电动高尔夫球车控制器的开发

1、 . . . 科技学院毕业设计（论文）题 目电动高尔夫球车控制器的开发 院 （系）电气与信息工程学院专业班级自普本2007-02 学生徐 凯 峰学号2007440885指导教师王 华 斌职称 讲 师评阅教师职称2011年 6 月 9 日注 意 事 项1.设计（论文）的容包括：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9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：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

2、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，打印字体与大小符合要求，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。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：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它学生毕业设计（论

3、文）原创性声明本人以信誉声明：所呈交的毕业设计（论文）是在导师的指导下进行的设计（研究）工作与取得的成果，设计（论文）中引用他（她）人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，论文中的结论和结果为本人独立完成，不包含他人成果与为获得科技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设计（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了意。毕业设计（论文）作者（签字）： 年 月 日38 / 45摘 要在石油资源日益短缺的大背景下，如何减少交通对石油资源的不可循环的消耗以与对环境带来的压力，发展电动交通工具，特别是促进发展电动汽车(EV)是世界性的重大课题。在这一背景下，本

4、文结合具体的科研项目，对电动高尔夫球车的驱动系统展开研究。论文的主要任务是完成电动高尔夫球车的核心部分电机驱动系统，实现对高尔夫球车无刷直流电机的控制。论文对电机驱动系统做整体方案设计，主控制芯片采用意法公司针对电机控制设计的芯片STM32F103ZE，结合IR公司驱动芯片IR2130、功率开关管IRF2807，进行了系统硬件电路的设计，使用STM32数字电机开发平台进行程序的模拟和调试。对无刷电机应用于电动车辆驱动系统的一些共性与特性问题进行了详细的分析和研究。总结了无刷电机调速常用的六种PWM调制策略，多方面比较最终确定采用简单的H-PWM-L-ON调制方式来实现电机的调速。 关键词：电动

5、高尔夫球车，永磁无刷电动机，PWM调制ABSTRACTWith the background of the growing shortage of oil resources, it becomes more important to reduce the unrecyclable oil's consumption of traffic and the pressure to the environment, the development of electrical traffic tools, in particular, the development of electrica

6、l vehicle (EV) is a major worldwide issue. In this paper, an electrical golf cars' drive system had been studied with specific project. The main aim of this paper to complete the core part of electric golf cars - motor drive system, and to control the golf car's BLDC. It makes an overall des

7、ign on the motor drive system, the main control chip applied STMicroelectronics Co.Ltd 's chip STM32F103ZE which designed for motor control, combined with IR Co'LTD's driver chip IR2130, and power switch IRF2807, an system hardware circuit had been designed, and a STM32 development Platf

8、orm for digital motor had been applied for programme simulation and debug procedures.Some common problems of Brushless motor used for electric vehicles drive system had been discussed and analysed. Six common brushless motor speed PWM modulation methods had be summarized and compared in all-around.

9、The simplest H-PWM -L-ON modulation had been applied for speed control as an optimized result.Keywords: electric golf cartpermanent magnet brushless motorPWM modulation目 录摘要ABSTRACT1 绪论11.1课题的目的与意义11.2电动汽车驱动系统概述11.3电动高尔夫球车驱动系统方案的比较和确定21.3.1无刷直流电机的工作原理21.3.2无刷直流电机的调速41.3.3电机制动控制研究51.3.4电机驱动控制62.驱动系统的

10、硬件设计72.1主控芯片的选择82.2三相H桥逆变模块92.3控制电源电路92.4转子位置信号检测电路102.5 STM32 AD转换控制器112.6 STM32 高级定时器113驱动系统的软件设计133.1 系统分析133.2系统初始化和电机启动程序133.3霍尔中断程序143.4 PWM更新中断153.5转速检测程序164 电机控制算法184.1数字PI184.2位置式PID194.3增量式PID控制算法205系统调试与实验结果分析235.1系统调试步骤235.2系统调试与解决方案236总结和展望25参考文献24致25附录1：26附录2：341 绪 论1.1课题的目的与意义在石油资源日益短

11、缺的大背景下，如何减少交通对石油资源的不可循环的消耗，发展电动交通工具，特别是促进发展电动汽车(EV)是世界性的重大课题，不仅是中国社会关注的话题，也是国际社会十分关注的重大问题。我们看到，发达国家政府和企业联合制定了各种计划，投入了巨额资金发展电动汽车产业。与他们的措施和政策相比，我国虽然也设立了专项资金鼓励发展电动汽车，但在品牌创新、自主研发能力、资本运营管理、品牌影响力方面我国的汽车技术与世界发达国家仍旧有一定差距。但是在发展力度，商业进程还有市场方面，中国有着远超国外的优势。一大批毫不知名的小企业，早就开始了自己的电动交通事业。1997年，从几家企业起步，总年产电动自行车不到2万辆，到

12、了2003年，参加企业近千家，总年产量一举突破400万辆，6年增长超过200倍。2004年开始，电机动力性能和电子控制技术也飞速发展，电机功率从一开始的150W逐步上升成熟，到2004年底，额定功率500W，最大输出功率1KW的高性能稀土永磁电机已经低成本大批量地生产，极大满足了人们的使用需要。轻型的电动交通工具不仅可以满足城市中低收入居民的出行代步需要，而且也可以满足农村居民的生产生活需要，不断降低的价格和不断提高的性能为轻型电动车赢得了实实在在的市场。2006年上半年，全国数百家企业的各种轻型电动车(含电动自行车)的产量为800万辆，全年预计总产量将达到1500万辆。一些关键的技术创新成果

13、(如轮毂电机、能量回收技术、新型节电模式，等等)也在产品中成功运用，企业取得了比较好的经营效果，而政府则收获了巨大的社会效益。随着技术水平的提高与市场需求的进一步提升，中国式的微型电动汽车的发展就被提上了日程。本课题就是在这样一个背景下确立的，再结合具体的科研项目，最终确定为：电动高尔夫球车永磁无刷直流电机驱动系统的开发。根据于高尔夫球场的特性，选用永磁无刷电动机驱动电机。它具有零污染、低噪声的优点，同时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。其开发难度较之微型电动汽车也更低。通过本实验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，

14、并为进一步研制发展电动高尔夫球车打下坚实的基础。1.2电动汽车驱动系统概述电机系统是影响电动车整车性能的关键因素，电机类型的选择与车辆驱动方式的确定是电动车开发首先面对的抉择。当前用于电动车驱动的电机系统主要有：直流电机系统，其作为电动车驱动电机的主流直至八十年代中期，并至今占据实用型电动车市场的一席之地。直流电机系统技术成熟，控制简单，采用斩波驱动方式，具有良好的控制驱动特性；但由于采用机械式电刷和换向器，其过载能力、转速围、功率体积比、功率重量比、系统效率、使用维护性均受到限制。自九十年代，电动车相关论文中鲜见对直流电机的研究。与传动领域趋势一样，电动车驱动中，直流电机系统为交流电机系统替

15、代成为必然趋势。开关磁阻电机系统，是近年逐步发展完善的一种传动牵引动力系统，结构简单，坚固耐用，成本低，免维护；但存在原理性的大转矩脉动和由此产生的过大噪声。目前，开关磁阻电机系统在电动车驱动中的应用还处于预研阶段，有待进一步深化研究，德国和瑞典与国已在进行开关磁阻电机在电动汽车驱动应用中的尝试。感应电机(鼠笼式)系统，结构简单、坚固耐用、成本低、免维护、无原理性力矩脉动；由电机固有特性的强非线性而导致控制复杂。美国、欧洲电动汽车的开发以感应电机系统为主流。永磁无刷电机系统，具有良好的控制驱动特性，较高的电机能量密度与系统效率，较高的功率体积比和功率重量比；同时也具有电机成本高、制造工艺复杂的

16、局限性。其为日本九十年代电动汽车开发的主流选择。目前，世界电动汽车开发的电机选型集中于感应电机系统和永磁无刷电机系统这二者。日本丰田公司、美国通用汽车、德国西门子、宝马公司等均进行过一样功率的感应电机系统和永磁无刷电机系统的实验比较，得出一致的结论：永磁无刷电机比感应电机具有更高的系统效率(尤其在起动和低速工作状态下)、更高的功率重量比。日本富士电机公司推出适于大规模生产，结构、工艺简单的电动汽车永磁电机方案，并预测：随着世界永磁材料成本的逐年下降，可望在不久的将来，永磁电机价格可降到与感应电机竞争的水平。我国有世界最丰富的稀土永磁材料储量，具有先天的优势，基于永磁无刷电机系统展开深入工作，开

17、发出适于电动车应用的驱动系统，显得更为合理和迫切。本文所开发电动高尔夫球车电机驱动系统，采用永磁无刷直流电机方案。1.3电动高尔夫球车驱动系统方案的比较和确定在电动车中，驱动系统是绝对的核心，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。整车的运行性能和效率都很大程度上由其决定。不同的电动车开发有着不同的系统构成和控制策略。绪论中在对几种类型的电机比较的基础上确定了本设计中将采用永磁无刷直流电机；在此基础上，对无刷直流电机的调速和制动方式展开了进一步的分析；并详细研究了驱动系统的控制策略；最后，确定了所开发的电动高尔夫球车系统的构成和实现

18、功能。1.3.1无刷直流电机的工作原理无刷直流电机与有刷直流电机相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管、晶体管、功率MOSFET或IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等可直接与电枢绕组连接。在电机，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换向装置。综上所述，无刷直流电机由电机本体、转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如下图所示。图1.1无刷直流电机的工作原理图在无刷直流电机中，借助反映主转子位置的位置传感器的输出信号，通过电子换相线路去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次馈

19、电，从而在定子上产生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电机的接触式换相过程，下图为无刷直流电机工作原理框图。图1.2无刷直流电机工作原理框图无刷直流电机为了取消电刷，将电枢绕组移至定子上，而转子由永磁体构成，结构与有刷直流电机正好相反；然而即使这样改变还不够，因为定子通入直流电后，只能产生不变的磁场，电机依然转不起来。为了使电机转子旋转起来，必须使定子电枢各相绕组不断地依次换相通电，这样才能使定子磁场随着转子位置不断变化，使定子磁场和转子永磁磁场始终保持约90

20、76;的空间角，产生转矩推动转子旋转。无刷直流电机的控制，根据转子位置传感器的有无分为：无位置传感器控制和位置传感器控制两种，常用的传感器有光电式位置传感器、霍尔式位置传感器。三相无刷直流电机反电势和传感器输出信号间相位关系见下图所示：图1.3三相无刷直流电机反电势和传感器输出信号间相位关系图1.3.2无刷直流电机的调速无刷直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言，可以认为是由电力电子开关逆变器、永磁同步电动机和磁极位置检测电路三者组成的“电动机系统”。普通直流电动机的电枢通过电刷和换向器与直流电源相连，电枢本身的电流是交变的，而无刷直流电机用磁极位置检测电路和电力电子开

21、关逆变器取代有刷直流电机中电刷和换向器的作用，即用电子换向取代机械换向，由位置检测器(有位置传感器或无位置传感器)提供电机转子磁极的位置信号，在控制器中经过逻辑处理产生相应的开关状态，以一定的顺序触发逆变器中的功率开关，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩。一般情况下，三相永磁无刷直流电机采用传统的三相桥式逆变器作为驱动电源，电机本体一般都安装有转子位置传感器，在逆变器的驱动作用下，电机才可能正常工作，才能组成一个完整的无刷直流电机驱动系统。结合实际情况，开关器件采用的是功率场效应管，蓄电池作为电源，而转子位置的获取则通过霍尔位置传感器。在该驱动系统中

22、，依靠功率模块的开关作用对电压电流进行控制，达到既控制转速又控制转矩的目的。电机工作于120°导通方式下(每只开关管导通120°电角度)，每个时刻只有两相绕组导通，另一相绕组浮空；每隔60°电角度就有一只开关管关断，另一只开关管开通。通常，无刷直流电机是通过调节输入电机的直流平均电压达到调节转速的目的。调节方式有两种：一种为PAM方式，另一种为PWM方式。在PAM方式中，直流母线电压dcU可调，逆变器功率开关器件只负责电机换相控制，通过调节直流母线电压dcU的大小调节电机转速。这种方式虽然从一定程度上能降低功率器件的成本，但却不能针对各桥臂实施不同调制，欠缺灵活性

23、。在PWM方式中，直流母线电压dcU不可调，逆变器功率开关器件不仅负责无刷直流电机的换相控制，而且通过斩波调节电机输入电压的平均值，从而达到调节转速的目的。当然，逆变器也可采用SPWM技术或滞环控制技术等调制出正弦电压并与电机反电动势保持适当的相位关系，产生有效电磁转矩，达到全速度围的一个效率优化目的，但转矩波动往往较大，也有文献提出利用电流源逆变器供电的主电路通过调节母线电流来达到对无刷直流电机调速的目的。实际应用中这类调制方式都很少应用。通常在无刷直流电机中采用的PWM调制方式有五种，分别为：ON-PWM开关管导通120°期间，前60°恒通，后60°进行PWM

24、调制；PWM-ON开关管导通120°期间，前60°进行PWM调制，后60°恒通；H-ON-L-PWM上桥臂开关管保持恒通，下桥臂开关管进行PWM调制；H-PWM-L-ON上桥臂开关管进行PWM调制，下桥臂开关管保持恒通；H-PWM-L-PWM上下桥臂开关管均进行PWM调制。也有文献提出的所谓的PWM-ON-PWM方式，可以彻底消除非导通相的续流问题，有效的削弱了部分转矩脉动，但其需要更为细致的位置信号，该文中介绍了一种利用数字细分策略在不加装位置传感器的基础上的实现了该调制方式，取得了较好的效果。1.3.3 电机制动控制研究根据制动目的不同，电动车辆制动可分为减速

25、制动和紧急制动两种。减速制动状态下，车轮和电机仍然处于旋转状态，电磁转矩与转向相反，电机运行于二、四象限；紧急制动则是立刻阻止车轮旋转。紧急制动要求很大的制动力矩，通常利用摩擦阻力，以机械方式实现，制动过程中系统的动能被转换为摩擦热，是一个能量消耗的过程。减速制动则可以采用电气制动的方式实现。以下针对电气制动过程进行分析研究。电气制动的方式有三种，分别是反接制动、能耗制动与回馈制动。反接制动通过改变相电压的极性使其与反电动势极性一致，二者叠加作用于相绕组使电流极性反向，反接制动时来自电源的能量、电动车辆的动能消耗在相绕组的阻上，制动力矩大，但实际制动电流受限于功率器件处理电流的能力，而且直流电

26、源电压与相反电动势叠加所达到的电压值可能超过功率器件的耐压围；能耗制动时，三相绕组短接，此时在相反电动势的作用下，将产生与反电动势方向一致的电流，从而产生制动转矩，能耗制动时车辆动能也是白白消耗在绕组的阻上；而在回馈制动方式下，电机进入发电机状态，将部分车体动能转换为蓄电池的储能，由于进入蓄电池的储能可被系统再次利用，这一方案无疑提高了系统的运行效率，可以延长车辆的续驶里程，很明显，这种方式应该在电动车辆制动方案中被优先采用。通过超前换相措施，无刷电机可以实现恒功率运行，此时线反电动势会高于逆变器直流侧电压，当无刷电机从恒功率运行方式进入回馈制动方式前，必须通过正常换相过程直至转速下降到基速。

27、这是因为，当线反电动势高于逆变器直流侧电压时，一旦相电流极性改变，逆变桥将工作于二极管不控整流模式，会导致很大的制动电流损坏功率器件甚至电源。永磁无刷直流电机的端部反电势低于电源电压时，通常的能量反馈制动条件无法满足，电机难以向蓄电池输出充电电流。但可以借助相电感这个储能元件作为桥梁来沟通电机与电源以实现能量的反向流动。1.3.4电机驱动控制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。高尔夫球车以直流无刷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STM32数字电机开发实验平台，以ULINK/JLINK作为仿真器仿真和下载CPU程序

28、，以核心板作为控制核心；底板上带有各种功能模块如：TFT彩屏显示模块、SD卡模块、CAN通讯模块、串口通讯模块、蜂鸣器、指示灯等等接口；逆变板主要由MOSFET三相H桥模块、MOSFET驱动IC模块、高速光耦模块和信号处理模块等构成。各模块自由接线或选默认接线，在该众多模块基础上可以实现各种功能的应用系统。对应电动高尔夫球车运行在高尔夫球场上，驾乘者目的不同以与场地的路况降低对车辆续驶里程的要求但对驱动系统动力性能却提出了相对较高的要求。永磁无刷直流电机具有起动转矩大、调速方便、结构简单、维护简便、功率密度大等优点非常适合应用于此类中小功率的调速系统与拖动系统。2.驱动系统的硬件设计本章介绍控

29、制器产品的设计与实现。在先期方案论证、理论的基础上对电动高尔夫球车的驱动系统进行了产品设计。驱动系统由三相H桥逆变输出模块、IGBT/MOSFET驱动IC、高速光电耦合器、主电源、控制电源以与取样、保护电路等组成。在48V，2.2kW这个等级的应用中，MOSFET作为电压驱动型功率器件，具有驱动功率小、工作频率高、价格低廉的优点，业界都倾向于使用功率MOSFET作为开关器件。功率MOSFET具有正温度系数，特别有益于器件并联使用，为了达到最优的并联效果，在设计中遵循了以下原则：MOSFET的参数的一致性应较好，一般同一批次的即可满足要求；在理论分析与实验的基础上确定适当的降额因子；MOSFET

30、应装在同一块散热器上，且间距一样并保持良好的热耦合；慎重设计MOSFET驱动电路，尽可能减小驱动电路的输出电阻，最大程度上发挥驱动电路的驱动能力；采用间接耦合并联各MOSFET柵极，以抑制潜在的功率震荡问题。在本系统中，控制器是其核心部件，它不仅要完成外部信号的处理，电机驱动信号的给定，更重要的是完成整个系统的控制策略。下图为硬件系统框图：图2.1硬件控制系统框图2.1主控芯片的选择Cortex-M3处理器是一个低功耗的处理器，具有门数少， 中断延迟小， 调试容易等特点。它是为功耗和价格敏感的应用领域而专门设计的、具有较高性能的处理器，应用围可从低端微控制器到复杂SoC。Cortex-M3处理

31、器使用了ARM v7-M体系结构，是一个可综合的、高度可配置的处理器。它包含了一个高效的哈佛结构三级流水线，可提供1.25DMIPS/MHz的性能。在一个具有32个物理中断的标准处理器实现上（0.13um Metro 50MHz），达到了突出的0.06mW/MHz能效比。为降低器件成本，Cortex-M3处理器采用了与系统部件紧耦合的实现方法，来缩小芯片面积，其核面积比现有的三级流水线核缩小了30%。Cortex-M3处理器实现了Thumb-2指令集架构，具有很高的代码密度，可降低存储器需求，并能达到非常接近32位ARM指令集的性能。STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破

32、性的Cortex-M3核，该核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。Cortex-M3在系统结构上的增强，让STM32受益无穷；Thumb-2®指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速；所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。STM32系列给MCU用户提供了全新的32位产品选项，结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势。本实验创新平台以增强型产品STM32F103ZE作为核心CPU。该32位CPU具有以下特点：·32位ARM Corte

33、x-M3结构优化；·72 MHz 运行频率，1.25 DMIPS/MHz；·硬件除法和单周期乘法；·快速可嵌套中断，612个时钟周期；·具有MPU保护设定访问规则；·512K Flash闪存和64K SRAM·8个定时器、12条DMA通道，1个CRC计算单元；·3个12位1us A/D ，21路模拟通道；·2个12位D/A，2通道；·5个USART接口；·2个I2C接口；·3个SPI端口；·USB OTG；·一个CAN2.0B2.2三相H桥逆变模块三相H桥电路采用六

34、个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，电压型逆变电路， IGBT本质上是一个场效应管，只是在漏极和漏区之间多了一个P型层，其各部分名称基本沿用场效应管的命名方法。IGBT将MOSFET和功率晶体管（GTR）的优点集于一身，具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好、驱动电路简单、通态电压低和耐压高等优点，在一些功率较大的电机控制系统中，得到广泛应用三相H桥逆变模块由直流母线电压、电流采样电路以与6个IGBT/MOFET管构成如下图所示，MOSFET管STB75NF75： V(BR)DSS漏源极击穿电压为75V，VGS(th)栅极门限电压4V，RDS(on)导通电阻0.0095，导通时间125ns，关断时间

35、96ns，源漏极二极管导通电压1.5V。通过驱动电路发送信号控制六个管子的通断，进而控制电机旋转。图2.2三相H桥逆变模块2.3控制电源电路下图为控制电源电路，同样具备过电流和电源反接两种保护功能，控制电源和逆变电源共地。输入电压围18V36V，采用DC/DC稳压芯片实现15V和5V控制电压输出。 图2.3 控制电源电路2.4转子位置信号检测电路在带位置传感器无刷直流电机控制系统中，为了得到最大转矩，微处理器需要根据位置传感器的信号对无刷直流电机进行换相操作。掌握好恰当的换相时刻，可以减少电机转矩波动，因此位置检测非常重要。位置传感器在无刷直流电机中起着检测转子磁极相对位置的作用，并为逻辑开关

36、电路提供正确的换相信息，即将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。无刷直流电机中常用的位置传感器主要有电磁式、光电式和磁敏式3种。霍尔位置传感器作为一种磁敏式位置传感器凭借其结构简单和价格便宜的有点得到了广泛的应用。在大多数无刷直流电机中，霍尔位置传感器由安装在定子上的霍尔集成电路和安装在转子上的传感器转子构成。传感器转子和电机转子一同旋转，以指示电机主转子的位置。若干个霍尔集成电路按等距的间隔，安装在电机定子上，主转子每转过一对磁极，传感器就要产生出一组跳变信号。主转子的极对数越多，则在360度机械角度传感器产生的跳变信号也越多。在一个电周期，霍尔位置传感所产生的开关状态时

37、不重复的，每一个开关状态所占的电角度相等。以3个空间位置相差120度电角度的霍尔位置传感器为例，每个周期每一个霍尔位置传感器都会产生180度脉宽的输出信号，3个霍尔位置传感器输出的信号相位互差120度。这样它们在每个转子电周期共有3个上升沿和3个下降沿，正好对应着6个换相时刻。位置检测不但用于换相控制，而且还可用于产生速度反馈控制量，转子位置反馈信号被送入微处理器的输入接口，这一组信号的电平状态和跳变时刻决定了电机的换相状态和时刻。霍尔位置传感器输出信号HA、HB和HC经过高速光耦合隔离后输出，在经过整形和电容滤波滤去高频信号干扰后得到HALL-A、HALL-B和HELL-C,最后送入微处理器

38、中2.5 STM32 AD转换控制器12位ADC是一种逐次逼近型模/数转换器。它有18个通道，可测量16个外部和2个部信号源。各通道的A/D转换可以单次、连续、扫描或间断模式执行。ADC的结果可以左对齐或右对齐方式存储在16位数据寄存器中。模/数转换器的主要特征如下：·扫描模式，通道0到通道n的自动转化；·按通道配置采样时间；·双模式（在带2个ADC的设备上）;·ADC转换时间：STM103xx系列MCU，56MHz的时候1us（72MHz的时候1.17us）；·ADC供电要求：2.43.6V ;·ACD的输出围：VREF-VINVR

39、EF+；·规则通道转化期间产生DMA请求。2.6 STM32 高级定时器STM32中有多达8个定时器，其中TIM1和TIM8是能够产生三对PWM互补输出的高级定时器，常用于三相电机的驱动，它们的时钟由APB2的输出产生。对于STM32系列微处理器来说，执行一条指令只有几十个ns，进行for循环时，要实现N毫秒的x值非常大，而且由于系统频率的宽广，很难计算出延时N毫秒的精确值。针对STM32微处理器，需要重新设计一个新的方法去实现该功能，以实现在程序中使用Delay(N)。Cortex-M3的核中包含一个SysTick时钟。SysTick 为一个24位递减计数器，SysTick设定初值

40、并使能后，每经过1个系统时钟周期，计数值就减1。计数到0时，SysTick计数器自动重装初值并继续计数，同时部的COUNTFLAG标志会置位，触发中断(如果中断使能)。在STM32的应用中，使用Cortex-M3 核的SysTick作为定时时钟，设定每一毫秒产生一次中断，在中断处理函数里对N减一，在Delay(N)函数中循环检测N是否为0，不为0则进行循环等待；若为0则关闭SysTick时钟，退出函数。 需要注意的是全局变量TimingDelay必须定义为volatile，延迟时间将不随系统时钟频率改变。外部晶振为8MHz，9倍频，系统时钟为72MHz，SysTick的最高频率为9M

41、Hz（最大为HCLK/8），在这个条件下，把SysTick 效验值设置成9000，将SysTick 时钟设置为9MHz，就能够产生1ms的时间基值，即SysTick产生1ms的中断13。 使用ST的函数库使用systick的方法:（1）调用SysTick_CounterCmd() 失能SysTick计数器（2）调用SysTick_ITConfig () 失能SysTick中断（3）调用SysTick_CLKSourceConfig() 设置SysTick时钟源。（4）调用SysTick_SetReload() 设置SysTick重装载值。（5）调用SysTick_ITConfig (

42、)     使能SysTick中断（6）调用SysTick_CounterCmd() 开启SysTick计数器3驱动系统的软件设计3.1 系统分析系统经由HALL传感器信号获得电机实际运行速度信息，经由直流母线单电流采样获取电机电流信息，这些信息和各自的设定值的差值经两个串联的PI调节器处理后，最终以占空比的形式输出去控制逆变器的输出电压，从而控制电机转速。无刷直流电机起动：采用定相起动方式，即通过在电枢绕组上施加一定幅值直流电压，迫使转子旋转到某一特定位置，与此同时HALL传感器输出与之对应转子位置信息，至此系统进入正常运行状态。在正常运行状态，在由H

43、ALL信号触发的中断服务程序中，控制器以三相HALL信号的状态依据，以此获取下一步三相逆变H桥功率器件的状态，随后软件产生换相事件实现三相H桥输出换相，如此在电枢绕组中形成旋转磁场，保证了电机的连续不断地旋转；同时通过对HALL信号相邻跳变间隔时间的计数，系统获取了电机的转速信息，由液晶屏显示。BLDC双闭环调速控制系统MCU外设初始化模块BLDC换相模块PID算法模块LCD显示驱动模块BLDC系统参数主函数模块图3.1系统主要模块构成图3.2系统初始化和电机启动程序系统的初始化中主要包括了单片机的时钟配置，系统时钟SysTick初始化，GPIO初始化，定时器配置，嵌套向量中断控制器（NVIC

44、）配置，LCD的初始化，PWM初始化，ADC初始化等工作。其中单片机的时钟配置决定了单片机的工作频率，在本次设计中单片机所配置的工作频率为72MHz。对模拟通道直流偏移电压进行测量，然后对全局变量和PID参数进行初始化。完成后固定电机转子，延时一定时间。等待HALL信号，判断其是否有效，有效电机启动，无效时，HALL没有超时则继续等待，超时则报电机故障。图3.2系统初始化和电机启动流程图3.3霍尔中断程序无刷直流电机根据HALL位置传感器获取转子位置信息，转子在不同电角度围下输出对应的信号与三相反电势。通过电子换相线路去驱动与电枢绕组连接的相应的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产

45、生跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子旋转。随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变。HALL中断函数中首先要检查HALL信号标志，然后读取其状态信息。获得HALL信号后通过查看换相表，进而产生换相事件，同时读取TIM2定时器的信息，计算转速。现在运行转速与设定转速比较，继续进行调节，直至转速与设定转速一样。图3.3HALL中断流程图3.4 PWM更新中断STM32单片机的定时器TIM1TIM4都能够产生输出互补的PWM信号。重要的是STM32的TIM1高级定时器能够产生具有可编程死区时间的PWM脉宽波形。STM32的PWM模式

46、有模式1和模式2。在PWM模式1，当TIM1_CNT小于PWM脉宽装载值时，TIM1的参考信号OCxREF为高，否则为低。模式2与模式1相反。为减少单片机的运算这里采用PWM模式1，同时TIM1的CH1具有互补输出的功能，因此用CH1输出端口PE8，PE9输出互补的PWM波形。在主电路IGBT的H桥中，由于IGBT的关断时间大于它的开通时间，上下桥臂在同一时间换向就会引起要关断的IGBT还没有可靠关断，而要开通的IGBT被打开，这时就会出现上下桥臂直通，严重时会直接烧坏IGBT，因此上下桥臂换向时要设置死区时间用以防止出现H桥的直通现象。在这里采用STM32高级定时器TIM1的死区插入可以设置

47、死区时间。根据IGBT数据手册和驱动IGBT的光耦的数据手册，这里选择死区时间为3微秒。其输出占空比为70%的PWM图3.4PWM信号中断流程图忽略电机电枢电阻和开关管管压降，则无刷直流电机转速（rpm）： （3.1）式中，为反电动势系数（V/rpm），为电机反电势（V），逆变器输出线电压（V）。PWM模式下，逆变器输出线电压： （3.2）式中，为占空比（01），逆变器直流母线电压（V）。则有： （3.3）3.5转速检测程序转速检测是电机数字调速非常重要的一个环节，它关系到电机的性能和稳定性问题，通过STM32微控制器的编码器接口定时读取位置信号，然后计算转速，数字滤波。TIM2定时器连接霍尔

48、传感器，来自HALL传感器的转子三相位置信号经由定时器3个输入脚（CC1、CC2、CC3）输入，再通过一个异或门输出，定时器负责捕获这个信号。当3个输入之一变化时，计数器重新从0开始计数。捕获值反映了两个输入变化间的时间延迟，给出了马达速度的信息。设定时器时钟频率为（Hz），则三相HALL信号变化频率（Hz）： （3.4）式中，CCR1为定时器的捕获值。则有电机转速n（rpm）： （3.5）式中，p为电机极对数。4 电机控制算法在连续时间控制系统中，PID控制器应用的非常广泛。其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般的控制要求。4.1数字PI自从计算机进

49、入控制领域以来，用数字计算机代替模拟计算机调节器组成计算机控制系统，不仅可以用软件实现PID控制算法，而且可以利用计算机的逻辑功能，使PID控制更加灵活，数字PID控制在生产过程中是一种最普遍采用的控制方法，在机电、冶金、机械、化工等行业中获得了广泛的应用。将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如下图所示。系统由PID控制器和被控对象组成。图4.1 PID控制系统原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差

50、： (4.1)将线性偏差的比例(P)，积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为:(4.2)或者写成传递函数形式: (4.3)其中：比例系数；积分时间常数；微分时间常数。简单地来说，PID控制各校正环节的作用如下:比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号E(t)，偏差一旦产生，控制器就立即产生控制作用，以减小偏差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，时间常数越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节能反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修整信号

51、，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。4.2位置式PID按模拟PID控制算法，以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以矩形法数值积分近似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，即： (4.4)可以得到离散PID： （4.5)其中。为采样周期，为采样序号，和分别为第(k-1)和第k时刻所得的偏差信号。图为位置式PID控制系统。PID控制算法PWM执行机构被控对象r(k)+-y(k)图4.2位置式PID控制系统4.3增量式PID控制算法当执行机构需要的是控制量的增量(例如驱动步进电机)时，应采用增量式PID控制。根据递推原理可得 (4.6)所以有：(4.7)其中5系统调试与实验结果分析5.1系统

52、调试步骤1. 逆变器硬件检查：连接24V电源到逆变器控制电源端，通电后5V指示LED亮，万用表检查5V和15V控制电源电压是否正常，否则需检查电源极性是否接错。2. 控制板硬件检查：断电，用34芯排线一一对应连接控制板、逆变器板相应引脚，通电后控制板5V和3.3V指示LED亮，万用表检查3.3V电源电压。3. MCU初步测试：编写一段LED闪烁代码并下载，对MCU的正常与否进行初步检查。4. TIM8定时器（PWM输出定时器）编程、调试：设置TIM8CCRx为小于载波周期。用示波器检查逆变器板6路PWM输入信号情况：如光耦输入/输出端、IR21368的PIN2PIN7。注意：应设置MCU 6路

53、PWM输出引脚为推挽模式；载波频率 20 KHz。5. 查表定时器（选TIM8/2/1之外任意一个）编程、调试：设置定时查表频率为一定值（如50Hz），其中断服务程序中依照查表值设置TIM8CCRx。用示波器检查逆变器板6路PWM信号，应观察到三相相差120°，频率50Hz的PWM波。6. 系统调试：设置电机启动转速（较低，如50rpm），并以此计算占空比、查表频率，使能IR21368，连接逆变电源至24V电源。通电后，电机应平稳运行，同时注意观察有无异常。如遇异常则应立即停电，对相应的软硬件进行检查。7. 电机闭环运行：速度给定经速度、电流两级PID调节器处理后以占空比的形式输出。

54、通电运行，视速度反馈、电流等信号的变化情况，调节PID参数，直至达到技术指标要求。5.2系统调试与解决方案由于对专业知识认识不太全面等原因，在系统调试中出现了一些问题。系统调试中主要遇到的问题与其解决方案有：·由于专业基础知识不够牢固，对霍尔传感器在测定转子位置和电机转速方面的应用不够理解，通过查阅图书馆资料和网络上的资料，知道了如何使用溢出中断和抓捕中断来测定转子位置和转速。·在程序设计中，由于以前没有系统学习过ARM嵌入式软件，导致使用EealView MDK软件时困难比较多，在请教老师后，去图书馆借阅了相应的ARM嵌入式开发工具的书籍，对调用MDK库文件和调试函数有了

55、更熟练的运用。·在TIM2定时器（PWM输出定时器）的调试时，输出波形始终与理论波形不一致，通过查阅资料、互相讨论后问题得到了解决。原因是在设置定时器上不够准确。通过反复调整PWM的周期、PWM的占空比，用示波器检查逆变器板6路PWM输入信号，最终得到了理想的波形。调试波形：图5.1逆变器板6路PWM输入信号波形图5.2逆变器板3路HALL信号图6总结和展望电动车系统融合电机、电力电子、机械、材料、电化学、能源和控制等多门技术学科，以高可靠性、良好性能和成本适宜为发展目标。由于科学技术的发展，尤其是计算机技术，电力电子技术，微电子技术，现代控制理论的发展，带来了电机本体与其相关科学的迅猛发展，使电机的模拟控制逐渐被数字控制所取代。为了实现对直流电机的数字控制，本课题主要做了以下几个方面的工作：对永磁无刷直流电机的一些共性问题以与应用于电动汽车的部分特性问题进行了研究和探讨，对无刷直流电机的基本原理、调速方式以与驱动与制动方式和控制策略进行了归纳和总结。 直流电机控制系统硬件电路分析，本文主要详细分析了无刷直流电机控制系统的主电路、三相H桥与驱动电路、转子位置信号检测电路、微处理器控制电路、STM32 AD转换控制器与高级定