电动汽车控制系统设计设计
电动汽车控制系统设计设计
摘要
在当前全球汽车工业面临金融危机和能源环境问题的巨大挑战的情况下，发展电动汽车，利用无污染的绿色能源，实现汽车能源动力系统的电气化，推动传统汽车产业的战略转型，在国际上已经形成了广泛共识。
本课题以电动汽车他励电机控制器为例，以实现电动汽车的加、减速，起、制动等基本功能以及一些特殊情况下的处理。以开发出高可靠性、高性能指标、低成本并且具有自主知识产权的电动汽车电机驱动控制系统为目的。主要包括硬件电路板的设计，以及驱动系统的软件部分的仿真调试。
在驱动系统硬件设计中，这里主控制芯片采用ATMEL公司的ATmega64芯片。功率模块采用多MOSFET并联的方
37
式，有效的节约了成本。电源模块采用基于UC3842的开关电源电路。选用IR 公司的IR2110作为驱动芯片，高端输出驱动电流可到1．9A，低端输出驱动电流可到2.3A，能够提供7个MOSFET并联时驱动电流。对于电流检测模块，本文没有采用电流传感器或者是康铜丝,而是采用了一种基于MOSFET管压降的电流检测电路，这种方式即节约了成本也保证了检测精度。
驱动系统的软件设计中，主要实现的功能为：开关量的检测处理，故障检测，串口通讯，励磁、电枢控制，报警功能等。针对他励电机电动汽车的控制特性，提出了节能控制算法和最大转矩控制算法，用于提高电动汽车的续航里程和加速性能。
他励直流电动机驱动系统能够很
37
好的运行在电动汽车上，性能可靠、结构简
单，并且节约了成本，使电动汽车的性价比大大提高，有利于电动汽车的普及。
关键词：电动汽车，ATmega64，他励直流电机，PID模糊控制
37
目录
摘要 (1)
第一章绪论
1.1纯电动汽车在国内的发展状况 (3)
1.2 国外电动汽车发展现状 (3)
1.3 本课题的任务和主要工作 (4)
第二章他励电动机的控制理论基础2．1他励直流电动机的调速与制
37
动 (5)
2．1．1直流电动机电枢电动势和电磁转矩 (5)
2．1．2 他励直流电动机的机械特性 (6)
第三章系统的硬件设计
3．1系统硬件的整体设计方案 (10)
3．2主控制器MCU的介绍 (10)
3．2．1 MCU的选择 (10)
3．2．2 ATmega64的特性与内部结构………………………………………
37
(11)
3．3开关电源模块 (12)
3．4电流检测模块 (13)
3．5驱动电路的设计 (16)
3．6电压检测电路 (17)
3．7温度检测电路 (18)
3．8加减速踏板信号检测电路………………………………………
37
(19)
3．9 开关量输入信号 (20)
3．10蜂鸣器报警电路 (20)
3．11通讯模块电路设计 (21)
3．12硬件抗干扰的设计 (22)
3．13本章小结 (23)
第四章系统的软件设计
4.1 电动汽车的控制策略研
37
究 (24)
4．1．1再生制动控制策略 (24)
4．1．2驱动控制策略 (24)
4．2 主要任务模块的详细设计 (26)
4．2．1主程序 (26)
4．2.2 励磁、电枢PWM控制模块 (27)
4．2．3 电动机速度测
37
量 (28)
4． 3 本章小结 (29)
第五章总结 (30)
参考文献 (31)
第一章绪论
1.1 纯电动汽车在国内的发展状况
与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如荼的进行着：“十五”期间，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发
37
展的战略高度考虑，设立“电动汽车重大科技专项’’，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。为此，从2001年10月起，国家共计拨款8．8亿元作为这一重大科技专项的经费【1】。
我国电动汽车重大科技专项实施4年来，经过200多家企业、高校和科研院所的2 000多名技术骨干的努力，目前已取得重要进展：燃料电池汽车已经成功开发出性能样车，燃料电池轿车累计运行4000km，燃料电池客车累计运行8000km：混合动力客车已在武汉等地公交线路上试验运行超过140000km：纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家有关认证试验。
国内主要汽车制造商对纯电动汽
37
车的开发和研制也投入了相当的人力和物力，并取得了一定的成果。北京奥运会期间，奇瑞、长安、东风、一汽、京华及福田等汽车生产企业联合清华大学、北京理工大学等单位，向社会提供了自主研发的55辆纯电动锂电池汽车、25辆混合动力客车、75辆混合动力轿车、20辆燃料电池轿车，以及400辆纯电动场地车等各种新能源汽车为奥运会服务。奥运会后，科技部还将计划连续3年在国内10个以上有条件的大中城市开展千辆级混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车、以及提供基础设施的大规模示范，到2010年底节能与新能源汽车达到1万辆。
最近，比亚迪公司新推出一款商业化的电动汽车比亚迪e6，为我国电动汽车产业做出了重大贡献。
37
1.2 国外电动汽车发展现状
近二十多年来，西方工业发达国家把电动汽车的研究开发看是作解决环
境问题和能源问题的一种有效手段。美国政府动员全美所有科研机构进行电
动汽车(Electric vehicle，简称EV)
的研究，在1991年，美国通用汽车公司、福特汽车公司、克莱斯勒汽车公司共同协议，成立了“先进电池联合体”(USABC)，共同研发新一代电动汽车所需要的高性能电池。为实现新的节能车而能保持现有汽车的价格和性能，美国先后推出了PNGV、Freedom CAR、AVP
计划。法国政府推出“PREDIT m--2002／2006"计划，并给购买EV的用户提供5000法郎的补贴。
德国政府同9个主要公司签订了一份理解备忘录，为创建一个清洁能源城
37
市(柏林)而结成同盟。英国、意大利等欧洲国家都在开展电动汽车的研发工作。而日本政府更是特别重视电动汽车的研究和开发。1998年日本东京电力公司联合日本电池公司，共同开发了“ZA 一牌电动汽车，该电动汽车采用了高新技术，使其具有当时EV的世界最高水平。而丰田汽车公司在1996年就已成功地研制出燃料电池汽车的生产样车，并先于其他汽车厂家在1997年开始批量生产混合动力电池汽车，成为环保技术领域和世界电动汽车产业化的领头羊。以上各国政府在大力扶持大型汽车集团的同时，纷纷通过制定环保和节能法规，采取投资、税收优惠、政府补贴促进消费的政策，旨在抢占电动汽车产业制高点。代表着当代EV先进水平的福特汽车公司的Think、通用汽车公司的
37
Impact、丰田汽车公司的E．corn、Prius 电动汽车、本田公司的Civic电动汽车正是这种竞争的产物。
1.3 本课题的任务和主要工作
本文在广泛查阅相关文献的基础上，设计基于ATmega64的他励电机电动汽车控制系统。本文的主要工作归纳为以下几点：
1．介绍了他励电动机的控制理论基础与调速系统的仿真，为后章系统硬件与软件的设计做好了准备。
2. 讨论系统的硬件设计。详细讨论了开关电源模块电路、电流检测电路、串口通信电路、驱动电路、及抗干扰电路的设计。
3. 讨论系统的软件设计。设计系统的程序整体框架、各任务模块程序、中断服务程序和抗干扰程序。
37
4. 进行系统调试与实验。系统设计完成后进行硬件调试和软件调试，搭建实验平台，记录实验数据及图表，进行实验分析。
37
第二章他励电动机的控制理论基础2．1他励直流电动机的调速与制动为了满足各种生产机械对负载转矩特性的要求，在实际应用中需通过设法改变电动机的各种控制参数来达到所需的人为机械特性。由于他励直流电动机的可控参数多，易实现所需要的人为机械特性，所以在直流调速中较多地采用他励直流电动机，电动汽车中一般也是选用他励直流电动机作为直流驱动电动机。因此，需要给出直流电动机电枢电动势和电磁转矩的两个数学公式，从而导出他励直流电动机的机械特性数学方程式，即电动机的电磁转矩和
37
转速之间的函数关系式n=f(t)，然后才能说明如何改变方程式中的相关参数来获得所需人为机械特性。
2．1．1直流电动机电枢电动势和电磁转矩
1)电枢电动势。电枢电动势是指直流电动机正常工作时，电枢绕组切割气隙磁通所产生的电动势。无论是发电机还是电动机，只要电枢旋转切割磁通就有电枢电动势。根据前述直流电动机的结构原理可导出直流电动机电枢电动势Ea为：
（2.1）
式(2．1)中 P——电动机极对数；
N——电枢绕组总的导体数；
a——电枢绕组的支路
37
对数；
φ——电动机每极磁通(Wb)；
n——电动机转速(r ／min)；
c（e）——电动势常数。
2)电磁转矩。电磁转矩是指直流电动机的电枢绕组流过电流时，这些载流导体在磁场中所受力而形成的总转矩。同样按直流电动机的结构原理可推得直流电动机的电磁转矩T为：
（2.2）
式(2．2)中 I（a）——电枢电流(A)；
C（t）——转矩常数。
37
电动势常数C(e)和转矩常数C(t)都是决定于电动机结构的数据，对于一台已制的电动机C(e)和C(T)都是恒定不变的常数，并且从式(2．1)和式(2．2)可知两者之间的关系为：
2．1．2 他励直流电动机的机械特性得出他励直流电动机的机械特性数学方程式：
(2.3)
式（2.3）中 R（a）——电枢绕组内电阻；
R（c）——电枢外串联电阻；
n(0) ——理想空载转速；
37