【正文】 26附錄2： 341 緒 論在石油資源日益短缺的大背景下，如何減少交通對石油資源的不可循環(huán)的消耗，發(fā)展電動交通工具，特別是促進發(fā)展電動汽車(EV)是世界性的重大課題，不僅是中國社會關注的話題，也是國際社會十分關注的重大問題。與他們的措施和政策相比，我國雖然也設立了專項資金鼓勵發(fā)展電動汽車，但在品牌創(chuàng)新、自主研發(fā)能力、資本運營管理、品牌影響力方面我國的汽車技術與世界發(fā)達國家仍舊有一定差距。一大批毫不知名的小企業(yè)，早就開始了自己的電動交通事業(yè)。2004年開始，電機動力性能和電子控制技術也飛速發(fā)展，電機功率從一開始的150W逐步上升成熟，到2004年底，額定功率500W，最大輸出功率1KW的高性能稀土永磁電機已經(jīng)低成本大批量地生產，極大滿足了人們的使用需要。2006年上半年，全國數(shù)百家企業(yè)的各種輕型電動車(含電動自行車)的產量為800萬輛，全年預計總產量將達到1500萬輛。隨著技術水平的提高及市場需求的進一步提升，中國式的微型電動汽車的發(fā)展就被提上了日程。根據(jù)于高爾夫球場的特性，選用永磁無刷電動機驅動電機。其開發(fā)難度較之微型電動汽車也更低。電機系統(tǒng)是影響電動車整車性能的關鍵因素，電機類型的選擇與車輛驅動方式的確定是電動車開發(fā)首先面對的抉擇。直流電機系統(tǒng)技術成熟，控制簡單，采用斬波驅動方式，具有良好的控制驅動特性；但由于采用機械式電刷和換向器，其過載能力、轉速范圍、功率體積比、功率重量比、系統(tǒng)效率、使用維護性均受到限制。與傳動領域趨勢相同，電動車驅動中，直流電機系統(tǒng)為交流電機系統(tǒng)替代成為必然趨勢。目前，開關磁阻電機系統(tǒng)在電動車驅動中的應用還處于預研階段，有待進一步深化研究，德國和瑞典及國內已在進行開關磁阻電機在電動汽車驅動應用中的嘗試。美國、歐洲電動汽車的開發(fā)以感應電機系統(tǒng)為主流。其為日本九十年代電動汽車開發(fā)的主流選擇。日本豐田公司、美國通用汽車、德國西門子、寶馬公司等均進行過相同功率的感應電機系統(tǒng)和永磁無刷電機系統(tǒng)的實驗比較，得出一致的結論：永磁無刷電機比感應電機具有更高的系統(tǒng)效率(尤其在起動和低速工作狀態(tài)下)、更高的功率重量比。我國有世界最豐富的稀土永磁材料儲量，具有先天的優(yōu)勢，基于永磁無刷電機系統(tǒng)展開深入工作，開發(fā)出適于電動車應用的驅動系統(tǒng)，顯得更為合理和迫切。在電動車中，驅動系統(tǒng)是絕對的核心，它的任務是在駕駛員的控制下，高效率的將蓄電池的能量轉化為車輪的動能，或者將車輪上的動能反饋到蓄電池中。不同的電動車開發(fā)有著不同的系統(tǒng)構成和控制策略。無刷直流電機與有刷直流電機相反，它具有旋轉的磁場和固定的電樞。在電機內，裝有一個轉子位置傳感器，用來檢測轉子在運行過程中的位置。綜上所述，無刷直流電機由電機本體、轉子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，如下圖所示。隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷地送出信號，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電機的接觸式換相過程，下圖為無刷直流電機工作原理框圖。為了使電機轉子旋轉起來，必須使定子電樞各相繞組不斷地依次換相通電，這樣才能使定子磁場隨著轉子位置不斷變化，使定子磁場和轉子永磁磁場始終保持約90176。無刷直流電機的控制，根據(jù)轉子位置傳感器的有無分為：無位置傳感器控制和位置傳感器控制兩種，常用的傳感器有光電式位置傳感器、霍爾式位置傳感器。普通直流電動機的電樞通過電刷和換向器與直流電源相連，電樞本身的電流是交變的，而無刷直流電機用磁極位置檢測電路和電力電子開關逆變器取代有刷直流電機中電刷和換向器的作用，即用電子換向取代機械換向，由位置檢測器(有位置傳感器或無位置傳感器)提供電機轉子磁極的位置信號，在控制器中經(jīng)過邏輯處理產生相應的開關狀態(tài)，以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關，將電源功率以一定的邏輯關系分配給電動機定子各相繞組，使電動機產生持續(xù)不斷的轉矩。結合實際情況，開關器件采用的是功率場效應管，蓄電池作為電源，而轉子位置的獲取則通過霍爾位置傳感器。電機工作于120176。電角度)，每個時刻只有兩相繞組導通，另一相繞組浮空；每隔60176。通常，無刷直流電機是通過調節(jié)輸入電機的直流平均電壓達到調節(jié)轉速的目的。在PAM方式中，直流母線電壓dcU可調，逆變器功率開關器件只負責電機換相控制，通過調節(jié)直流母線電壓dcU的大小調節(jié)電機轉速。在PWM方式中，直流母線電壓dcU不可調，逆變器功率開關器件不僅負責無刷直流電機的換相控制，而且通過斬波調節(jié)電機輸入電壓的平均值，從而達到調節(jié)轉速的目的。實際應用中這類調制方式都很少應用。期間，前60176。進行PWM調制；②PWMON開關管導通120176。進行PWM調制，后60176。也有文獻提出的所謂的PWMONPWM方式，可以徹底消除非導通相的續(xù)流問題，有效的削弱了部分轉矩脈動，但其需要更為細致的位置信號，該文中介紹了一種利用數(shù)字細分策略在不加裝位置傳感器的基礎上的實現(xiàn)了該調制方式，取得了較好的效果。減速制動狀態(tài)下，車輪和電機仍然處于旋轉狀態(tài)，電磁轉矩與轉向相反，電機運行于二、四象限；緊急制動則是立刻阻止車輪旋轉。減速制動則可以采用電氣制動的方式實現(xiàn)。電氣制動的方式有三種，分別是反接制動、能耗制動與回饋制動。通過超前換相措施，無刷電機可以實現(xiàn)恒功率運行，此時線反電動勢會高于逆變器直流側電壓，當無刷電機從恒功率運行方式進入回饋制動方式前，必須通過正常換相過程直至轉速下降到基速內。永磁無刷直流電機的端部反電勢低于電源電壓時，通常的能量反饋制動條件無法滿足，電機難以向蓄電池輸出充電電流。高爾夫球車運行在高爾夫球場上，它對轉速沒有很高的要求，但需要保證安全可靠，性能穩(wěn)定。本課題采用的STM32數(shù)字電機開發(fā)實驗平臺，以ULINK/JLINK作為仿真器仿真和下載CPU程序，以核心板作為控制核心；底板上帶有各種功能模塊如：TFT彩屏顯示模塊、SD卡模塊、CAN通訊模塊、串口通訊模塊、蜂鳴器、指示燈等等接口；逆變板主要由MOSFET三相H橋模塊、MOSFET驅動IC模塊、高速光耦模塊和信號處理模塊等構成。對應電動高爾夫球車運行在高爾夫球場上，駕乘者目的不同以及場地的路況降低對車輛續(xù)駛里程的要求但對驅動系統(tǒng)動力性能卻提出了相對較高的要求。本章介紹控制器產品的設計與實現(xiàn)。驅動系統(tǒng)由三相H橋逆變輸出模塊、IGBT/MOSFET驅動IC、高速光電耦合器、主電源、控制電源以及取樣、保護電路等組成。功率MOSFET具有正溫度系數(shù)，特別有益于器件并聯(lián)使用，為了達到最優(yōu)的并聯(lián)效果，在設計中遵循了以下原則：①MOSFET的參數(shù)的一致性應較好，一般同一批次的即可滿足要求；②在理論分析與實驗的基礎上確定適當?shù)慕殿~因子；③MOSFET應裝在同一塊散熱器上，且間距相同并保持良好的熱耦合；④慎重設計MOSFET驅動電路，盡可能減小驅動電路的輸出電阻，最大程度上發(fā)揮驅動電路的驅動能力；⑤采用間接耦合并聯(lián)各MOSFET柵極，以抑制潛在的功率震蕩問題。下圖為硬件系統(tǒng)框圖：CortexM3處理器是一個低功耗的處理器，具有門數(shù)少， 中斷延遲小， 調試容易等特點。CortexM3處理器使用了ARM v7M體系結構，是一個可綜合的、高度可配置的處理器。在一個具有32個物理中斷的標準處理器實現(xiàn)上（ Metro 50MHz）。CortexM3處理器實現(xiàn)了Thumb2指令集架構，具有很高的代碼密度，可降低存儲器需求，并能達到非常接近32位ARM指令集的性能。CortexM3在系統(tǒng)結構上的增強，讓STM32受益無窮；Thumb2174。STM32系列給MCU用戶提供了全新的32位產品選項，結合了高性能、實時、低功耗、低電壓等特性，同時保持了高集成度和易于開發(fā)的優(yōu)勢。該32位CPU具有以下特點：72 MHz 運行頻率， DMIPS/MHz；快速可嵌套中斷，6~12個時鐘周期；512K Flash閃存和64K SRAM3個12位1us A/D ，21路模擬通道；5個USART接口；3個SPI端口；三相H橋電路采用六個絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，電壓型逆變電路， IGBT本質上是一個場效應管，只是在漏極和漏區(qū)之間多了一個P型層，其各部分名稱基本沿用場效應管的命名方法。通過驅動電路發(fā)送信號控制六個管子的通斷，進而控制電機旋轉。輸入電壓范圍18V~36V，采用DC/DC穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)15V和5V控制電壓輸出。掌握好恰當?shù)膿Q相時刻，可以減少電機轉矩波動，因此位置檢測非常重要。無刷直流電機中常用的位置傳感器主要有電磁式、光電式和磁敏式3種。在大多數(shù)無刷直流電機中，霍爾位置傳感器由安裝在定子上的霍爾集成電路和安裝在轉子上的傳感器轉子構成。若干個霍爾集成電路按等距的間隔，安裝在電機定子上，主轉子每轉過一對磁極，傳感器就要產生出一組跳變信號。在一個電周期內，霍爾位置傳感所產生的開關狀態(tài)時不重復的，每一個開關狀態(tài)所占的電角度相等。這樣它們在每個轉子電周期共有3個上升沿和3個下降沿，正好對應著6個換相時刻?；魻栁恢脗鞲衅鬏敵鲂盘朒A、HB和HC經(jīng)過高速光耦合隔離后輸出，在經(jīng)過整形和電容濾波濾去高頻信號干擾后得到HALLA、HALLB和HELLC,最后送入微處理器中 STM32 AD轉換控制器12位ADC是一種逐次逼近型模/數(shù)轉換器。各通道的A/D轉換可以單次、連續(xù)、掃描或間斷模式執(zhí)行。模/數(shù)轉換器的主要特征如下：按通道配置采樣時間；ADC供電要求：~ 。ACD的輸出范圍：VREF≤VIN≤VREF+； STM32 高級定時器STM32中有多達8個定時器，其中TIM1和TIM8是能夠產生三對PWM互補輸出的高級定時器，常用于三相電機的驅動，它們的時鐘由APB2的輸出產生。針對STM32微處理器，需要重新設計一個新的方法去實現(xiàn)該功能，以實現(xiàn)在程序中使用Delay(N)。SysTick 為一個24位遞減計數(shù)器，SysTick設定初值并使能后，每經(jīng)過1個系統(tǒng)時鐘周期，計數(shù)值就減1。在STM32的應用中，使用CortexM3 內核的SysTick作為定時時鐘，設定每一毫秒產生一次中斷，在中斷處理函數(shù)里對N減一，在Delay(N)函數(shù)中循環(huán)檢測N是否為0，不為0則進行循環(huán)等待；若為0則關閉SysTick時鐘，退出函數(shù)。需要注意的是全局變量TimingDelay必須定義為volatile，延遲時間將不隨系統(tǒng)時鐘頻率改變。（4）調用SysTick_SetReload() 設置SysTick重裝載值。 無刷直流電機起動：采用定相起動方式，即通過在電樞繞組上施加一定幅值直流電壓，迫使轉子旋轉到某一特定位置，與此同時HALL傳感器輸出與之對應轉子位置信息，至此系統(tǒng)進入正常運行狀態(tài)。BLDC雙閉環(huán)調速控制系統(tǒng)MCU外設初始化模塊BLDC換相模塊PID算法模塊LCD顯示驅動模塊BLDC系統(tǒng)參數(shù)主函數(shù)模塊系統(tǒng)的初始化中主要包括了單片機的時鐘配置，系統(tǒng)時鐘SysTick初始化，GPIO初始化，定時器配置，嵌套向量中斷控制器（NVIC）配置，LCD的初始化，PWM初始化，ADC初始化等工作。對模擬通道直流偏移電壓進行測量，然后對全局變量和PID參數(shù)進行初始化。等待HALL信號，判斷其是否有效，有效電機啟動，無效時，HALL沒有超時則繼續(xù)等待，超時則報電機故障。通過電子換相線路去驅動與電樞繞組連接的相應的功率開關器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產生跳躍式的旋轉磁場，驅動永磁轉子旋轉。HALL中斷函數(shù)中首先要檢查HALL信號標志，然后讀取其狀態(tài)信息?，F(xiàn)在運行轉速與設定轉速比較，繼續(xù)進行調節(jié)，直至轉速與設定轉速相同。重要的是STM32的TIM1高級定時器能夠產生具有可編程死區(qū)時間的PWM脈寬波形。在PWM模式1，當TIM1_CNT小于PWM脈寬裝載值時，TIM1的參考信號OCxREF為高，否則為低。為減少單片機的運算這里采用P