電動車控制系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性研究(2015年10月)

1、南京理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文開題報告姓 名： 甄文奇 學(xué) 號： 114110000906 學(xué) 科： 電力系統(tǒng)及其自動化 所在院系： 自動化學(xué)院 指導(dǎo)教師： 孫瑜 2016 年 1月 5日填一、擬選定學(xué)位論文的題目名稱 電動車控制系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性研究2、 選題的科學(xué)意義和應(yīng)用前景隨著社會的不斷發(fā)展和人們生活的不斷改善，人們對自己的出行和生活的質(zhì)量要求越來越高，電動車作為一種綠色交通工具，不僅環(huán)保、而且清潔無污染，正在越來越受到廣大人群的追捧和青睞。電動車具有環(huán)保功效，而且價格低廉，使用便捷，這些優(yōu)勢使電動車非常具有發(fā)展?jié)摿Γ⒋偈钩鞘兄械褪杖肴巳浩珢垭妱榆囘@一代步工具。然而在我國電動車由于經(jīng)

2、濟(jì)發(fā)展的因素，在使用和開發(fā)方面起步稍晚一些，但是速度比較快，并且在上世紀(jì)九十年代中期已經(jīng)有少量投入到市場。進(jìn)入新千年，特別是近年來無論是生產(chǎn)還是銷售，一直呈逐年大幅增長的勢頭。由于我國經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，消費與經(jīng)濟(jì)水平呈正比關(guān)系，因此表現(xiàn)出來的就是內(nèi)需消費市場不斷增長。我們知道電動自行車具有體小輕便、占有空間小、便捷等特點，有助于我們節(jié)約消耗能源。從發(fā)展趨勢上看，電動車行業(yè)將會發(fā)展迅速而且市場占有率將會不斷提升。電動車作為一種節(jié)能交通工具，非常適宜短途出行，比如對于農(nóng)村老百姓，他們趕集市買東西就會非常青睞電動車，而且隨著農(nóng)民生活水平的不斷改善，人們有能力支付電動車這一耐用實惠的便捷交通工具，所以

3、可以想象電動車的市場還會進(jìn)一步擴(kuò)大，而且會越來越受歡迎。當(dāng)今經(jīng)濟(jì)發(fā)展的助推力就是能源，特別是我國經(jīng)濟(jì)正快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)巨大的轉(zhuǎn)型期，必須能夠找到一條可持續(xù)發(fā)展的道路。同時不能忽視環(huán)境對我們生活的影響，需要提高生活水平且能夠改善生存環(huán)境的呼聲越來越高。我們知道現(xiàn)在的大多數(shù)交通工具都是使用不可再生能源，比如石油和煤等，這些資源在我們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著巨大作用，但是這些能源總有枯竭的一天，而且這些能源在消耗的同時還帶來大量工業(yè)污染和大氣污染，破壞了自然環(huán)境，影響了我們發(fā)展的步伐，給我們造成大量損失。所以從科學(xué)發(fā)展的角度出，為了我們的經(jīng)濟(jì)社會不斷向前進(jìn)步，解決能源危機(jī)和生態(tài)環(huán)境危機(jī)成為世界各國的目標(biāo)，

4、為了適應(yīng)這個發(fā)展趨勢，世界各國和各大企業(yè)正在加大對電動車開發(fā)的投資力度，進(jìn)而促進(jìn)電動車技術(shù)的發(fā)展，加快電動車的商品化步伐，間接促使電動車成為一個切入口，讓人們認(rèn)識到技術(shù)的進(jìn)步可以減小對不可再生能源的依賴，減小對生態(tài)環(huán)境的破壞，還世界一個和諧而充滿生機(jī)的環(huán)境。電動車控制系統(tǒng)是電動車賴以工作的核心部件，一個好的控制系統(tǒng)既可以保證電動車的穩(wěn)定運行，又能解決各種突發(fā)狀況。電動車控制系統(tǒng)肩負(fù)著電動車的調(diào)速功能，保證無刷直流電機(jī)的無極調(diào)速，又能保證在負(fù)載增加時適時增加電動車電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。一款好的電動車控制系統(tǒng)是必須的。保證電動車控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，使電動車可靠穩(wěn)定運行是必要的?，F(xiàn)在我們已經(jīng)初步設(shè)計

5、出一款電動車控制系統(tǒng)，但其在運行時，可靠性與穩(wěn)定性都不好，當(dāng)遇到上坡或者負(fù)重增加時，電流過大，燒壞控制系統(tǒng)。當(dāng)控制系統(tǒng)接線短路或控制器內(nèi)部短路時出現(xiàn)過電壓時也會擊穿控制器元件，這就對控制系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性產(chǎn)生了影響，我們要做的就是在已有的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上做些改進(jìn)措施，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。三.背景科研項目情況簡介本學(xué)位論文是一電動車標(biāo)桿控制器的研發(fā)為背景的，設(shè)計一款高可靠性低成本的電動車控制器。控制器基本功能目標(biāo)：（1） 可以在日常生活環(huán)境中安全穩(wěn)定可靠的騎行（2） 采用能量回饋技術(shù)，使電動車的行駛里程增加10%-15%（3） 最優(yōu)加減速曲線，使用戶獲得最舒適的騎行體驗（4） 在電機(jī)能支

6、持極限下，使電動車可以穩(wěn)定的速度在崎嶇路上前行四.學(xué)位論文主要研究內(nèi)容本論文主要包括以下幾個方面的研究內(nèi)容：1.瞬時過流保護(hù)當(dāng)電動車處于上坡時，或電動車負(fù)載過重時電流會急劇增加，導(dǎo)致控制系統(tǒng)的元件發(fā)熱增加，從而燒毀控制系統(tǒng)，我們要對電流進(jìn)行控制，使電動車在負(fù)載增加時保持電流在合適范圍內(nèi)。2.能量回饋所謂能量回饋是根據(jù)電機(jī)的可逆性,在電動汽車制動時使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài),從而將制動的動能轉(zhuǎn)換為電能并回收到車載儲能裝置中進(jìn)行再利用的技術(shù)。在城市交通中,應(yīng)用了能量回饋技術(shù)的電動汽車可以將減速或剎車時的慣性能進(jìn)行回收利用,從而提高行駛里程;在丘陵和山區(qū)中,應(yīng)用了能量回饋技術(shù)電動汽車可以將下坡時回收的能量作

7、為輔助能源應(yīng)用在上坡中,從而提高整車的運行效率和爬坡能力,除此之外,可以減少機(jī)械剎車磨損,降低車輛傾翻、側(cè)翻等事故的發(fā)生率。相關(guān)研究表明,在存在較頻繁的制動與電動的城市工況運行條件下,有效地回收制動能量,可使電動汽車的行駛里程延長 10%到 30%,因此對電動車能量回饋技術(shù)的研究具有重要的理論意義和實際意義。3.最優(yōu)的電動車加減速曲線為了保持電動車騎行時的舒適性，以及由于疏忽突然把電動車剎把信號放到最大，由于電動車速度的突變，可能會發(fā)生不可預(yù)料的危險。為了降低危險性和提高舒適性，電機(jī)啟動會有一條最優(yōu)的加速減速曲線，我們的目的就是要通過數(shù)據(jù)的采集和調(diào)查，仿真獲得一條這樣的最優(yōu)加減速曲線，使電動車

8、在加速減速過程中都能以這條曲線為原則，從而獲得最佳的騎行體驗。三、背景科研項目情況簡介 本學(xué)位論文是以電動車控制器研發(fā)為背景的。電動車控制器采用單片機(jī)STM8S903為核心芯片，其控制核心還是無刷直流電機(jī)的控制。而無刷直流電機(jī)的控制涉及到電機(jī)的啟動、位置信號、電流和轉(zhuǎn)速信號的采集；控制部分則有PID控制、PWM控制、電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的控制。雖然現(xiàn)在電機(jī)的控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是仍然存在著很多的問題，比如很常見的一個問題就是驅(qū)動橋的MOS管發(fā)熱比較厲害，這是制約控制器壽命的一個重要因素，還有就是轉(zhuǎn)矩脈動，由于轉(zhuǎn)矩脈動的存在，使得電機(jī)運行不平穩(wěn)，損耗增大，就這個問題，許多科研單位都展開了深入的研究

9、，也取得了有效的成果，但是這依然值得進(jìn)一步去研究。該項目中電機(jī)部分研究的內(nèi)容主要有以下幾個方面：無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)，弄清無刷直流電機(jī)的內(nèi)部構(gòu)造，同以往的有刷直流電機(jī)區(qū)別開來。無刷直流電機(jī)的工作原理，這一步對于后面電機(jī)的控制非常重要，細(xì)致的了解了其工作原理，才能更好得做好控制這部分內(nèi)容。無刷直流電機(jī)的控制，控制它的啟動、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，如何才能提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。控制電路中MOS管的發(fā)熱問題，弄清楚MOS管發(fā)熱的原因，通過電路的改進(jìn)來減小這個問題。5、 開題條件1.學(xué)術(shù)條件 （1）要具備充足的電機(jī)知識，這可以通過上網(wǎng)、借閱書籍了解這方面的知識；還有就是電路知識的積累，主要是數(shù)電模

10、電的知識，這方面的知識是控制系統(tǒng)原理圖和PCB設(shè)計的前提。 （2）老師的指導(dǎo)和同學(xué)的合作也是非常重要的，它們可以提供一些很重要的觀點和建議。 （3）項目委托方的要求給論文提出了方向，另外相關(guān)人員可以提供電機(jī)方面的經(jīng)驗，這對于電機(jī)的控制也非常重要。2.設(shè)備條件 （1）電動車一輛 （2）示波器一臺、萬用表一個 （3）萬用板、各類元器件、電烙鐵、焊錫絲、松香等若干 （4）用于編程調(diào)試，原理圖、PCB設(shè)計用電腦一臺 （5）軟件keil、Altium Designer預(yù)期解決的主要問題1、無刷直流電機(jī)半橋驅(qū)動電路研究與設(shè)計半橋驅(qū)動電路具有結(jié)構(gòu)簡單體積小、功耗低、成本低以及易于控制的特點，作為電動車控制器

11、能有效降低硬件成本。需要進(jìn)行半橋驅(qū)動電路的完善以及半橋驅(qū)動控制策略研究的工作。2、 混合檢測方法需要解決模式自動切換以及無位置傳感器的低速啟動問題 有無位置傳感器工作模式之間需要切換，如何穩(wěn)定準(zhǔn)確的進(jìn)行切換是要解決的問題。無位置傳感器的控制器需要特殊的啟動機(jī)制，并且位置檢測受到PWM的干擾，會出現(xiàn)誤判等問題。因此需要對啟動策略以及PWM干擾問題進(jìn)行針對性研究。3、控制器接口通訊的標(biāo)準(zhǔn)化研究簡化控制器接口的方案，將控制器所有通信接口全部歸納為一個總線接口，使得控制器的總接口數(shù)簡化為3個（霍爾傳感器、總線接口以及電源接口） 用總線接口統(tǒng)一代替所有其他接口后，為了保證各廠家和研究著設(shè)計產(chǎn)品的通用性，

12、必須設(shè)計一個通用的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。使得符合標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的各種控制器均能互換使用。4、 半橋驅(qū)動方案的可靠性研究 半橋驅(qū)動方案目前并不是BLDC控制器的一般方案，目前市面上大部分的控制器都是基于全橋方案設(shè)計的，全橋方案已經(jīng)經(jīng)過長時間的檢驗。但是半橋驅(qū)動方案的實際應(yīng)用還不多。因此半橋驅(qū)動方案的可行性研究是本課題的研究的重點。六文獻(xiàn)綜述1.引言電動車控制器是用來控制電動車電機(jī)的啟動、運行、進(jìn)退、速度、停止以及電動車的其它電子器件的核心控制器件，它就象是電動車的大腦，是電動車上重要的部件。電動車就目前來看主要包括電動自行車、電動二輪摩托車、電動三輪車、電動三輪摩托車、電動四輪車、電瓶車等，電動車控制器也因為

13、不同的車型而有不同的性能和特點。車用電機(jī)控制器近年來的發(fā)展速度之快,使人難以想象,操作上越來越“傻瓜”化,而顯示則越來越復(fù)雜化.比如,車速的控制已經(jīng)發(fā)展到“巡航鎖定”;驅(qū)動方面,有的同時具有電動性能和助力功能,如果轉(zhuǎn)換到助力狀態(tài),借助鏈條張力測力器,或中軸扭力傳感器,只要用腳踏動腳蹬,便可執(zhí)行助力或確定助力的大小電動車控制器在電動車?yán)锲鹬匾饔?，是一款電動車可以可靠穩(wěn)定工作的核心。2. 電動車控制系統(tǒng)簡介簡略地講控制器是由周邊器件和主芯片(或單片機(jī))組成.周邊器件是一些功能器件,如執(zhí)行、采樣等,它們是電阻、傳感器、橋式開關(guān)電路,以及輔助單片機(jī)或?qū)Ｓ眉呻娐吠瓿煽刂七^程的器件;單片機(jī)也稱微控制

14、器,是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號語言的譯碼器、鋸齒波發(fā)生器和脈寬調(diào)制功能電路以及能使開關(guān)電路功率管導(dǎo)通或截止、通過方波控制功率管的的導(dǎo)通時間以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動電路、輸入輸出端口等集成在一起,而構(gòu)成的計算機(jī)片.這就是電動自行車的智能控制器.它是以“傻瓜”面目出現(xiàn)的高技術(shù)產(chǎn)品.控制器的設(shè)計品質(zhì)、特性、所采用的微處理器的功能、功率開關(guān)器件電路及周邊器件布局等,直接關(guān)系到整車的性能和運行狀態(tài),也影響控制器本身性能和效率.不同品質(zhì)的控制器,用在同一輛車上,配用同一組相同充放電狀態(tài)的電池,有時也會在續(xù)駛能力上顯示出較大差別.電動車電機(jī)的控制系統(tǒng)一般由電動機(jī)、功率變換器、傳感器和器 電動車控制器組

15、成。電動車電動機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)其控制算法的復(fù)雜程度，選擇比較合適的微處理器系統(tǒng)。較為簡單的有選用單片機(jī)控制器，復(fù)雜的可使用DSP控制器，最新出現(xiàn)的電動機(jī)驅(qū)動專用芯片可以滿足一些輔助系統(tǒng)電機(jī)控制需求。對電動汽車電動機(jī)控制器而言，一般較為復(fù)雜宜使用DSP處理器?？刂齐娐分饕ㄒ韵聨撞糠郑嚎刂菩酒捌潋?qū)動系統(tǒng)、AD采樣系統(tǒng)、功率模塊及其驅(qū)動系統(tǒng)、硬件保護(hù)系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)、母線支撐電容等3. 電動車控制系統(tǒng)的型式 目前,電動自行車所采用的控制器電路原理基本相同或接近.有刷和無刷直流電機(jī)大都采用脈寬調(diào)制的PWM控制方法調(diào)速,只是選用驅(qū)動電路、集成電路、開關(guān)電路功率晶體管和某些相關(guān)功能上的差別.元器件

16、和電路上的差異,構(gòu)成了控制器性能上的不大相同.控制器從結(jié)構(gòu)上分兩種,我們把它稱為分離式和整體式。1、分離式 所謂分離,是指控制器主體和顯示部分分離.后者安裝在車把上,控制器主體則隱藏在車體包廂或電動箱內(nèi),不露在外面.這種方式使控制器與電源、電機(jī)間連線距離縮短,車體外觀顯得簡潔。2、一體式 控制部分與顯示部分合為一體,裝在一個精致的專用塑料盒子里.盒子安裝在車把的正中,盒子的面板上開有數(shù)量不等的小孔,孔徑45mm,外敷透明防水膜.孔內(nèi)相應(yīng)位置設(shè)有發(fā)光二極管以指示車速、電源和電池剩余電量。4. 電動車控制系統(tǒng)主要功能超靜音設(shè)計技術(shù)：獨特的電流控制算法，能適用于任何一款控制器無刷電動車電機(jī)，并且具有

17、相當(dāng)?shù)目刂菩Ч?，提高了電動車控制器的普遍適應(yīng)性，使電動車電機(jī)和控制器不再需要匹配。恒流控制技術(shù)：電動車控制器堵轉(zhuǎn)電流和動態(tài)運行電流完全一致，保證了電池的壽命，并且提高了電動車電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩。自動識別電機(jī)模式系統(tǒng)：自動識別電動車電機(jī)的換相角度、霍爾相位和電機(jī)輸出相位，只要控制器的電源線、轉(zhuǎn)把線和剎車線不接錯，就能自動識別電機(jī)的輸入及輸出模式，可以省去無刷電動車電機(jī)接線的麻煩，大大降低了電動車控制器的使用要求。隨動abs系統(tǒng)：具有反充電/汽車EABS剎車功能，引入了汽車級的EABS防抱死技術(shù)，達(dá)到了EABS剎車靜音、柔和的效果，不管在任何車速下保證剎車的舒適性和穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)原來的abs在低速情

18、況下剎車剎不住的現(xiàn)象，完全不損傷電機(jī)，減少機(jī)械制動力和機(jī)械剎車的壓力，降低剎車噪音，大大增加了整車制動的安全性；并且剎車、減速或下坡滑行時將EABS產(chǎn)生的能量反饋給電池，起到反充電的效果，從而對電池進(jìn)行維護(hù)，延長電池壽命，增加續(xù)行里程，用戶可根據(jù)自己的騎行習(xí)慣自行調(diào)整EABS剎車深度。電機(jī)鎖系統(tǒng)：在警戒狀態(tài)下，報警時控制器將電機(jī)自動鎖死，控制器幾乎沒有電力消耗，對電機(jī)沒有特殊要求，在電池欠壓或其他異常情況下對電動車正常推行無任何影響。自檢功能：分動態(tài)自檢和靜態(tài)自檢，控制器只要在上電狀態(tài)，就會自動檢測與之相關(guān)的接口狀態(tài)，如轉(zhuǎn)把，剎把或其它外部開關(guān)等等，一旦出現(xiàn)故障，控制器自動實施保護(hù)，充分保證騎

19、行的安全，當(dāng)故障排除后控制器的保護(hù)狀態(tài)會自動恢復(fù)。反充電功能：剎車、減速或下坡滑行時將EABS產(chǎn)生的能量反饋給電池，起到反充電的效果，從而對電池進(jìn)行維護(hù)，延長電池壽命，增加續(xù)行里程。堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能：自動判斷電機(jī)在過流時是處于完全堵轉(zhuǎn)狀態(tài)還是在運行狀態(tài)或電機(jī)短路狀態(tài)，如果過流時是處于運行狀態(tài)，控制器將限流值設(shè)定在固定值，以保持整車的驅(qū)動能力；如電機(jī)處于純堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，則控制器2秒后將限流值控制在10A以下，起到保護(hù)電機(jī)和電池，節(jié)省電能；如電機(jī)處于短路狀態(tài)，控制器則使輸出電流控制在2A以下，以確?？刂破骷半姵氐陌踩?。動靜態(tài)缺相保護(hù)：指在電機(jī)運行狀態(tài)時，電動車電機(jī)任意一相發(fā)生斷相故障時，控制器實行保護(hù)，避

20、免造成電機(jī)燒毀，同時保護(hù)電動車電池、延長電池壽命。功率管動態(tài)保護(hù)功能：控制器在動態(tài)運行時，實時監(jiān)測功率管的工作情況，一旦出現(xiàn)功率管損壞的情況，控制器馬上實施保護(hù)，以防止由于連鎖反應(yīng)損壞其他的功率管后，出現(xiàn)推車比較費力的現(xiàn)象。防飛車功能：解決了無刷電動車控制器由于轉(zhuǎn)把或線路故障引起的飛車現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的安全性。1+1助力功能：用戶可自行調(diào)整采用自向助力或反向助力，實現(xiàn)了在騎行中輔以動力，讓騎行者感覺更輕松。巡航功能：自動/手動巡航功能一體化，用戶可根據(jù)需要自行選擇，8秒進(jìn)入巡航，穩(wěn)定行駛速度，無須手柄控制。模式切換功能：用戶可切換電動模式或助力模式。防盜報警功能：超靜音設(shè)計，引入汽車級的遙控防

21、盜理念，防盜的穩(wěn)定性更高，在報警狀態(tài)下可鎖死電機(jī)，報警喇叭音效高達(dá)125dB以上，具有極強(qiáng)的威懾力。并具有自學(xué)習(xí)功能，遙控距離長達(dá)150米不會有誤碼產(chǎn)生。倒車功能：控制器增加了倒車功能，當(dāng)用戶在正常騎行時，倒車功能失效；當(dāng)用戶停車時，按下倒車功能鍵，可進(jìn)行輔助倒車，并且倒車速度最高不超過10km/h。遙控功能：采用先進(jìn)的遙控技術(shù)，長達(dá)256的加密算法，靈敏度多級可調(diào)，加密性能更好，并且絕無重碼現(xiàn)象發(fā)生，極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并具有自學(xué)習(xí)功能，遙控距離長達(dá)150米不會有誤碼產(chǎn)生。高速控制：采用最新的為馬達(dá)控制設(shè)計專用的單片機(jī)，加入全新的BLDC控制算法，適用于低于6000rpm高速、中速或低

22、速電機(jī)控制。電機(jī)相位：60度120度電機(jī)自動兼容，不管是60度電機(jī)還是120度電機(jī)，都可以兼容，不需要修改任何設(shè)置。 5. 能量回饋5.1基本原理電動車用無刷直流電機(jī)的能量回饋方式分為減速制動能量回饋和剎車停止能量回饋。前一種能量回饋是當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過基速時,根據(jù)電動機(jī)與發(fā)電機(jī)可逆的原理,通過控制器使電機(jī)產(chǎn)生反向的轉(zhuǎn)矩,同時將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能存儲于蓄電池中。后一種能量回饋工作原理與前一種相同,不同的是以制動性能為重點,使得能量回饋效率偏低。所以電動車的能量回饋多處于前一種情況。在能量回饋過程中,由于制動力矩產(chǎn)生的電壓低于蓄電池電壓,為實現(xiàn)對蓄電池的充電,需要升壓斬波電路(Boost Choope

23、r Circuit)對回饋能量的電壓進(jìn)行升壓控制。目前關(guān)于無刷直流電機(jī)能量回饋的PWM控制主要為半橋控制。而無刷直流電機(jī)能量回饋過程在一個 PWM 開關(guān)周期內(nèi)可分為兩個階段,即續(xù)流階段和回饋階段。下圖1，圖2，圖3分別是半橋調(diào)制時理想反電動勢和電流波形，半橋調(diào)制下續(xù)流階段電流流向圖，半橋調(diào)制下回饋階段電流流向圖。 圖1 理想情況下反電動勢和電流波形 圖2 半橋調(diào)制下續(xù)流階段電流流向圖 圖3 半橋調(diào)制下回饋階段電流流向圖(1)續(xù)流階段續(xù)流階段,無刷直流電機(jī)的電流流向圖如圖 2所示。Q4 導(dǎo)通為電流提供續(xù)流通道。在此階段,制動產(chǎn)生的電能存儲于三相繞組的電感中。在電機(jī)反電動勢作用下,電流通過 D2

24、構(gòu)成了一條由B A的續(xù)流通道，同時存在一條通過 D6 流向 C 相的電流通道(2)回饋階段Q4 關(guān)斷期間,在反電動勢和寄生電感的共同作用下,之前存儲于三相繞組上的能量與反電動勢一起向蓄電池共同回饋能量。此階段,電流流向圖如圖 3所示,Q4 關(guān)斷,電流經(jīng) D3 回饋到蓄電池,同樣存在通過 D2 流向 A 相和通過 D6 流向 C 相的電流通路5.2約束條件電動車用無刷直流電機(jī)能量回饋控制系統(tǒng)應(yīng)滿足整車運行的一些具體要求,如剎車的安全性,電池的安全保證和充電特性,電機(jī)的回饋能力,電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速等?；仞佒苿討?yīng)根據(jù)整車制動的實際情況與需求采取相應(yīng)的控制策略,在滿足一定約束條件下,盡最大程度的對制動能量

25、進(jìn)行回收。在能量回饋控制期間,應(yīng)滿足以下約束條件:1.滿足制動安全的要求在制動過程中,對安全的要求是第一位的,制動應(yīng)保證整車滿足安全制動距離和制動減速度。在緩速制動和制動強(qiáng)度適中的一般制動中,能量回饋控制能夠保證整車的減速度、制動距離滿足制動要求,可以優(yōu)先考慮能量回饋控制。但是對于制動強(qiáng)度大的緊急制動,需要采用機(jī)械制動。2.電機(jī)系統(tǒng)的安全要求無刷直流電機(jī)在發(fā)電時相當(dāng)于一個發(fā)電機(jī),能量從電機(jī)通過控制器回饋到蓄電池。此時,為保證電機(jī)系統(tǒng)運行的安全性,應(yīng)考慮發(fā)電狀態(tài)下無刷直流電機(jī)的工作特性和輸出能力,對回饋過程中電流的大小進(jìn)行限制。3.電池組的充電安全性由于電動車車載能源多是鉛酸蓄電池、鎳氫電池等,

26、為延長電池的使用壽命,除了應(yīng)對能量回饋過程中的電池充電電流、電壓進(jìn)行限制外,還應(yīng)考慮蓄電池的剩余電量,避免出現(xiàn)過充電現(xiàn)象。6. 電動車控制系統(tǒng)雙閉環(huán)控制限流調(diào)速 無刷直流電機(jī)的調(diào)速主要靠改變電樞兩端的電壓來實現(xiàn)，最常用的就是PWM調(diào)速。PWM調(diào)速的原理是：利用全控型電力電子器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將恒定的直流電壓調(diào)制成大小可改變的直流電壓作為電機(jī)的電樞繞組端電壓，實現(xiàn)速度的平滑調(diào)節(jié)；簡單說就是改變PWM驅(qū)動信號占空比，就可以改變電機(jī)定子繞組端電壓，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制,也就可以進(jìn)行加速和減速的控制，對于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，只需要控制逆變器的通電相序即可，即改變定子的旋轉(zhuǎn)磁場的方向。6.1 雙閉環(huán)控制 上述直流

27、電機(jī)的PWM調(diào)速雖然是至關(guān)重要的，但是只是利用它開環(huán)調(diào)速會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此考慮用閉環(huán)系統(tǒng)來控制。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)控制系統(tǒng)可以保證無刷直流電機(jī)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，但不能控制動態(tài)過程的電流和轉(zhuǎn)矩，很難實現(xiàn)電機(jī)的快速起動和制動。為了滿足無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、實時性和快速性好的要求，就必須在速度負(fù)反饋基礎(chǔ)上引入電流負(fù)反饋來控制系統(tǒng)動態(tài)過程。無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)包括內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器和外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)輸入為速度設(shè)定值和實際速度反饋量的偏差，速度調(diào)節(jié)器輸出得到電流給定值，與電流檢測值比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器控制PWM輸出占空比，實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。6.2 PID控制在閉環(huán)系統(tǒng)中，常

28、采用PID調(diào)節(jié)器來使系統(tǒng)獲得更穩(wěn)定的性能。PID控制器的輸入為給定值與參量實際反饋值的偏差，將偏差進(jìn)行比例放大、積分、微分運算后，輸出控制量作用于被控對象，使被控參量達(dá)到給定值。在PID控制器中，比例控制器能迅速反應(yīng)誤差，從而減少誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，Kp的加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定;積分控制的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地累積，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時間，積分控制將能夠完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩;微分控制可以減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能

29、。 根據(jù)偏差的比例（P）、積分(I)、微分(D)進(jìn)行控制，簡稱PID控制，PID的傳遞函數(shù)如下：其中Kp為比例增益，Ti了為積分時間常數(shù)為微分時間常數(shù)，U（t）為控制量e（t）為偏差。 對應(yīng)的控制原理框圖如下：圖4 PID控制原理圖7. 研究中存在的問題問題一：雙閉環(huán)控制無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)串級控制系統(tǒng)包括內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器和外環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)輸入為速度設(shè)定值和實際速度反饋量的偏差，速度調(diào)節(jié)器輸出得到電流給定值，與電流檢測值比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器控制PWM輸出占空比，實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制?？梢杂脗鹘y(tǒng)的PID控制算法來實現(xiàn)電機(jī)的雙閉環(huán)控制，如果效果不是太理想的話，可以在PID控制算法的基礎(chǔ)上增加

30、一些如自適應(yīng)控制算法和模糊控制算法，這都要到后續(xù)的工作中才能實現(xiàn)。問題二：保護(hù)功能1、制動斷電 電動自行車車把上兩個鉗形制動手把均安裝有接點開關(guān).當(dāng)制動時,開關(guān)被推壓閉合或被斷開,而改變了原來的開關(guān)狀態(tài).這個變化形成信號傳送到控制電路中,電路根據(jù)預(yù)設(shè)程序發(fā)出指令,立即切斷基極驅(qū)動電流,使功率截止,停止供電.因而,既保護(hù)了功率管本身,又保護(hù)了電動機(jī)，也防止了電源的浪費2、欠壓保護(hù) 這里指的是電源的電壓.當(dāng)放電最后階段,在負(fù)載狀態(tài)下,電源電壓已經(jīng)接近“放電終止電壓”,控制器面板(或儀表顯示盤)即顯示電量不足,引起騎行者的注意,計劃自己的行程.當(dāng)電源電壓已經(jīng)達(dá)到放終時,電壓取樣電阻將分流信息饋入比較

31、器,保護(hù)電路即按預(yù)先設(shè)定的程序發(fā)出指令,切斷電流以保護(hù)電子器件和電源.3、過流保護(hù) 電流超限對電機(jī)和電路一系列元器件都可能造成損傷,甚至燒毀,這是絕對應(yīng)當(dāng)避免的.控制電路中,必須具備這種過電流的保護(hù)功能,在過流時經(jīng)過一定的延時即切斷電流.4、過載保護(hù) 過載保護(hù)和過電流保護(hù)是相同的,載重超限必然引起電流超限.電動自行車說明書上都特別注明載重能力,但有的騎行者或未注意這一點,或抱著試一下的心理故意超載.如果沒有這種保護(hù)功能,不一定在哪個環(huán)節(jié)上引起損傷,但首當(dāng)其沖的就是開關(guān)功率管,只要無刷控制器功率管燒毀一只,變成兩相供電后電動機(jī)運轉(zhuǎn)即變得無力,騎行者立即可以感覺到脈動異常;若繼續(xù)騎行,接著就燒毀第

32、2個、第3個功率管.有兩相功率管不工作,電動機(jī)即停止運行,有刷電機(jī)則失去控制功能.因此,由過載引起的過電流是很危險的.但只要有過電流保護(hù),載重超限后電路自動切斷電源,因超載而引起的一系列后果都可以避免.5、欠速保護(hù) 仍然屬于過流保護(hù)范疇,是為不具備0速起步功能的無刷控制系統(tǒng)而設(shè)置,6、限速保護(hù) 是助力型電動自行車獨有的設(shè)計控制程序.車速超過某一預(yù)定值時,電路停止供電不予助力.對電動型電動自行車而言,統(tǒng)一規(guī)定車速為20km/h,車用電動機(jī)在設(shè)計時,額定轉(zhuǎn)速就已經(jīng)設(shè)定好了,控制電路也已經(jīng)設(shè)好.電動自行車只能在不超過這個速度狀態(tài)下運行問題三：能量回饋控制策略無刷直流電機(jī)的能量回饋過程中,主要有以下幾

33、個方面對能量回饋效率產(chǎn)生影響：（1）電機(jī)轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的能量回饋效率與電機(jī)反電動勢的大小有關(guān),而電機(jī)反電動勢的大小受電機(jī)轉(zhuǎn)速影響。所以電機(jī)轉(zhuǎn)速是能量回饋控制策略必須考慮的主要因素之一。（2）電機(jī)電流能量回饋要保證剎車的安全性能,所以能量回饋控制就必須保持一定的制動力矩。而電機(jī)的制動力矩正比于電機(jī)電流,因此可以通過控制電機(jī)電流的方式使電機(jī)在能量回饋時產(chǎn)生一定的制動力矩。在能量回饋控制過程中,根據(jù)控制目標(biāo)的不同,通?？刹捎玫目刂撇呗杂凶畲蠡仞伖β什呗浴⒆畲蠡仞佇手苿硬呗院秃戕D(zhuǎn)矩控制策略：(1)以制動電流為控制對象的最大能量回饋功率策略,僅以制動能量回收最大化為控制目標(biāo),但是卻沒有忽略了蓄電池的

34、承受能力。(2)以延長制動距離為前提來提高回饋效率的最大回饋效率控制策略,沒有充分考慮電動車的制動性能要求,而且需要實時檢測負(fù)載阻力矩的大小,所以在實際應(yīng)用中存在一定的缺陷。(3)恒轉(zhuǎn)矩控制策略也稱恒流控制策略,該策略為整車提供穩(wěn)定的制動力矩,使車輛在能量回饋時保持所需的減速度,在這種前提下提高電動車的能量回饋效率?？紤]各部件對制動安全性、可靠性、使用壽命、回饋電壓以及電流承受能力等要求,我們選擇了恒轉(zhuǎn)矩控制的能量回饋控制策略。PWM 占空比、電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、反電動勢、制動轉(zhuǎn)矩和回饋能量之間的關(guān)系如圖 5所示。由圖可知可通調(diào)節(jié) PWM 占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和制動電流的大小,進(jìn)而實現(xiàn)對無刷直流電機(jī)

35、能量回饋過程的控制。因此,我們將基于上述的這種控制關(guān)系設(shè)計能量回饋控制器。 圖5 能量回饋控制系統(tǒng)變量關(guān)系圖七.學(xué)位論文工作進(jìn)度安排2015年8月12月：資料收集、開題。2016年01月04月：將電機(jī)控制系統(tǒng)的PCB圖出板，并完成電機(jī)控制算法的編程實現(xiàn)。2016年05月07月：試驗調(diào)試來驗證方案。2016年 08月10月：對項目開發(fā)進(jìn)行總結(jié)，完善相關(guān)技術(shù)文檔。2016年10月12月：論文的撰寫修改和完善。碩士生簽名： 年 月 日八、指導(dǎo)教師意見 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日查閱主要文獻(xiàn)資料目錄清單序號作 者題 目刊物名稱期（卷）號年份起止頁碼1魯 明一種半橋驅(qū)動的無刷直流電機(jī)位置檢測方法微電機(jī)4

36、7（2）20112成立，奚家健，李寧一種半/全橋PWM切換策略電動車能量回饋法江蘇大學(xué)學(xué)報34(3）20133師爭光基于反電勢過零檢側(cè)無刷直速電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究中南大學(xué)碩士論文20094楊艷基于DSP的無刷直流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)研究湖南大學(xué)碩士論文20025李廣志電動車用三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)大連理工大學(xué)碩士論文20106張磊，肖偉，瞿文龍直接檢測無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號的方法清華大學(xué)學(xué)報46( 4)20067劉平無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)與換相研究重慶大學(xué)碩士論文20088李憲全，楊春玲面向電動車的新型無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計電子技術(shù)應(yīng)用20099陶永華新型PID控制

37、及其應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社200510李鑫基于TMS320F2812的永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究自動化與儀器儀表200733-3611 樊東永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動器的研究與開發(fā)中南大學(xué)碩士論文200612 劉鴻皓 趙克友 于海生永磁同步電動機(jī)速度控制方案電氣傳動36(2)200625-2613徐宏基于DSP的永磁同步伺服系統(tǒng)的研究大連理工大學(xué)碩士論文200614張帆直接轉(zhuǎn)矩控制問題的研究及DSP系統(tǒng)設(shè)計200815李廣志電動車用三相無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)大連理工大學(xué)碩士論文201016常波基于模糊PID算法的無刷直流電機(jī)調(diào)速研究與設(shè)計電子科技大學(xué)碩士論文201217王嚴(yán)基于單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)

38、設(shè)計與研究南京郵電大學(xué)碩士論文201318鐘曉偉電動自行車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究東北林業(yè)大學(xué)碩士論文201119陳國強(qiáng) 王 輝 周健基于母線電流控制的直流無刷電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法研究防爆電機(jī)131（41）20簡瑤基于TMS320F2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計西北工業(yè)大學(xué)碩士論文200721常波基于模糊PID算法的無刷直流電機(jī)調(diào)速研究與設(shè)計電子科技大學(xué)碩士論文201222顧繩谷電機(jī)與拖動基礎(chǔ)機(jī)械工業(yè)出版社第四版200719-5123楊奎濱高效無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究沈陽工業(yè)大學(xué)碩士論文201224王國偉基于DSP2812的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究安徽大學(xué)碩士論文201025謝

39、俊基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真研究武漢理工大學(xué)碩士論文201026陳濤基于DSP的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)桂林電子科技大學(xué)碩士論文201027R. MURUGAN ；S. NANDAKUMAR ；M. S. MOHIYADEENDSP-based electric power assisted steering using BLDC motorSADHANA33(5)200828Zhuoran Zhang ；Yangguang Yan ；Shanshui Yang ；Zhou Bo Development of a New Permanent-Magnet BLDC Ge

40、nerator Using 12-Phase Half-Wave RectifierIEEE Transactions on Industrial Electronics 56(6)200929Xintong, J. ；Jingwei, X. ；Yong, L. ；Yongping, L.Theoretical and Simulation Analysis of Influences of Stator Tooth Width on Cogging Torque of BLDC MotorsIEEE Transactions on Magnetics 45(10)200930Aghili,

41、F.Ripple Suppression of BLDC Motors With Finite Driver/Amplifer Bandwidth at High VelocityIEEE transactions on control systems technology19(2)201131Jin-Soek Jang ；Ho-Hyun Kim ；Byung-Taek KimTorque ripple minimization in a BLDC motor using an improved voltage control methodInternational journal of ap

42、plied electromagnetics and mechanics33(1/2)201032Anand Sathyan ；Nikola Milivojevic ；Young-Joo Lee ；Mahesh Krishnamurthy ；Ali EmadiAn FPGA-Based Novel Digital PWM Control Scheme for BLDC Motor DrivesIEEE Transactions on Industrial Electronics56(8)200933 Lee, K.-W. ；Hong, J. ；Lee, S. B. ；Lee, S.Qualit

43、y Assurance Testing for Magnetization Quality Assessment of BLDC Motors Used in CompressorsIEEE Transactions on Industry Applications 46(6)2010 34Lee, K.-W. ；Hong, J. ；Lee, S. B. ；Lee, S.Quality Assurance Testing for Magnetization Quality Assessment of BLDC Motors Used in CompressorsIEEE Transaction

44、s on Industry Applications46(6)201035Yong-Min You ；Dae-Kyong Kim ；Byung-Il KwonA rotor design of a BLDC motor used for reciprocating compressor considering demagnetizationInternational journal of applied electromagnetics and mechanics33(1/2)201036Liviu Ioan Iepure ；Ion Boldea ；Frede BlaabjergHybrid

45、I-f Starting and Observer-Based Sensorless Control of Single-Phase BLDC-PM Motor DrivesIEEE Transactions on Industrial Electronics 59(9)201237Haifeng Lu ；Lei Zhang ；Wenlong QuA New Torque Control Method for Torque Ripple Minimization of BLDC Motors With Un-Ideal Back EMFIEEE Transactions on Power Electronics23(2)200838Joice, C. S. ；Paranjothi, S. R. ；Kumar, V. J. S.Digital Control Strategy for Four Quadrant Operation of Three Phase BLDC Motor