电动车控制器的开发开题报告.docx

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电动车控制器的开发开题报告

重庆科技学院

毕业设计（论文）开题报告

题目电动车控制器的开发

院（系）电气与信息工程学院

专业班级自动化2011-04

学生姓名周严学号2011441720

指导教师王华斌

2015年3月8日

开题报告填写要求

1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作开始后2周内完成，经指导教师签署意见及教研室审查后生效。

2.开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网址上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。

3.学生查阅资料的参考文献理工类不得少于10篇，其它不少于12篇（不包括辞典、手册）。

4.“本课题的目的及意义，国内外研究现状分析”至少1000字，其余内容至少1000字。

毕业设计（论文）开题报告

1.本课题的目的及意义，国内外研究现状分析

1）本课题的目的及意义

随着现代社会的不断进步，环境和能源的问题越来越受到人们的重视。

由于燃油车辆废气造成的环境、噪声、空气污染以及石油资源的危机，无污染、能源多样化配置的新型交通工具广泛引起了人们的关注，同时也得到了很大的发展，电动自行车便是其中之一。

并且人们对环境和能源的新认知以及相关重要技术的革新，有力的促进了电动自行车的发展。

我国电动车的研究相对欧美国家起步比较晚。

直到上个世纪90年代中期，我国才掀起开发研究的高潮，主要集中在上海、北京、广东等地，到90年代后期基本覆盖全国主要经济发达地区如江苏、浙江、山东等省。

虽然我国电动车研究起步晚，但从技术的角度，我们并未落后于世界。

我国电动自行车产业基本保持与世界同步发展。

电动自行车作为一种新型代步工具，具有时尚、节能、方便等特点，是真正的绿色代步工具，它无排放，无噪音的特点正是在现如今已拥有五花八门的交通工具还能有一定的市场优势所在。

并且电动自行车的体积适中，重量也较轻，是那些暂无资金购买汽车的工薪阶层一个不错的选择。

其优点归纳地说就是：

节能环保，结构简单，价格合理，驱动方式灵活。

2）国外研究现状分析

现有电动车大致可以分为以下几个主要部分：

蓄电池、电池管理、充电系统、驱动系统、整车管理系统及车体等。

驱动系统为电动车提供所需的动力，负责将电能转换成机械能。

无论何种类型电动车的驱动系统，均具有基本相同的结构，都可以分成能源供给子系统、电气驱动子系统、机械传动子系统三部分，其中电气驱动子系统是电动车的心脏，主要包括电动机、功率电子元器件及控制部分，而控制部分及时电动车的控制器又是最关键的部分。

电机及其传动技术是电动自行车的心脏，其性能、质量、成本、可靠性等对电动自行车整车影响很大。

目前国内外电动自行车制造厂家选用的传动技术有摩带式传动、中置式传动、侧挂式传动、轮毂式传动。

目前我国电动自行车所使用的电机一般为直流电机，它具有体积小，效率高，调速性能优良等特点；而电机的结构一般以轮毂式居多。

传统的直流电机内部有碳刷和换向器，故称之为有刷直流电机。

它应用技术成熟，高速范围宽，构成的控制系统简单，成本相对较低，过载能点强，因为通过机械换向，故不需要位置传感器。

无刷直流电机内部没有电刷（碳刷）和换向器，其转子一般由永磁体构成，这样构成的永磁无刷直流电机因其转子没有励磁损耗，效率较高，得到了广泛的应用。

由于永磁无刷直流电机通过电子换相取代机械换相，从根本上消除了机械换相带来的机械磨损等不良影响，因而大大地提高了电机运行的可靠性和效率。

但是无刷直流电机的换相需要控制器根据反馈过来的电机转子的位置信息给出正确的控制信号，所以控制系统相对较为复杂，成本稍高。

随着永磁无刷直流电机的性价比不断提高，其应用将日趋广泛。

根据有无位置传感器，无刷直流电机又可分为有位置传感器无刷直流电机和无位置传感器无刷直流电机。

有位置传感器无刷直流电机所使用的位置传感器主要有光电传感器和霍尔传感器两种，其中以霍尔传感器应用较多。

位置传感器的存在客观上增加了电机的体积和成本，同时给电动自行车增加了一个故障源，在应用上带来了很多的不足与不便。

针对位置传感器的不利因素，近一二十年来出现了无位置传感器的无刷直流电机，并越来越得到人们的重视和研究，相继出现了很多种电机转子位置信号检测的方法，其中较为成熟的有：

反电动势法、续流二极管法、电感法和状态观测器法等；其中以反电动势法应用较多。

控制器是电动自行车的大脑，其主要作用是控制电机转速、提高电机效率以及在一定的情况下保护电机和电池。

无刷直流电机的控制器目前有三大类:

一是采用专用集成电路制作的控制器；一是采用通用单片机制作；一是采用专用数字信号处理器（DSP）制作。

无刷直流电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及命短等弊病，所以以无刷直流电机作为电动马达的电动自行车产品逐渐受到消费者的青睐。

本设计是以STM32单片机为主控制芯片，设计一款无刷直流电机控制器。

在我国有将近6亿人以自行车代步，自行车市场非常大。

随着我国城市规模的迅速扩大及农村道路的日益改善，长期依靠脚踏自行车的人们将会把目标转向电动自行车，对电动自行车的需求也会越来越大。

据统计，1998年我国电动自行车的产量仅为5.5千万辆，之后每年以70%~300%的速度增长，差不多每年增加一倍。

具锂辉电池市场部调查报告显示，截至到2013年5月全国电动自行车保有量已突破1.5亿辆。

而产量方面，去年我国电动自行车的年产量为3500万辆，高居世界首位在电气技术、电力电子技术、新材料、控制技术等不断发展的情况下，在电池性能不断提高的情况下，可以预见，未来十年二十年，电动自行车市场份额仍将以较高的速度增长。

毕业设计（论文）开题报告

2.本课题的任务、重点内容、实现途径

1）本课题的任务要求

（1）推导永磁无刷直流电动机的主要公式，建立其数学模型，根据其调速原理确定系统的控制策略及控制器芯片等

（2）以STM公司32位单片机为核心，结合IR公司驱动芯片IR2130、功率开关管IRF2807，进行了系统硬件电路的设计

（3）正确的绘制控制器的原理图，PCB图，完成材料表的制作。

编写STM32的单片机软件，实现无刷直流电机的正常运转。

（4）纸质文档和电子文档齐全，格式符合相关的工程技术标准和毕业设计规范。

2）本课题重点内容、实现途径

电动自行车最早是采用有刷直流电动机作为驱动电动机。

在电子元器件和电子技术取得突破性进展之后，最有发展前途的还是无刷直流电动机。

本设计提出了基于STM32芯片的电动自行车用无刷直流电动机的数字控制器研究与开发方案。

利用STM32单片机处理器开发的系统升级容易、扩展性、可维护性好；能够满足那些对系统性能和精度要求较高的场合，实现了简化系统结构、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的目标。

主要内容如下：

（1）学习电动自行车的组成，无刷直流电机的工作原理

（2）系统的学习STM32单片机的硬件与指令；电路设计软件PROTEL99SE。

（3）绘制电机控制器的原理图，PCB图，材料表的制作；完成相关软件的编写，调试和试验

（4）撰写说明书、毕业论文及其相关文档

（a）无刷直流电机工作原理

永磁无刷直流电机一般由电动机本体（包括定子和转子）、位置传感器以及电子换相线路三大部分组成。

电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成。

其工作原理就是：

利用电机转子位置传感器输出信号控制电子换相线路去驱动逆变器的功率开关器件，使电枢绕组依次馈电，从而在定子上产生跳跃式旋转磁场，驱动永磁转子旋转。

BLDCM工作原理框图

BLDCM具体控制框图（三相绕组星型连接）

定子三相绕组是相差120°对称分布的，其中6个功率管的开关有控制电路根据转子位置来决定。

下图中，Fa为电枢绕组在空间合成的磁势，及定子磁场；Ff为转子磁场。

当转子处于图（a）所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，控制系统通过逻辑变换后，输出控制信号使A、B两相绕组通电，A进B出，电枢绕组在空间合成磁势Fa，定转子磁场相互作用，拖动电机转子顺时针方向转动;当转过60°电度角后，电机转子转到图（b）所示位置，再使A、C相绕组导通，A进C出，定子磁场为Fa，转子继续在定转子磁场的相互作用下顺时针旋转；以此类推，当导通顺序为AB→AC→BC→BA→CA

→CB→AB时，在电动机定转子磁场的作用下，电机顺时针方向旋转。

（a）A相流进B相流出定子磁场Fa（b）A相流进C相流出定子磁场

个转子磁场Ff空间位置图Fa和转子磁场Ff空间位置图

（b）整体框架的设计

基于STM32芯片的电动自行车无刷直流电动机的控制器要求具有显示功能、电机调速功能、启停控制功能、指示灯指示功能和过流保护功能，还有对120°霍尔位置传感器的安装位置，系统总体控制框图如下图。

系统由人机接口、STM32控制核心、电机驱动三大部分组成。

BLDCM控制器系统框图

4.预计可能遇到的困难，提出解决问题的方法和措施

1）预计可能遇到的困难

（1）硬件、软件的学习

在做设计前时，必须要对STM32单片机、电路设计软件PROTEL99SE等进行认识与学习。

因为之前对STM32单片机、电路设计软件PROTEL99SE没有学过，要从最基础学起，学习它们的运用方法、使用方法及其指令的认识，因此，任务有点巨大，难度较高。

（2）调试阶段

这是在设计中最重要的也是最关键的一个环节，由于以前的调试经验很少，如何调试使得整机调试后能够达到设计的要求也是非常困难的。

2）解决问题的方法和措施

（1）在对STM32单片机、电路设计软件PROTEL99SE的学习中，首先从图书馆查找相关资料，对这些这些软硬件的工作原理、使用方法进行了解，并通过网上查找与之相关的质料进行了解，最后实在不懂的去请教老师，听从老师的见解。

（2）调试阶段，需要先分别进行硬件调试和软件调试，再联机调试。

硬件调试：

先静态调试，检测电路板电气原理和线路的准确性，并核对元器件的型号、规格和安装符不符合要求，在加电后检查各插件引脚的电位、通讯接口等，然后再联机调试；软件调试：

在调试某一个内容时，将系统初始化修改成只激活该内容，即只允许与该内容有关的中断。

这样，系统中只有一个任务运行，对于发生的错误就容易定位和排除。

然后，可在程序中设置断点，并用断点方式运行程序，以便找出程序中的问题在出在哪里。

其他的内容也采用同样的方法调试，直至排除所有的错误为止；硬件和软件调试过后再整机调试。

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5.完成本课题所需工作条件（如工具书、计算机、实验、调研等）及解决办法

1）工作条件

（1）工具书

STM32单片机相关资料、书籍。

无刷直流电机控制器相关资料、书籍。

电动自行车相关资料、书籍。

电路设计软件PROTEL99SE软件指导书籍、资料。

（2）软件

C语言编程软件。

电路设计软件PROTEL99SE软件。

（3）硬件

计算机

STM32单片机