基于单片机的电动车控制系统设计(毕业设计)(编辑修改稿)

基于单片机的电动车控制系统设计(毕业设计)(编辑修改稿)内容摘要：

有位置型和增量型两种。 位置型 PI 算法的表达式是 ： ])(1)([)( 10 dtteTiteKptu (22) 其中 )(te 是输入， )(tu 起控制作用， Kp 为比例系数， Ti 为积分时间常数。 增量型算法表达式是 ： )()()(21 TkTekTkTu qq  (23) 其中 KpTiTKp qq 21 )1( ；。 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 ： 控制器只输出增量，所以由误动作造成的影响比较小。 手动一自动切换的冲击小。 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。 9 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以下三个因 素： 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。 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。 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，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 ： 0)()(0)(),()()()()()(EkTekTK peEkTekTeKpkTK t eTkTukTuTkTekTe， (24) 积分分离算法要设置积分分离阀 0E , 0)( EkTe  时，采用 PI 控制，可保证系统的控制精度 ； 当 0)( EkTe  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 1 )()()( i kTxikwiKkTu (25) )21)(( ，ikwi 为对应与 )(kTxi 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 24 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 10 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。 H 1H 3H 2 0 176。 6 0 176。 1 2 0 176。 1 8 0 176。 2 4 0 176。 3 0 0 176。 转 子 位 置 （ 电 角 度 ）1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 3 6 0 176。 图 24 三相位置信号 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，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。 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 21 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 11 电机的换相。 表 21 换相表 H1 H2 H3 导通的管子 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 电机静止，无导通管 1 1 1 出错 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，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 (26) 式中 Q 的单位为 (A h)。 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 (27) 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 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=EIr (28) 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 12 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。 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、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]。 故障检测与系统保护 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]。 静电击穿的防护功率 MOSFET 输入阻抗极高，在高静电场情况 13 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。 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。 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 25 所示。 R 1C 1R 2 R 3+R 6。 R 4 R 5++ 5 VR 7C 3R 8••KL M 3 2 8D 1BL M 3 2 44 0 2 1 图 25 过电流保护电路图 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 (SingleChip Microputer)，简称单片机， 因其 14 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。