基于单片机的电动车控制系统设计.docx
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基于单片机的电动车控制系统设计
毕业设计
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基于单片机的电动车控制系统设计
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摘要I
AbstractII
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第1章绪论
1.1课题的研究背景
汽车是现代社会的重要交通工具，为人们提供了便捷、舒适的出行服务，然而传统燃油车辆在使用过程中产生了大量的有害废气，并加剧了对不可再生石油资源的依赖。
在能源方面，目前世界汽车保有量约8亿辆，并以每年3000万辆的速度递增，预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆，主要增幅来自发展中国家。
我国汽车产销保持快速增长，2007年汽车产量接近900万辆。
作为能源消费大国，我国形势更为严峻，2007年中国原油消费总量约为3.5亿吨，其中净进口原油1.6亿吨，占原油消费总量的45.7%，能源大量进口危及到国民经济正常运行和国家能源安全。
在环境方面，交通能源消耗也是造成局部环境污染和全球温室气体排放的主要原因之一。
调查研究表明，平均而言大气污染的42%来源于交通运输。
据有关部门2002年统计，在全国600多座城市中，空气质量达到国家一级标准的城市不足1%。
汽车排出的气体使温室效应加剧、臭氧层破坏和形成酸雨等大气环境问题，并对人类和动植物产生危害，严重威胁着人类的身体健康[1]。
由于电动汽车具有突出的环保方面的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。
电动汽车使用的能源是可以用于发电的一切能源。
因此使用电动汽车可以摆脱汽车对化石燃料的依赖，改善能源结构，使能源供给多样化，使能源的供给有保障。
1.2电动汽车发展的必要性
电动汽车具有舒适干净、噪声低、不污染环境、操作简单可靠及使用费用低等优点，被称为绿色汽车。
电动汽车技术则提供了对大气污染问题的一种解决方法，它不产生尾气排放，运行时几乎不产生污染，是一种真正意义上的零污染汽车。
从汽车发展的历史来看电动汽车其实比燃油汽车还要早诞生几年，但受电池和驱动控制技术的局限,其发展却远远落后于燃油汽车。
电动汽车是以电池为动力的汽车，与燃油汽车有显著的区别。
汽车虽给国民经济带来了发展给人类带来了方便，但也给人类带来了巨大的灾害，42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放，80%的城市噪声是由交通工具产生的，当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽车是消耗石油的大户！
因而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。
1.3电动汽车的基本机构
1.3.1电动汽车的工作原理与技术概述
电动汽车的组成包括电力驱动及控制系统、驱动力传动等机械系统、完成既定任务的工作装置等。
电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。
电力驱动及控制系统由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成。
电动汽车的其他装置基本与内燃机汽车相同[2]。
蓄电池—电流—电力调节器—电动机—动力传动系统—驱动汽车行驶
电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。
它使用存储在电池中的电来发动。
在驱动汽车时有时使用12或24块电池，有时则需要更多。
蓄电池供电给，照明系统，测量系统，驱动系统。
电动车技术特点：
●无污染，噪声低。
●能源效率高，多样化。
●结构简单，使用维修方便。
●动力电源使用成本高，续驶里程短。
1.3.2电动汽车的基本结构
1、电源
电源为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。
目前，电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，但随着电动汽车技术的发展，许多新型电池也在发展中。
这些电源（电池）主要有钠硫电池、镍铬电池、锂电池、燃料电池、飞轮电池等，新型电源的应用，为电动汽车的发展开辟了广阔的前景。
2、驱动电动机
驱动电动机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。
目前电动汽车上广泛采用直流串激电动机，这种电机具有“软”的机械特性，与汽车的行驶特性非常相符。
但直流电动机由于存在换向火花，比功率较小、效率较低，维护保养工作量大，随着电机技术和电机控制技术的发展，势必逐渐被直流无刷电动机（BLDCM）、开关磁阻电动机和交流异步电动机所取代。
3、电动机调速控制装置
电动机调速控制装置是为电动汽车的变速和方向变换等设置的，其作用是控制电动机的电压或电流，完成电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。
早期的电动汽车上，直流电动机的调速采用串接电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。
因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。
目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过均匀地改变电动机的端电压，控制电动机的电流，来实现电动机的无级调速。
在电子电力技术的不断发展中，它也逐渐被其他电力晶体管（如GTO、MOSFET、BTR及IGBT等）斩波调速装置所取代。
从技术的发展来看，伴随着新型驱动电机的应用，电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用，将成为必然的趋势。
在驱动电动机的旋向变换控制中，直流电动机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向，实现电动机的旋向变换，这使得电路复杂、可靠性降低。
当采用交流异步电动机驱动时，电动机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可，可使控制电路简化。
此外，采用交流电动机及其变频调速控制技术，使电动汽车的制动能量回收控制更加方便，控制电路更加简单。
4、传动装置
电动汽车传动装置的作用是将电动机的驱动转矩传给汽车的驱动轴，当采用电动轮驱动时，传动装置的多数部件常常可以忽略。
因为电动机可以带负载启动，所以电动汽车上无需传统内燃机汽车的离合器。
因为驱动电机的旋向可以通过电路控制实现变换，所以电动汽车无需内燃机汽车变速器中的倒档。
当采用电动机无级调速控制时，电动汽车可以忽略传统汽车的变速器。
在采用电动轮驱动时，电动汽车也可以省略传统内燃机汽车传动系统的差速器。
5、转向装置
专项装置是为实现汽车的转弯而设置的，由转向机、方向盘、转向机构和转向轮等组成。
作用在方向盘上的控制力，通过转向机和转向机构使转向轮偏转一定的角度，实现汽车的转向。
多数电动汽车为前轮转向，工业中用的电动叉车常常采用后轮转向。
电动汽车的转向装置有机械转向、液压转向和液压助力转向等类型。
6、制动装置
电动汽车的制动装置同其他汽车一样，是为汽车减速或停车而设置的，通常由制动器及其操纵装置组成。
在电动汽车上，一般还有电磁制动装置，它可以利用驱动电动机的控制电路实现电动机的发电运行，使减速制动时的能量转换成对蓄电池充电的电流，从而得到再生利用。
7、行驶装置
行驶装置的作用是将电动机的驱动力矩通过车轮变成对地面的作用力，驱动车轮行走。
它同其他汽车的构成是相同的，由车轮、轮胎和悬架等组成。
8、工作装置
工作装置是工业用电动汽车为完成作业要求而专门设置的，如电动叉车的起升装置、门架、货叉等。
货叉的起升和门架的倾斜通常由电动机驱动的液压系统完成[2]。
电动汽车的技术内容包括：
●驱动电池技术：
镍氢电池，镍镉电池，铅酸电池，钠硫电池，锂离子电池、燃料电池等，应具有比功率和比能量高，能满足动力性和续驶里程的要求：
充电时间短、充电动循环多，以方便使用和保证寿命。
●电机技术：
主要有四种电机：
直流电机、永磁电机、开关磁阻电机、交流感应电机。
要求重量轻、效率高、可靠性好。
●驱动系统控制与集成技术：
多采用单片机和功率器件配合作为控制系统，功率器件主要使用IGBT（绝缘栅双极晶体管）。
●电池监视与管理系统技术。
●充电系统技术。
●电动汽车整车布置及匹配技术。
第2章基于单片机的系统控制策略研究
2.1控制系统的整体构成
在其它硬件条件相同的情况下，控制系统决定着电动车的性能，相当于系统的神经中枢发出控制命令及处理各种异常情况。
它的作用如下[3]。
1、提高电机和蓄电池的效率，节省能源。
2、保护电机及蓄电池。
3、降低电动车在受到破坏时的损伤程度。
4、保障使用者和他人的人身安全。
本文设计的电动汽车控制系统主要由以下几部分组成：
以单片机为核心的主控电路；以IR2131S为核心的驱动电路；功率逆变电路；位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围辅助电路。
控制电路的主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护；驱动电路的主要功能是利用IR2131S的自举技术驱动功率MOSFET管控制电机电流；而外围辅助电路主要完成信号的采样、对电路的供电、发出报警信号等功能。
系统原理框图如图2-1所示。
转速给定
图2-1系统原理框图
直流电源通过MOSFET构成的逆变桥向BLDCM供电，单片机在新的采样周期到来时，先判断系统的状态，如是静止状态则用软件开环起动，当达到一定速度后再切换到常规换相运行状态。
“软启”的电控方案解决了零状态起步耗电大的问题，大幅度地提高了一次充电的续行里程。
常规的换相运行是直接根据位置传感器传来的信号进行换相控制，同时将电机速度反馈信号和手把给定的速度信号相减，得出偏差，经过控制算法得出控制量。
再把控制量以PWM的形式输出给驱动电路，由驱动电路调节逆变器的输出电压，就调节了电机的电流大小，从而调节电磁转矩；当电磁转矩和负载转矩平衡时，系统的速度便达到了给定。
2.2系统主要控制策略概述
2.2.1位置及电流检测信号处理单元
在对无刷直流电机的控制中，磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。
方波电流驱动无刷直流电机是借助于位置检测信号控制逆变器换流以达到在电机定子线圈中通以互差120°的方波电流才能正常运行[4]。
本系统采用霍尔元件式位置传感器来检测电机的位置信号。
该传感器是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。
当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。
对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔120°电角度，永磁体的极弧宽为180°电角度。
这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽为180°电角度、相位互差120°电角的矩形波信号。
这三路信号经过一定的整形措施后被送到单片机的数字I/0口，以确定相位信息。
霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、工作可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。
因此，在对性能和环境要求不是很高的稀土永磁无刷直流电动机应用场合，大量使用霍尔元件式位置传感器[5]。
电流检测是系统电流环控制的重要环节，对于电流检测有两种方案:
1、采用电流检测模块。
现在电流检测模块种类很多，以霍尔器件为主，反应很灵敏；但是，对于直流无刷机的控制特点，至少需要检测两相电流，需要两组传感器，这样就使成本提高了。
2、采用一个分流电阻间接测流。
在直流侧接相应阻值和瓦数的分流电阻，通过测量电阻上的电压，来测量直流回路的电流；然后检测三相绕组的相电压以确定采样的直流侧电流是哪一相的电流值。
这种方案对于A/D转换的精度和软件数据处理有一定要求，但是造价很低，本系统采用第2套方案。
2.2.2速度调节及检测方案
本车采用的无刷直流电动机可以通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。
改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。
本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制（PWM）来控制电动机电枢电压，实现调速。
图2-2是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。
当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us,t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0,t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程[14]。
图2-2输入输出电压波形
电动机电枢绕组两端的电压平均值
为：
（2-1）
式中占空比α表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，α变化范围为0～1之间。
所以当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比的大小，改变α值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。
本系统利用AVR单片机的PWM口，通过软件编程改变占空比的大小控制电机调速。
最简单的调速系统为开环调速系统，但它的调速精度太低，不适用于电动车的调速系统。
为了保证调速精度，本系统采用图2-3的电流、速度双闭环控制方案。
这种控制方式把速度调节器作为主调节器，电流调节器作为辅助调节器。
速度给n*与速度反馈nf送给速度调节器（SR），速度调节器的输出作为电流信号的参考值iref，与电流信号的反馈值if一起送至电流调节器（CR），电流调节器的输出为电压参考值U*。
与给定载波比较后，形成PWM调制波，控制逆变器的实际输出电压。
图2-3无刷直流电机速度、电流双闭环控制
双闭环调速的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电机的转矩和电流。
这样做的好处在于可以根据给定速度与实际速度的差额及时控制电机的转矩，在速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值，在转速接近给定值时，又能使转矩自动减小，这样可避免过大的超调，以利于调速过程的快速性。
本系统电流调节器用PI调节器，速度调节器为改进的PI调节器。
数字PI控制是普遍采用的一种过程控制算法，P是指比例项（Proportional），
是指积分项（Integral），基本的PI控制算法有位置型和增量型两种。
位置型PI算法的表达式是：
（2-2）
其中
是输入，
起控制作用，
为比例系数，
为积分时间常数。
增量型算法表达式是：
（2-3）
其中
。
它们两者在本质上是一样的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的优点：
1、控制器只输出增量，所以由误动作造成的影响比较小。
2、手动一自动切换的冲击小。
3、式中不需要累加，增量只与最近的两次采样有关，容易获得较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时产生饱和的危险。
所以，本系统电流调节器采用增量式PI控制。
其中采样周期的选取要考虑以下三个因素：
1、采样过程对保真度的影响，根据香农（Shannon）采样定理，采用频率至少为低通信号频谱最高频率的2倍。
2、采样周期的大小和控制器的性能要求的影响，采样频率的提高必然要求控制器有足够快的运算速度，以满足在两次采样数据之间完成必须的处理计算。
3、采样周期和主电路的功率器件的承受能力有关，高的采样频率必然要求高的PWM频率，一方面，PWM频率越高，输出波形越理想，但另一方面，功率器件消耗的功率也越高，引起发热、散热的问题，另外，高的PWM频率可能使电磁辐射更加严重。
综上各因素，考虑到使PWM频率在人耳敏感的频率范围（300Hz～4kHz）外，在本系统中，电流环采样频率定为5kHz，就基本达到了预期效果。
对于速度环的控制本系统根据AVR单片机逻辑判断能力强、编程灵活的特点采用改进的PI算法一积分分离PI算法来实现。
该算法的表达式为：
（2-4）
积分分离算法要设置积分分离阀
时，采用PI控制，可保证系统的控制精度；当
时，也即偏差较大时，采用PI控制可使超调量大为降低。
还有一种神经元自适应PI算法也是近些年来应用较多的控制算法，其表达式为：
（2-5）
为对应与
的加权系数，K（>0）为神经元比例系数。
该控制器是通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能的，加权系数的调整采用有监督的Hebb学习规则。
电机的转速是双闭环系统的一个重要反馈量，如果安装测速器来解决这个问题无疑会增加系统的硬件投资和整个系统的体积。
所以在本系统中将利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速。
经过上拉、滤波后的脉冲信号如图2-4所示。
它们是脉宽为180度，相位上互差120度的方波信号。
对其中的任一位置传感器而言，电动机每转能产生P个方波脉冲，P为电动机的极对数，显然这种方波脉冲的频率是正比于电机转速的。
图2-4三相位置信号
2.2.3起动与换相控制方案
无刷直流电机的反电动势大小和电机的转速成正比，在电机静止时电动势为零，没有换相信号，电机不能自起动。
有些文献提出了一些附加电路来控制起动的方案。
这样就增加了系统成本且使系统复杂化。
而本文基于AVR单片机的起动控制策略无需附加任何电路，由软件程序控制正常起动，体现“硬件软化”的设计思想。
软起动控制策略为：
先由程序控制给任意两相定子绕组通电而另一相关断，则电机定子合成磁势轴线在空间有一确定方向，把转子磁极拖到与其重合的位置，经过一段时间即可确定转子的初始位置。
然后按照电机旋转方向的换相顺序由程序控制给相应绕组馈电，使电机起动。
期间不进行位置检测，换相时间间隔由软件延时控制，且该时间间隔不变，程序控制PWM波占空比逐渐增大以提高电压，因此这是一种恒频升压的起动方式。
开环起动过程持续一个换相周期后，电机己经具有一定的速度，可以通过位置传感器检测到转子的位置，此时就跳出开环起动过程，进入由位置检测信号控制电机换相的自控式运行状态。
首先找出三个转子位置传感器信号H1，H2,H3的状态与六只功率管导通之间的关系，以表格形式存放在单片机的EEPROM中，如表2-1所示。
这样单片机只需根据来自位置信号输入口的状态，查表即可决定下个时刻管子的导通顺序，从而控制电机的换相。
表2-1换相表
H1
H2
H3
导通的管子
1
0
1
V1.V2
1
0
0
V2.V3
1
1
0
V3.V4
0
1
0
V4.V5
0
1
1
V5.V6
0
0
1
V6.V1
0
0
0
电机静止，无导通管
1
1
1
出错
2.2.4蓄电池检测方案
电动汽车使用过程中实时监测蓄电池的容量情况将给用户带来很大的方便，它能提供蓄电池的电能大约能够使车辆行驶多少里程，蓄电池是否需要充电等信息。
蓄电池的总容量通常以充足电后，放电至其端电压达到规定值时所释放出的总电量来表示。
当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量等于放电电流和放电时间的乘积：
Q=IdTd（2-6）
式中Q的单位为（A·h）。
如果放电电流不是一个恒定的常数，蓄电池的容量为不同的放电电流与相应时间的乘积之和：
Q=Id1Td1+Id2Td2+IdnTdn（2-7）
由于蓄电池的容量受到很多因素的影响，长时间的使用，反复的充放电，一些蓄电池的容量将逐渐减小，因此要准确测量蓄电池的容量比较困难。
本方案利用蓄电池端电压与容量之间的关系，通过测量蓄电池的端电压来监测蓄电池的容量。
蓄电池的电势是指蓄电池在开路时的端电压，由于蓄电池内阻r的存在，当蓄电池两端接上负载R时，内阻上就会产生压降，此时蓄电池的端电压不是电势E，而是：
U=E-Ir（2-8）
而蓄电池的内阻与蓄电池的容量成反比，在充电过程中，内阻逐渐减小，在放电过程中增加，通过实验的办法可测出蓄电池的容量与端电压的关系，并建立表格存于单片机的EEPROM中。
实际运行中，就可利用软件让单片机对蓄电池端电压U进行测量、处理再和EEPROM中的数据进行比较得出容量的信息。
这样的实时监测系统对蓄电池的保护、延长使用寿命有重要的意义。
2.2.5驱动、逆变电路控制方案
驱动、逆变电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。
功率场效应晶体管具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用。
在本控制系统中就采用了MOSFET组成逆变器的变换电路。
由于半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独立，必须对三相电流分别控制。
而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外一相电流也得到了控制。
因此本方案采用全桥逆变电路来控制各相位的导通[6]。
逆变器的驱动形式主要有三种：
双极性PWM、单极性PWM和倍频PWM。
双极性PWM控制模式下，逆变器在任意时刻每一相桥臂中的上管与下管均处于PWM调制状态，上下管开关状态同步互补。
为了避免在开关过程中桥臂出现直通短路，同一桥臂上下管切换期间需要嵌入死区
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