【文章內(nèi)容簡介】 換相的自控式運行狀態(tài)。首先找出三個轉(zhuǎn)子位置傳感器信號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的EEPROM中，如表21所示。這樣單片機只需根據(jù)來自位置信號輸入口的狀態(tài)，查表即可決定下個時刻管子的導(dǎo)通順序，從而控制電機的換相。表21 換相表H1H2H3導(dǎo)通的管子101100110010011001000電機靜止，無導(dǎo)通管111出錯 蓄電池檢測方案電動汽車使用過程中實時監(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猿渥汶姾螅烹娭疗涠穗妷哼_到規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時，它的容量等于放電電流和放電時間的乘積： 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)蓄電池兩端接上負載R時，內(nèi)阻上就會產(chǎn)生壓降，此時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，通過實驗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的EEPROM中。實際運行中，就可利用軟件讓單片機對蓄電池端電壓U進行測量、處理再和EEPROM中的數(shù)據(jù)進行比較得出容量的信息。這樣的實時監(jiān)測系統(tǒng)對蓄電池的保護、延長使用壽命有重要的意義。 驅(qū)動、逆變電路控制方案驅(qū)動、逆變電路是主控芯片與被控電機之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的運行質(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，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，電機三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進行控制，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。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)損耗相對較高。單極性PWM則僅對逆變器上半橋或下半橋進行PWM調(diào)制。從單個橋臂來看，其上橋臂處于PWM狀態(tài)時，對應(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，可以進一步減小逆變器開關(guān)調(diào)制所對應(yīng)的電流紋波。但對單片機的處理速度要求較高。綜上分析，本文針對電動汽車應(yīng)用的永磁無刷直流電機的驅(qū)動控制采用單極性PWM實現(xiàn)[7]。 故障檢測與系統(tǒng)保護本系統(tǒng)設(shè)置了過壓、欠壓、過流及功率器件的保護等保護環(huán)節(jié)，并根據(jù)簡單可靠原則設(shè)計了具體的保護電路。過壓和欠壓保護主要是針對蓄電池設(shè)置的，在運行過程中，電池的穩(wěn)定性對系統(tǒng)是至關(guān)重要的。對蓄電池特性分析得知，當(dāng)端電壓下降到其終止電壓時，必須停止放電，否則會損壞電池。因此，要在蓄電池正極與地之間串上分壓電阻，然后進行A/D采樣，單片機根據(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，并切斷電源以保護電池。以下是功率MOSFET的保護措施[8]。靜電擊穿的防護功率MOSFET輸入阻抗極高，在高靜電場情況下，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規(guī)定限制：而且在取用、搬運、焊接等過程中人體盡量不要直接接觸MOS管，因為在干燥環(huán)境下活動的人體電位可高達幾千伏甚至上萬伏，如果處理不當(dāng)就可能對器件造成永久性損壞。 過電壓保護由于柵源阻抗很高，漏一源間電壓突然增加會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)，絕對不允許開路。而漏一源之間也要外加保護電路以防止開關(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?？梢圆扇↓R那二極管鉗位、二極管RC鉗位或RC緩沖電路等保護措施。另外，當(dāng)電機因意外突然停轉(zhuǎn)時，電機繞組會產(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,在意外停機時，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。 過電流保護由于負載的變化可能會產(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)能在微秒級的時間內(nèi)將MOS管關(guān)斷，這就需要選用的單片機有足夠快的響應(yīng)速度。過流保護電路如圖25所示。 圖25過電流保護電路圖 核心控制器件的選擇基于以上對控制策略的分析與研究，本系統(tǒng)是一個要求高速、高效、高可靠性的控制系統(tǒng)。要由一個能滿足這些條件的控制器來控制系統(tǒng)的正常運行，并希望其價位適宜，這樣才能更好的使研究成果向產(chǎn)品化發(fā)展。因此，單片機的選型十分重要。單片機概述如下：單片機微型計算機(SingleChip Microputer)，簡稱單片機，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微型計算機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)，可編程定時器/計數(shù)器等。單片機具有集成度高、功能強、結(jié)構(gòu)合理、抗干擾性強和指令豐富的特點，它的應(yīng)用打破了傳統(tǒng)的設(shè)計思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路、邏輯部件來實現(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)出第一塊單片機開始，在短短幾十年中，單片機發(fā)展迅速，由4位、8位一直到16位單片機，目前32位的超大規(guī)模集成電路單片機(T414)也已面世，同時性能也不斷提高。目前單片機已成為工控領(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、高速度、低功耗和低價位，一直是衡量單片機性能的重要指標，也是單片機占領(lǐng)市場、賴以生存的必要條件。早期單片機主要由于工藝及設(shè)計水平不高、功耗高和抗干擾性能差等原因，采用較高分頻系數(shù)對時鐘分頻，使得指令周期長，執(zhí)行速度慢。Intel公司推出的單片機，徹底打破這種就設(shè)計格局，廢除了機器周期，拋棄復(fù)雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集(RISC)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實現(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80C51。它是基于AVR RISC、低功耗CMOS的8位單片機，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點，但由于采用了小引腳封裝(為DIP 28和TQFP/1VILF32)，所以其價格僅與低檔單片機相當(dāng)，成為高檔單片機中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能 價格比最好的品種[9]。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計整個系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測電路、測速電路、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。其中無刷直流電機由電動機本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電子開關(guān)電路三部分組成。直流電源通過開關(guān)電路向電動機定子繞組供電，位置檢測器可隨時檢測轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實現(xiàn)電子換向。圖31 無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 信號檢測電路設(shè)計位置檢測位置信號是電機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器，一般霍爾位置傳感器是集電極開路輸出，所以要在檢測環(huán)節(jié)加上拉電阻。另外，對于編碼信號要根據(jù)檢測波形采取一定的硬件濾波和軟件防抖措施。經(jīng)過電阻上拉和電容濾波后的信號被送到AVR單片機的數(shù)字I/O口[10]。位置檢測電路見圖32。圖32位置檢測電路電流檢測電流反饋和過電流保護是所有驅(qū)動裝置不可缺少的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)控制直流側(cè)電流，測量的是母線電流，在功率管的近地端接入一個適當(dāng)?shù)呢撦d電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換電壓信號。由于80C51的A/D輸入信號范圍是0～5，用LM358構(gòu)成的同相放大器，把信號進行低通濾波后再由RC電路籍位，然后送到單片機的ADC口，這樣即有效的消除了尖峰噪聲影響，又起到了過壓保護的作用