毕业设计（论文）电动车电气控制系统（全套完整版）

1、摘 要 石油资源的日益减少、大气环境的污染严重，让人们日益关注电动车。电气驱动 是电动汽车的心脏，为了增加电动汽车的行驶里程，必须开发高功率密度、高效率、 高可靠性以及价格合理的电气驱动系统。 电控技术的进步是以无刷电机的成功应用为标志的；同时，控制器进入了快速发 展的阶段，以单片微控制器（mcu）的广泛应用为主要特征，而一批有较强的自主开发 能力的电子技术企业迅速崛起。 本文主要研究的是电动车的电气控制系统；它由电子控制器、功率转换器、电动 机等组成。电子控制器包括传感器、电气连接电路和微处理器 ,实现信号采集、转换、 传输和处理；功率转换器负责驱动和制动。嵌入微处理器，可以使电动车安全驶行

2、， 并提升操控性能。在这里，作者以新型主流 mcu 产品 stm8 作为核心，成功地设计了这 套电气控制系统；在软件上，设计了数字控制的 pid 算法，构成了闭环系统。所制作 的模拟装置，启动、带载、调速性良好且运转稳定，成为了一款新型实用的控制系统。 关键字：电气驱动 无刷电机 pwm 技术 电子换向 直流逆变技术 完整版全套设计，联系完整版全套设计，联系 153893706 abstract the dwindling oil resources, the pollution of the atmospheric environment seriously, make people pay

3、 more attention to electric vehicle. electric driving is the heart of an electric car, in order to increase the electric vehicle mileage, a high power density, high efficiency, high reliability and reasonable price of electric drive system must be developed. electronic control technology is marked w

4、ith brushless motor widely used successfully. at the same time, the controller enters a stage of rapid development, a microprocessor ( cpu ) is widely used as the main character, and a number of strong ability of independent development of the electronic technology industry rises quickly. this paper

5、 mainly studies the vehicle electrical control system witch consists of electronic controller, power converter, motor and other components. the electronic controller comprises a sensor, electrical connection circuit and the microprocessor, signal acquisition, conversion, transmission and processing;

6、 power converter for driving and braking. embedded microprocessor can make electric car safety sail, and enhance the control performance. here, the author used mainstream mcu stm8 products as the core, successfully designed the electrical control system; in software, designed a digital pid algorithm

7、 controller, constitutes a closed-loop system. the imitation device made by author, is good and stable operation by start, load and speed control, being a new practical control system. keywordskeywords: : electrical drive; brushless motor; pwm technology; electronic commutation; dc inverter technolo

8、gy 目 录 引言 -5 第一章 绪 论 -6 1.1 选题背景及研究意义 -6 1.2 研究步骤、方法 -6 第二章 系统的方案理论分析-7 2.1 无刷电机的组成 -7 2.2 直流无刷电机的控制原理 -8 2.3 转速、转矩计算 -9 2.4 三相直流无刷电动机的典型应用 -12 2.4.1 三相半控方式-12 2.4.2 三相 y 联结方式-12 2.3 无刷电机对单片机资源预计 -14 第三章 系统方案的选择 -15 3.1 系统方方案概述 -15 3.2 单片机选型及介绍 -15 3.3 功率驱动器件选用 -17 第四章 系统的硬件实现 -18 4.1 单片机与外设接口 -18 4

9、.3 驱动主电路逆变桥 -19 4.4 逆变桥驱动电路 -20 4.5 检测模块 -20 4.5.1 电机位置检测-20 4.5.2 相电流电压检测-21 4.5.3 电源总电流与电压检测-21 4.6 输入装置 -21 4.7 系统的 emc 设计 -22 第五章 5 软件设计 -23 5.1 无刷电机换向实现 -23 5.2 调速的闭环算法 -24 5.3 刹车、制动算法 -25 5.4 软件多线程系统 -26 第六章 结论 -27 谢 辞-28 附录 图 a1（硬件原理图:stm8 单片机主控系统）-30 附录 图 a2（硬件原理图:接口与电源系统）-31 附录 图 a3（硬件原理图:检

10、测与电机驱动部件）-32 附录 图 a4（硬件 pcb 图）-33 附录 源代码 b1（软件部分代码）-34 引言 在汽车业界，如何削减汽车的二氧化碳排放量已成为重要课题。作为一个有效的 解决途径，电动汽车已成为各大汽车厂商竞争的焦点。电动车是一种安全、经济、清 洁的绿色交通工具，不仅在能源、环境方面有其独特的优越性和竞争力，而且能够更 方便地采用现代控制技术实现其机电一体化的目标，因而具有广阔的发展前景。 无论何种电动车的驱动系统，均具有基本相同的结构，都可以分成能源供给子系 统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分，其中电气驱动子系统是电动车的心脏， 主要包括电动机、功率电子元器件及控制部

11、分;电动车驱动系统均具有相同或相似的功 能模块。 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（bcdm）、开关磁阻电动机（srm）和交流异步电动机所取代。 如何从电机设计和控制策略两方面加以改进是现在的研究热点。永磁电动机电气 驱动系统以转速更高、用磁铁更省、可以实现转子轻小紧凑、低成本化设计而成为研 究与应用的热点。在控制器件方面

12、，应用新一代功率电子器件，可使变频器有更高的 功率密度和效率，结构也更牢固，更适于电动车所用。在控制策略方面，变结构控制、 模糊控制、神经网络控制以及专家系统等新的控制方法正逐渐应用于电动车驱动系统 中，并取得越来越好的效果。 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 选题背景及研究意义选题背景及研究意义 电动车有着悠久的历史，可追溯至 1881 年 8 月在巴黎举行的国际电器展览会上， 法国人特鲁夫展出了世界上第一辆交通工具一辆电动三轮车。电动车按类型分可 分为：电动自行车、电动摩托车、电动汽车、电力机车等等；其电气控制系统涵盖的 内容更加广泛，本文从电动车最主要的方面着手展开研究，针对电机控制研制

13、一套的 经济实用的电气控制系统。 电机的选择决定了本文的研究最基本、最重要的问题：直流电动机，因为电刷存 在换向火花使其寿命宿短，产生噪声和电磁干扰而被变频调速的异步电机取代，当今 电力电子技术迅猛发展，以及数字信号控制器出现，使得逐线圈换向技术制造的跟踪 器，电子换向取代换向器和电刷成为了可能。变压调速的旋转磁场直流电动机比变频 器实现起来简易可靠，其优越的转矩性能和调速性能，又是变频控制无法比拟的。 无刷电机的换向、驱动方案的研究，其目的使其在运转中平稳可靠，为深入地学 习和探究，推广这种新型技术，所以选择该课题。无刷电机有着广阔的市场，其相应 的控制器也总需要更新换代，无刷电机的应用不仅

14、仅在交通工具上，仍至电力传动领 域、数控设备、家用电器、工业生产上。本文对电动车控制器的研究就主要围绕着无 刷直流电机的控制方法展开。 1.2 研究步骤、方法研究步骤、方法 针对无刷直流电机控制的主流方案目前有三大类：一是采用专用集成电路制作的 控制器；一是采用通用单片机制作；一是采用专用数字信号处理器(dsp)制作。以专用 集成电路制作控制器, 技术成熟；此类芯片系统集成度较高,保护电路动作快,有配套 的其他集成电路,使用便利，但不够灵活。dsp 对输入输出数据能进行高速处理,且提供 了高度专业化的指令集,使得它在控制器的规则实施、矢量控制和矩阵方面具有优势, 可以完成一些较复杂的控制功能，

15、但制作成本也相对较高。 以通用单片机制作控制器,机动灵活,容易进行功能扩展, 应导师要求和指示，选 用这种方式；但单片机处理能力有限，实时性和精度要求高时，应带有针对性选用外 设充足，功能相对足够的系列和型号。 电动车的电气系统应分模块进行设计，电机是最主要，本设计最核心的部分：第 一：根据电动车行驶的特点，选择功率大小、起动转矩相适应的电机，获取无刷电机 的相关资料，充分理解无刷电机的工作原理；再者：为适应于电机，选择合适的电力 电子器件，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如 gtr,mosfet 和 igbt 等相继出现，为创造新型的无刷直流电动机带来生机。为适应

16、于整 个系统并针对无刷电机驱动，选择一款易于编程，外设丰富，稳定性好的微处理器 软件方面：参考无刷电机的换向控制的时序，通过检测位置或者速度信息，正确 换向。计算电机转速，设计闭环算法，提高操作性能。在控制器的基础上采用什么样 的控制技术也非常重要。 基本都是采用 pwm 技术通过控制电机端电压来控制电机转速。 一般情况下,在要求不高时采用开环调速控制；而对于动态性能要求较高的负载,可采 用转速、电流双闭环调速控制系统。控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停 止。其中可以使用仿真软件，对系统进行仿真，确保方案的正确性。充分利用微处理 器外设，进行功能扩展，设计故障诊断，保护功能：温度检测、

17、过压欠压保护、过流 保护、电量检测等等。 第二章第二章 系统的方案理论分析系统的方案理论分析 2.1无刷电机的组成无刷电机的组成 直流无刷永磁电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。 其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等） ，转子由永久磁钢按一定极对数 （2p=2,4,）组成。图 2.1 所示为三相两极直流无刷电机结构。 图 2.1 三相两极直流无刷电机组成 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场 的速度及转子极数(p)影响： . (2-1) p f n 120 在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流

18、无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动)器，控制定子旋转磁场的频率并将电 机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是 说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的 转速。 直流无刷驱动器包括电源部及控制部件如图 2.2：电源部提供三相电源给电机， 控制部则依需求转换输入电源频率。 电源直接以直流电输入(一般为 24v)或以交流电输入(110v/220 v)，如果输入是 交流电就得先经转换器转成直流。不论是直流电输入或交流电输入，要转入电机线圈 前须先将直流电压由换流器转成三相电压来驱动电机。换流器一般由 6 个功率晶体管 (q1

19、q6)分别为 q1、q3、q5(这些称为上臂功率晶体管)；q2、q4、q6(这些称为下臂功 率晶体管)连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供 pwm(脉冲宽度调制) 决定功率晶体管开关频度及换流器换相的时机。直流无刷电机一般希望使用在当负载 变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以电机内部装有能感应 磁场的霍尔传感器，作为相序控制的依据，同时也用作为闭回路控制的速度检测。但 这只是用来做为速度控制并不能拿来做为定位控制。 图 2.2 直流无刷驱动器 2.2 直流无刷电机的控制原理直流无刷电机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据霍尔传感器感应到的电机转子目

20、前所 在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器中电力器件的顺序，如下图 2.3 换流器中之上臂 ah,bh,ch 及下臂 al,bl,cl，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆 向)旋转磁场，并与转子的磁铁磁场相互作用，如此就能使电机顺时/逆时转动。当电 机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶 体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到控制部决定要电机转子停止则关 闭功率晶体管(或只开一路臂功率晶体管)，要电机转子反向则功率晶体管开启顺序相 反。 图 2.3 换流器 基本上功率晶体管的打开次序可举例如下： ah,blah,clbh,clbh,al

21、ch,alch,bl；往后便是下一周期。 但不能将 ah，al 或 bh，bl 或 ch，cl 同时打开。此外由于电子器件总有开关的响 应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将器件的响应时间考虑进去，否则当 上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使 功率晶体管过流而烧毁，即便不是这样，也将导致逆变桥效率下降。 当电机转动起来，控制部中心会再根据驱动器设定的速度及加/减速率所组成的命令 与霍尔信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来决定由下一组(ah,bl 或 ah,cl 或 bh,cl)开关导通，以及作用时间长短。速度低则延长，速度过高则缩短，此部份

22、 工作就由 pwm 来完成。pwm 是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的 pwm 才是要 达到较精准速度控制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的时钟分辨率是否足 以掌握处理软件指令的时间，另外对于霍尔信号变化的资料存取方式也影响到处理器 效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则因为回传的霍 尔信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以及根据电机特性适当配置控制 参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以解码器变化为参考，使信号分辨率增加 以期得到更佳的控制，电机能够运转顺畅而且响应良好。 2.3 转速、转矩计算转速、转矩计算 假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电

23、动机气隙中是按正弦规律分布的，即 .这样，如果定子某一相绕组中通一持续的直流电流，所产生的转矩为:sinxbb (2-2)sinilrbztmdx 式中， zd每相绕组的有效导体数； l绕组中导线的有效长度，即磁钢长度； r电动机中气隙半径； i绕组相电流。 就是说某一相通以不变的直流电后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子 位置的不同而按正弦规律变化，如图 2.4 所示。 图 2.4 在恒定电流下的单相转矩 它对外负载讲，所得的电动机的平均转矩为零。但在直流无刷电动机三相半控电 路的工作情况下，每相绕组中通过 1/3 周期的矩形波电流。该电流和转子磁场作用所 产生的转矩也只是正弦转矩曲线

24、上相当于 1/3 周期的一段，且这一段曲线与绕组开始 通电时的转子相对位置有关。显然在图 2.5a 所示的瞬间导通晶体管，则可产生最大的 平均转矩。因为在这种情况下，绕组通电 120 度的时间里，载流导体正好处在比较强 的气隙磁场中。 图 2.5a 所以它所产生的转动脉动最小，平均值较大。习惯上把这一点选作晶体管开始导 通的基准点，定为.在=0 度的情况下，电动机三相绕组轮流通电时所产生的总转矩 如图 2.5b 所示。 图 2.5b 如若晶体管的导通时间提前或滞后，则均将导致转矩的脉动值增加，平均值减小。 当=30 度时，电动机的瞬时转矩过零点，这就是说，当转子转到某几个位置时，电动 机产生的

25、转矩为零，电动机起动时会产生死点。当 30 度后，电动机转矩的瞬时值 将出现负值，则总输出转矩的平均值更小。因此，在三相半控的情况下，特别是在起 动时， 不宜大于 30 度，而在直流无刷电动机正常运行时，总是尽力把角调整到 0 度，使电动机产生的平均转矩最大。当 =0 度时，可以求得输出转矩的平均值 ： ; (2-3)m m atd t t827 . 0 sin 2 3 6 5 6 . (2-4)rilbztmdm 电动机在电动转矩的作用下转动后，旋转的转子磁场就要切割定子绕组，在各相 绕组上感生出电动势，当其转速 n 不变时，该电动势波形也是正弦波，相位同转矩相 位一致。在本电路中，每相绕组

26、在一个周期中只通电 ，因此仅在这 期间对外加电压 起作用。所以对外加电压而言，感生电动势波形如图 2.6 所示。 图 2.6 三相直流无刷电动机半控电路的反电动势 同理可按下式求得感生电动势的平均值 ： ; (2-5)m m aed e e827 . 0 sin 2 3 6 5 6 . (2-6)mlbzempm 从上面的平均转矩和平均反电动势，便可求得直流无刷电动机稳定运行时的电压 平衡方程式，为此首先定义反电动势系数和转矩系数： ; (2-7) n e k a c . (2-8) i t k a t 对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法以及功率晶 体管的换相方式有关

27、。直流无刷电动机三相半控桥的电压平衡方程组为 ; (2-9)ireuua 其中 ; (2-10)nkeca . (2-11)iktta 将其代入上式整理后，可得其机械特性方程为 . (2-12) a tcc t kk r k uu n 式中 , n电动机转速（r/min ） ； u电源电压（v） ； u 功率管管压降（v） ； kc电动势系数； ta电动机产生的电动转矩平均值（n*m） ； kt转矩系数； r电动机的内阻（）. 2.4 三相直流无刷电动机的典型应用三相直流无刷电动机的典型应用 2.4.1 三相半控方式三相半控方式 在三相半控电路中，其转矩的波动在 tm 到 tm/2 之间，这是

28、直流无刷电动机不利 的一面。 图 2.7 三相半控桥电路 常见的三相半控电路如图 2.7 所示，图中 la、lb、lc 为电动机定子 a、b、c 三相 绕组，vf1、vf2、vf3 为三只 mosfet 功率管，主要起开关作用。h1、h2、h3 为来自转 子位置传感器的信号。如前所述，在三相半控电路中，要求位置传感器的输出信号 1/3 周期为高电平，2/3 周期为低电平，并要求各传感器信号之间的相位也是 1/3 周期。 和一般电动机一样，在电动机起动时，由于其转速很低，故转子磁通切割定子绕 组所产生的反电动势很小，因而可能产生过大电流 i。为此，通常需要附加限流电路。 2.4.2 三相三相 y

29、 联结方式联结方式 三相半控电路结构简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电 1/3 周期， 没有得到充分的利用，而且在运行中转矩波动较大。在要求较高的场合，一般均采用 如图 2.8 所示的三相全控电路。三相全控电路有两两换相和三三换相两种方式 图 2.8 三相全控电路 在该电路中，电动机的三相绕组为 y 联结。如采用两两通电方式，当电流从功率 管 vf1 和 vf2 导通时，电流从 vf1 流入 a 相绕组，再从 c 相绕组经 vf2 流回到电源。 如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组所产生的转矩为负，他们合 成的转矩大小为 ，方向在 ta和-tc角平分线上。当电动机转过

30、 60 度后，由at3 vf1,vf2 通电换成 vf2,vf3 通电。这时，电流从 vf3 流入 b 相绕组，再从 c 相绕组流出 经 vf2 回到电源，此时合成的转矩大小同样为；但合成转矩 t 的方向转过了 60 度at3 电角度。而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过 60 度电角度。所以， 采用三相 y 联结全控电路两两换相方式，合成转矩增加了倍。每隔 60 度电角度换3 相一次，每个功率管通电 120 度，每个绕组通电 240 度，其中正向通电和反向通电各 120 度。其输出转矩波形如图 2.9 所示。从图中可以看出，三相全控室的转矩波动比三 相半控时小，从 0.87tm

31、到 tm。 图 2.9 全控桥输出波形图 三三通电方式，这种通电的顺序为 vf1-vf2-vf3、vf2-vf3-vf4、vf3-vf4-vf5 当 vf6vf1vf2 导通时，电流从 vf1 管流入 a 相绕组，经 b 和 c 相绕组分别从 vf6 和 vf2 流出。经过 60 度电角度后，换相到 vf1vf2vf3 通电，这时电流分别从 vf1 和 vf3 流入， 经 a 和 b 相绕组再流入 c 相绕组，经 vf2 流出。在这种通电方式里，每瞬间均有三个 功率管通电。每隔 60 度换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管通电 180 度。 合成转矩为 1.5ta. 三相 联结电路也可以

32、分为两两通电和三三通电两种控制方式。 两两通电方式的通电顺序是 vf1-vf2、vf2-vf3、vf3-vf4、vf4-vf5、vf5- vf6、vf6-vf1、vf1-vf2，当 vf1-vf2 导通时，电流从 vf1 流入，分别通过 a 相绕组和 b、c 两相绕组，再从 vf2 流出。这时绕组的联结是 b、c 两相绕组串联后再通 a 相绕组 并联，如果假定流过 a 相绕组的电流为 i，则流过 b、c 相绕组的电流分别为 i/2。这 里的合成转矩为 a 相转矩的 1.5 倍。 三三通电方式的顺序也是 vf1-vf2-vf3、vf2-vf3-vf4、vf3-vf4-vf5、vf4-vf5- v

33、f6当 vf6-vf1-vf2 通电时，电流从 vf1 管流入，同时经 a 和 b 相绕组，再分别从 vf6 和 vf2 管流出，c 相绕组则没有电流通过，这时相当于 a、b 两相绕组并联。这时 相当于 a、b 两绕组并联，合成转矩为 a 相转矩的倍。3 2.3 无刷电机对单片机资源预无刷电机对单片机资源预计计 无刷直流电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频 率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。 也就是当成功同步换相以后，它的调速方式是变压调速。 这样电机便引入了一个很重要的参数：无刷电机 kv 值。无刷电机 kv 值定义为 转

34、 速/v，意思为输入电压增加 1 伏特，无刷电机空转转速增加的转速值。从这个定义来 看，我们能知道，无刷电机电压的输入与电机空转转速是遵循严格的线性比例关系的。 对于电动车而言，假定限速 v=60km/h，带其变速箱速比 n=2 时，轮子半径 d=0.36m 电机运转的最高转速约为 r/min.1769 2 d v 对于一个三相四极无刷电机，三三通电方式下，其换向频率为 hz. 6 . 707 60 6 p f 最小换向时间 1.41ms.为了确保换向顺畅，控制平稳，单片机换向事件响应时间至多 100us,单得机输出 pwm 频率至少为 5khz. 如果换向保守估计程序量是 400 条，全速下

35、，所选择单片机程序执行能力至少是 4mips，并且有可控、独立的 pwm 输出模式。 第三章第三章 系统方案的选择系统方案的选择 3.1 系统方方案概述系统方方案概述 如下图 3.1 所示，为本系统的总方案的简图：由电源部分、操作输入、主控器、 显示输出、电力驱动系统以及电机等组成。 图 3.1 电动车电气控制系统简图 1电源系统负责系统所有芯片，用电部件的电源分配，在功耗小，对电源稳定度、纹 波要求苛刻的地方应使用线性稳压器；而在功耗大，如电力驱动主电路，背光等，则 使用直流斩波方式的开关电源；充分考电磁兼容性，对噪声源和抗干能力弱的部件加 以区分，独立使用电源，并分别加入滤波器。 2输入装

36、置包括调速转把、刹车断电把以及作为调整其控制性能，更改各种配置设置 的按键等输入装置。 3仪表显示能指示当前车速，行驶里程值，剩余电量 4电力驱动系统也就是一个三相逆变桥，6 个桥臂，用微控制芯片通过光耦或者缓冲 器连接送以脉冲，控制着电机运转的换相，并以 pwm 进行调压调速。 3.2 单片机选型及介绍单片机选型及介绍 市场上单片机的种类的厂商非常多，同一厂商，其生产的单片机也会有不同的系 列和不同的型号，它们主要是针对不同的应用而被开发出来，恰到好处地选择一款外 设功能充足，而又非多余的单片机来完成一个工程，将使得设计变得简单可靠而且成 本合理。 本设计使用了意法半导体（st）公司的 8

37、位通用微控制器 stm8，它是 st 公司的 全新 8 位通用控制器产品系列，结合了过去多年单片机设计开发中的领先创新和宝贵 经验，采用了 0.13um 技术工艺，高性价比。sttm8 被广泛应用于：工业自动化、汽车、 家电、消费电子、仪器仪表等等。如下图 3.2，是该单片机的内部结构简图。 图 3.2 stm8 内部结构 stm8 作为高性能的通用控制平台所具有的特点： 1内核和架构： 独立的数据和指令总线 读写操作在同一个周期执行 独立的指令和数据存储空间 哈佛架构，3 级流水线 2线性内存架构： 最多 128kb flash，10k 次擦写 最多 6kb ram 可以单字节或块/字编程

38、支持在应用编程，在系统编程 3性能： 峰值性能 20mipsfcpu=24mhz 32 位指令总线 32 个中断向量 96 条指令 低功耗：全速运行下 1ma+0.6ma/mhz 强抗干扰能力，高可靠性，简单灵活 stm8105 产品系列的特点如下表 3.1 所示： 芯片 型号 引 脚 gpio 数目 捕获比 较通道 a/d 转 换通道 flash程序 (字节) eeprom (字节) ram (字节) 外设 c64838910 32k c44838910 16k s6443489 32k s4443489 16k k6322587 32k k4322587 中 等 密 度 16k 10242

39、k 高级控制定时器 (tim1) 通用定时器(tim2和 tim3) 基本定时器(tim4) spi，i2c，uart 窗 口看门狗，独立看门 狗 adc 表 3.1 stm8s105 系列单片机资源对比 stm8s105s4 的外设资源： 1高速内部 16mhz rc 振荡器，精度2%；2us 转换时间的主时钟开关，切换灵 活方便，易于构建低功耗系统； 2中断管理: 带有 32 个中断的嵌套中断控制器, 6 个外部中断向量，最多 37 个 外部中断,可以设置成上升/下降沿触发； 3定时器：2 个 16 位通用定时器，带有 2+3 个 capcom 通道(ic、oc 或 pwm)， 16 位高

40、级控制定时器，4 个 capcom 通道，3 个互补输出，死区插入和灵活的 同步, 具有针对马达控制的六步 pwm 输出; 4模数转换器(adc)：10 位，1lsb 的 adc，最多有 10 路通道，扫描模式和模 拟看门狗功能 5i/o 端口：48 脚封装芯片上最多有 38 个 i/o，包括 16 个高吸收电流输出，非 常强健的 i/o 设计，对倒灌电流有非常强的承受能力，并且任意管脚任何时候 都可以配置成上拉/开漏输入方式，或者上拉，推挽输出方式。 3.3 功率驱动器件选用功率驱动器件选用 三相逆变桥是用来驱动无刷电机的，感性的无刷电机的定子绕组是逆变桥的负载， 因而三相六组电力电子开关必

41、定是全控型的。可以选用的常用功率型器件有：电力双 极型晶体管 bjt、电力场效应管 mosfet 以及绝缘栅双极型晶体管 igbt 等等。 图 3.3a 图 3.3b 其中电力场效应管工作频率高、通态电阻较小，驱动方式简易，在低压装置中使 用最广泛，于电动车而言，在 48v 的 1kw 的系统中，选用 mosfet 将是恰当的，留下必 要的定额余量，选择 100v 耐压，大于 20a 的 mosfet 是必要的。 型号耐压通态体电阻漏极电流 irf540100v55m22a irf280775v13m82a 表 3.2：几种 mosfet 参数 第四章第四章 系统的硬件实现系统的硬件实现 4.

42、1 单片机与外设接口单片机与外设接口 stm8s105s4是一个44引脚的高集成度芯片，stm8的管脚功能图及lqfp封装图： 图4.1a 原理图符号 图4.1b 装封 具有特殊功能的i/o口被映射到固定的管脚上，并且在st官方技术资料上被提及， 下面根据设计要求，合理分配i/o口，这是设计的首要任务： 1逆变桥驱动信号：stm8s105系列具有控制电机的六步pwm信号输出，名 为tim1_ch1-3及tim1_ch1-3n三个通道的正反极性信号，分别被映射 在19-21，24-26号管脚上； 2位置-速度检测：使用了通用i/o口pe0，pe1，pe2； 3仪表显示器：使用12864液晶模块，

43、占用一组8位的pd0-8，以及使用了 pg0，pg1，pc7分别作为片选、使能、读写信号； 4a/d模块：使用了六步pwm输出模块后，芯片的部分模拟通道被占用，剩 下的四路：ain4-7，三相电流采样分别使用ain4-6，ain7利用四路模 拟开关扩展通道，分时地对总电流、总电压以及调速转把的电位器电位值 进行采样。模拟天关的通道选择由pa5,pa6控制。 5按键输入：充分利用芯片gpio的上拉/推挽/输入/输出切换功能，完全可以 将按键与显示数据口复用。 6其他外设：pa4输出信号控制lcd12864背光，pc5连接至数字编程温度 传感器，pc6作刹车输入，pe5控制蜂鸣器报警，pe6控制l

44、ed指示mcu 工作状态。 4.3 驱动主电路逆变桥驱动主电路逆变桥 下图4.2所示，为无刷电机的驱动主电路，是一个三相全桥逆变电路： q10 irf540 q11 irf540 q12 irf540 r28 75 r29 75 r30 75 q4 8550 q5 8550 q6 8550 r21 3k3 r22 3k3 r23 3k3 d4 diode d5 diode d6 diode r32 1 gnd phase_aphase_bphase_c ocaocbocc +12v_power g_ag_bg_c paopbopco q7 d669 q8 d669 q9 d669 图4.2 三

45、相全桥逆变电路 该电路每一相都由上下桥臂组成，下桥臂是电力场效应管，使用运算放大器直接 驱动，换相时，根据当前相序，信号由控制器相应的比较输出通道给出。上桥臂由光 耦合器驱动的达林顿形式来控制电力晶体管，根据当前相序输出的是pwm信号。 4.4 逆变桥驱动电路逆变桥驱动电路 微控制器 i/o 口无法直接驱动功率器件，或将导致不稳定，驱动电路如下图 4.3 所示。 u4a 74ls00 6 5 7 u3b lm358 r19 220 ic1 optoiso1 2.5v r24 15k r31 47 pao g_a vdd2 oca bah bal brg_a_h brg_a_l 图4.3 驱动电

46、路 brg_a_h,brg_a_l分别连至微控制器的tim1_ch1与tim_1ch1n，两信号通过与门点 亮光耦，仅当al信号为高时，ah才被选通，pwm可以送到电力晶体管，由lm358反向作 用，此时下桥臂的场效应管是关断的；如果al信号为低，下桥臂打开，但是由于逻辑 与门输出高电平，ah便无法送pwm至光耦；这样的设计，可以防止由于上电时或软件错 误出现上下桥短路的严重后果。 4.5 检测模块检测模块 4.5.1 电机位置检测电机位置检测 霍尔元件被安放在无刷电机内部，只需提供相应的接口，送给其电源便能正常工 作，如图4.4a所示，a,b,c三相分别分别送至pe0，pe1，pe2；这类霍

47、尔元件属于开漏 输出型器件，因此需要加上拉电阻： 1 2 3 4 5 j5 hall signal vdd2 gnd r58 10k r57 10k r56 10k hall_a hall_b hall_c hac hab haa c26 100 c27 100 c28 100 图4.4a 图4.4b 4.5.2 相电流电压检测相电流电压检测 以下是单独一相的电流检测电路，运放使用单电源供电，vssa 是微控制器的模 拟地，与电源地的网络不同，这样便大大减小了由于电源地的共模干扰，使检测的值 更精确可靠。 运放的增益为 2，其中二极管存在的理由是，即使在电流为零时为运放附加一个 偏压，使运放差

48、动输入端处于其工作范围之内。 2 3 84 1 u3a lm358 vssa d3 4148 r20 22k r27 10k r26 20k +12vcc gnd paor25 1k c8 222 phase_ua pua 图4.5 相电流检测电路 4.5.3 电源总电流与电压检测电源总电流与电压检测 以下图 4.5 以及图 4.6 分别是总电流检测与电压检测部分，电流检测电路是一个增 益为 6 的正向放大器；电压检测是一个射随器。 r32 1 gnd 2 3 84 1 u6a lm358 d8 4148r37 22k r43 6k r42 36k r41 1k vssa +12vcc gnd

49、 c10 222 is_u mis 6 5 7 u6b lm358 dw1 7v5 r50 10k us_u c11 102 r47 10k r49 10k gnd mus +12v_power 图4.6 总电流检测电路 图4.7 电压检测电路 4.6 输入装置输入装置 1输入装置有调速转把、刹车断电把；如下图4.8、图4.9所示。 1 2 3 j1 speed handle gnd vdda sphdl c15 102 sph 1 2 j2 brake gnd bkin brk 图4.8 调速转把接口 图4.9 刹车把接口 2用于设置某些参数值的轻触按键，如下图4.10，是一个与lcd128

50、64数据口复用 的方法，以节省单片机i/o口。 r6 4k7 s2 sw-pb r5 10k vdd1 gnd i/o_port_d0 lcd_d0 图4.10 按键与lcd复用原理 工作原理如：当控制器要向液晶写数据时，将i/o口设置为推挽输出，这时按键不 起作用，不会影响端口电平；当控制器要扫描键盘时，单片机设置成弱上拉方式，先 关闭液晶使能，释放数据总线，然后读取端口电平，便获得了键值。 4.7 系统的系统的 emc 设计设计 要保证辆安全平稳行驶，电磁兼容问题是电动车电气系统最重要最突出的问题之 一，本设计中系统的emc设计包括两个方面，原理图设计及pcb布板，这里只粗略提原 理图设计

51、的emc问题： 1电源系统的emc问题： 整个系统的电源由蓄电池供电，所有部件的电能最终端均来自一个电源，就 是电池，由于电池，包括其引线，都会有内阻，供给系统的电源不是一个恒压源， 注意到系统电能流动量最高的部分是电机的驱动系统，实际上它是一个频率不确 定的噪声源，由不确定换相速度的较低的频率成分大约在零至3khz，以及一个来 自pwm的较高的频率成分大约在15k（可自行设定）；这两个分量叠加而成。 这样，使用了电容滤波器可以减小高频噪声，无法消除低频分量，对整个系 统，各模块电压等级可能不同，使用高频开关电源斩波降压，再使用低压差线性 稳压器过滤，这样便得到稳定的电源。 2.系统的信号传输

52、的emc问题： 这里又有模拟信号和数字信号的区别：模拟信号如调速转把输入，其地端与 电源地独立；软件方面应该有数字滤波器。还有电流电压采样的前端放大器，模 拟地与电源地不共用网络。pwm驱动晶体管使用光耦隔离，驱动驱动mos管采用差 动输入的运算放大器实现电平转换，减少了共模干扰，栅极存在极间电容，串入 电阻以减少振铃。 第五章第五章 5 软件设计软件设计 5.1 无刷电机换向实现无刷电机换向实现 无刷电机的换向，是要根据由霍尔元件的输出取出位置信息，来驱动逆变桥，改 变电机的通电相序。首先对电机进行测试，得到电机的相序与霍尔信号时序相对应的 关系表。 这里可以看到，三位二进制霍尔信号以格雷码

53、的形式指示着其位置，对于一个三 相四极无刷电机，每重复一个周期，电机便转过90度，如下表5.1所示： 位置（角度） 0153045607590 元件1电平 1100011 元件2电平 0001110 霍尔信 号时序 元件3电平 0111000 通电相a相 -0+0- b相 +0-0+ 序 c相 0-0+0 表格5.1：无刷电机相序 电机的三根相线，由逆变桥控制，在上面的表格中，“+”、“-”、“0”分别表 示通电方向的正、负及悬空状态。根据硬件设计，某相通电为负，便打开下桥臂的场 效应管；通电为正，关闭下桥臂，同时给上桥臂送pwm；悬空状态，则上下桥臂都关闭。 这样，相应寄存器设置如下表5.2

54、： 输出状态桥臂驱动信号信号输出值比较输出模式输出极性 chi 任意 “-” chin0 强制无效 ccinp=0 chipwm “+” chin1 pwm模式 ccinp=1 chi0 “0” chin1 强制无效 ccinp=1 表格5.2：更改寄存器设置 由此可得每个霍尔信号的值对应寄存器预设： const char ccmr1_f7=0 x48,0 x48,0 x48,0 x48,0 x68,0 x48,0 x68; const char ccmr2_f7=0 x48,0 x68,0 x48,0 x48,0 x48,0 x68,0 x48; const char ccmr3_f7=0

55、x48,0 x48,0 x68,0 x68,0 x48,0 x48,0 x48; const char ccer1_f7=0 x99,0 x91,0 x19,0 x91,0 x99,0 x99,0 x19; const char ccer2_f7=0 x09,0 x09,0 x09,0 x09,0 x01,0 x01,0 x09; 随着电机转速提高，换向变快，驻留时间短至2ms，前面已得出的结论；为使控制 器实时响应，提高效率，采用中断方式，将这三个连接至霍尔元件的i/o口设置为上升 沿或者下降沿中断；恰得益于这种格雷码的编码形式，出错率低，运行稳定可靠。 不仅如此，软件可以将霍尔信号时序存于

56、rom，通过数组移相检验当前正反转信息， 或者是出现了错误的值： const unsigned char hall_next8=0,5,3,1,6,4,2,0; if(hall_nexthall=hall_new) /正向换相 hall = hall_new;/覆盖原先的值 中断方式保证了实时响应，但是输出确因为程序执行霍尔判误、给寄存器赋值时 产生了时延，输出将不是及时的。为了克服这个问题，stm8为用户提供了一个预装功 能，用户先行预装下一步换向所需的设置，在软件置位了换相事件相应的位时才起作 用，于是中断服务函数的第一件事情是： tim1_egr |=0 x20;/设置换相事件 再取出相

57、应的寄存器预装值进行预装： tim1_ccmr1 = ccmr1_fhall; tim1_ccmr2 = ccmr2_fhall; tim1_ccmr3 = ccmr3_fhall; tim1_ccer1 = ccer1_fhall; tim1_ccer2 = ccer2_fhall; 5.2 调速的闭环算法调速的闭环算法 在无刷电机的调速系统，速度调节器由单片计算机系统构成，连续的模拟控制要 变为离散控制，其中比例控制常用用kp，积分项采用突斯汀变换，微分项用一阶后向 差分法离散化，可得数字式pid调节器： kp kit(z+1)/2(z-1) kd(z-1)/tz pwm + + + u(

58、k) 图5.1 数字式pid算法 pid是闭环控制常用的算法之一，运算量小，参数容易整定： ess = sp_c; ess -= speed;/计算偏差 spc = ess*kp;/比例部分 spc /=10; essa += ess*ki/10;/积分部分 if(essa100) essa =100; if(essa0)/正转标致正转标致 hall = hall_new; if(dir126) dir+; else/ hall = hall_prehall_new; tim1_ccmr1 = ccmr1_fhall; tim1_ccmr2 = ccmr2_fhall; tim1_ccmr3

59、= ccmr3_fhall; tim1_ccer1 = ccer1_fhall; tim1_ccer2 = ccer2_fhall; tim1_egr |=0 x20;/set comg hall =0; if(dir=0)/正转正转 hall = hall_new; dir+; else/转向翻转为正转向翻转为正 dir =0; else if(hall_prehall=hall_new) hall = hall_prehall_new; if(dir-126) dir-; else tim1_ccmr1 = ccmr1_fhall; tim1_ccmr2 = ccmr2_fhall; ti

60、m1_ccmr3 = ccmr3_fhall; tim1_ccer1 = ccer1_fhall; tim1_ccer2 = ccer2_fhall; tim1_egr |=0 x20;/set comg hall =0; if(dir=0) hall = hall_prehall; dir-; else dir =0; else hall =0; tim1_ccmr1 = ccmr1_fhall; tim1_ccmr2 = ccmr2_fhall; tim1_ccmr3 = ccmr3_fhall; tim1_ccer1 = ccer1_fhall; tim1_ccer2 = ccer2_f