寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系 陳光絨

1.概述

當(dāng)今石油資源匱乏與環(huán)境保護(hù)的緊迫需求，對汽車工業(yè)的發(fā)展提出了新的要求，那就是：低噪聲、零排放和節(jié)能等，電動汽車正是當(dāng)今汽車工業(yè)籍以解決能源、環(huán)保等問題可持續(xù)發(fā)展的最重要途徑，而以輪轂電機(jī)為驅(qū)動的電動車既可以消除傳統(tǒng)傳動中的機(jī)械磨損與損耗，提高了傳動效率，又具有體積小和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，使得提高效率的同時，車輪空間也能得到有效利用，更有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化和現(xiàn)代控制技術(shù)；ARM7系列微處理器，作為32位嵌入式處理器，以其極高性能、低功耗、豐富的片上資源、小體積等特性，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于移動電話、手持式計(jì)算機(jī)、汽車等各領(lǐng)域，成為極具市場競爭和前景的處理器[1]。本設(shè)計(jì)方案基于PHILIPS公司的ARM7TDMI-STM處理器LPC2132，分別控制兩個無刷直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動汽車兩后輪獨(dú)立驅(qū)動，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了可靠設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并最終在實(shí)踐中進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.無刷直流電機(jī)及驅(qū)動控制

無刷直流電動機(jī)是由轉(zhuǎn)子位置傳感器、電動機(jī)本體以及電子開關(guān)電路組成。其工作原理如下：由位置傳感器（霍爾傳感器）定時動態(tài)檢測轉(zhuǎn)子所處的位置，并根據(jù)此位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通或截止，從而控制定子繞組通電與斷電，即實(shí)現(xiàn)了電子換向功能，并使電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1是三相聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動電路，其中，開關(guān)管Q1、Q3、Q5采用P溝道MOSFET功率管，柵極為低電平時MOSFET管導(dǎo)通，VD1、VD3、VD5為相應(yīng)的保護(hù)二極管；開關(guān)管Q2、Q4、Q6采用N溝道MOSFET功率管，柵極為高電平時MOSFET管導(dǎo)通，VD2、VD4、VD6為相應(yīng)的保護(hù)二極管。其中位置傳感器的3個輸出端通過特定的邏輯電路控制Q1-Q6開關(guān)管工作(導(dǎo)通或截至)，其控制方式有兩種：“三三導(dǎo)通方式[2]”與“二二導(dǎo)通方式”。全橋式

驅(qū)動下的繞組又分為星形聯(lián)結(jié)和角形聯(lián)結(jié)，其聯(lián)結(jié)方式如圖2所示。

三三導(dǎo)通方式”指的是每次使3個開關(guān)管同時導(dǎo)通，在圖1中，各開關(guān)管的導(dǎo)通順序?yàn)椋篞1、Q2、Q3--﹥Q2、Q3、Q4--﹥Q3、Q4、Q5--﹥Q4、Q5、Q6--﹥Q5、Q6、Q1--﹥Q6、Q1、Q2?！叭龑?dǎo)通方式”在實(shí)際工作時又可以分為六種控制方式，每隔60°改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個開關(guān)管，每個開關(guān)管導(dǎo)通180°。在每種狀態(tài)下，其合成轉(zhuǎn)矩的大小都是單相轉(zhuǎn)矩的1.5倍[3]。

在本文中使用三相全橋星形聯(lián)結(jié)，采用“三三導(dǎo)通方式”，驅(qū)動電路中MOSFET管的導(dǎo)通或截止由相應(yīng)的軟件來控制，即根據(jù)位置傳感器的檢測信號來提取相應(yīng)的MOSFET管對應(yīng)的控制字，并通過特定的邏輯電路控制MOSFET管，實(shí)現(xiàn)對MOSFET管導(dǎo)通或截止控制，

從而實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)作出換相控制，使電機(jī)能連續(xù)運(yùn)行。[4]電機(jī)方向的控制只是上述功率MOSFET管的導(dǎo)通順序不同，也就是所提取的控制字不同。無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，可以采用PWM(脈寬調(diào)制)方法來控制電機(jī)的通電電流，在此不做詳細(xì)描述。

3.雙驅(qū)電動車控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本論文控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想是利用一個CPU控制兩個無刷直流電動機(jī)，是為實(shí)現(xiàn)電動汽車的后輪分別獨(dú)立驅(qū)動而設(shè)計(jì)的。在電動汽車控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對兩個無刷直流電機(jī)的電機(jī)速度調(diào)節(jié)、正反轉(zhuǎn)控制，開始和停止控制等功能。這里采用PHILIPS公司LPC2100系列中的LPC2132[5]作為中央處理器。LPC2132是基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，內(nèi)嵌高速64K字節(jié)Flash存儲器，其寬范圍的串行通信接口和豐富的片內(nèi)資源（如32位定時器x4個、PWM通道x6個、10位8路ADC和10位DAC，另外具有47個通用I/O口以及9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷源）使其具有強(qiáng)大的處理功能，并具有很強(qiáng)的抗干擾能力，特別適用于工業(yè)控制。電動車智能控制系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，下面給出幾部分功能的硬件設(shè)計(jì)圖。

3.1 電源設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的電源由4塊12V大容量鉛蓄電池串連后提供48V直流電，而系統(tǒng)中的工作電壓還有+3.3V、+5V和+15V，因此采用常用的穩(wěn)壓電源芯片LM7824、LM7815、1117-3.3和1117-5產(chǎn)生所需各組電壓，具有可靠、穩(wěn)定、簡單的特點(diǎn)。如圖4所示。

3.2 全橋驅(qū)動電路的邏輯控制電路

換相控制邏輯包括根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置控制電橋上下橋臂，正確給出繞組通電；通過對繞組通電的時間比例控制速度；對電橋?qū)嵤┧绤^(qū)保護(hù)，防止燒毀MOSFET和驅(qū)動電路。所以設(shè)計(jì)的邏輯控制電路具有以下特點(diǎn)：采用邏輯門電路與RC延時電路，避免了控制時出現(xiàn)死區(qū)；另外增加了電機(jī)繞組續(xù)流功能，保護(hù)了控制管。兩個電機(jī)的電橋邏輯控制電路一樣，這里給出了其中一路，如圖5所示。

3.3 霍爾位置傳感器接口電路

無刷電機(jī)內(nèi)置的三個位置傳感器（霍爾）采用5V電源供電，由于電機(jī)內(nèi)部電磁場的作用以及工作時的干擾，對霍爾位置傳感器及其電路的電源要求非常高，[6]這里我們采用獨(dú)立電源供電，此外對傳感器脈沖檢測電路進(jìn)行了濾波處理（同時在軟件中也做了相應(yīng)的處理），以提高抗干擾能力，這里圖6霍爾位置傳感器接口電路僅畫出其中一路，具體電路如圖6所示。

3.4 電橋驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

如圖7所示，全橋驅(qū)動電路的每一相都由上、下臂組成，這里給出了其中一相的電原理圖。

其中上橋的控制信號高電平有效，下橋的低控制信號電平有效。針對MOSFET的D-S導(dǎo)通時存在導(dǎo)通電阻Ron，同時考慮電機(jī)工作電流較大，這里采用專用驅(qū)動芯片IR2103[7]，可以解決死區(qū)保護(hù)等各種問題。

圖1 三相聯(lián)結(jié)全橋驅(qū)動電路

圖2 三相星形和角形聯(lián)結(jié)

圖3 電動車智能控制系統(tǒng)總體框圖

圖4 系統(tǒng)電源電路

圖5 全橋驅(qū)動的邏輯電路控制電路

限于篇幅，其它接口包括串口通信、模擬采集、油門電路輸入、轉(zhuǎn)彎電壓輸入、過流采樣、電池電壓采樣等原理圖沒有一一列出。

4.控制軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對電動汽車的智能控制，本系統(tǒng)中軟件包含以下功能模塊：兩個無刷直流電機(jī)位置檢測模塊、電機(jī)換相邏輯控制模塊、速度調(diào)節(jié)模塊（轉(zhuǎn)速采樣、PWM正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)、PID控制等）、安全管理模塊、電子差速轉(zhuǎn)彎模塊、串口通信模塊等功能。系統(tǒng)軟件編程采用模塊化結(jié)構(gòu)，以增加調(diào)試的靈活性、修改的方便性、移植的通用性。軟件包括主程序、中斷程序和相應(yīng)的功能子程序[8]。主程序流程圖如圖8所示，主程序主要完成對控制寄存器、數(shù)據(jù)信息單元的初始化以及對各模塊的響應(yīng)。程序啟動后首先是進(jìn)行初始化，然后對電機(jī)狀態(tài)檢測并進(jìn)入啟動模塊以及速度管理模塊，在出現(xiàn)異常時進(jìn)入安全管理模塊，并通過串口向外部發(fā)送車輛狀態(tài)信息。下面簡單介紹下幾個主要模塊。

圖6 霍爾位置傳感器接口電路

圖7 全橋驅(qū)動電路

圖8 系統(tǒng)主程序流程圖

4.1 系統(tǒng)初始化

本系統(tǒng)采用11.0592MHz(Fosc)晶體振蕩器，處理器工作頻率為4倍主頻即44.2368MHz；TIMER0的0通道中斷實(shí)現(xiàn)霍爾位置信號查詢以及軟件定時，設(shè)置為IRQ中斷，分配為最高中斷優(yōu)先級，以確保電機(jī)換相最快響應(yīng)；AD轉(zhuǎn)換器頻率設(shè)置在1MHz，由軟件定時啟動轉(zhuǎn)換，并采用查詢標(biāo)志位（AD完成標(biāo)志位）方式確定轉(zhuǎn)換結(jié)束并讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)；在PWM通道0產(chǎn)生0.1ms（相當(dāng)于10KHz）的PWM波，通道2和4在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生占空比可調(diào)的波分別控制兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速；串口以57600的波特率定時向外發(fā)送電機(jī)相關(guān)信息，1個起始位，8位數(shù)據(jù)，無奇偶校驗(yàn)位，1個停止位。

4.2 模擬量采集

油門采樣電壓、驅(qū)動電機(jī)過流采樣電壓、轉(zhuǎn)彎角度傳感器采樣電壓和電池欠壓采樣電壓通過模擬開關(guān)4051（8通道選1）切換后輸入片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換器（AD0.7通道），其中通道選擇控制信號由CPU的P1.2～P1.0實(shí)現(xiàn)。由于采樣電阻上的電壓比較小，因此在采樣輸出端和模擬開關(guān)間加一級放大電路，對采樣電壓進(jìn)行適當(dāng)放大，并用跟隨器隔離，保證系統(tǒng)靈敏、可靠、安全。

4.3 PID控制

PID控制算法比較普遍，這里直接給出離散PID表達(dá)式[9]：

其中：i為采樣序號；ui為第i次采樣時刻的輸出值；ei為第i次采樣時刻輸入的偏差值；e為第i-1次采樣時刻輸入的偏差值；Kp為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；u0為PID控制的原始初值。

由(1)可得到第i-1個時刻的輸出值，與(1)相減后得輸出值增量：

確定了上述三項(xiàng)的系數(shù)，就可以根據(jù)前后三次測量值的偏差，計(jì)算出控制增量，用此增量去控制PWM波的占空比，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制與調(diào)整。

（4）電子差速

由Ackermann-Jeantand[3]模型得到：

其中δ為電動車前輪角度；Rin、Rout為兩后內(nèi)外輪的轉(zhuǎn)彎半徑；B、L分別為車體寬度和長度。在計(jì)算中只需計(jì)算出轉(zhuǎn)彎時內(nèi)側(cè)輪目標(biāo)速度，外側(cè)輪目標(biāo)速度由式(3)得到，實(shí)現(xiàn)電子差速。

5.實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

本文基于LPC2132設(shè)計(jì)了電動汽車后兩輪獨(dú)立驅(qū)動控制系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)兩組PWM占空比值，實(shí)現(xiàn)對兩個輪轂電機(jī)的同時調(diào)速。通過智能控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退、自動巡航、轉(zhuǎn)向燈指示、電子差速等功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明整車控制效果良好，已經(jīng)達(dá)到實(shí)用指標(biāo)。

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