【正文】 直流電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1)電樞電動(dòng)勢(shì)。電樞電動(dòng)勢(shì)是指直流電動(dòng)機(jī)正常工作時(shí)，電樞繞組切割氣隙磁通所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)。無論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，只要電樞旋轉(zhuǎn)切割磁通就有電樞電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)前述直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理可導(dǎo)出直流電動(dòng)機(jī)電樞電動(dòng)勢(shì)Ea為： （）式(2．1)中 P——電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)；N——電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)；a——電樞繞組的支路對(duì)數(shù)；φ——電動(dòng)機(jī)每極磁通(Wb)；n——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r／min)；c（e）——電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。2)電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩是指直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組流過電流時(shí)，這些載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中所受力而形成的總轉(zhuǎn)矩。同樣按直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理可推得直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為： （）式(2．2)中 I（a）——電樞電流(A)；C（t）——轉(zhuǎn)矩常數(shù)。電動(dòng)勢(shì)常數(shù)C(e)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)C(t)都是決定于電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，對(duì)于一臺(tái)已制的電動(dòng)機(jī)C(e)和C(T)都是恒定不變的常數(shù)，并且從式(2．1)和式(2．2)可知兩者之間的關(guān)系為： 2．1．2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性得出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)方程式： ()式（）中 R（a）——電樞繞組內(nèi)電阻； R（c）——電樞外串聯(lián)電阻； n(0) ——理想空載轉(zhuǎn)速； β ——機(jī)械特性斜率其中， 2．1．3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速通過對(duì)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性數(shù)學(xué)方程式(2．3)的分析，可知改變其中U、φ、R（c）三個(gè)參數(shù)即可改變其轉(zhuǎn)速n。因此相應(yīng)的調(diào)速方法也要降壓、弱磁、串電阻三種：降壓調(diào)速是改變電源電壓U來獲得恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；弱磁調(diào)速是通過改變勵(lì)磁電流I(f)，從而改變電動(dòng)機(jī)磁通量Φ來獲得恒功率調(diào)速；串電阻調(diào)速是通過逐級(jí)改變電樞回路中所串電阻R(c)來進(jìn)行調(diào)速，它使機(jī)械特性變軟，并增加了功耗，所以目前很少采用，主要用在大電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程，即通過逐級(jí)減小電樞回路中所串電阻來減小起動(dòng)電流。而前兩種調(diào)速方法目前用得較多，并也是電動(dòng)汽車中需配合采用的方法，現(xiàn)分別具體介紹如下：(1) 降低電源電壓的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的磁通為額定值，電樞回路不串電阻，若將電源電壓分別降低為UUU3等不同數(shù)值時(shí)，則可獲得與固有機(jī)械特性平行的人為機(jī)械特性，如圖2．1所示。圖中所示的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，在電源電壓為額定值U(e)時(shí)，其工作點(diǎn)為e，電動(dòng)機(jī)為額定轉(zhuǎn)速n(e)；當(dāng)電壓降低到U1時(shí)，工作點(diǎn)為A，轉(zhuǎn)速為n(a)；電壓為U2時(shí)，工作點(diǎn)為B，轉(zhuǎn)速為n(b)等。即轉(zhuǎn)速隨電源電壓降低，調(diào)速方向是從基數(shù)(額定轉(zhuǎn)速N(e))向下調(diào)節(jié)，并且電源電壓為不同值時(shí)，其機(jī)械特性的斜率都與固有機(jī)械特性斜率相等，即特性較硬。通常電源電壓不超過額定值，即采用連續(xù)降低電源電壓來實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級(jí)調(diào)速，以獲得如圖2．3所示的從基速到零速段的調(diào)速控制。(2) 減弱磁通的恒功率調(diào)速由于通常電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)均已在磁通近飽和狀態(tài)，故一般只能采用減弱磁通量的方法來調(diào)速。保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電源為額定值，電樞回路不串聯(lián)電阻，通過減小電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流I(f)，即減弱電動(dòng)機(jī)磁通Φ時(shí)，其機(jī)械特性方程式為： ()從式(2．4)中可看出n(0)隨φ的減弱成反比例增加，而△n隨φ的二次方成反比地增加，若將近飽和額定磁通φ(e)的比例定為l，減弱后其比例也就小于l，平方后其比例是減小，因此n(0)比△n增加得快，即減弱磁通φ后電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n將升高，調(diào)速方向是從基速(額定轉(zhuǎn)速n(e))向上調(diào)節(jié)。’弱磁調(diào)速的機(jī)械特性如圖2．2所示。設(shè)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載互運(yùn)行于固有機(jī)械特性e點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速為n(e)。當(dāng)磁通從φ(e)降到φ(1)時(shí)，轉(zhuǎn)速n未能及時(shí)變化，而電樞電動(dòng)勢(shì)E(a)= c(e) φn(e)，則因φ下降而減小，使電樞電流I(a)=(UE(a))／R(a)增大。由于R(a)較小，E(a)稍有減小就能使I(a)增加很多，此時(shí)雖然φ減小了,但它減小的幅度小于I(a)增加的幅度，所以電磁轉(zhuǎn)矩T=c(t) φI(a)還是增大了。增大后的電磁轉(zhuǎn)矩即為圖49中的T’，工作點(diǎn)由e點(diǎn)過渡到φ=φ1的人為機(jī)械特性曲線上的C點(diǎn)。由于TT(L)，轉(zhuǎn)速n上升，E(a)隨之增大，I(a)及T也跟著下降，當(dāng)T下降到T=T(L)時(shí)，又建立新的轉(zhuǎn)矩平衡，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升至n(a)穩(wěn)定運(yùn)行于A點(diǎn)。在弱磁調(diào)速中，電樞電壓U為額定電壓U(e)，若保持電樞電流I(a)為額定電流I(e)不變時(shí)，則輸出轉(zhuǎn)矩T=C(T)φI(e)，代人式(2．3)即可得變化磁通φ與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系式： ()式（）中C1——常數(shù)1；于是電磁轉(zhuǎn)矩可表示為， （）式（）中C2——常數(shù)，C2=C1C(T)I(e)。帶入電動(dòng)機(jī)輸出的功率公式有該式說明了弱磁調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)允許輸出功率為常數(shù)，與轉(zhuǎn)速無關(guān)；允許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比變化，即屬恒功率調(diào)速方式。由于勵(lì)磁電流一般較小，因此弱磁調(diào)速控制較方便、功耗也小，通過連續(xù)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電源的電壓，即可實(shí)現(xiàn)無級(jí)的弱磁恒功率調(diào)速，以獲得如圖2．3所示的低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的調(diào)速特性。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速，受電動(dòng)機(jī)換向條件和機(jī)械強(qiáng)度的限制，一般他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速只能升到額定轉(zhuǎn)速n(e)的1．2~2倍，對(duì)于特制的調(diào)速電動(dòng)機(jī)才可升到ne的3~4倍。在此需特別注意的是勵(lì)磁電流I(f)，在運(yùn)行中絕對(duì)不能為0，否則φ趨近于0，n趨近于無窮即將產(chǎn)生飛車，因此必須采取相應(yīng)的互鎖保護(hù)措施。為滿足電動(dòng)汽車行駛時(shí)能有較寬的速度要求，可把降低電樞電壓和減弱磁通兩種調(diào)速方法合起來實(shí)用，以獲得低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率的調(diào)速特性?！?9】第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章主要介紹了他勵(lì)直流電機(jī)電動(dòng)汽車控制器的硬件設(shè)計(jì)，其中包括了控制器整體電路模塊的設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)、電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)和通信模塊設(shè)計(jì)等。下面做具體的介紹。3．1系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計(jì)方案本電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)是基于他勵(lì)直流電機(jī)設(shè)計(jì)的，控制器的硬件設(shè)計(jì)既要達(dá)到動(dòng)力性能要求，也要達(dá)到便捷的操控性要求。根據(jù)第二章對(duì)他勵(lì)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)提出的性能要求結(jié)合電動(dòng)汽車的操控性要求，設(shè)計(jì)了如圖3．1所示的硬件系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)包括對(duì)電樞和勵(lì)磁的分別PWM控制模塊，電源模塊，開關(guān)量處理模塊，和模擬量處理模塊，硬件性能滿足設(shè)計(jì)要求，可在此硬件系統(tǒng)上對(duì)MCU進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，從而達(dá)到最終的控制要求。3．2主控制器MCU的介紹3．2．1 MCU的選擇MCU是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和通訊等功能。選擇一款合適的控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于明確應(yīng)用對(duì)象的系統(tǒng)，選擇功能過少的控制器，難于完成控制任務(wù)，外圍器件的擴(kuò)展也會(huì)使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜從而使精確度降低。選擇功能過強(qiáng)的控制器，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使產(chǎn)品的性能價(jià)格比下降。目前，市面上的控制器不僅種類繁多，而且在性能方面也各有不同?？紤]到單片機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易上手且系統(tǒng)對(duì)速度要求不高，因此本系統(tǒng)選用一款高性價(jià)比的單片機(jī)充當(dāng)MCU。在實(shí)際應(yīng)用中，選擇單片機(jī)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：【5】(1)單片機(jī)的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲(chǔ)器容量，中斷能力及可用I／O口引腳數(shù)量等。(2)單片機(jī)的增強(qiáng)功能，例如看門狗，A／D功能，雙串口，RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)，EEPROM，CAN接口等。(3)單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)，對(duì)于程序存儲(chǔ)器來說，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器和OTP(一次性可編程)存儲(chǔ)器相比較，最好是選擇Flash存儲(chǔ)器。(4)芯片的封裝形式，如DIP封裝，PLCC封裝及表面貼附封裝等。(5)芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)、軍品級(jí)還是商業(yè)級(jí)，如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)芯片。(6)單片機(jī)的工作電壓是否在常用范圍內(nèi)。(7)單片機(jī)的抗干擾性能。(8)編程器以及仿真器的價(jià)格，單片機(jī)開發(fā)是否支持高級(jí)語(yǔ)言以及編程環(huán)境要好用易學(xué)。(9)供貨渠道是否暢通，價(jià)格是否低廉，是否具有良好的技術(shù)服務(wù)支持。根據(jù)上面所述的原則，結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際情況，儀表選用ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega64單片機(jī)作為主控模塊的核心芯片3．2．2 ATmega64的特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)ATmega64是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8位AVR高檔微處理器，采用RISC結(jié)構(gòu)，具備IMIPS／MHz(百萬條指令每秒／兆赫茲)的高速處理能力，有效緩減了系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。它可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。其主要特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)如下：【6】(1)自帶廉價(jià)的程序存儲(chǔ)器(FLASH)和非易失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(EEPROM)。這些存儲(chǔ)器可可擦寫1000次以上，新工藝AVR器件，程序存儲(chǔ)器擦寫可達(dá)1萬次以上，基本不再會(huì)有報(bào)廢品產(chǎn)生。這樣使程序開發(fā)更加方便，工作更可靠。(2)高速度，低功耗。在和M51單片機(jī)外接相同晶振條件下，AVR單