【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(lái)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，從而控制電機(jī)的換相。表21 換相表H1H2H3導(dǎo)通的管子101100110010011001000電機(jī)靜止，無(wú)導(dǎo)通管111出錯(cuò) 蓄電池檢測(cè)方案電動(dòng)汽車使用過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的容量情況將給用戶帶來(lái)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(lái)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(Ah)。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(zhǎng)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(cè)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(guò)測(cè)量蓄電池的端電壓來(lái)監(jiān)測(cè)蓄電池的容量。蓄電池的電勢(shì)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(shì)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(guò)程中，內(nèi)阻逐漸減小，在放電過(guò)程中增加，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的辦法可測(cè)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(cè)量、處理再和EEPROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較得出容量的信息。這樣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)蓄電池的保護(hù)、延長(zhǎng)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(chǎng)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(wú)二次擊穿問(wèn)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(jiǎn)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(lái)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(guò)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(lái)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?；谕瑯拥腜WM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(wú)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(cè)與系統(tǒng)保護(hù)本系統(tǒng)設(shè)置了過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及功率器件的保護(hù)等保護(hù)環(huán)節(jié)，并根據(jù)簡(jiǎn)單可靠原則設(shè)計(jì)了具體的保護(hù)電路。過(guò)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(guò)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(guò)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(chǎng)情況下，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(guò)規(guī)定限制：而且在取用、搬運(yùn)、焊接等過(guò)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(wàn)伏，如果處理不當(dāng)就可能對(duì)器件造成永久性損壞。 過(guò)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(guò)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(guò)程中因電壓的突變而產(chǎn)生的漏極尖峰電壓損壞管子?？梢圆扇↓R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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)流保護(hù)電路如圖25所示。 圖25過(guò)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(lái)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)微型計(jì)算機(jī)(SingleChip Microputer)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)，因其主要用于控制，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(lái)很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路、邏輯部件來(lái)實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在都可通過(guò)軟件來(lái)完成。從1974年美國(guó)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(chǎng)、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、功耗高和抗干擾性能差等原因，采用較高分頻系數(shù)對(duì)時(shí)鐘分頻，使得指令周期長(zhǎng)，執(zhí)行速度慢。Intel公司推出的單片機(jī)，徹底打破這種就設(shè)計(jì)格局，廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集(RISC)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。在AVR大家庭中尤為突出的是一款新型AVR高檔單片機(jī)80C51。它是基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位單片機(jī)，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備高檔單片機(jī)MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)，但由于采用了小引腳封裝(為DIP 28和TQFP/1VILF32)，所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為高檔單片機(jī)中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能 價(jià)格比最好的品種[9]。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、測(cè)速電路、調(diào)速電路、MOSFET全橋電路、限流電路等，圖31所示是其原理框圖。其中無(wú)刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和電子開關(guān)電路三部分組成。直流電源通過(guò)開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置檢測(cè)器可隨時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)來(lái)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換向。圖31 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)位置檢測(cè)位置信號(hào)是電機(jī)控制的主要反饋信息，只有確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置，才能根據(jù)程序要求決定下一步的定子三相繞組的導(dǎo)電模式。本系統(tǒng)采用的是霍爾傳感型位置檢測(cè)器，一般霍爾位置傳感器是集電極開路輸出，所以要在檢測(cè)環(huán)節(jié)加上拉電阻。另外，對(duì)于編碼信號(hào)要根據(jù)檢測(cè)波形采取一定的硬件濾波和軟件防抖措施。經(jīng)過(guò)電阻上拉和電容濾波后的信號(hào)被送到AVR單片機(jī)的數(shù)字I/O口[10]。位置檢測(cè)電路見圖32。圖32位置檢測(cè)電路電流檢測(cè)電流反饋和過(guò)電流保護(hù)是所有驅(qū)動(dòng)裝置不可缺少的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)控制直流側(cè)電流，測(cè)量的是母線電流，在功率管的近地端接入一個(gè)適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)。由于80C51的A/D輸入信號(hào)范圍是0～5，用LM358構(gòu)成的同相放大器，把信號(hào)進(jìn)行低通濾波后再由RC電路籍位，然后送到單片機(jī)的ADC口，這樣即有效的消除了尖峰噪聲影響，又起到了過(guò)壓保護(hù)的作用