【文章內容簡介】 為對應與的加權系數(shù)，K(0）為神經元比例系數(shù)。該控制器是通過對加權系數(shù)的調整來實現(xiàn)自適應、自組織功能的，加權系數(shù)的調整采用有監(jiān)督的Hebb學習規(guī)則。電機的轉速是雙閉環(huán)系統(tǒng)的一個重要反饋量，如果安裝測速器來解決這個問題無疑會增加系統(tǒng)的硬件投資和整個系統(tǒng)的體積。所以在本系統(tǒng)中將利用轉子位置傳感器所產生的脈沖信號來反映電機的轉速。經過上拉、濾波后的脈沖信號如圖24所示。它們是脈寬為180度，相位上互差120度的方波信號。對其中的任一位置傳感器而言，電動機每轉能產生P個方波脈沖，P為電動機的極對數(shù)，顯然這種方波脈沖的頻率是正比于電機轉速的。圖24三相位置信號 起動與換相控制方案無刷直流電機的反電動勢大小和電機的轉速成正比，在電機靜止時電動勢為零，沒有換相信號，電機不能自起動。有些文獻提出了一些附加電路來控制起動的方案。這樣就增加了系統(tǒng)成本且使系統(tǒng)復雜化。而本文基于AVR單片機的起動控制策略無需附加任何電路，由軟件程序控制正常起動，體現(xiàn)“硬件軟化”的設計思想。 軟起動控制策略為：先由程序控制給任意兩相定子繞組通電而另一相關斷，則電機定子合成磁勢軸線在空間有一確定方向，把轉子磁極拖到與其重合的位置，經過一段時間即可確定轉子的初始位置。然后按照電機旋轉方向的換相順序由程序控制給相應繞組饋電，使電機起動。期間不進行位置檢測，換相時間間隔由軟件延時控制，且該時間間隔不變，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方式。開環(huán)起動過程持續(xù)一個換相周期后，電機己經具有一定的速度，可以通過位置傳感器檢測到轉子的位置，此時就跳出開環(huán)起動過程，進入由位置檢測信號控制電機換相的自控式運行狀態(tài)。首先找出三個轉子位置傳感器信號H1，H2, H3的狀態(tài)與六只功率管導通之間的關系，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通順序，從而控制電機的換相。表21 換相表H1H2H3導通的管子101100110010011001000電機靜止，無導通管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。蓄電池的總容量通常以充足電后，放電至其端電壓達到規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當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，由于蓄電池內阻r的存在，當蓄電池兩端接上負載R時，內阻上就會產生壓降，此時蓄電池的端電壓不是電勢E，而是： U=EIr (28)而蓄電池的內阻與蓄電池的容量成反比，在充電過程中，內阻逐漸減小，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。 驅動、逆變電路控制方案驅動、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)的運行質量。功率場效應晶體管具有開關速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關電路中得到了廣泛的應用。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通[6]。逆變器的驅動形式主要有三種：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調制狀態(tài)，上下管開關狀態(tài)同步互補。為了避免在開關過程中橋臂出現(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、下管均需要調制，雙極性PWM開關損耗相對較高。單極性PWM則僅對逆變器上半橋或下半橋進行PWM調制。從單個橋臂來看，其上橋臂處于PWM狀態(tài)時，對應下橋臂斷開，反之亦然?；谕瑯拥腜WM調制頻率，采用倍頻型PWM則可以獲得兩倍于前兩種PWM方式的壓調制頻率，可以進一步減小逆變器開關調制所對應的電流紋波。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用的永磁無刷直流電機的驅動控制采用單極性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置的，在運行過程中，電池的穩(wěn)定性對系統(tǒng)是至關重要的。對蓄電池特性分析得知，當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，還會引起誤導通。為此應在柵源間并聯(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過程中因電壓的突變而產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緩沖電路等保護措施。另外，當電機因意外突然停轉時，電機繞組會產生瞬間的反向高壓，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，通過單片機內部的A/D轉換反映到電流調節(jié)環(huán)，要求系統(tǒng)能在微秒級的時間內將MOS管關斷，這就需要選用的單片機有足夠快的響應速度。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、結構合理、抗干擾性強和指令豐富的特點，它的應用打破了傳統(tǒng)的設計思想，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域、軍事領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，也是單片機占領市場、賴以生存的必要條件。早期單片機主要由于工藝及設計水平不高、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，徹底打破這種就設計格局，廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集(RISC)，取指周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當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，成為高檔單片機中內部接口豐富、功能齊全、性能 價格比最好的品種[9]。第3章 系統(tǒng)硬件設計整個系統(tǒng)主要包括轉子位置檢測電路、測速電路、調速電路、MOSFET全橋電路、限流電路等，圖31所示是其原