電動汽車用直流電機驅(qū)動控制技術(shù)研究

1高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目電動汽車用直流電機驅(qū)動控制技術(shù)研究 學(xué) 生 王強 學(xué) 號 1412026001015 聯(lián)系電話指導(dǎo)教師 朱炳坤 評 閱 人 教學(xué)站點 西安站 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 完成日期 2016 年 9 月 2高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書論文題目 電動汽車用直流電機驅(qū)動控制技術(shù)研究學(xué)生姓名 王強 教學(xué)站 西 安 站專 業(yè) 班 級 機 械 設(shè) 計 制 造 及 其 自 動 化內(nèi)容與要求設(shè)計（論文）起止時間 2015 年 12 月 15 日至 2016 年 9 月 10 日指 導(dǎo) 教 師 簽 名學(xué) 生 簽 名3摘 要隨 著 全 球 環(huán) 境 的 惡 化 和 能 源 匱 乏 的 日 趨 嚴 重 ， 世 界 上 各 個 國 家 都 越 來 越關(guān) 注 電 動 汽 車 的 開 發(fā) 和 研 究 。 有 著 零 排 放 、 低 噪 音 和 高 效 率 等 優(yōu) 點 的 電 動 汽車 ， 必 將 有 著 廣 闊 的 市 場 前 景 。本 論 文 主 要 研 究 了 永 磁 電 動 汽 車 用 無 刷 直 流 電 機 的 控 制 技 術(shù) 。 文 章 首 先介 紹 了 電 動 汽 車 的 研 究 背 景 和 目 前 的 國 內(nèi) 、 外 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 等 ， 分 析 了 電 動 汽車 的 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) ， 車 用 直 流 電 機 控 制 原 理 及 控 制 方 法 。 其 次 對 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 具體 的 硬 件 電 路 進 行 了 設(shè) 計 ， 然 后 完 成 了 基 于 DSP 的 控 制 程 序 的 軟 件 設(shè) 計 。在 控 制 器 的 硬 件 設(shè) 計 中 ， 采 用 芯 片 DSP2407A 作 為 主 控 芯 片 。 功 率 主電 路 選 擇 智 能 功 率 模 塊 （ IPM） 作 為 逆 變 模 塊 。 并 設(shè) 計 了 故 障 保 護 電 路 ，增 強 了 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性 和 可 靠 性 。系 統(tǒng) 的 軟 件 設(shè) 計 主 要 根 據(jù) 模 塊 化 思 想 進 行 。 根 據(jù) 油 門 踏 板 信 號 的 輸 入 ，調(diào) 整 DSP 的 PWM 波 輸 出 以 達 到 無 刷 直 流 電 機 調(diào) 制 的 目 的 。 設(shè) 計 呈 模 塊 化 的軟 件 設(shè) 計 ， 各 模 塊 簡 潔 明 了 ， 便 于 程 序 的 移 植 和 擴 展 。 在 控 制 算 法 上 ， 選 用增 量 式 PID 控 制 算 法 ， 并 在 DSP 芯 片 中 進 行 調(diào) 試 。最 后 ， 通 過 實 驗 驗 證 了 本 控 制 系 統(tǒng) 軟 硬 件 設(shè) 計 的 合 理 性 ， 對 實 驗 數(shù) 據(jù) 進行 了 分 析 證 明 了 系 統(tǒng) 運 行 的 穩(wěn) 定 性 和 可 靠 性 。關(guān) 鍵 詞 ： 電 動 汽 車 ； 永 磁 無 刷 直 流 電 機 ； PWM 控 制 ； DSP 芯 片 ；DSP2407A 芯 片論 文 類 型 ： 理 論 研 究西 安 石 油 大 學(xué) 高 等 繼 續(xù) 教 育 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ）4ABSTRACTWith the energy crisis and worsening pollution,the development of vehicles is increasing concerned by countries 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 background 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 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 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 thesis 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.西 安 石 油 大 學(xué) 高 等 繼 續(xù) 教 育 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ）5KEY WORDS: Electric Vehicle; BLDCM; PWM control; DSP; DSP2407A chipTYPE OF THESIS: Application Fundamentals西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）6目 錄1 緒 論 .71.1 課 題 背 景 及 選 題 意 義 .71.2 電 動 汽 車 發(fā) 展 及 現(xiàn) 狀 .81.3 電 動 汽 車 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 及 原 理 .101.4 電 動 汽 車 用 驅(qū) 動 電 機 .101.5 本 課 題 的 主 要 工 作 .132 電 動 汽 車 用 永 磁 無 刷 直 流 電 機 基 本 原 理 .142.1 無 刷 直 流 電 機 的 基 本 構(gòu) 造 .142.2 電 動 機 本 體 .142.3 無 刷 直 流 電 機 的 工 作 原 理 .152.3.1 永 磁 無 刷 直 流 電 機 電 流 控 制 技 術(shù) .163 永 磁 無 刷 直 流 電 機 控 制 系 統(tǒng) 的 硬 件 設(shè) 計 .193.1 電 動 汽 車 用 直 流 電 機 控 制 系 統(tǒng) 硬 件 整 體 結(jié) 構(gòu) .193.1.1 電 源 設(shè) 計 .193.1.2 位 置 檢 測 電 路 .203.1.3 相 電 流 檢 測 電 路 .203.1.4 異 步 串 行 通 訊 接 口 電 路 .213.1.5 保 護 電 路 .214 電 動 汽 車 驅(qū) 動 電 機 控 制 技 術(shù) 軟 件 設(shè) 計 .234.1 軟 件 整 體 設(shè) 計 .234.2 主 程 序 .234.3 中 斷 服 務(wù) .244.3.1 位 置 檢 測 .244.4 其 他 程 序 .254.4.1 換 向 調(diào) 節(jié) .254.4.2 轉(zhuǎn) 速 計 算 .255 結(jié) 論 .26參 考 文 獻 .27附 錄 .29西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）71 緒 論1.1 課 題 背 景 及 選 題 意 義當 今 社 會 ， 汽 車 已 經(jīng) 相 當 的 普 及 ， 它 的 保 有 量 在 不 斷 的 上 升 。 上 個 世 紀中 后 期 ， 人 們 開 始 大 量 地 使 用 燃 油 汽 車 ， 由 此 導(dǎo) 致 的 能 源 匱 乏 和 環(huán) 境 污 染 也變 得 日 趨 顯 著 1、 2。目 前 ， 環(huán) 境 污 染 和 石 油 資 源 匱 乏 已 成 為 世 界 汽 車 工 業(yè) 的 持 續(xù) 發(fā) 展 所 面 臨的 兩 大 問 題 。 燃 油 汽 車 所 排 放 的 廢 棄 對 人 體 健 康 有 著 嚴 重 的 危 害 性 ， 主 要 含有 二 氧 化 碳 、 一 氧 化 碳 、 碳 氫 化 合 物 、 鉛 化 物 、 氮 氧 化 合 物 和 二 氧 化 硫 等 ，這 些 污 染 物 形 成 光 化 學(xué) 煙 霧 、 酸 雨 及 酸 霧 ， 對 農(nóng) 作 物 、 人 類 健 康 、 禽 獸 、 自然 生 態(tài) 系 統(tǒng) 、 森 林 和 建 筑 ， 均 有 著 巨 大 的 危 害 。 而 且 ， 由 燃 油 汽 車 的 大 量 使用 而 導(dǎo) 致 的 城 市 噪 聲 污 染 也 是 不 可 忽 視 的 。 因 為 高 分 貝 的 噪 聲 對 人 的 神 經(jīng) 、聽 覺 、 消 化 、 心 血 管 、 免 疫 系 統(tǒng) 、 內(nèi) 分 泌 等 造 成 相 當 大 的 危 害 。 目 前 ， 世 界上 污 染 最 嚴 重 的 10 個 城 市 中 有 7 個 在 中 國 3,4。再 者 ， 長 期 以 來 ， 我 國 石 油 供 給 量 總 是 趕 不 上 需 求 量 。 1993 年 我國 從 原 來 的 石 油 凈 出 口 國 轉(zhuǎn) 變 成 了 石 油 進 口 國 ， 從 國 外 進 口 的 油 品 和 原 油 總量 遠 遠 的 超 過 了 出 口 總 量 。 2010 年 世 華 財 訊 報 道 ， 2009 年 中 國 石 油 表觀 消 費 量 為 40837.5 萬 噸 ， 僅 次 于 美 國 ， 位 居 世 界 第 二 。 預(yù) 計 2012年 中 國 石 油 消 費 量 還 將 增 長 5 ， 供 需 結(jié) 構(gòu) 任 然 偏 緊 。電 動 汽 車 是 在 道 路 交 通 、 安 全 法 規(guī) 各 項 要 求 的 約 束 下 ， 以 電 動 車 的 車 載電 源 為 動 力 ， 用 電 機 驅(qū) 動 車 輪 轉(zhuǎn) 動 而 行 駛 的 車 輛 。 它 不 排 放 污 染 氣 體 ， 固 有“零 污 染 ”車 輛 （ ZEV） 的 美 稱 。 在 環(huán) 境 污 染 和 能 源 匱 乏 日 益 顯 著 的 情 況 下 ，電 動 汽 車 引 起 了 世 界 各 國 的 廣 泛 關(guān) 注 。 曾 有 資 料 表 明 ， 運 行 在 同 一 城 市 環(huán) 境下 的 電 動 汽 車 和 汽 油 車 ， 前 者 的 能 量 消 耗 比 后 者 減 少 0.65KWH KM。能 源 消 耗 中 包 含 電 力 輸 送 過 程 中 的 損 耗 、 能 源 轉(zhuǎn) 化 和 開 礦 。 調(diào) 研 表 明 ， 運 行在 擁 擠 的 城 市 道 路 中 的 電 動 汽 車 和 汽 油 車 ， 前 者 的 能 源 效 率 較 后 者 要 高40 。 再 者 ， 電 動 汽 車 可 以 利 用 水 、 煤 炭 、 核 、 天 然 氣 、 潮 汐 、 太 陽 、 風(fēng) 等能 源 轉(zhuǎn) 化 為 蓄 電 池 所 需 的 電 力 ， 它 的 廣 泛 應(yīng) 用 可 有 效 地 降 低 內(nèi) 燃 機 汽 車 對 石油 的 依 賴 性 。 此 外 ， 電 動 汽 車 還 可 避 開 用 電 的 高 峰 時 間 ， 利 用 晚 上 地 時 間 給蓄 電 池 充 電 ， 這 樣 ， 有 利 于 減 少 費 用 和 均 衡 電 網(wǎng) 的 負 荷 。 表 格 1-1 列出 的 是 內(nèi) 燃 機 汽 車 與 電 動 汽 車 性 能 和 用 途 的 對 比 ， 該 表 格 直 觀 地 顯 示 出 了 電動 汽 車 的 諸 多 優(yōu) 點 ： 噪 聲 低 ， 無 污 染 ， 花 樣 多 ， 能 效 高 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 使 用 和西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）8維 修 較 方 便 。 電 動 汽 車 的 費 用 支 出 較 多 、 初 期 投 入 較 大 ， 只 因 它 的 價 格 比 內(nèi)燃 機 汽 車 要 高 。 但 隨 著 使 用 年 限 的 增 加 ， 電 動 汽 車 的 使 用 費 用 會 越 來 越 低 ，甚 至 會 比 內(nèi) 燃 機 汽 車 的 還 低 ， 因 為 電 動 汽 車 的 維 修 和 保 養(yǎng) 費 用 較 低 。 如 圖 1-1 為 兩 者 應(yīng) 用 成 本 比 較 。表 1-1 內(nèi) 燃 機 汽 車 與 電 動 汽 車 用 途 和 性 能 對 比 表 5性 能 用 途項 目 機動性廢 氣排 放噪聲震動操作難易能源補給購置費用維修費用作業(yè)范圍連續(xù)作業(yè)不 通風(fēng) 場所低噪聲場所狹窄場所易燃爆場所低溫場所汽 油 汽 車 好 差 好一般好 好 差 好 好 一 般一般差一般一般柴 油 汽 車 好 一 般 差一般好一般一般好 好 一 般 差 差一般一般電 動 汽 車 好 好一般好一般差 好 差一般好 好 好 好 好1.2 電 動 汽 車 發(fā) 展 及 現(xiàn) 狀我 國 從 “八 五 ”起 開 始 了 對 電 動 汽 車 的 研 究 和 開 發(fā) ， 并 在 這 方 面 取 得了 一 系 列 豐 碩 的 成 果 ， 正 在 向 著 產(chǎn) 業(yè) 化 方 向 轉(zhuǎn) 化 。 電 動 汽 車 的 三 大 關(guān) 鍵 技 術(shù)是 電 機 、 電 池 和 電 控 系 統(tǒng) 領(lǐng) 域 ， 有 資 料 顯 示 ， 我 國 于 “九 五 ”后 在 這三 方 面 取 得 了 巨 大 的 進 步 。 其 中 ， 獲 得 了 質(zhì) 的 飛 躍 的 是 高 性 能 動 力 電 池 。 雖然 我 國 的 電 動 汽 車 在 產(chǎn) 品 的 可 靠 性 、 穩(wěn) 定 性 、 一 致 性 等 方 面 的 現(xiàn) 有 水 平 還 沒能 超 越 外 國 ， 均 需 作 進 一 步 地 努 力 ， 但 在 這 個 基 礎(chǔ) 上 ， 我 國 已 經(jīng) 開 始 進 入 了電 動 汽 車 整 車 開 發(fā) 的 新 階 段 ， 并 朝 著 產(chǎn) 業(yè) 化 方 向 發(fā) 展 。發(fā) 展 電 動 汽 車 已 經(jīng) 被 我 國 當 作 一 項 較 大 的 科 技 攻 關(guān) 項 目 。 這 次 攻 關(guān) 不 光是 要 突 破 三 大 技 術(shù) -電 動 控 制 、 電 機 和 電 池 ， 而 且 還 要 加 大 努 力 去 向 產(chǎn)業(yè) 化 的 方 向 發(fā) 展 。 純 電 動 汽 車 不 僅 要 突 破 關(guān) 鍵 技 術(shù) ， 還 需 初 步 實 現(xiàn) 產(chǎn) 業(yè) 化 ：引 導(dǎo) 企 業(yè) 將 混 合 動 力 電 動 汽 車 形 成 規(guī) 模 化 大 批 量 生 產(chǎn) ； 燃 料 電 池 汽 車 成 為 我們 的 中 一 個 長 期 目 標 。 十 五 期 間 ， 全 國 在 電 動 汽 車 攻 關(guān) 方 面 的 總 投 資 可 能 都西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）9已 達 100 億 元 。國 內(nèi) 各 地 在 產(chǎn) 業(yè) 化 和 科 研 方 面 ， 除 投 入 大 量 的 資 金 之 外 ， 還 做 了 不 少 的努 力 ， 最 明 顯 的 表 現(xiàn) 就 是 制 定 了 與 眾 不 同 科 技 體 制 。 全 國 在 啟 動 “十五 ”863 項 目 的 前 后 ， 涌 現(xiàn) 出 了 各 種 形 式 的 以 天 津 市 所 組 建 的 “東 風(fēng)電 動 車 輛 股 份 有 限 公 司 和 天 津 電 動 車 輛 研 究 中 心 ”等 為 代 表 性 的 新 型 體制 的 科 研 實 體 ， 他 們 在 電 動 汽 車 產(chǎn) 業(yè) 化 行 業(yè) 和 科 研 中 形 成 了 新 的 動 力 ， 均 承擔(dān) 了 此 項 目 的 重 大 課 題 。我 國 對 新 能 源 汽 車 方 面 的 開 發(fā) 集 中 體 現(xiàn) 在 電 動 汽 車 方 面 。 各 廠 家 和 科 研院 所 也 大 力 投 入 ， 開 發(fā) 出 了 各 種 型 式 的 電 動 汽 車 ， 并 具 有 相 當 的 水 平 。 我 國與 國 外 電 動 汽 車 的 水 平 對 比 ， 尚 且 存 在 著 一 定 的 差 距 ， 但 是 相 對 于 內(nèi) 燃 機 汽車 而 言 ， 這 個 差 距 小 的 多 。美 國 在 政 府 政 策 的 推 動 下 ， 電 動 車 產(chǎn) 業(yè) 化 進 程 有 了 很 快 發(fā) 展 。1993 年 美 國 先 進 項 目 局 （ ARPA） 制 訂 了 混 合 動 力 電 動 汽 車 和 電 動 汽 車 項目 。 同 年 9 月 美 國 三 大 汽 車 企 業(yè) 負 責(zé) 人 與 政 府 共 同 提 出 了 旨 在 開 發(fā) 新 一 代高 效 節(jié) 能 汽 車 的 “新 一 代 汽 車 合 作 計 劃 ”6,7。在 出 售 電 動 汽 車 的 國 家 里 ， 法 國 是 少 數(shù) 之 一 。 1990 年 ， 政 府 出 臺政 策 資 助 開 發(fā) 電 動 汽 車 ， 并 且 在 稅 收 方 面 對 采 購 電 動 汽 車 的 用 戶 進 行 優(yōu) 惠 。法 國 電 動 汽 車 生 產(chǎn) 商 每 生 產(chǎn) 一 輛 電 動 汽 車 ， 電 力 公 司 就 給 于 一 萬 法 郎 的 補 助 。1995 年 7 月 起 ， 采 購 電 動 汽 車 的 法 國 用 戶 政 府 將 給 予 5000 法 郎 的 補貼 。 諸 多 措 施 都 為 法 國 電 動 汽 車 的 迅 速 發(fā) 展 提 供 了 良 好 的 環(huán) 境 。 在1989 年 ， 法 國 的 標 致 一 雪 鐵 龍 集 團 躍 為 全 球 首 家 制 造 商 業(yè) 車 隊 與 城 市 銷 售電 動 大 蓬 車 企 業(yè) ， 在 巴 黎 使 用 了 135 臺 電 動 垃 圾 車 ， 全 國 為 300 臺 ，用 的 電 池 幾 乎 全 都 是 鉛 酸 電 池 。 后 來 SAFT 公 司 又 著 力 于 鎳 福 電 池 的 研究 ， 并 制 定 了 名 為 “綠 色 ”事 業(yè) 的 電 動 車 發(fā) 展 規(guī) 劃 ， 其 四 個 實 施 階 段 分 別為 ： (1)推 廣 “標 致 ”牌 JI 與 “雪 鐵 龍 ”牌 C15E 以 及 C25 新 型 電 動 汽車 ； (2)于 1995 年 推 廣 “標 致 ”牌 106 型 與 “雪 鐵 龍 ”牌 AX 電 動 汽 車 ，這 兩 種 車 型 不 光 供 車 隊 使 用 同 時 也 可 為 家 用 ， 該 車 已 取 得 試 制 成 功 ；(3)花 費 10 年 時 間 推 出 另 外 一 種 新 型 電 動 汽 車 “希 特 拉 ”牌 ； (4)發(fā)展 陸 路 渦 輪 式 電 動 汽 車 ， 即 在 電 動 汽 車 上 裝 有 渦 輪 發(fā) 動 機 ， 可 提 供 長 途 行 駛所 需 的 動 力 。另 外 ， 德 國 、 意 大 利 、 英 國 等 在 電 動 汽 車 開 發(fā) 方 面 都 投 入 了 巨 資 ， 并 擬西安石油大學(xué)高等繼續(xù)教育畢業(yè)設(shè)計（論文）10制 了 相 應(yīng) 的 優(yōu) 惠 政 策 。1.3 電 動 汽 車 系 統(tǒng) 構(gòu) 成 及 原 理隨 著 高 性 能 永 磁 材 料 的 問 世 以 及 電 力 電 子 工 業(yè) 的 飛 速 發(fā) 展 ， 永 磁 無 刷 直流 電 機 是 成 為 一 種 新 型 電 機 。 如 圖 1-1圖 1-1 電 動 汽 車 基 本 構(gòu) 造1.4 電 動 汽 車 用 驅(qū) 動 電 機最 早 應(yīng) 用 于 電 動 汽 車 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 上 的 電 動 機 是 直 流 電 動 機 。 上 個