【正文】 機的控制理論基礎(chǔ)2．1他勵直流電動機的調(diào)速與制動為了滿足各種生產(chǎn)機械對負載轉(zhuǎn)矩特性的要求，在實際應(yīng)用中需通過設(shè)法改變電動機的各種控制參數(shù)來達到所需的人為機械特性。由于他勵直流電動機的可控參數(shù)多，易實現(xiàn)所需要的人為機械特性，所以在直流調(diào)速中較多地采用他勵直流電動機，電動汽車中一般也是選用他勵直流電動機作為直流驅(qū)動電動機。因此，需要給出直流電動機電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的兩個數(shù)學(xué)公式，從而導(dǎo)出他勵直流電動機的機械特性數(shù)學(xué)方程式，即電動機的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系式n=f(t)，然后才能說明如何改變方程式中的相關(guān)參數(shù)來獲得所需人為機械特性。2．1．1直流電動機電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1)電樞電動勢。電樞電動勢是指直流電動機正常工作時，電樞繞組切割氣隙磁通所產(chǎn)生的電動勢。無論是發(fā)電機還是電動機，只要電樞旋轉(zhuǎn)切割磁通就有電樞電動勢。根據(jù)前述直流電動機的結(jié)構(gòu)原理可導(dǎo)出直流電動機電樞電動勢Ea為： （）式(2．1)中 P——電動機極對數(shù)；N——電樞繞組總的導(dǎo)體數(shù)；a——電樞繞組的支路對數(shù)；φ——電動機每極磁通(Wb)；n——電動機轉(zhuǎn)速(r／min)；c（e）——電動勢常數(shù)。2)電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩是指直流電動機的電樞繞組流過電流時，這些載流導(dǎo)體在磁場中所受力而形成的總轉(zhuǎn)矩。同樣按直流電動機的結(jié)構(gòu)原理可推得直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T為： （）式(2．2)中 I（a）——電樞電流(A)；C（t）——轉(zhuǎn)矩常數(shù)。電動勢常數(shù)C(e)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)C(t)都是決定于電動機結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，對于一臺已制的電動機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 他勵直流電動機的機械特性得出他勵直流電動機的機械特性數(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 ——機械特性斜率其中， 2．1．3他勵直流電動機的調(diào)速通過對他勵直流電動機的機械特性數(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)速是通過改變勵磁電流I(f)，從而改變電動機磁通量Φ來獲得恒功率調(diào)速；串電阻調(diào)速是通過逐級改變電樞回路中所串電阻R(c)來進行調(diào)速，它使機械特性變軟，并增加了功耗，所以目前很少采用，主要用在大電動機的起動過程，即通過逐級減小電樞回路中所串電阻來減小起動電流。而前兩種調(diào)速方法目前用得較多，并也是電動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)速保持他勵直流電動機的磁通為額定值，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，則可獲得與固有機械特性平行的人為機械特性，如圖2．1所示。圖中所示的負載為恒轉(zhuǎn)矩負載，在電源電壓為額定值U(e)時，其工作點為e，電動機為額定轉(zhuǎn)速n(e)；當(dāng)電壓降低到U1時，工作點為A，轉(zhuǎn)速為n(a)；電壓為U2時，工作點為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，其機械特性的斜率都與固有機械特性斜率相等，即特性較硬。通常電源電壓不超過額定值，即采用連續(xù)降低電源電壓來實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級調(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)速由于通常電動機額定運行時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。保持他勵直流電動機電源為額定值，電樞回路不串聯(lián)電阻，通過減小電動機的勵磁電流I(f)，即減弱電動機磁通Φ時，其機械特性方程式為： ()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后電動機的轉(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)?！醮耪{(diào)速的機械特性如圖2．2所示。設(shè)電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載互運行于固有機械特性e點上，轉(zhuǎn)速為n(e)。當(dāng)磁通從φ(e)降到φ(1)時，轉(zhuǎn)速n未能及時變化，而電樞電動勢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’，工作點由e點過渡到φ=φ1的人為機械特性曲線上的C點。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，又建立新的轉(zhuǎn)矩平衡，電動機轉(zhuǎn)速升至n(a)穩(wěn)定運行于A點。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，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)。帶入電動機輸出的功率公式有該式說明了弱磁調(diào)速時電動機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)勵磁電源的電壓，即可實現(xiàn)無級的弱磁恒功率調(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。他勵直流電動機弱磁升速能達到的最高轉(zhuǎn)速，受電動機換向條件和機械強度的限制，一般他勵直流電動機的最高轉(zhuǎn)速只能升到額定轉(zhuǎn)速n(e)的1．2~2倍，對于特制的調(diào)速電動機才可升到ne的3~4倍。在此需特別注意的是勵磁電流I(f)，在運行中絕對不能為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)的互鎖保護措施。為滿足電動汽車行駛時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)計本章主要介紹了他勵直流電機電動汽車控制器的硬件設(shè)計，其中包括了控制器整體電路模塊的設(shè)計、電源模塊設(shè)計、驅(qū)動模塊設(shè)計、電流檢測模塊設(shè)計和通信模塊設(shè)計等。下面做具體的介紹。3．1系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計方案本電動汽車動力系統(tǒng)是基于他勵直流電機設(shè)計的，控制器的硬件設(shè)計既要達到動力性能要求，也要達到便捷的操控性要求。根據(jù)第二章對他勵直流電機調(diào)速系統(tǒng)提出的性能要求結(jié)合電動汽車的操控性要求，設(shè)計了如圖3．1所示的硬件系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)包括對電樞和勵磁的分別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)計要求，可在此硬件系統(tǒng)上對MCU進行軟件設(shè)計，從而達到最終的控制要求。3．2主控制器MCU的介紹3．2．1 MCU的選擇MCU是整個系統(tǒng)的控制核心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、存儲和通訊等功能。選擇一款合適的控制器對整個系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。對于明確應(yīng)用對象的系統(tǒng)，選擇功能過少的控制器，難于完成控制任務(wù)，外圍器件的擴展也會使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)笨重復(fù)雜從而使精確度降低。選擇功能過強的控制器，則會造成資源浪費，使產(chǎn)品的性能價格比下降。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]到單片機結(jié)構(gòu)簡單容易上手且系統(tǒng)對速度要求不高，因此本系統(tǒng)選用一款高性價比的單片機充當(dāng)MCU。在實際應(yīng)用中，選擇單片機時應(yīng)考慮以下幾點：【5】(1)單片機的基本性能參數(shù)，例如指令執(zhí)行速度，程序存儲器容量，中斷能力及可用I／O口引腳數(shù)量等。(2)單片機的增強功能，例如看門狗，A／D功能，雙串口，RTC(實時時鐘)，EEPROM，CAN接口等。(3)單片機的存儲介質(zhì)，對于程序存儲器來說，F(xiàn)lash存儲器和OTP(一次性可編程)存儲器相比較，最好是選擇Flash存儲器。(4)芯片的封裝形式，如DIP封裝，PLCC