【文章內(nèi)容簡介】 有位置型和增量型兩種。 位置型 PI 算法的表達(dá)式是 ： ])(1)([)( 10??? dtteTiteKptu (22) 其中 )(te 是輸入， )(tu 起控制作用， Kp 為比例系數(shù)， Ti 為積分時(shí)間常數(shù)。 增量型算法表達(dá)式是 ： )()()(21 TkTekTkTu qq ???? (23) 其中 KpTiTKp qq ????21 )1( ；。 它們兩者在本質(zhì)上是一樣的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的優(yōu)點(diǎn) ： 控制器只輸出增量，所以由誤動(dòng)作造成的影響比較小 。 手動(dòng)一自動(dòng)切換的沖擊小 。 式中不需要累加，增量只與最近的兩次采樣有關(guān)，容易獲得較好的控制效果，并且消除了當(dāng)偏差存在時(shí)產(chǎn)生飽和的危險(xiǎn)。 9 所以，本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器采用增量式 PI 控制。其中采樣周期的選取要考慮以下三個(gè)因 素： 采樣過程對(duì)保真度的影響，根據(jù)香農(nóng) (Shannon)采樣定理， 采用頻率至少為低通信號(hào)頻譜最高頻率的 2 倍 。 采樣周期的大小和控制器的性能要求的影響，采樣頻率的提高必然要求控制器有足夠快的運(yùn)算速度，以滿足在兩次采樣數(shù)據(jù)之間完成必須的處理計(jì)算。 采樣周期和主電路的功率器件的承受能力有關(guān)，高的采樣頻率必然要求高的 PWM 頻率，一方面， PWM 頻率越高，輸出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也越高，引起發(fā)熱、散熱的問題，另外，高的 PWM 頻率可能使電磁輻射更加嚴(yán)重。 綜上各因素，考慮到使 PWM 頻率在人耳敏感的頻率范圍 (300Hz ～4kHz)外，在本系統(tǒng)中，電流環(huán)采樣 頻率定為 5kHz，就基本達(dá)到了預(yù)期效果。 對(duì)于速度環(huán)的控制本系統(tǒng)根據(jù) AVR 單片機(jī)邏輯判斷能力強(qiáng)、編程靈活的特點(diǎn)采用改進(jìn)的 PI 算法一積分分離 PI 算法來實(shí)現(xiàn)。 該算法的表達(dá)式為 ： ???????????????0)()(0)(),()()()()()(EkTekTK peEkTekTeKpkTK t eTkTukTuTkTekTe， (24) 積分分離算法要設(shè)置積分分離閥 0E , 0)( EkTe ? 時(shí)，采用 PI 控制，可保證系統(tǒng)的控制精度 ； 當(dāng) 0)( EkTe ? 時(shí)，也即偏差較大時(shí)，采用 PI 控制可使超調(diào)量大為降低。 還有一種神經(jīng)元自適應(yīng) PI 算法也是近些年來應(yīng)用較多的控制算法，其表達(dá)式為 ： ???? 2 1 )()()( i kTxikwiKkTu (25) )21)(( ，?ikwi 為對(duì)應(yīng)與 )(kTxi 的加權(quán)系數(shù)， K(0） 為神經(jīng)元比例系數(shù)。 該控制器是通過對(duì)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、自組織功能的，加權(quán)系數(shù)的調(diào)整采用有監(jiān)督的 Hebb 學(xué)習(xí)規(guī)則。 電機(jī)的轉(zhuǎn)速是雙閉環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)重要反饋量，如果安裝測速器來解決這個(gè)問題無疑會(huì)增加系統(tǒng)的硬件投資和整個(gè)系統(tǒng)的體積。所以在本系統(tǒng)中將利用轉(zhuǎn)子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過上拉、濾波 后的脈沖信號(hào)如圖 24 所示。它們是脈寬為 180 度 ，相位上互差 120度的方波信號(hào)。對(duì)其中的任一位置傳感器而言，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)能產(chǎn)生 P 個(gè)方 10 波脈 沖， P 為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，顯然這種方波脈沖的頻率是正比于電機(jī)轉(zhuǎn)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。轉(zhuǎn) 子 位 置 （ 電 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。 圖 24 三相位置信號(hào) 起動(dòng)與換相控制方案 無刷直流電機(jī)的反電動(dòng)勢大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比，在電機(jī)靜止時(shí)電動(dòng)勢為零，沒有換相信號(hào)，電機(jī)不能自起動(dòng)。有些文獻(xiàn)提出了一些附加電路來控制起動(dòng)的方案。這樣就增加了系統(tǒng)成本且使系統(tǒng)復(fù)雜化。而本文基于 AVR 單片機(jī)的起動(dòng) 控制策略無需附加任何電路，由軟件程序控制正常起動(dòng)，體現(xiàn) “ 硬件軟化 ” 的設(shè)計(jì)思想。 軟起動(dòng)控制策略為 ： 先由程序控制給任意兩相定子繞組通電而另一相關(guān)斷，則電機(jī)定子合成磁勢軸線在空間有一確定方向，把轉(zhuǎn)子磁極拖到與其重合的位置，經(jīng)過一段時(shí)間即可確定轉(zhuǎn)子的初始位置。然后按照電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的換相順序由程序控制給相應(yīng)繞組饋電，使電機(jī)起動(dòng)。期間不進(jìn)行位置檢測，換相時(shí)間間隔由軟件延時(shí)控制，且該時(shí)間間隔不變，程序控制PWM 波占空比逐漸增大以提高電壓，因此這是一種恒頻升壓的起動(dòng)方式。 開環(huán)起動(dòng)過程持續(xù)一個(gè)換相周期后，電機(jī)己經(jīng)具 有一定的速度，可以通過位置傳感器檢測到轉(zhuǎn)子的位置，此時(shí)就跳出開環(huán)起動(dòng)過程，進(jìn)入由位置檢測信號(hào)控制電機(jī)換相的自控式運(yùn)行狀態(tài)。首先找出三個(gè)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào) H1， H2, H3 的狀態(tài)與六只功率管導(dǎo)通之間的關(guān)系，以表格形式存放在單片機(jī)的 EEPROM 中，如表 21 所示。這樣單片機(jī)只需根據(jù)來自位置信號(hào)輸入口的狀態(tài)，查表即可決定下個(gè)時(shí)刻管子的導(dǎo)通順序，從而控制 11 電機(jī)的換相。 表 21 換相表 H1 H2 H3 導(dǎo)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 電機(jī)靜止，無導(dǎo)通管 1 1 1 出錯(cuò) 蓄電池檢測方案 電動(dòng)汽車 使用過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池的容量情況將給用戶帶來很大的方便，它能提供蓄電池的電能大約能夠使車輛行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等信息。蓄電池的總?cè)萘客ǔＲ猿渥汶姾?，放電至其端電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)所釋放出的總電量來表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時(shí)，它的容量等于放電電流和放電時(shí)間的乘積 ： Q=IdTd (26) 式中 Q 的單位為 (A h)。如果放電電流不是一個(gè)恒定的常數(shù)，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應(yīng)時(shí)間的乘積之和 ： Q=Id1Td1+Id2Td2+IdnTdn (27) 由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長時(shí)間的使用，反復(fù)的充放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準(zhǔn)確測量蓄電池的容量比較困難。 本方案利用蓄電池端電壓與容量之間的關(guān)系，通過測量蓄電池的端電壓來監(jiān)測蓄電池的容量。蓄電池的電勢是指蓄電池在開路時(shí)的端電壓， 由于蓄電池內(nèi)阻 r 的存在，當(dāng)蓄電池兩端接上負(fù)載 R 時(shí)，內(nèi)阻上就會(huì)產(chǎn)生壓降，此時(shí)蓄電池的端電壓不是電勢 E，而是 ： U=EIr (28) 而蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池的容量成反比，在充電過程中，內(nèi)阻逐漸減小，在放電過程中增加，通過實(shí)驗(yàn)的辦法可測出蓄電池的容量與端電壓的關(guān)系，并建立表格存于單片機(jī)的 EEPROM 中。實(shí)際運(yùn)行中，就可利用軟件讓單片機(jī)對(duì)蓄電池端電壓 U 進(jìn)行測量、處理再和 EEPROM 中的數(shù)據(jù)進(jìn) 12 行比較得出容量的信息。這樣的 實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)蓄電池的保護(hù)、延長使用壽命有重要的意義。 驅(qū)動(dòng)、逆變電路控制方案 驅(qū)動(dòng)、逆變電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。功率場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。在本控制系統(tǒng)中就采用了 MOSFET 組成逆變器的變換電路。由于半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對(duì)獨(dú)立，必須對(duì)三相電流分別控 制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨(dú)立控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對(duì)其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制。因此本方案采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通 [6]。 逆變器的驅(qū)動(dòng)形式主要有三種 ： 雙極性 PWM、單極性 PWM 和倍頻PWM 。雙極性 PWM 控制模式下，逆變器在任意時(shí)刻每一相橋臂中的上管與下管均處于 PWM 調(diào)制狀態(tài)，上下管開關(guān)狀態(tài)同步互補(bǔ)。為了避免在開關(guān)過程中橋臂出現(xiàn)直通短路，同一橋臂上下管切換期間需要嵌入死區(qū)，即兩者同時(shí)處于斷開狀態(tài)。且由于上、下管均需要調(diào)制，雙極性 PWM 開關(guān) 損耗相對(duì)較高。單極性 PWM 則僅對(duì)逆變器上半橋或下半橋進(jìn)行 PWM調(diào)制。從單個(gè)橋臂來看，其上橋臂處于 PWM 狀態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)下橋臂斷開，反之亦然。 基于同樣的 PWM 調(diào)制頻率，采用倍頻型 PWM 則可以獲得兩倍于前兩種 PWM 方式的壓調(diào)制頻率，可以進(jìn)一步減小逆變器開關(guān)調(diào)制所對(duì)應(yīng)的電流紋波。但對(duì)單片機(jī)的處理速度要求較高。 綜上分析，本文針對(duì)電動(dòng) 汽 車應(yīng)用的永磁無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制采用單極性 PWM 實(shí)現(xiàn) [7]。 故障檢測與系統(tǒng)保護(hù) 本系統(tǒng)設(shè)置了過壓、欠壓、過流及功率器件的保護(hù)等保護(hù)環(huán)節(jié)，并根據(jù)簡單可靠原則設(shè)計(jì)了具體的保護(hù)電路。過壓 和欠壓保護(hù)主要是針對(duì)蓄電池設(shè)置的，在運(yùn)行過程中，電池的穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)是至關(guān)重要的。對(duì)蓄電池特性分析 得 知，當(dāng)端電壓下降到其終止電壓時(shí)，必須停止放電，否則會(huì)損壞電池。因此，要在蓄電池正極與地之間串上分壓電阻，然后進(jìn)行 A/D采樣，單片機(jī)根據(jù)采樣結(jié)果判斷電池是否正常工作，如發(fā)生過壓或欠壓，立即發(fā)出警報(bào)，并切斷電源以保護(hù)電池。以下是功率 MOSFET 的保護(hù)措施 [8]。 靜電擊穿的防護(hù)功率 MOSFET 輸入阻抗極高，在高靜電場情況 13 下，電荷難以泄漏，容易使柵極絕緣薄氧化層擊穿，造成柵一源短路，或因功率太大使柵極引線斷開造成 柵極或源極開路。因此，在電路中，要保證柵源間外施電壓不要超過規(guī)定限制 ： 而且在取用、搬運(yùn)、焊接等過程中人體盡量不要直接接觸 MOS 管，因?yàn)樵诟稍锃h(huán)境下活動(dòng)的人體電位可高達(dá)幾千伏甚至上萬伏，如果處理不當(dāng)就可能對(duì)器件造成永久性損壞。 過電壓保護(hù)由于柵源阻抗很高，漏一源間電壓突然增加會(huì)通過極間電容藕合到柵極，使柵極絕緣擊穿。若為正向柵一源電壓增加，還會(huì)引起誤導(dǎo)通。為此應(yīng)在柵源間并聯(lián)電阻或齊那二極管 (約 20V)，絕對(duì)不允許開路。而漏一源之間也要外加保護(hù)電路以防止開關(guān)過程中因電壓的突變而產(chǎn)生的漏極尖峰電壓損壞管子。 可以采取齊那二極管鉗位、二極管 RC 鉗位或 RC 緩沖電路等保護(hù)措施。另外，當(dāng)電機(jī)因意外突然停轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)繞組會(huì)產(chǎn)生瞬 間的反向高壓，損壞功率管。如在系統(tǒng)直流母線上并聯(lián)一只高耐壓電容 ,在意外停機(jī)時(shí)，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。 過電流保護(hù)由于負(fù)載的變化可能會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，以致超過器件的額定漏極峰值電流。在這種情況下，主回路的電流采樣電阻能迅速的將電流的變化情況，通過單片機(jī)內(nèi)部的 A/D 轉(zhuǎn)換反映到電流調(diào)節(jié)環(huán)，要求系統(tǒng)能在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)將 MOS 管關(guān)斷，這就需要選用的單片機(jī)有足夠快的 響應(yīng)速度。 過流保護(hù)電路如圖 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 圖 25 過電流保護(hù)電路圖 核心控制器件的選擇 基于以上對(duì)控制策略的分析與研究，本系統(tǒng)是一個(gè)要求高速、高效、高可靠性的控制系統(tǒng)。要由一個(gè)能滿足這些條件的控制器來控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，并希望其價(jià)位適宜，這樣才能更好的使研究成果向產(chǎn)品化發(fā)展。因此 ， 單片機(jī)的選型十分重要。 單片機(jī)概述 如下： 單片機(jī)微型計(jì)算機(jī) (SingleChip Microputer)，簡稱單片機(jī)， 因其 14 主要用于控制，所以又稱微控制器 (MCU)。它在一塊芯片上集成了一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)必需的基本功能部件，包括中央處理器 (CPU)、只讀寄存器(CROM)、輸入輸出口 (I/0 口 )，可編程定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器等。 單片機(jī)具有集成度高、功能強(qiáng)、結(jié)構(gòu)合理、抗干擾性強(qiáng)和指令豐富的特點(diǎn)，它的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路、邏輯部件來實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在都可通過軟件來完成。從 1974 年美國仙童公司生產(chǎn)出第一塊單片機(jī)開始，在短短幾十年中，單片機(jī)發(fā)展迅速，由 4 位、 8 位一直到 16 位單片機(jī)，目前 32 位的超大規(guī)模集成 電路單片機(jī) (T414)也已面世，同時(shí)性能也不斷提高。目前單片機(jī)已成為工控領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域及日常生活中最廣泛使用的控制系統(tǒng)。 高可靠性、功能強(qiáng)、高速度、低功耗和低價(jià)位，一直是衡量單片機(jī)性能的重要指標(biāo)，也是單片機(jī)占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。早期單片機(jī)主要由于工藝及設(shè)計(jì)水平不高、功耗高