电动汽车用直流电机驱动控制技术研究

1、 高等继续教育毕业设计（论文）题 目电动汽车用直流电机驱动控制技术研究 学 生 王强 学 号 1412026001015 联系电话指导教师 朱炳坤 评 阅 人 教学站点 西安站 专 业 机械设计制造及其自动化 完成日期 2016年9月 高等继续教育毕业设计（论文）任务书论文题目电动汽车用直流电机驱动控制技术研究学生姓名王强教学站西安站专业班级机械设计制造及其自动化内容与要求设计（论文）起止时间2015年12月15日至2016年9月10日指导教师签名学生签名摘 要随着全球环境的恶化和能源匮乏的日趋严重，世界上各个国家都越来越关注电动汽车的开发和研究。有着零排放、低噪音和

2、高效率等优点的电动汽车，必将有着广阔的市场前景。本论文主要研究了永磁电动汽车用无刷直流电机的控制技术。文章首先介绍了电动汽车的研究背景和目前的国内、外的发展现状等，分析了电动汽车的系统结构，车用直流电机控制原理及控制方法。其次对电机驱动系统具体的硬件电路进行了设计，然后完成了基于DSP的控制程序的软件设计。在控制器的硬件设计中，采用芯片DSP2407A作为主控芯片。功率主电路选择智能功率模块（IPM）作为逆变模块。并设计了故障保护电路，增强了系统的稳定性和可靠性。系统的软件设计主要根据模块化思想进行。根据油门踏板信号的输入，调整DSP的PWM波输出以达到无刷直流电机调制的目的。设计呈模块化的软

3、件设计，各模块简洁明了，便于程序的移植和扩展。在控制算法上，选用增量式PID控制算法，并在DSP芯片中进行调试。最后，通过实验验证了本控制系统软硬件设计的合理性，对实验数据进行了分析证明了系统运行的稳定性和可靠性。关 键 词：电动汽车；永磁无刷直流电机；PWM控制；DSP芯片；DSP2407A芯片论文类型：理论研究30西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）ABSTRACT With the energy crisis and worsening pollution,the development of vehicles is increasing concerned by countries

4、 all over the world. Electric Vehicle (EV) has many advantages such as zero pollution, low noise and high efficiency, Therefore, it has extensive market. The major work of this thesis is to complete the design of a controller of electric vehicles based on BLDC motor. First of all,we summarize the ba

5、ckground to the study of electric vehicles, research condition and development of technologies, analyse Electric Vehicle structure, controlled theory and method of BLDC motor.Then the thesis takes the overall plan design and detailed hardware circuit design to the motors drive system,and carries on

6、basic software design based DSP. In the part of hardware design,we adopts DSP2407A as the master controlling chip. The thesis selected intelligent power module(IPM) as the inverter module. And then designed fault protection circuit in order to enhance the reliability of the system. Then, the thesis

7、designed software of the system with module. The main function of system software is to adjust the DSPs PWM wave output in order to achieve the purpose of BLDCM speed control, with the accelerator pedal signal input. Module desing is concise and convinent to migrate and expand the programs. The thes

8、is selected the incremental PID control algorithm and tested with the DSP. The experiments verifys the rationality of hardware and software of the control system. The data of experiments indicated the stability and reliability of the system.KEY WORDS: Electric Vehicle; BLDCM; PWM control; DSP; DSP24

9、07A chipTYPE OF THESIS: Application Fundamentals西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）目 录1 绪论71.1 课题背景及选题意义71.2 电动汽车发展及现状81.3 电动汽车系统构成及原理101.4 电动汽车用驱动电机101.5 本课题的主要工作132 电动汽车用永磁无刷直流电机基本原理142.1 无刷直流电机的基本构造142.2电动机本体142.3无刷直流电机的工作原理152.3.1永磁无刷直流电机电流控制技术163 永磁无刷直流电机控制系统的硬件设计193.1 电动汽车用直流电机控制系统硬件整体结构193.1.1 电源设计193.1.2 位

10、置检测电路203.1.3 相电流检测电路203.1.4 异步串行通讯接口电路213.1.5 保护电路214 电动汽车驱动电机控制技术软件设计234.1 软件整体设计234.2 主程序234.3 中断服务244.3.1 位置检测244.4 其他程序254.4.1 换向调节254.4.2 转速计算255结论26参考文献27附 录291绪论1.1 课题背景及选题意义当今社会，汽车已经相当的普及，它的保有量在不断的上升。上个世纪中后期，人们开始大量地使用燃油汽车，由此导致的能源匮乏和环境污染也变得日趋显著1、2。目前，环境污染和石油资源匮乏已成为世界汽车工业的持续发展所面临的两大问题。燃油汽车所排放的

11、废弃对人体健康有着严重的危害性，主要含有二氧化碳、一氧化碳、碳氢化合物、铅化物、氮氧化合物和二氧化硫等，这些污染物形成光化学烟雾、酸雨及酸雾，对农作物、人类健康、禽兽、自然生态系统、森林和建筑，均有着巨大的危害。而且，由燃油汽车的大量使用而导致的城市噪声污染也是不可忽视的。因为高分贝的噪声对人的神经、听觉、消化、心血管、免疫系统、内分泌等造成相当大的危害。目前，世界上污染最严重的10个城市中有7个在中国3,4。再者，长期以来，我国石油供给量总是赶不上需求量。1993年我国从原来的石油净出口国转变成了石油进口国，从国外进口的油品和原油总量远远的超过了出口总量。2010年世华财讯报道，2009年中

12、国石油表观消费量为40837.5万吨，仅次于美国，位居世界第二。预计2012年中国石油消费量还将增长5，供需结构任然偏紧。电动汽车是在道路交通、安全法规各项要求的约束下，以电动车的车载电源为动力，用电机驱动车轮转动而行驶的车辆。它不排放污染气体，固有“零污染”车辆（ZEV）的美称。在环境污染和能源匮乏日益显著的情况下，电动汽车引起了世界各国的广泛关注。曾有资料表明，运行在同一城市环境下的电动汽车和汽油车，前者的能量消耗比后者减少0.65KWHKM。能源消耗中包含电力输送过程中的损耗、能源转化和开矿。调研表明，运行在拥挤的城市道路中的电动汽车和汽油车，前者的能源效率较后者要高40。再者，电动汽车

13、可以利用水、煤炭、核、天然气、潮汐、太阳、风等能源转化为蓄电池所需的电力，它的广泛应用可有效地降低内燃机汽车对石油的依赖性。此外，电动汽车还可避开用电的高峰时间，利用晚上地时间给蓄电池充电，这样，有利于减少费用和均衡电网的负荷。表格1-1列出的是内燃机汽车与电动汽车性能和用途的对比，该表格直观地显示出了电动汽车的诸多优点：噪声低，无污染，花样多，能效高，结构简单，使用和维修较方便。电动汽车的费用支出较多、初期投入较大，只因它的价格比内燃机汽车要高。但随着使用年限的增加，电动汽车的使用费用会越来越低，甚至会比内燃机汽车的还低，因为电动汽车的维修和保养费用较低。如图1-1为两者应用成本比较。表1-

14、1内燃机汽车与电动汽车用途和性能对比表5项目性能用途机动性废气排放噪声震动操作难易能源补给购置费用维修费用作业范围连续作业不通风场所低噪声场所狭窄场所易燃爆场所低温场所汽油汽车好差好一般好好差好好一般一般差一般一般柴油汽车好一般差一般好一般一般好好一般差差一般一般电动汽车好好一般好一般差好差一般好好好好好1.2 电动汽车发展及现状我国从“八五”起开始了对电动汽车的研究和开发，并在这方面取得了一系列丰硕的成果，正在向着产业化方向转化。电动汽车的三大关键技术是电机、电池和电控系统领域，有资料显示，我国于“九五”后在这三方面取得了巨大的进步。其中，获得了质的飞跃的是高性能动力电池。虽然我国的电动汽车

15、在产品的可靠性、稳定性、一致性等方面的现有水平还没能超越外国，均需作进一步地努力，但在这个基础上，我国已经开始进入了电动汽车整车开发的新阶段，并朝着产业化方向发展。发展电动汽车已经被我国当作一项较大的科技攻关项目。这次攻关不光是要突破三大技术-电动控制、电机和电池，而且还要加大努力去向产业化的方向发展。纯电动汽车不仅要突破关键技术，还需初步实现产业化：引导企业将混合动力电动汽车形成规模化大批量生产；燃料电池汽车成为我们的中一个长期目标。十五期间，全国在电动汽车攻关方面的总投资可能都已达100亿元。国内各地在产业化和科研方面，除投入大量的资金之外，还做了不少的努力，最明显的表现就是制定了与众不同

16、科技体制。全国在启动“十五”863项目的前后，涌现出了各种形式的以天津市所组建的“东风电动车辆股份有限公司和天津电动车辆研究中心”等为代表性的新型体制的科研实体，他们在电动汽车产业化行业和科研中形成了新的动力，均承担了此项目的重大课题。我国对新能源汽车方面的开发集中体现在电动汽车方面。各厂家和科研院所也大力投入，开发出了各种型式的电动汽车，并具有相当的水平。我国与国外电动汽车的水平对比，尚且存在着一定的差距，但是相对于内燃机汽车而言，这个差距小的多。美国在政府政策的推动下，电动车产业化进程有了很快发展。1993年美国先进项目局（ARPA）制订了混合动力电动汽车和电动汽车项目。同年9月美国三大汽

17、车企业负责人与政府共同提出了旨在开发新一代高效节能汽车的“新一代汽车合作计划”6,7。在出售电动汽车的国家里，法国是少数之一。1990年，政府出台政策资助开发电动汽车，并且在税收方面对采购电动汽车的用户进行优惠。法国电动汽车生产商每生产一辆电动汽车，电力公司就给于一万法郎的补助。1995年7月起，采购电动汽车的法国用户政府将给予5000法郎的补贴。诸多措施都为法国电动汽车的迅速发展提供了良好的环境。在1989年，法国的标致一雪铁龙集团跃为全球首家制造商业车队与城市销售电动大蓬车企业，在巴黎使用了135台电动垃圾车，全国为300台，用的电池几乎全都是铅酸电池。后来SAFT公司又着力于镍福电池的研

18、究，并制定了名为“绿色”事业的电动车发展规划，其四个实施阶段分别为：(1)推广“标致”牌JI与“雪铁龙”牌C15E以及C25新型电动汽车；(2)于1995年推广“标致”牌106型与“雪铁龙”牌AX电动汽车，这两种车型不光供车队使用同时也可为家用，该车已取得试制成功；(3)花费10年时间推出另外一种新型电动汽车“希特拉”牌；(4)发展陆路涡轮式电动汽车，即在电动汽车上装有涡轮发动机，可提供长途行驶所需的动力。另外，德国、意大利、英国等在电动汽车开发方面都投入了巨资，并拟制了相应的优惠政策。1.3 电动汽车系统构成及原理随着高性能永磁材料的问世以及电力电子工业的飞速发展，永磁无刷直流电机是成为一种

19、新型电机。如图1-1图1-1 电动汽车基本构造1.4 电动汽车用驱动电机最早应用于电动汽车驱动系统上的电动机是直流电动机。上个世纪80年代以前，由于直流电机的电磁转矩控制特性优良，起步加速牵引力大，有着简单的控制系统结构，因此，绝大多数的车辆牵引电机均采用直流电机。如今，在城市无轨电车上仍广泛采用直流电机驱动系统。与之相匹配的变流器是斩波器，它是主要依靠调磁调速和调压调速把固定的直流电压变成可调的直流电压。直流电机的运转速度不能太高，其最高转速为6000-8000r/min，这是因为这类电机有机械换向器，当电机处于强负荷的高速运行状态时，就会在换向器的表面产生火花。有着电刷和换向器的直流电机常

20、常需要定期保养维护。伴随着科学技术的飞速发展，越来越多的性能优良电机驱动技术也随之问世。感应电动机的转速可达1万-1.2万r/min，功率容量覆盖面较为宽广，它可采用液体或者空气方式冷却的自由度高，对环境适应性较好，而且可以实现再生反馈制动，结构不复杂，运行较可靠，价格也不贵，方便维修，经久耐用，具备较好的动态和稳态性能。电动汽车要求启动快，根据不同的路况均有较好的动态特性，且能在低速下稳定的输出大转矩。提高电动汽车电机的工作效率对于延长其一次充电续驶里程有着明显的意义。提高电动汽车运行效率的途径有两种，第一是提高牵引驱动状态时的效率，第二是回收处于制动状态时产生的制动能量。交流异步电机处在额

21、定负载和额定转速区域时的运行效率是最为高的，可实际运行中，电机常常工作在小负载且低速运行的状况，这个时候大量的能量是消耗在铜损与铁损上。所以，找出损耗与控制量之间的关系，实现最大效率的控制规律，使得电机不管在哪种工况下均可实现效率最大化。困扰交流异步电机广泛使用的问题之一还有开关损耗与噪音问题。交流异步电机在高转速区工作时，因电机电感比较小，极易产生较大的峰值电流，进而引发大量的噪声与开关损耗。故需控制功率开关器件的开关频率，抑止噪声与能量损耗。开关磁阻电动机(SRM)是一种双凸极磁阻电动机，在磁阻最小原理下工作。其定子与转子均由硅钢片叠片构成，且极数不相同，有不同的组合方式，较为常见的有四相

22、(8/6极)结构和三相(6/4极)结构，实际应用当中以8/6结构居多。SRM较其他任意电动机都要更简单，只需将一个励磁绕组安装在电动机的定子上即可，随着转子位量的改变，各相磁路的磁阻也随之而跟随着发生相应的变化，它的电动机转子没有绕组、永久磁铁和滑环等。转子的转速可至1.5万r/min，主要依赖于电磁力来运转的。这一类电机的起动电流小，而起动转矩较大，转矩质量比和功率密度都比较高，动态晌应用时少，实现四象限控制较为方便，效率在较大的转速范围内都居高不下，所以它不但有着异步电动机高效率、高可靠性的矢量控制系统，也有着直流调速系统的较好控制特性，特别适合HEV与EV的动力性能的要求。除此之外，开关

23、磁阻电动机结构坚固且不复杂，可靠性能较好，但缺点是转矩脉动大，控制系统不简单，体积和工作噪声也大。开关磁阻电动机的主要控制变量有4个，分别是相电流、外施电压、开始导通角与关断角。SRM的转矩和转速控制，常常在速度较小时采取电流轿波控制，为了获得恒转矩特性；速度较高时使用相角控制，它是通过调节导通角，从而调节输出转矩与转速。在电机运行到恒转矩区域时，它的开通角同样定在电机效率的最高位置。在转速超过了基速的时候，调整每一相电流的开通角，这样电机就提前开通，可获得具有恒功率特性，这个时候电机效率等便下降。在导通角增大到最大值的时候，串励直流电动机的这点特性电动机也就具备了。永磁无刷电动机简写为BLD

24、CM，其系统有两大类，第一类永磁同步电动机系统(PMSM)，第二类是是方波驱动下的无刷直流电动机系统。与它励同步电动机上的转子励磁绕组不同，永磁同步电机是用永久磁铁来将它代替，然后把磁铁插入转子的内部，就可以形成同步旋转的磁极。它的定子输入信号是三相正弦交流，电刷与电励磁绕组等为转子提供输入励磁电流，转子不再使用集电环。这一种类的电动机的构造较为简单，有着良好的适应环境性、可靠的性能，质量轻且体积不大，响应较快。在高速运转时永磁同步电动机有着良好的可靠性，运转起来平稳，电流损耗较小、容易实现弱磁控制，运行时的噪声小。因此，这种电机特别适合作电动汽车的驱动系统。BLDC的控制与控制策略和感应电机

25、较类似，例如矢量控制(FOC)与变频变压控制(VVVF)还可使用。且使用d-q坐标变换，当电动机处在恒功率运行下也容易实现成熟的弱磁控制技术。与BLDC相似，永磁无刷直流电机也有永磁转子，但其转子磁钢结构是经过专门的磁路设计，而使电机可获取梯形波的气隙磁场。电机不再使用机械式换向器与电刷，它采用的是由转子位置检测器与固态逆变器构成的电子换向装置。在运转过程中，可用来检测转子所处位置的器件是位置传感器，它是将位置信息转变成电信号，从而为每一相绕组提供准确的换流。这一类电动机在运行时，把方波电流直接输入到永磁无刷直流电机的定子里，从而控制永磁无刷直流电机工作。其优点是效率高，高速操作性较好，起动转

26、矩较大，没有电刷，过载能力比较强，构造牢固简单，维护方便，体积和质量小。缺点是有转矩脉动，电流损耗与工作噪声大8。上面介绍的电动机各有其优点和缺点，表1-2给出了这些驱动电机性能的比较。就当前来看感应电机的性能相对较好。但我国是稀土资源最丰富的国家之一，开发出高性能稀土直流无刷电机控制系统将发挥我国在资源方面的先天优势。如果永磁无刷电机的技术更成熟些，成本再降低一点，这种电机将会成为最受欢迎的一类电机。本文针对电动汽车用永磁直流无刷电机作为驱动电机，对电动汽车用该电机的控制技术进行研究。表1-2 几种驱动电机性能比较9永磁无刷电机感应电机直流电机开关磁阻电机功率密度53.52.53.5效率53

27、.52.53.5可控性4453可靠性4535成熟性4554成本3544综合252622231.5 本课题的主要工作本文讲述电动汽车的发展背景和现状，分析电动汽车的基本构造及其工作原理，主要对电动汽车用永磁无刷直流电机控制技术进行研究。本论文的主要工作包括： 1）介绍电动汽车驱动电机的工作原理； 2）分析电动汽车驱动电机，主要是直流电机； 3）对直流电机的位置和电流检测等进行研究； 4）基于DSP的直流电机控制器硬件设计、软件设计；2 动汽车用永磁无刷直流电机基本原理无刷直流电机(Brushless DC Motor)经历了40多年的发展，是近10多年才得以迅速发展起来的一种新型电机，由于稀土永

28、磁材料、电力电子技术、微电子技术和微机的发展为无刷直流电机的研究和制造提供了基础。它没有换向器与电刷形成的机械接触结构，而是利用电子换相取代机械换相，它有着直流电动机良好的调速性能，又有着交流电机简单的结构，因此，在很多领域都得到了广泛的应用。本章主要介绍电机的运行原理及其控制方法等。2.1 无刷直流电机的基本构造无刷直流电机又名自控式同步电机，它实际上是一台利用电子换相取代机械换相装置的直流电机。无论是结构还是控制方式，无刷直流电动机与传统的直流电机均有许多相似的地方。无刷直流电机常常由永磁电动机本体、控制器与转子位置传感器构成，如图2-1所示。图2-1 永磁无刷直流电机系统框图2.2电动机

29、本体图2-2为电动机本体图，电动本体在结构上依然有定子和转子两大部分组成。电动机的电枢作为定子部分，在其上有齿槽，转子极对数和齿槽数相关。转子可以使得电动机气隙中建立起强度足够的磁场，这是它起的主要作用，它是利用永磁材料制成的具有一定磁极对数的永磁体。由于转子磁钢的几何形状不同，使得转子磁场在空间的分布可分为方波、正弦波和梯形波三种形式。因此，当电机运行时，在定子上产生的反电动势也分为方波、正弦波和梯形波三种形式。一般，反电动势为方波或是梯形波的电机我们称之为永磁无刷电机（BLDCM），反电动势为正弦波的我们称之为永磁同步电机（PSPM）。图2-2 电动机本体图2.3无刷直流电机的工作原理无刷

30、直流电机的运行原理与有刷直流电机大致相同。在磁通密度分布恒定的磁极下，流入电枢绕组中的电流总量也恒定不变，产生的转矩恒定，而且电枢电流的大小决定着转矩。正常工作时的无刷直流电机是利用转子位置传感器来获得转子位置信号，并通过与电枢绕组连接的各功率开关管的状态，去控制绕组，产生旋转磁场，转子实现旋转。电枢是否通电由位置传感器上连续地送出的信号改变，保证从同一个导体中流出的电流方向恒定。从而使的转矩恒定，BLDCM运转起来。根据逆变器所采用的不同器件，又可分为两大类：一类是使用晶闸管作为逆变器功率器件的通常称为晶闸管无换向器电机；另一类使用GTR、MOSFET、IGBT等自关断器件逆变器的功率器件。

31、按照绕组相数的不同，可分为单相、两相、三相和多相；根据绕组方式的差异，将逆变器又分为星形绕组与封闭绕组；依据反电势波形的不同，分为方波与正弦波。按照绕组主回路换向线路和绕组连接方式的不同还可分为半控与全控两种。下文所讨论的是三相全控桥式星形连接的无刷直流电动机，如图2-3所示。图 2-3永磁无刷直流电机的三相星形连接全桥驱动电路2.3.1永磁无刷直流电机电流控制技术1）电机驱动系统的电流和转矩的控制要求10、11（1）保证电流在功率开关器件的允许范围内；（2）电动汽车在制动、起动以及加速的过程中，对驱动系统的转矩实施闭环控制，这就要求驱动系统能给出相应的制动转矩和驱动转矩。从而看出对电机驱动系

32、统的动态性能有着很高的要求。（3）蓄电池供电的电机驱动系统，电池的功率，电池的瞬间放电的最大电流值都是要认真考虑的。2）永磁无刷直流电机电流检测方法研究12从电机基本公式得出，相电流正比于电磁转矩，无刷直流电机的转矩可通过电机的相电流的控制来实现。所以说，对电机相电流的闭环控制可以说是对转矩的闭环控制。（1）两相电流采样法无刷直流电机的导通方式为两相导通，在加速或起动等电动情况下，每一时间都是两相方向相反，大小相等的导通电流，所以我们可以通过检测一相电流来求出另一相；导通的逻辑关系告诉我们，控制电机的三相电流可通过采样两相电流来实现。无论如何，采样电流是进行电流闭环控制的必须途径。发电回馈制动

33、原理告诉大家，控制电机的相电流可以通过采样两相电流，因为工作在发电回馈状态时的无刷直流电机，满足任一时间的电流第三相悬空，只导通两相方向相反，大小相等的关系。对于电机驱动控制系统，任意时刻从逆变器开关器件上通过的瞬时电流值必须明确，预防逆变器电流过大；还要控制直流母线的电流值在电源的允许范围。两相电流采样法可很方便的限制逆变器瞬时峰值电流。对电机相电流的检测和控制也即为对已经导通了的开关器件电流的检测和控制。电机相电流和流过逆变器器件上的电流一样，在控制导通相电流的时间里，逆变器上出现了瞬时电流的最大值。由功率守恒可以求出来直流母线电流，这是由于电动机的铜耗和电磁功率的和等于它的输入功率。电机

34、驱动系统要求控制直流母线电流满足其的平均值即可，这个要求比电机相电流要低，即： （2-14）式中：PCU为电机铜耗，Pl为蓄电池输入电机的功率，PEM为电机的电磁功率，在不计电机铜耗的情况下有： （2-15）式中：I是直流母线上的电流，UDC是蓄电池电压。通过这个式子我们可大概地求出相应的直流母线电流，而对其实施监控。这是因为电势系数和电池电压是已知量，通过测量又可获得相电流和转速。(2)直流母线电流采样法22两相电流采样法，一方面它需要用到两个电流传感器，而且还不能直接将蓄电池放电电流反映出来。那么，是否有比亮相电流采样法简单的方法控制无刷直流电机的转矩呢?在许多参考文献都提出过直接采样直流

35、母线电流法，这种方法就是控制通过直流母线电流而得出的电机相电流；也可以说是直接控制直流母线电流。在电动汽车电机控制系统中，放电电流的大小和电池的输出功率与直流母线电流值有着直接的关系。但相电流的值并不能由检测直流母线电流的大小直接反映出来，当然流过功率器件上的瞬时电流值也不能。还有采样开关器件导通(或关断)中点时刻直流母线电流法，这种方法的采用效果和交流侧一样，且成本更低，仅仅一个电流传感器就够了。不过，这种方法对采样放大电路有着很高的设计要求，对采样芯片和控制芯片的速度也有着较高的要求。从上面的分析可以看出来，采用两相电流法可靠性高、能够满足电动汽车对电机控制系统的要求。直流母线电流采样法，

36、只对动态性能要求较低的场合适合，对电机控制系统的动态性能产生较大的影响13-16。3 永磁无刷直流电机控制系统的硬件设计3.1电动汽车用直流电机控制系统硬件整体结构电动汽车的核心部件是电机驱动系统，其任务是把蓄电池的电能转变成车轮所需的动能，或把车轮所产生的动能送回蓄电池。它的电气部分就是该控制系统，图3-1是该驱动控制系统的结构硬件框图，图中主要包括以核心控制芯片TMS320LF2407A为主的电源电路、时钟电路、驱动电路、功率模块、位置检测、转速检测、通信接口和保护电路。图 31硬件系统总体方案结构框图3.1 电源设计本文选用了TPS7333QD电源转换芯片，它能将5V电源转换为DSP内核

37、所需的3.3V电源。TMS320LF2407A对电源的需求属于多样化的，其中FLASH编程VCCP的供电电压为5V的数字电压，而其它端口有采用3.3V模拟电压，也有相同的数字电压17。这就需要解决5V到3.3V的电压转换。图3-3中VCC的电压为5V，电感L1、L2、L3和电容C1、C2、C3构成三路LC滤波，保证输出电压稳定在3.3V。图33 电源电路设计图3.1.1位置检测电路本系统中无刷直流电机采用霍尔式位置传感器对转子位置进行实时检测，从而保证电机不间断运行。它有两个主要作用：一是本系统中所应用的，在BLCDM的轴上装一霍尔传感器，把传感器输出的转子位置信号再送给功率变换器，然后送往D

38、SP的CAP捕获单元，根据位置信号的反馈结果，可计算出速度的大小。二是DSP通过对转子位置的检测输出PWM波，从而进行换相。图36 位置信号检测电路图3.1.2相电流检测电路通常，采样电流信号的方式有两种18：采样电阻和电流传感器。在本方案中，使用了采样电阻的方式，在三相全控功率变换电路的下端功率桥臂和地之间接入电阻，图3-7所示。采样电阻可把主电路的电流信号转变为电压信号传给控制电路，使得输出电压与主电路流过的电流成正比关系。图37 电机相电流检测电路图3.1.3异步串行通讯接口电路SCI是指TMS320LF2407A 内的一个通信模块19，它可以实现PC 机和DSP之间的串行通讯。美国EI

39、A使不同设备之间灵活对接，给串行通信接口制定了几个标准，主要的有RS-422/3、RS-232C、RS-485等。在工业计算机与PC中以RS-232应用的最为广泛，本设计中采用的就是这个标准。该标准必须加入电平转换电路，以实现DSP系统里的电平标准(03.3V) 与该标准里逻辑电平(-3-15V,+3+15V)之间的匹配，图3-8为电平转换接口电路。图3-8 电平转换接口电路3.1.4保护电路无刷直流电机控制系统有两种保护电路，分别为过流、欠压保护。过流保护的作用是当电机在起动、过载和故障工作状态下，瞬间产生过大的电流，损害电机本体和功率开关管，这个时候，DSP就会启动过流保护电路，做出相应的

40、动作来保护整个系统。欠压保护是当系统发生短路时，输入端的直流电压将比设定的门限电压小，PWM输出引脚被DSP置高阻态， PWM的输出的信号被封锁，电机和逆变电路得到保护。1)欠压保护电路如图3-9所示，欠压保护电路主要是在电阻分压的方式下，采样主电路的直流电压，并将其分压到合适的值，输入到 AD转换电路中，接受DSP的监测。若采样电压比闭值还小的时候，PWM输出引脚被DSP置高阻态， PWM的输出的信号被封锁，电机和逆变电路得到保护。图3-9欠压保护电路2）过流保护电路在BLDCM起动时，调速系统主回路的起动电流会瞬间增大；或者电路遇到误配线、误动作时，出现短路等故障，功率变换器开关元件瞬间电

41、流也会增大。此时，电路能迅速检测到过大的电流，自动断开还未损坏的功率变换器开关元件。本文设有两级过流保护环节20：第一级驱动电路利用了集成芯片EXB841来完成对 IGBT的过流检测和保护。驱动电路在遇到 IGBT 的电流过大时， 使IGBT关断，与此同时输出过流信号，导通光耦器件，输出过流保护信号为低电平。第二级是快速响应霍尔电流传感器通过对直流侧母线电流进行检测来实现的。图3-10过流保护电路4 电动汽车驱动电机控制技术软件设计本章详细的介绍电机驱动系统软件总体设计思路和各个功能子程序的流程图。4.1 软件整体设计本文软件整体设计包括三大部分，如图4-1所示：主程序、中断程序和其他程序。其

42、主程序主要实现系统的初始化；中断程序主要介绍了位置检测、速度控制、PWM周期中断和故障保护；其他程序介绍了换向调节和转速计算。系统软件中断程序PWM周期中断故障保护位置检测速度控制其他程序系统初始化主程序换向调节转速计算图4-1 软件整体设计框图4.2 主程序主程序的主要作用是初始化各个模块，包括系统参数的预置、中断逻辑的设置、转子位置的检测等，另外还要和控制面板连接串口通信，及时地获取电机的转速、转向。图4-2是主程序流程，读取参数是指读取上一次运行时EZPROM中存放的参数，若设置没变就继续使用原来的参数，系统故障认定为连续三次都没读到正确的参数，接着发送故障信息，中断关闭，进入系统复位等

43、待期间。如没有系统故障出现，串口就启动并开始发送、接收信息。随时监控面板一旦判断到有没有按下的键，就改变输出的参数，进而使电机的工作状态作相应的改变21。系统初始化是对事件管理器中的各个控制寄存器、IO端口、系统中断、看门狗、系统时钟等的设置，还包括辅助寄存器和各变量的初始化以及A/D转换模块和串口的初始化设置。图4-3是这个子程序的流程图。 图4-2 主程序流程图 图4-3 系统初始化子程序流程图4.3 中断服务4.3.1 位置检测DSP的事件管理器中有四个可以产生中断的捕获单元，且都有着独立的中断向量。除此之外，还可通过设置CAP1、CAP2、CAP3的上、下降沿，来捕捉经过光耦后的霍尔传

44、感器的输出信号。电机每次旋转1800，事件管理器的信号的捕获中断就会被该路信号触发一次。图4-4为转子位置检测流程图。图44 位置检测中断流程图4.4 其他程序4.4.1 换向调节表4-1是通过对三个霍尔位置传感器和无刷直流电机运转方向的检测，得出转子位置状态与逆变器功率开关管之间的导通关系真值表。电机转子位置与逆变器功率开关管导通顺序的关系是无刷直流电机的正常运行的必要条件。当转子霍尔位置信号发生变化时，逆变器的功率开关管的导通逻辑也将发生变化。表41 霍尔信号与功率开关管真值表Hall信号状态导通功率开关管电机导通相比较控制寄存器控制字100T3、T2B、A0x0FD3101T5、T2C、

45、A0x0DF3010T5、T4C、B0x0D3F110T1、T4A、B0x0F3D010T1、T6A、C0x03FD110T3、T6B、C0x03DF4.4.2 转速计算电机转速的测量对于永磁直流无刷电机调速而言，是一个非常重要的环节。DSP2407A具有的捕获单元这一特殊功能模块，因此不需要其它辅助电路就可以测量电机转速。因为直流无刷电机有三个霍尔位置传感器，所以其转速可以根据位置信号和DSP内部模块计算出来。常用的电机转速测量方法一般分为 “法”和“法”， 在本设计中，选择法作为电机的测速方案22。图46为转速计算模块的流程图。图46 电机转速计算流程图5总结本文以电动汽车用无刷直流电机为

46、研究对象，以DSP2407A为主控制芯片，主要研究无刷直流电机的运行特点以及控制系统方案的实现。本文的主要研究工作总结如下：（1）本文分析了电动汽车的发展及现状，结合当前研究现状，指出了电动汽车研究的关键问题及技术方向。（2）在分析无刷直流电机的运行原理和驱动方法的基础上，以DSP来作为电机控制系统的主控制芯片，主电路设计选用智能功率模块，完成了基于DSP2407A的硬件平台设计。该方法简化了系统结构，缩短了系统的开发周期。（3）采用模块化编程思想设计了系统的软件程序，利用DSP编程环境和C语言实现了系统的位置检测、系统中断以及保护等功能。软件包括主程序模块设计、中断模块子程序设计和其他子程序

47、设计三大部分，硬件平台上调试时均能稳定运行，完成预计功能。（4）为了验证硬件和软件设计的合理性，通过实验验证了所设计的软硬件系统能正确检测转子位子，并根据采样到的指令值输出不同占空比的PWM信号达到电机调速的目的。西安石油大学高等继续教育毕业设计（论文）参考文献1 松本廉平.汽车环保新技术M.曹秉刚，康龙云，贾要勤,等译.西安:西安交通大学出版社,2005:2-5.2 （日本）电气学会 电动汽车驱动系统调查专门委员会. 电动汽车最新技术M. 康龙云译北京: 机械工业出版社, 2008:1-3.3 陈清泉，孙逢春，祝嘉光. 现代电动汽车技术M. 北京: 北京理工大学出版社, 2002.1-120.4 C.CC.TheStateofthe Art of Electric and Hybrid VehiclesJ. Proceedings of the