【正文】 在發(fā)展中。 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的作用是將電源的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過(guò)傳動(dòng)裝置或直接驅(qū)動(dòng)車輪和工作裝置。但直流電動(dòng)機(jī)由于存在換向火花，比功率較小、效率較低，維護(hù)保養(yǎng)工作量大，隨著電機(jī)技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，勢(shì)必逐漸被直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（BLDCM）、開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)所取代。早期的電動(dòng)汽車上，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速采用串接電阻或改變電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)線圈的匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前電動(dòng)汽車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過(guò)均勻地改變電動(dòng)機(jī)的端電壓，控制電動(dòng)機(jī)的電流，來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速。從技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，伴隨著新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用，電動(dòng)汽車的調(diào)速控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髂孀兗夹g(shù)的應(yīng)用，將成為必然的趨勢(shì)。當(dāng)采用交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向的改變只需變換磁場(chǎng)三相電流的相序即可，可使控制電路簡(jiǎn)化。傳動(dòng)裝置電動(dòng)汽車傳動(dòng)裝置的作用是將電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩傳給汽車的驅(qū)動(dòng)軸，當(dāng)采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)裝置的多數(shù)部件常常可以忽略。因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)的旋向可以通過(guò)電路控制實(shí)現(xiàn)變換，所以電動(dòng)汽車無(wú)需內(nèi)燃機(jī)汽車變速器中的倒檔。在采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)汽車也可以省略傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的差速器。作用在方向盤上的控制力，通過(guò)轉(zhuǎn)向機(jī)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)一定的角度，實(shí)現(xiàn)汽車的轉(zhuǎn)向。電動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向裝置有機(jī)械轉(zhuǎn)向、液壓轉(zhuǎn)向和液壓助力轉(zhuǎn)向等類型。在電動(dòng)汽車上，一般還有電磁制動(dòng)裝置，它可以利用驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的控制電路實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)電運(yùn)行，使減速制動(dòng)時(shí)的能量轉(zhuǎn)換成對(duì)蓄電池充電的電流，從而得到再生利用。它同其他汽車的構(gòu)成是相同的，由車輪、輪胎和懸架等組成。貨叉的起升和門架的傾斜通常由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的液壓系統(tǒng)完成[2]。● 電機(jī)技術(shù)：主要有四種電機(jī)：直流電機(jī)、永磁電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)?！?驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制與集成技術(shù)：多采用單片機(jī)和功率器件配合作為控制系統(tǒng)，功率器件主要使用IGBT（絕緣柵雙極晶體管）?！?充電系統(tǒng)技術(shù)。第2章 基于單片機(jī)的系統(tǒng)控制策略研究 控制系統(tǒng)的整體構(gòu)成在其它硬件條件相同的情況下，控制系統(tǒng)決定著電動(dòng)車的性能，相當(dāng)于系統(tǒng)的神經(jīng)中樞發(fā)出控制命令及處理各種異常情況。提高電機(jī)和蓄電池的效率，節(jié)省能源。降低電動(dòng)車在受到破壞時(shí)的損傷程度。本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：以單片機(jī)為核心的主控電路；以IR2131S為核心的驅(qū)動(dòng)電路；功率逆變電路；位置信號(hào)處理電路、電流信號(hào)處理電路以及一些外圍輔助電路。系統(tǒng)原理框圖如圖21所示?！败泦ⅰ钡碾娍胤桨附鉀Q了零狀態(tài)起步耗電大的問(wèn)題，大幅度地提高了一次充電的續(xù)行里程。再把控制量以PWM的形式輸出給驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，系統(tǒng)的速度便達(dá)到了給定。方波電流驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)是借助于位置檢測(cè)信號(hào)控制逆變器換流以達(dá)到在電機(jī)定子線圈中通以互差120176。本系統(tǒng)采用霍爾元件式位置傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的位置信號(hào)。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場(chǎng)中，即輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其不受外磁場(chǎng)作用時(shí)，其輸出端無(wú)信號(hào)。電角度，永磁體的極弧寬為180176。這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾元件便交替輸出三個(gè)寬為180176。電角的矩形波信號(hào)。霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、工作可靠，但對(duì)工作溫度有一定要求，同時(shí)霍爾元件應(yīng)靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號(hào)電平太低，不能正常工作。電流檢測(cè)是系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于電流檢測(cè)有兩種方案: 采用電流檢測(cè)模塊。采用一個(gè)分流電阻間接測(cè)流。這種方案對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換的精度和軟件數(shù)據(jù)處理有一定要求，但是造價(jià)很低，本系統(tǒng)采用第2套方案。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。圖22是對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制時(shí)的電樞繞組兩端的電壓波形。圖22輸入輸出電壓波形電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值為： 　 (21) 式中占空比α表示了在一個(gè)周期T里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，α變化范圍為0～1之間。本系統(tǒng)利用AVR單片機(jī)的PWM口，通過(guò)軟件編程改變占空比的大小控制電機(jī)調(diào)速。為了保證調(diào)速精度，本系統(tǒng)采用圖23的電流、速度雙閉環(huán)控制方案。速度給n*與速度反饋nf送給速度調(diào)節(jié)器(SR)，速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流信號(hào)的參考值iref，與電流信號(hào)的反饋值if一起送至電流調(diào)節(jié)器(CR)，電流調(diào)節(jié)器的輸出為電壓參考值U*。圖23無(wú)刷直流電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)控制雙閉環(huán)調(diào)速的特點(diǎn)是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流。本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器用PI調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器為改進(jìn)的PI調(diào)節(jié)器。位置型PI算法的表達(dá)式是： 　 (22) 其中是輸入，起控制作用，為比例系數(shù)，為積分時(shí)間常數(shù)。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。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)。其中采樣周期的選取要考慮以下三個(gè)因素：采樣過(guò)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(wèn)題，另外，高的PWM頻率可能使電磁輻射更加嚴(yán)重。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(lái)實(shí)現(xiàn)。還有一種神經(jīng)元自適應(yīng)PI算法也是近些年來(lái)應(yīng)用較多的控制算法，其表達(dá)式為： (25) 為對(duì)應(yīng)與的加權(quán)系數(shù)，K(0）為神經(jīng)元比例系數(shù)。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(cè)速器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)的硬件投資和整個(gè)系統(tǒng)的體積。經(jīng)過(guò)上拉、濾波后的脈沖信號(hào)如圖24所示。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。有些文獻(xiàn)提出了一些附加電路來(lái)控制起動(dòng)的方案。而本文基于AVR單片機(jī)的起動(dòng)控制策略無(wú)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。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)。開(kāi)環(huán)起動(dòng)過(guò)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(guò)位置傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置，此時(shí)就跳出開(kāi)環(huán)起動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入由位置檢測(cè)信號(hào)控制電機(jī)換相的自控式運(yùn)行狀態(tài)。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。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。h)。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。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。 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。在本控制系統(tǒng)中就采用了MOSFET組成逆變器的變換電路。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。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 。為了避免在開(kāi)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(kāi)狀態(tài)。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?；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(kāi)關(guān)調(diào)制所對(duì)應(yīng)的電流紋波。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]。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。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。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(kāi)造成柵極或源極開(kāi)路。 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。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(kāi)路?？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。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。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。 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)。因此，單片機(jī)的選型十分重要。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。從1974年美國(guó)仙童公司生產(chǎn)出第一塊單片機(jī)開(kāi)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。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。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)(CI