自动化论文电动汽车驱动电机与控制系统 精品.docx
- 文档编号:17010231
- 上传时间:2023-07-21
- 格式:DOCX
- 页数:60
- 大小:631.27KB
自动化论文电动汽车驱动电机与控制系统 精品.docx
《自动化论文电动汽车驱动电机与控制系统 精品.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《自动化论文电动汽车驱动电机与控制系统 精品.docx(60页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
自动化论文电动汽车驱动电机与控制系统精品
毕业设计论文
题目电动汽车驱动电机及控制系统
(院)系电气与信息工程系
专业电气工程及其自动化班级0102班学号0101120203号
学生姓名熊志勇
导师姓名谢卫才
完成日期2005年6月8日
湖南工程学院
毕业设计(论文)任务书
设计(论文)题目:
电动汽车驱动电机及控制系统
姓名熊志勇系别电气与信息工程专业电气工程及其自动化班级0102学号03
指导老师谢卫才教研室主任石安乐
一、基本任务及要求:
研制一套电动汽车驱动电机及控制系统
1.掌握电动汽车驱动电机及控制系统的系统结构及设计方法,了解电动汽车电机及驱动系统的发展。
2.确定总体方案,完成总体设计与论证
3.电机电磁方案设计与研究
4.控制系统硬件和软件设计
5.编制技术文件
二、进度安排及完成时间:
3月7日老师布置任务,下达设计任务书
3月7日-26日查阅资料、撰写文献综述和开题报告
3月27日-4月9日毕业实习、撰写实习报告
4月10日-5月30日毕业设计
6月1日-6月14日撰写毕业设计论文
6月15日-6月17日指导教师评阅、电子文档上传FTP
6月17日-6月20日毕业设计答辩(公开答辩、分组答辩)
6月21日-6月23日毕业设计成绩评定
6月24日-6月30日毕业设计资料归档
目录
摘要1
Abstract2
第1章绪论3
1.1电动汽车的发展背景3
1.1.1资源问题3
1.1.2环保问题3
1.1.3汽车产业结构问题3
1.1.4电动车目标市场分析3
1.2电动汽车的行业风险分析4
1.2.1产业风险4
1.2.2技术风险4
1.3电动汽车行也的前景与展望5
1.4课题研究的内容与意义5
第2章稀土永磁无刷直流电动机的组成与原理6
2.1电动汽车用电动机的种类6
2.2组成环节6
2.2.1电动机本体7
2.2.2逆变器7
2.2.3转子位置传感器7
2.3工作原理8
第3章TMS320LF2407的简介11
3.1DSP的发展现状11
3.1.1DSP芯片的基本结构和特征11
3.1.2DSP芯片的结构特点15
3.2TMS320LF2407DSP控制器16
3.3TMS320LF2407DSP控制器主要功能17
3.4事件管理模块20
3.5CAN控制模块21
3.6片内外设22
3.7DSP仿真开发工具的选择22
第4章系统总体设计方案与控制策略研究26
4.1系统总体设计方案26
4.1.1主回路26
4.1.2位置检测方案26
4.1.3速度检测方案26
4.1.4电流检测方案26
4.1.5速度调节方案27
4.1.6电流调节方案27
4.2PID调节的基本原理28
4.2.1PID调节器各参数对控制效果的影响29
4.2.2常用的PID参数的整定方法29
4.2.3PID控制器的局限性和及其发展方向30
第5章系统软硬件实现方案32
5.1数据处理板32
5.1.1速度及其位置检测器--QEP电路32
5.1.2用比较单元和PWM电路产生PWM波形33
5.1.3A/D转换电路及实现34
5.1.4保护电路35
5.2功率驱动板35
5.2.1驱动集成电路PM300CVA06035
5.2.2光耦电路36
5.3COFF文件格式36
5.4汇编语言的编程实现36
5.4.1主程序的实现37
5.4.2中断程序的实现37
5.4.3CAN总线通讯设计39
参考文献45
致谢48
附录ATMS320LF2407功能结构图49
附录B调速系统硬件结构原理图50
电动汽车驱动电机及控制系统
摘要:
随着石油资源的减少和人们环保意识的提高,电动汽车的发展越来越受到人们的重视,各大汽车公司都投入到了电动汽车的开发当中,我国也将电动汽车作为开发的重点,投入了大量的资金支持开发。
电动汽车的开发呈现一种欣欣向荣的景象。
本课题是电动汽车电机及控制系统,电动汽车采用永磁无刷直流电机作为驱动电机,本设计使用TI公司的TMS320LF2407DSP芯片作为其核心控制芯片,利用DSP芯片的高速计算能力和先进的外设,实现其驱动装置的全数字化控制。
其核心控制算法采用双闭环PID算法,采用了TMS320LF2407以后,不仅简化了系统的外围设备,降低了系统的功耗,而且还提高了系统的准确性和实时性,获得了更好的控制效果。
本论文重点进行了下面几个方面的研究工作:
了解稀土永磁无刷直流电机的工作原理;仔细研究了TMS320LF2407的结构和工作原理;控制方案的选择和制定;编写驱动装置控制器的软件部分;程序的调试和结果分析;CAN协议的研究和CAN通讯的实现。
实验证明了控制软件的正确性和控制方案的可行性。
关键词:
电动汽车,永磁无刷直流电动机,DSP,CAN,全数字化
TheDrivingElectricMachineryandtheControlSystemofElectricalVehicle
Abstract:
Alongwiththereduceofpetroleumresourceandenhancementofenvironmentprotectingconsciousness,electricmotorbecomesmoreandmoreimportanttopeople.Whatismore,somefamousmotormanufacturersbegintoresearchelectricmotor.ThegovernmentofChinahasalreadyploughalargequantityoffundintothedevelopmentofelectronicmotor..TMS320LF2407DSPofTIcorp.willbecomecoreofcontrolling.Usingspeedcalculatingcapabilityandadvancedperipheraldevicetorealizedigitalizedcontrolofdrivingdevice.Coreofcontrolarithmeticisdoubleclosedlooparithmetic.Exteriorfacilityofsystembecomesimple,reducespowerandenhancesveracitybyusingDSPchip.Thepaperemphasisonseveralworkdescribedasfollows:
Theoryofthuliumno-brushDCmotorwillberesearch.TheframeworkandtheoryofTMS320LF2407willberesearch.Selectingandestablishingthemethodofcontrol.Writingthesoftofcontrolarithmetic.Debuggingprogramandanalyzingresult.TheresearchofCANprotocolandtherealizationofCANcommunication.
Keywords:
ElectricalVehicle,BLDC,DSP,CAN,figure
第1章绪论
1.1电动车的发展背景分析
电动汽车是最近几年,汽车工业研究和开发的重点,全世界各大汽车公司全都投入了大量的资金进行电动汽车的开发,我国也将电动汽车作为汽车工业的重点发展方向。
1.1.1资源问题
研究表明,目前世界石油蕴藏量按现在的消耗量(消耗增量)仅可供50-70年,此研究已为世界所公认。
《中国国防报》2000年8月16日报道,中东地区的石油开采年限为87年,亚太地区为16年,北美为16年,欧洲为9年。
我国石油储量仅占世界2%,自1993年开始,我国己变为石油净进口国,2000年我国进口石油7000万吨,预计2005年后将超过1.5亿万吨,相当于科威特一年总产量。
随着我国进入汽车消费普及期,汽车拥有量将迅速增加,能源紧张状况将日趋严峻。
近年来,石油价格猛涨。
石油与国家安全密切相关,其作为一种战略物质大量进口必然受制于人,该问题己引起各国的极大重[1]。
1.1.2环保问题
从环境角度讲,我国的环境污染十分严重,世界环境污染最为严重的十大城市中,我国就占了7个。
汽车排出污染物有HO,HC.NOx和微粒等,它们会对人类的身体健康造成危害;另外,汽车排出的CO2虽然对人体的健康无害,但它会造成温室效应,破环大自然的生态平衡,对大气环境造成严重的影响。
特别是在中国加入WTO后,汽车关税逐年下降,2006年7月降到25%,进口汽车的环保性具有很强的竞争力。
发展电动汽车,实现汽车工业的可持续发展,已经形成了共识。
1.1.3汽车产业结构问题
面对国外竞争对手强大冲击,我国弱小的汽车工业举步维艰,新一代汽车,实现产业化,可以促进我国汽车工业实现跨越式发展发展。
开发电动车有两次高潮,一次是二战期间,当时汽油都用于战争;另一次是第一次中东战争期间,美国联合其他国家开发电动车,水平又有所提高。
目前各国电动车研发水平差距并不太大,基本在一条起跑线上。
因此,电动车的开发有利于调整我国汽车产业结构,提高竞争力,努力缩短与其他国家的差距。
1.1.4电动车目标市场分析
迫于能源与环保的压力,世界各大汽车公司无不涉足电动汽车领域,但是由于技术和经济上存在的各种困难,电动汽车要实现商品化还有相当长的路要走,而混合动力汽车技术相对较为成熟,由于采用了精湛的机电祸合技术和智能化的整车控制策略,从而实现整车的高性能、低能耗和低排放。
因此,日本、美国等多家汽车公司己经和正向市场推出各种混合动力汽车产品,最近欧洲六大汽车公司联合就混合动力汽车技术进行了研讨和综合论述,认为其技术成果有望使混合动力汽车的成本接近于传统汽车,使用户有能力支付,生产厂商也有利可图。
专家普遍评价:
混合动力汽车是21世纪初汽车产业界的一场革命,只有混合动力汽车才能满足世纪之初对汽车的环保与节能要求。
从国内市场来看,由于经济的持续快速增长,城市规模不断扩大,大型公交车数量将呈现迅速增加的趋势。
近年来,各大城市已纷纷将推广使用清洁公交车作为净空气、改善环境的一项重要措施,特别是北京申办2008年奥运会的成功,更为洁净型城市公交车的迅速发展提供了极佳的市场机遇。
1.2电动车行业的风险分析
电动汽车的开发也是具有很大的风险性,电动汽车的开发需要投入大量的资金和人力,这就不可避免的带来了产业的风险性。
1.2.1产业风险
电动汽车在社会与经济可持续发展过程中的作用是无可质疑的,电动汽车代表了21世纪汽车工业的发展方向,这是行业的共同认识。
但是,真正将电动汽车发展提上议事日程并完全产业化有待时日,这是因为在关键技术上还有待突破性的进展。
电动汽车某些技术的不成熟性似乎成了否定电动汽车发展的重要理由。
普通消费者在技术信心和环保意识方面的认识不到位,也成为了制约电动汽车产业迅速发展的重要因素。
1.2.2技术风险
蓄电池是电动汽车的动力源泉。
目前,制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想。
电动汽车蓄电池的主要性能指标是能量、功率和使用寿命等。
要使电动汽车能与内燃机汽车相竞争,关键是开发出能量高、功率大、使用寿命长、成本低的蓄电池。
此外,在控制系统等相关领域的技术也有待突破。
我国在电动汽车领域与国外同行的综合差距约为5年,较之传统汽车领域具有明显的后发优势。
但是,加入WTO之后,国内电动汽车将面临来自世界汽车跨国公司在电动汽车技术领域的强力竞争。
电动车的四大构件中,车架、控制器、电机已经不是问题,但电池仍是一大瓶颈。
国际上现有的解决方案有三种:
常规蓄电池(如铅酸、镍氢和锉离子电池),城内电动、郊外汽油的混合方式以及氢氧、铝空气、锌空气等燃料电池。
混合方式是最容易做到的,但只能是过渡办法;蓄电池最大的问题是重量太重,性能最好的铿电池速度快了又容易爆炸;在燃料电池中,氢氧燃料电池无疑是最好的,但储氢困难以及催化剂铂全球储量极低,使之在20到30年内很难商业化。
铝空气在充电时退氧还原很困难,锌空气的民用还需要时间。
1.3电动车行业的前景展望
我国政府十分重视电动车辆的研究和开发,在“八五”和“九五”期间,已先后将电动汽车列为国家重大科技攻关和产业工程项目。
“十五”国家863计划“电动汽车重大专项”是科技部己确定的12个重大科技专项之一,于2001年10月正式启动,国家直接投入大量的资金,资金投入量位居第二位。
电动汽车重大专项首批一共启动了5个整车课题,根据963课题管理“择优支持、动态调整”的原则,通过对前期课题执行情况进行验收、评审和答辩、国家科技部对项目单位、项目资源进行了整合、筛选,并在2003年实行课题滚动实施,进一步收缩战线,加大支持力度。
在今后5年里,该项目将获得国家10亿元资金的支持,同期地方和企业配套的资金合计约40亿元。
因此,随着国家“十五”863电动汽车重大科技专项的正式启动,全国各地将掀起一股研制和开发电动汽车热潮,产业化步伐将明显加快,我国汽车工业开始面临由传统内燃机汽车向电动汽车转型的关键时期。
1.4本课题研究的内容和意义
本课题采用的驱动电机为稀土永磁无刷直流电机,控制器主要是采用德州仪器公司的2000系DSP中的TMS320LF2407作为核心控制芯片,利用其先进的外设和高速的运行速度实现无刷直流电机的全数字化控制和提高控制系统的性能。
采用TMS320LF2407进行全数字化有下面几点意义:
(1)采用了TMS320LF2407进行全数字化设计后,控制器的体积较以前模拟控制器的体积将大为减小,这样更有利于在电动汽车上进行安装。
(2)采用了TMS320LF2407进行全数字化设计后,利用DSP的高速的计算速度可以进一步提高控制的准确性和实时性,从而实现更好的控制效果。
(3)采用了TMS320LF2407后进行全数字化设计后,利用TMS320LF2407的高速的计算速度可以通过数字滤波等方法进一步提高控制器的抗干扰的能力,降低控制器对工作环境的求。
本课题实现过程中的关键性技术问题主要有:
磁极位置检测、PWM波的产生和电动机速度的控制。
第2章稀土永磁无刷直流电动机的组成与原理
2.1电动汽车用电动机的种类
作为电动汽车的驱动装置有交流电机和直流电机两种选择。
因直流电动机控制系统简单,不需要逆变装置,响应快速性好,因而在早期被广泛的使用。
但是直流机采用电刷和换相器进行电流换相,会产生电火花并有磨损,加上直流机体积、重量都较大等缺点,使人们一直在思索一种更好的驱动系统。
随着电力电子技术的迅速发展,最近的电动汽车上已经开始大量的采用交流电机。
电动汽车中用的电机,到目前为止主要是直流电机、开关磁阻电机、改进了控制性能的感应电机和永磁无刷直流电机等。
永磁无刷直流电机同其它电机相比具有几个明显优点:
①永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相,故克服了任何由电刷引起的问题。
②永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上,故导热性能好,产生的热量更容易散发出去;结构也变得简单,并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少。
③它的效率与转速永远保持同步关系,不会发生失步、震荡等现象。
它的起动、调速特性类似于直流电机,控制简单,同时也克服了同步机的缺点,又具有功率因数好的优点。
有刷直流电动机作为控制用电动机,有着优良的特性。
如果把作为有刷直流电动机唯一缺点的机械换向机构用电子元件替代,去掉电刷和换向器,则有刷直流电动机就变成了无刷直流电动机。
为实现电子逆变,必须检测转子的磁极位置、使用半导体开关元件。
但直接把以前的电动机的换向机构进行电子化并不是良策,经过不懈的努力变成了现在的能方便实现无刷换相的电动机结构形式--稀土永磁无刷直流电机。
2.2组成环节
稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、逆变器(电子开关线路)和转子位置传感器三部分,如图2.1所示[4]。
图2.1无刷直流电机的结构
当某一相定子绕组通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生电磁转矩,驱动转子旋转。
由转子位置传感器将转子磁钢的位置变换成电信号,去控制电子开关线路,使定子各相绕组按一定次序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。
由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换向器的换向作用。
因此,所谓稀土永磁无刷直流电动机,就其基本结构而言,可以认为是一台由电动机本体、电子开关线路、以及转子位置传感器三者组成的“电动机系统”。
2.2.1电动机本体
稀土永磁无刷直流电动机所采用的电动机本体,在结构上与稀土永磁同步电动机相似,但是没有笼形绕组和其它起动装置。
其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由稀土永磁体按一定极对数(2p=4.)组成。
电动机转子的稀土永磁体磁钢与稀土永磁有刷电动机中所使用的永久磁钢作用相似,均是在电动机的气隙中建立足够的磁场,其不同之处在于无刷直流电动机中永久磁钢安装在转子上,而有刷直流电动机的磁钢安装在定子上。
2.2.2逆变器
稀土永磁无刷直流电动机的逆变器用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间,主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。
功率逻辑开关单元是控制电路的核心,其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子上各相绕组,以便使电动机产生持续不断的转矩。
而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。
但位置传感器所产生的信号一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元,往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开关单元。
逆变器主电路有桥式和非桥式两种,虽然电枢绕组与逆变器的联接形式多种多样,但应用最广泛的是三相星形六状态和三相星形三状态。
早期的无刷直流电动机的逆变器多由晶闸管组成,由于其关断要借助于反电动势或电流过零,造成换流困难,而且晶闸管的开关频率较低,使得逆变器只能工作在较低频率范围内。
随着新型可关断全控型器件的发展,现在的逆变器在大功率、低频时多由GTO,GTR器件组成,在中小功率的电动机中逆变器多由功率MOSFET或IGBT构成,具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点。
2.2.3转子位置传感器
转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置,并向控制器提供位置信号的一种装置。
它有直接式和间接式两类。
直接式位置传感器,由于其检测精度和可靠性高而被广泛采用。
典型的直接式位置传感器有下列几种:
(1)光电式它是由发光二极管和光敏晶体管等光电元件组成的电路,利用有槽口的旋转圆盘的位置进行通断变化。
这种方法检测分辨率高,适用于高速运转的电动机。
(2)电磁式它是由跟随着电动机转子转动的带缺口的导磁圆盘和固定不动的三只差动变压器组成。
转动圆盘体现转子位置信号,差动变压器作为检测元件检测转子位置信号并向逆变器的控制电路输出控制信号。
这种方法结构简单、检测可靠,经常采用。
(3)磁敏式常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种。
其主要工作原理是电流的磁效应,这包括霍尔效应和磁阻效应。
它的转子是永磁结构,其极数与同步电动机的一样,而定子用霍尔元件等磁敏元件来感受转子磁极位置,发出相应信号。
这种方法信号较弱,且精度易受温度影响,但体积较小,多用于中小型电动机。
(4)接近开关式利用磁性旋转圆盘的远近来改变固定部分的电感,并利用振荡条件的变化建立通断信号。
这种方式结构简单,输出电平高,适用于大中型电动机。
间接式位置传感器是利用电枢绕组的感应电动势间接检测转子位置。
但是种方法只能在有感应电动势的情况下有效。
2.3工作原理
一般的直流电机由于电刷的换向,使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩,使电动机运转。
无刷直流电动机的运行原理和有刷直流电动机基本相同,即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下,保证电枢绕组中通过的电流总量恒定,以产生恒定的转矩,且转矩只与电枢电流的大小有关。
BLDC的运行还需要转子位置检测器检测出转子位置信号,通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关的导通与关断,从而控制定子绕组的通电,在定子上产生旋转磁场,拖动转子旋转。
随着转子的旋转,位置传感器不断的送出信号,以改变电枢的通电状态使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变,因此就可以产生恒定的转矩使BLDC电动机运转起来。
由于转子的气隙磁通为梯形波,由电机学原理可知,电枢的感应电动势亦为梯形波,大小与转子磁通和转速成正比。
BLDC电动机三相电枢绕组的每相电流为120。
通电型的交流方波,反电动势为120“梯形波。
只要控制逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。
但是定子方波电流的通电时刻与感应电动势波形、转子磁极位置有严格的对应关系,不然会产生大的转矩脉动,使平均转矩减小。
BLDC三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。
三相半控电路的特点是简单,一个可控硅控制一相的通断,每个绕组只通电1/3的时间,另外2/3时间处于断开状态,没有得到充分的利用,在运行过程中的转矩波动较大,从Tm/2到Tm。
所以最好采用三相全控式电路。
如图2.2示出了一种三相全控电路,在该电路中,电动机的绕组为Y联结。
V1,V2......V6为六个功率器件,起绕组的开关作用。
采用两两通电,三相6状态方式,所谓两两通电方式就是指每一个瞬间有两个功率管导通,每隔1/6周期(60。
电角度)换相一次,每次换相一个功率管,每个功率管一次导通120。
电角度。
各功率管导通顺序一次是TIT6-TIT2-T3T2-T3T4-T5T4-T5T6。
图2.2BLDC三相全控电路
如图2.3所示,就是在这种换相方法下的绕组导通顺序。
功率管各有三个状态,即高阻状态(F)绕组不导电;高电压状态(H)绕组接到电源正端,有电流六入;低电压状态(L),绕组接到电压负端,有电流流出。
图2.3定子三相电流导通顺序
相电流和相电动势波形如图2.4所示,各相电流每次导通时间均为120°电角度。
图2.4理想的相电流和相电动势波形
第3章TMS320LF2407简介
3.1DSP的发展现状
当前,电子产品正在经历着从模拟到数字的转化,在这场数字化的革命当中,DSP器件适时而动,取得了飞速的发展,成为集成电路中紧随微处理器与微控制器之后,升起的又一颗引人注目的“明星”。
DSP从广义上可以翻译为数字信号处理,而狭义上又可以翻译为数字信号处理器。
它属于MPU的范畴,它的发展大致可以分为以下四个阶段:
20世纪60到70年代,是数字信号处理的理论研究阶段,比较有代表性的著作是《DigitalSignalProcessing》。
在此阶
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 自动化论文电动汽车驱动电机与控制系统 精品 自动化 论文 电动汽车 驱动 电机 控制系统