n da r m a t u r ec u r r e n t 工作在回馈制动的模式 电动机在运行的过程中，通过调节另外一组开关管来实现回馈制动。制动时， 电动机的惯性使电枢存在感应电动势，感应电动势的大小为c ：椭，它与转速的大 小有关。此时双向d c - d c 变换器工作在b o o s t 状态下，电动机两端的电压通过 重庆大学硕士学位论文2 直流电动机驱动系统的仿真分析 双向d c d c 变换器升压后，得到高于蓄电池两端的电压。电动机向蓄电池充电， 蓄电池相当于负载。图2 1 0 为回馈制动模式下，电动机的转速和电枢电流。该过 程中，电动机的转速迅速降低，电枢电流反向。图2 1 l 为制动时流过蓄电池的电 流，电流值为负，表明蓄电池处于充电状态 耄 t i 图2 1 0 回馈制动下电动机的转速及电枢电流 f i 9 2 1 0m o t o rs p e e da n da r m a t u r ec u t c n ti ne n e l g yf e e d b a c kp a t t e r n l 一 - - - - ， ， j - “ i - 忡n o r 哟 口6 0 3 00 f i o d 蕾0 6 0 40 k 0 4 1 点口6 0 4 t0 | 6 0 4 1 5q 5 啤口6 0 4 口s t “， 图2 1 1 回馈制动下，蓄电池两端的电流 f i 9 7 1 1a c c u m u l a t o r a 煳i t i n e n e g y f e e d b a c k p a t t e r n 总结：由仿真波形可知，电动机工作在回馈制动模式下时，零电压转换双向 d c d c 变换器能够把电动机中存储的动能，回馈到蓄电池中。这样能够提高电动 汽车的续驰里程，充分发挥电动汽车的优点 零电压起动 谐振软开关是由电力电子开关器件及辅助谐振元件电感和电容组成的子电 路。调速模块的工作频率取为1 5 k i - l z ，周期为6 6 7 u s 。通过l c 谐振电路。让主开 关实现零电压导通。为了使l c 谐振电路能够很好的工作，谐振电路的周期应该与 重庆大学硕士学位论文2 直流电动机驱动系统的仿真分析 小于电路的工作频率。该电路中取电感为1 0 0 u h ，电容为0 0 4 7 u f ，所以可得： r = 幼z 石= 2 x 3 1 4 x x 0 0 4 7 u x 1 0 0 u = 1 3 6 u s ( 2 1 ) 仿真结果也表明该谐振电路能够实现零电压起动。 2 3 电动高尔夫球车电动机励磁的控制方法 通过控制电枢只能使电机工作在两个象限，为了使电动机工作在四个象限， 实现他励直流电动机的正反转，只有通过调节励磁来实现。实验中电机的励磁电 流大小可调节，范围为3 m q 0 a 。在调节电枢两端电压的同时调节励磁电流的大 小，实现效率最优控制。 采用h 型可逆p w m 变换器控制励磁1 1 5 】i 啊，按控制方法的不同可以分为双极 式、单极式和受限单极式 延 t逼 上舻 延m 连 锄 图2 1 2 控制励磁电流的h 桥 f i 9 7 1 2h - b r i d g eu s e di nc o n t r o l l i n ge x c i t i n gg u r l e i