電動(dòng)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(bào)告姓名：甄文奇學(xué)號(hào)：114110000906學(xué)科：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化所在院系：自動(dòng)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(dòng)車控制系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性研究二、選題的科學(xué)意義和應(yīng)用前景隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和人們生活的不斷改善， 人們對(duì)自己的出行和生活的質(zhì)量要求越 來越高，電動(dòng)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(dòng)車具有環(huán)保功效，而且價(jià)格低廉，使用便捷，這些優(yōu)勢使電動(dòng) 車非常具有發(fā)展?jié)摿?，并促使城市中低收入人群偏愛電?dòng)車這一代步工具。然而在我國電 動(dòng)車由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的因素，在使用和開發(fā)

2、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(huì)不斷發(fā)展，消費(fèi)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(fèi)市場不斷增長。我們知道電動(dòng)自行車具有體小輕便、占 有空間小、便捷等特點(diǎn)，有助于我們節(jié)約消耗能源。從發(fā)展趨勢上看，電動(dòng)車行業(yè)將會(huì)發(fā) 展迅速而且市場占有率將會(huì)不斷提升。 電動(dòng)車作為一種節(jié)能交通工具，非常適宜短途出行, 比如對(duì)于農(nóng)村老百姓，他們趕集市買東西就會(huì)非常青睞電動(dòng)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(dòng)車這一耐用實(shí)惠的便捷交通工具，所以可以想象電

3、動(dòng)車的 市場還會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，而且會(huì)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(shí)不能忽視環(huán)境對(duì)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(shí)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(huì)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

4、標(biāo)， 為了適應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢，世界各國和各大企業(yè)正在加大對(duì)電動(dòng)車開發(fā)的投資力度，進(jìn)而促 進(jìn)電動(dòng)車技術(shù)的發(fā)展，加快電動(dòng)車的商品化步伐，間接促使電動(dòng)車成為一個(gè)切入口，讓人 們認(rèn)識(shí)到技術(shù)的進(jìn)步可以減小對(duì)不可再生能源的依賴，減小對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，還世界一 個(gè)和諧而充滿生機(jī)的環(huán)境。電動(dòng)車控制系統(tǒng)是電動(dòng)車賴以工作的核心部件，一個(gè)好的控制系統(tǒng)既可以保證電動(dòng)車 的穩(wěn)定運(yùn)行，又能解決各種突發(fā)狀況。電動(dòng)車控制系統(tǒng)肩負(fù)著電動(dòng)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(shí)適時(shí)增加電動(dòng)車電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。一款好 的電動(dòng)車控制系統(tǒng)是必須的。保證電動(dòng)車控制系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，使電動(dòng)車可靠穩(wěn)定 運(yùn)行是必要的。

5、現(xiàn)在我們已經(jīng)初步設(shè)計(jì)出一款電動(dòng)車控制系統(tǒng)，但其在運(yùn)行時(shí)，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(shí)，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(shí)出現(xiàn)過電壓時(shí)也會(huì)擊穿控制器元件，這就對(duì)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(xiàng)目情況簡介本學(xué)位論文是一電動(dòng)車標(biāo)桿控制器的研發(fā)為背景的，設(shè)計(jì)一款高可靠性低成本的電動(dòng) 車控制器?？刂破骰竟δ苣繕?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(dòng)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

6、騎行體驗(yàn)(4)在電機(jī)能支持極限下，使電動(dòng)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(gè)方面的研究內(nèi)容：.瞬時(shí)過流保護(hù)當(dāng)電動(dòng)車處于上坡時(shí)，或電動(dòng)車負(fù)載過重時(shí)電流會(huì)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(duì)電流進(jìn)行控制，使電動(dòng)車在負(fù)載增加時(shí)保持電流在合適 范圍內(nèi)。.能量回饋所謂能量回饋是根據(jù)電機(jī)的可逆性，在電動(dòng)汽車制動(dòng)時(shí)使電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài) ，從而將制 動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能并回收到車載儲(chǔ)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(dòng)汽車可以將減速或剎車時(shí)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

7、動(dòng)汽車可以將下坡時(shí)回收的能量作為輔助能源應(yīng)用在 上坡中，從而提高整車的運(yùn)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(dòng)與電動(dòng)的城市工況運(yùn)行條 件下，有效地回收制動(dòng)能量,可使電動(dòng)汽車的行駛里程延長 10%到30%,因此對(duì)電動(dòng)車能量回 饋技術(shù)的研究具有重要的理論意義和實(shí)際意義。.最優(yōu)的電動(dòng)車加減速曲線為了保持電動(dòng)車騎行時(shí)的舒適性，以及由于疏忽突然把電動(dòng)車剎把信號(hào)放到最大，由于電動(dòng)車速度的突變，可能會(huì)發(fā)生不可預(yù)料的危險(xiǎn)。為了降低危險(xiǎn)性和提高舒適性，電機(jī)啟動(dòng) 會(huì)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

8、得一條這樣的最優(yōu)加減速曲線，使電動(dòng)車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(yàn)。五、開題條件.學(xué)術(shù)條件(1)要具備充足的電機(jī)知識(shí)，這可以通過上網(wǎng)、借閱書籍了解這方面的知識(shí)；還有 就是電路知識(shí)的積累，主要是數(shù)電模電的知識(shí)，這方面的知識(shí)是控制系統(tǒng)原理圖和PC般計(jì) 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(diǎn)和建議。(3)項(xiàng)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(yàn)， 這對(duì)于電機(jī)的控制也非常重要。.設(shè)備條件(1)電動(dòng)車一輛(2)示波器一臺(tái)、萬用表一個(gè)(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

9、理圖、PCBJ計(jì)用電腦一臺(tái)(5)軟件keil、Altium Designer3六.文獻(xiàn)綜述.引言電動(dòng)車控制器是用來控制電動(dòng)車電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、進(jìn)退、速度、停止以及電動(dòng)車的 其它電子器件的核心控制器件，它就象是電動(dòng)車的大腦，是電動(dòng)車上重要的部件。電動(dòng)車 就目前來看主要包括電動(dòng)自行車、電動(dòng)二輪摩托車、電動(dòng)三輪車、電動(dòng)三輪摩托車、電動(dòng) 四輪車、電瓶車等，電動(dòng)車控制器也因?yàn)椴煌能囆投胁煌男阅芎吞攸c(diǎn)。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(dòng)方面，有的同時(shí)具有電動(dòng)性能和助力 功能，如果轉(zhuǎn)換到助力狀

10、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(dòng)腳蹬， 便可執(zhí)行助力或確定助力的大小電動(dòng)車控制器在電動(dòng)車?yán)锲鹬匾饔?，是一款電?dòng)車可 以可靠穩(wěn)定工作的核心。.電動(dòng)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?控制過程的器件；單片機(jī)也稱微控制器，是在一塊集成片上把存貯器、有變換信號(hào)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(shí)間以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的驅(qū)動(dòng)電路、輸入輸出端口等集成在一起，而構(gòu)成的計(jì)算機(jī)片.

11、這就是電動(dòng)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(jì)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(yùn)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(shí)也會(huì)在續(xù)駛能力上顯示出較大差 別.電動(dòng)車電機(jī)的控制系統(tǒng)一般由電動(dòng)機(jī)、功率變換器、傳感器和器電動(dòng)車控制器組成。電動(dòng)車電動(dòng)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空制器，最新出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片可 以滿足一些輔助系統(tǒng)電機(jī)控制需求。對(duì)電動(dòng)汽

12、車電動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)、A啄樣系統(tǒng)、功率模塊及其驅(qū)動(dòng)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(dòng)車控制系統(tǒng)的型式目前，電動(dòng)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空制方法調(diào)速，只是選用驅(qū)動(dòng)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(dòng)箱

13、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、體式控制部分與顯示部分合為一體，裝在一個(gè)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45mmi卜敷透明防水膜.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。.電動(dòng)車控制系統(tǒng)主要功能超靜音設(shè)計(jì)技術(shù)：獨(dú)特的電流控制算法，能適用于任何一款控制器無刷電動(dòng)車電機(jī)，并且 具有相當(dāng)?shù)目刂菩Ч?，提高了電?dòng)車控制器的普遍適應(yīng)性，使電動(dòng)車電機(jī)和控制器不再需 要匹配。恒流控制技術(shù)：電動(dòng)車控制器堵轉(zhuǎn)電流和動(dòng)態(tài)運(yùn)行電流完全一致，保證了電池的壽命，并 且提高了電動(dòng)車電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。自動(dòng)識(shí)

14、別電機(jī)模式系統(tǒng)：自動(dòng)識(shí)別電動(dòng)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(cuò)，就能自動(dòng)識(shí)別電機(jī)的輸入及輸出模式，可以 省去無刷電動(dòng)車電機(jī)接線的麻煩，大大降低了電動(dòng)車控制器的使用要求。隨動(dòng)abs系統(tǒng)：具有反充電/汽車EABSH車功能，引入了汽車級(jí)的EABS&抱死技術(shù)，達(dá)到 了 EABSPJ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(huì)出現(xiàn) 原來的abs在低速情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(dòng)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(dòng)的安全性；并且剎車、減速或下坡滑行時(shí) 將EABST生的能量反饋給電池，起到反充電

15、的效果，從而對(duì)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 EABSPJ車深度。電機(jī)鎖系統(tǒng)：在警戒狀態(tài)下，報(bào)警時(shí)控制器將電機(jī)自動(dòng)鎖死，控制器幾乎沒有電力消耗， 對(duì)電機(jī)沒有特殊要求，在電池欠壓或其他異常情況下對(duì)電動(dòng)車正常推行無任何影響。自檢功能：分動(dòng)態(tài)自檢和靜態(tài)自檢，控制器只要在上電狀態(tài)，就會(huì)自動(dòng)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(dòng)實(shí)施保護(hù)，充分 保證騎行的安全，當(dāng)故障排除后控制器的保護(hù)狀態(tài)會(huì)自動(dòng)恢復(fù)。反充電功能：剎車、減速或下坡滑行時(shí)將EABST生的能量反饋給電池，起到反充電的效果, 從而對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，延長電池壽命

16、，增加續(xù)行里程。堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能：自動(dòng)判斷電機(jī)在過流時(shí)是處于完全堵轉(zhuǎn)狀態(tài)還是在運(yùn)行狀態(tài)或電機(jī)短路狀 態(tài)，如果過流時(shí)是處于運(yùn)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(dòng)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(dòng)靜態(tài)缺相保護(hù)：指在電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)車電機(jī)任意一相發(fā)生斷相故障時(shí)，控制器實(shí) 行保護(hù)，避免造成電機(jī)燒毀，同時(shí)保護(hù)電動(dòng)車電池、延長電池壽命。功率管動(dòng)態(tài)保護(hù)功能：控制器在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)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(shí)施

17、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(fèi)力的現(xiàn)象。防飛車功能：解決了無刷電動(dòng)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(shí)現(xiàn)了在騎行中輔以動(dòng)力，讓 騎行者感覺更輕松。巡航功能：自動(dòng)/手動(dòng)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(dòng)模式或助力模式。防盜報(bào)警功能：超靜音設(shè)計(jì)，引入汽車級(jí)的遙控防盜理念，防盜的穩(wěn)定性更高，在報(bào)警狀 態(tài)下可鎖死電機(jī)，報(bào)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(huì)有

18、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(shí)，倒車功能失效；當(dāng)用戶停車時(shí)， 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(jí)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(huì)有誤碼產(chǎn)生。高速控制：采用最新的為馬達(dá)控制設(shè)計(jì)專用的單片機(jī)，加入全新的BLDC空制算法，適用于低于6000rpm高速、中速或低速電機(jī)控制。電機(jī)相位：60度120度電機(jī)自動(dòng)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。.能量回饋基本原理

19、電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)的能量回饋方式分為減速制動(dòng)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(shí) ，根據(jù)電動(dòng)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(shí)將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)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(dòng)性能為重點(diǎn)，使得能量回饋效率偏低。所以電動(dòng)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(dòng)力矩產(chǎn)生的電壓低于蓄電池電壓，為實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電 池的充電，需要升壓斬波電路（Boost Chooper Circu對(duì)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

20、個(gè)PWM開關(guān)周期內(nèi)可分為兩個(gè)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(shí)理想反電動(dòng)勢和電流波形，平橋調(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(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)于三相繞組的電感中。在電機(jī)反電動(dòng)勢作用下，電流通過D2構(gòu)成了一條由B - A的續(xù)流通道，同時(shí)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(dòng)勢和寄生電感的共同作用下，之前存儲(chǔ)于三相繞組

21、上的能量與反電 動(dòng)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相的電流通路約束條件電動(dòng)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(yùn)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。回饋制動(dòng)應(yīng)根據(jù)整車 制動(dòng)的實(shí)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(duì)制動(dòng) 能量進(jìn)行回收。在能量回饋控制期間，應(yīng)滿足以下約束條件：.滿足制動(dòng)安全的要求在制動(dòng)過程中，對(duì)安全的要求是第一位的，制動(dòng)應(yīng)保證整車滿足安全制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度。在緩速制動(dòng)和制動(dòng)強(qiáng)度適中的一

22、般制動(dòng)中，能量回饋控制能夠保證整車的減速度、制動(dòng) 距離滿足制動(dòng)要求，可以優(yōu)先考慮能量回饋控制。但是對(duì)于制動(dòng)強(qiáng)度大的緊急制動(dòng) ，需要采 用機(jī)械制動(dòng)。.電機(jī)系統(tǒng)的安全要求無刷直流電機(jī)在發(fā)電時(shí)相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)，能量從電機(jī)通過控制器回饋到蓄電池。此時(shí)，為 保證電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)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(duì)回 饋過程中電流的大小進(jìn)行限制。.電池組的充電安全性由于電動(dòng)車車載能源多是鉛酸蓄電池、鍥氫電池等 ，為延長電池的使用壽命，除了應(yīng)對(duì)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。.電動(dòng)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

23、調(diào)速主要靠改變電樞兩端的電壓來實(shí)現(xiàn)，最常用的就是PWM0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(shí)現(xiàn)速度的平滑調(diào)節(jié)；簡單說就是改變 PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比，就可以改變電機(jī)定子繞組端電壓， 實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制，也就可以進(jìn)行加速和減 速的控制，對(duì)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。雙閉環(huán)控制上述直流電機(jī)的PWMS速雖然是至關(guān)重要的，但是只是利用它開環(huán)調(diào)速會(huì)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(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速無靜差，但不能控制動(dòng)態(tài)過

24、程的電流和轉(zhuǎn)矩，很難實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速起動(dòng)和制動(dòng)。為了 滿足無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)過程。無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)審級(jí)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(shí)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PW瞬出占空比，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。PID控制在閉環(huán)系統(tǒng)中，常采用 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(shí)際反饋值的偏差，將偏差進(jìn)行比例放大、積分、微分運(yùn)算后，輸出控制量 作用于被控對(duì)象，使被控參量達(dá)到

25、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(huì)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(shí)間，積分控制將能夠完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)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(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。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：D(s) =U(s)E(s)二 Kp(1Ti *STd *S)其

26、中Kp為比例增益，Ti 了為積分時(shí)間常數(shù) 偏差。Td為微分時(shí)間常數(shù),U (t)為控制量e (t)為對(duì)應(yīng)的控制原理框圖如下:圖4 PID控制原理圖.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)審級(jí)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(shí)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 PW瞬出占空比，實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。問題二：保護(hù)功能1、制

27、動(dòng)斷電 電動(dòng)自行車車把上兩個(gè)鉗形制動(dòng)手把均安裝有接點(diǎn)開關(guān) .當(dāng)制動(dòng)時(shí)，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(gè)變化形成信號(hào)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(dòng)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(dòng)機(jī)，也防止了電源的浪費(fèi)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(jì)劃 自己的行程.當(dāng)電源電壓已經(jīng)達(dá)到放終時(shí)，電壓取樣電阻將分流信息饋入比較器 ，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.

28、3、過流保護(hù) 電流超限對(duì)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(duì)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(shí)經(jīng)過一定的延時(shí)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(dòng)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(diǎn)，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(gè)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(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)即變得無力，騎行者立即可以 感覺到脈動(dòng)異常；若繼續(xù)騎行，接著就燒毀第2個(gè)、第3個(gè)功率管.有兩相功率管不工作，電 動(dòng)機(jī)即停止運(yùn)

29、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(xiǎn)的.但只要 有過電流保護(hù)，載重超限后電路自動(dòng)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(dòng)自行車獨(dú)有的設(shè)計(jì)控制程序.車速超過某一預(yù)定值時(shí)，電路停止 供電不予助力.對(duì)電動(dòng)型電動(dòng)自行車而言，統(tǒng)一規(guī)定車速為20km/h,車用電動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，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(dòng)自行車只能在不超過這個(gè)速度狀態(tài)下運(yùn) 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，主要有以下幾個(gè)方面對(duì)能量回饋效率產(chǎn)生影響： (1)電機(jī)

30、轉(zhuǎn)速無刷直流電機(jī)的能量回饋效率與電機(jī)反電動(dòng)勢的大小有關(guān)，而電機(jī)反電動(dòng)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(dòng)力矩。而電機(jī)的 制動(dòng)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(shí)產(chǎn)生一 定的制動(dòng)力矩。在能量回饋才$制過程中，根據(jù)控制目標(biāo)的不同，通常可采用的控制策略有最大回饋功率策 略、最大回饋效率制動(dòng)策略和恒轉(zhuǎn)矩控制策略：以制動(dòng)電流為控制對(duì)象的最大能量回饋功率策略，僅以制動(dòng)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承受能力。(2)以延長制動(dòng)距離為前提來

31、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(dòng)車的制動(dòng)性能要求，而且需要實(shí)時(shí)檢測負(fù)載阻力矩的大小，所以在實(shí)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(dòng)力矩，使車輛在能量 回饋時(shí)保持所需的減速度，在這種前提下提高電動(dòng)車的能量回饋效率。考慮各部件對(duì)制動(dòng)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。PWMfe空比、電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速、反電動(dòng)勢、制動(dòng)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(dòng)電流的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī) 能量回饋過程的控制。因此，我們將基于上述

32、的這種控制關(guān)系設(shè)計(jì)能量回饋控制器。圖5能量回饋控制系統(tǒng)變量關(guān)系圖回饋能量再生制動(dòng)性能制動(dòng)轉(zhuǎn)矩占空比10七.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PCES出板，并完成電機(jī)控制算法的編程實(shí)現(xiàn)2016年05月07月：試驗(yàn)調(diào)試來驗(yàn)證方案。2016年08月10月：對(duì)項(xiàng)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11查閱主要文獻(xiàn)資料目錄清單序 號(hào)作者題目刊物名稱期 （卷） 號(hào)年份起止頁碼1魯明一種半橋驅(qū)動(dòng)的無刷直流 電機(jī)位置檢測方法微電機(jī)472011

33、2成立，獎(jiǎng)家健， 李寧一種半/全橋PWM換策 略電動(dòng)車能量回饋法江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)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(jì) 與研究中南大學(xué)碩士論文20094楊艷基于 DSP勺無刷直流電機(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(dòng)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 義龍直接檢測無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn) 子位置信號(hào)的方法清華大學(xué)學(xué)報(bào)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(dòng)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(jì)電子技木應(yīng)用20099陶永華新型P

34、ID控制及其應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社200510李鑫基于 TMS320F281的永磁 同步電機(jī)伺服系統(tǒng)的研究自動(dòng)化與儀器儀表200733-3611樊東永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)速度控制 力殺電氣傳動(dòng)36(2)200625-2613徐宏基于 DSPW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DS添統(tǒng)設(shè)計(jì)200815李廣志電動(dòng)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(jì)電子科技大學(xué)碩士 論文20121217王嚴(yán)基于

35、單片機(jī)的無刷直流電 機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究南京郵電大學(xué)碩士 論文201318鐘曉偉電動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)抑制 方法研究防爆電機(jī)131(41)20簡瑤基于IMS320F281的無刷 直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)電子科技大學(xué)碩士 論文201222顧純谷電機(jī)與拖動(dòng)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(jì)與研究沈陽工業(yè)大學(xué)碩士 論文201224王國偉基于 DSP281妁無刷直

36、流 電機(jī)控制系統(tǒng)研究安徽大學(xué)碩士論文201025謝俊基于 DSP勺無刷直流電機(jī) 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真研 究武漢理工大學(xué)碩士 論文201026陳濤基于 DSP勺無刷直流電機(jī) 控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)桂林電子科技大學(xué) 碩士論文201027R. MURUGA N S.NANDAKUMA RM.S. MOHIYADEENDSP-based electric power assisted steering using BLDC motorSADHANA33(5)200828Zhuoran Zhang ； YangguangYan ； Shanshui Yang ； Zhou BoDevelopment of

37、a New Permanent-Magnet BLDC Generator Using 12-Phase Half-WaveRectifierIEEE Transactions on Industrial Electronics56(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 M

38、agnetics45(10)200930Aghili, F.Ripple Suppression of BLDCMotors With FiniteDriver/Amplifer Bandwidth at High VelocityIEEE transactions on control systems technology19(2)20111331Jin-Soek Jang ； Ho-Hyun Kim ; Byung-Taek KimTorque ripple minimization in a BLDC motor using an improved voltage control met

39、hodInternational journal of applied 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)200933Lee, K.-W.； Ho

40、ng, J. ； Lee, S. B. ； Lee, S.Quality Assurance Testing for Magnetization Quality Assessment of BLDC Motors Used inCompressorsIEEE Transactions on Industry Applications46(6)201034Lee, K.-W.； Hong, J. ； Lee, S. B. ； Lee, S.Quality Assurance Testing for Magnetization Quality Assessment of BLDCMotors Us

41、ed in CompressorsIEEE Transactions on Industry Applications46(6)201035Yong-Min You ; Dae-Kyong Kim ; Byung-IlKwonA rotor design of a BLDC motor used for reciprocating compressor considering demagnetizationInternational journal of applied electromagnetics and mechanics33 (1/2)201036Liviu Ioan Iepure

42、; Ion Boldea ; FredeBlaabjergHybrid I-f Starting and Observer-BasedSensorless Control of Single-Phase BLDC-PM Motor DrivesIEEE Transactions on Industrial Electronics59(9)201237Haifeng Lu ; Lei Zhang ； WenlongQuA New Torque Control Method for Torque Ripple Minimization ofBLDC Motors With Un-Ideal Back EMFIEEE Transactions on Power Electronics23(2)200838Joice, C. S. ；Digital ControlIEEE transactions9(2)201314Paranjothi, S.R. ； Kumar, V.J. S.Strategy for Four Quadrant Operation of Three Phase BLDC Motor With Load Variationson industrial informatics39Chung-WenHun