电动车控制系统设计
物理与电子工程学院
《自动控制原理》课程设计报告书
设计题目电动车控制系统设计
专业：自动化
班级： 2012级自动化二班
学生姓名: 金世传
学号: 2012341232
指导教师：樊炳航
2015年6月22日
物理与电子工程学院课程设计任务书
专业：自动化班级： 2012自动化本科2班
摘要
本设计依据经典自动控制原理，首先在理论上从时域和频域两个方面分析了火星漫游车转向控制系统的稳定性，并借助仿真软件MATLAB（矩阵实验室）绘制了其频域特性图像。最后使用校正原理中串联超前校正法和三频段概念对该系统在频域上进行了串联超前校正，使其达到一定的稳定要求。在分析的过程及校正的过程中大量使用了仿真软件MATLAB（矩阵实验室），其绘制出来的曲线精准、清晰，保证了结果的可靠性和准确性。
关键词：电动车控制；自动控制原理；MATLAB
目录
0 引言 ......................................................................................... - 1 -
1 概述 ......................................................................................... - 1 -
2 数学模型.................................................................................. - 2 - 3系统稳定性分析.......................................... 错误！未定义书签。
3.1时域分析法............................................ 错误！未定义书签。
3.2根轨迹分析法........................................ 错误！未定义书签。
3.3频域分析法............................................ 错误！未定义书签。
4 心得体会.................................................................................. - 8 - 参考文献 ..................................................................................... - 8 -附录 ............................................................................................. - 1 -
0 引言
随着时代的变迁，电动车已成为未来交通工具的主力军。电动车环保节能，制造工艺简单，可以大批量生产，使用方便，不仅如此，还可以回收利用，是新时代发展前进的科技产物，未来有很大的发展空间。
1 概述
本设计的主要目的是研究电动车控制系统的稳定性分析。
如图1-1（a），是近年来使用广泛的电动车，该电动车以电池为储能元件，后轮和前轮是由电动机将电能转化为动能，提供行驶的动力。配合车档位的油门装置实现调速功能。其原理图如图1-1（b）
图1-1(a)
图1-1（b）
2 数学模型
2.1 整流装置数学模型
经过查阅相关资料，整流装置采用由MOSFET、IGBT或GTO等全控型电力电子器件构成的桥式电路，可近似看作为一阶惯性环节，则整流装置的数学模型为：
式(2-1-1) 式中，为电力电子器件的放大倍数，为桥式整流电路的失控时间
2.2他励直流电动机动态数学模型
他励直流电动机在额定励磁下的等效电路如图2-2-1所示，假定动态主电路电流连续，动态电压方程如式（2-2-1）。
式(2-2-1) 忽略粘性摩擦，则电动机轴上的动力学方程如式（2-2-2）。
式(2-2-2)
其中，是包含电机空载转矩在内的负载转矩，是电力拖动装置折算到电动机上的飞轮惯量。
额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别如式（2-2-3）和（2-2-4）所示。
式(2-2-3)
式(2-2-4)
其中，是电动机额定励磁下的转矩系数
为方便计算，我们定义下列时间常数：
表示电枢回路电磁时间常数，式(2-2-5)
表示电力拖动系统机电时间常数，式(2-2-6) 将式（2-2-3）、式(2-2-4)、式(2-2-5)和式(2-2-6)代入式(2-2-1)和式(2-2-2)中，整理可得：
式(2-2-7)
式(2-2-8)
式中为负载电流，
在零初始条件下，对式(2-2-7)和式（2-2-8）进行拉普拉斯变换，最后便可得到下列式（2-2-9）和式（2-2-10）。
式(2-2-9)
式(2-2-10)
将式（2-2-9)和式（2-2-10)绘制成结构框图得
图2-2-1 电动机模型
忽略电动机的负载扰动，也即忽略
，则电动机的数学模型如下：
式(2-2-11)
为了方便计算，暂且人为设定电动机的各参数：1l T s =， 1.8m T s =，
1.32min/e C V r =?，2s K =，0.1s T s =，再
2.1章节结合本章节内容便可得到图1-1-2所示的电动机控制系统的结构框图，如图（2-2-2）所示
图2-2-2 系统结构框图
3系统稳定性分析
3.1时域分析法
忽略转速调节控制器ASR ，则可以得到图2-2-2所示系统在单位负反馈下的闭环传递函数如式（3-1-1）所示：
3
442)(230+++=
S S S S G 式(3-1-1)
使用MATLAB 绘制的单位阶跃响应如图3-1-1所示，（程序见附录1）
图3-1-1 单位阶跃响应 由闭环传递函数可知，该系统是一个高阶系统，其闭环极点和零点在左半s 开平
面上虽有各种分布模式，但距虚轴的距离各有不同，距虚轴最近的极点周围没有闭环零点，其他的极点又远离虚轴，则这个极点岁时间的推移衰减速度缓慢，在系统的响应过程中起到主导作用，这样的闭环极点称作闭环主导极点。
对与高阶系统，其动态性能指标的确定比较复杂，工程上常采用闭环主导极点的概念对高阶系统进行近似分析。 根据式（3-1-1)求得极点为:
1P =（-3，0）， 2P =（-0.5，-1.5）
3P =（-0.5,1.5 ）
使用matlab 绘制的零极点分布图如图3-1-2：（程序见附录2）
图3-1-2 0()G s 系统零极点分布图
在图3-1-2中，可以明显的看出，2P 和3P 这对共轭复根最靠近虚轴，并且1P 这个极点远离2P 、3P ，则可以认为2P 和3P 这对极点为主导极点。
根据主导极点的概念，可以用主导极点构成的二阶系统的动态性能指标进行
对三阶系统的评动态性能估。2P 、3P 组成二阶系统为：
11
)(2
1++=S S S G 式(3-1-2)
3.2根轨迹分析法
1、根轨迹的起点和终点
由图2-2-2可得到系统的开环传递函数如式(3-2-1）所示，根轨迹的起点为 （-10，0）、（ -0.5，0.553）、（-0.5，-0.553），终点为无穷远处。
1442
)s (230+++=
S S S φ 式(3-2-1）
2、根轨迹的分支数、对称性、连续性 分支数为3，关于X 轴对称。
3、根轨迹的渐近线
式(3-2-2）
由式(3-2-2）解得与实轴的交角a ?,K=0、1、2时：π/3、π、5π/3。
式(3-2-3）
由式(3-2-1）开环系统传递函数可得，n
=-4，m =0，则根据式(3-2-3）可
以求得
=-1.33，则渐近线和实轴交点为（-1.33,0）。
4、根轨迹在实轴上的分布
根轨迹的分布区间为：[-1，-0.38]、[-∞ -2.63]。 5、根轨迹的分离点与分离角
由公式
可解得分离点：d=-0.667。
6、与虚轴的交点
令s=j ω,代入式(3-2-1），同时使实部为0，可以解得和虚轴的交点为（0,2）和（0，-2）。
使用matlab 绘制的根轨迹图如图（3-1）。（程序见附录3）
图 3-2-1
0()s
?系统的根轨迹
根据根轨迹图， K在[0 0.0926]区间内，有相同的实根，处于过阻尼状态，系统无超调，K在[0 7.8]对应的存在两个具有负实部的共轭复根和一个正虚根，阶跃响应为衰减震荡过程，当K在[7.8 +∞]时，存在正实根，则阶跃响应为发散不收敛的。由图 3-2-1所示的根轨迹图，结合主导极点的概念，左侧实轴上的根轨迹忽略不计，从而用二阶系统近似三阶系统的动态性能，则当取某一K值时，将对应有一对共轭复根，它们构成一个二阶系统，则可以实现系统的分析，求得相应的动态指标。
3.3 频域分析法
控制系统中的信号可以表示成不同频率正弦信号的合成，系统的频率特性反映了正弦信号作用下系统响应的性能，应用频率特性研究线性系统的经典方法称为频域分析法。
利用matlab绘制
0()s
φ系统的开环频率特性，如图3-3-1所示。（程序见附录4。）
图3-3-1 开环频率特性
由图3-3-1可知，在幅频曲线大于零时，相频曲线未穿越-180°线，则N=0，
0()s
的开环正实部极点个数P=0，则有闭环正实部极点个数Z=P+2N=0，系统稳定，其中相角裕度为85.6°，幅值裕度为17.5dB
4、心得体会
通过此次的系统控制设计，使我的理论知识有所巩固，以实践加深对理论的运用，是学好系统控制的好方法。没有与工业生产技术结合的技术是不成熟的技术，唯有与工业接轨，不断的更新自己的理念，做到更好。
参考文献
[1]胡寿松.自动控制原理(第五版)[M] .北京：科学出版社.2007.
[2]张德丰. MATLAB控制系统设计与仿真[M] .北京：电子工业出版社.2010
[3]王暄，曹辉，马永华 .《电机拖动及其控制技术》[M]中国电力出版社 2010-7-1
附录
附录1
>> num=2;
>> den=[1 4 4 1];
>> g=tf(num,den)
>> G=feedback(g,1)
>> t=0:0.01:15;
>> step(G,t)
附录2
num=[2];
>> den=[1 4 4 3];
>> g=tf(num,den)
>> zplane(num,den)
>> zpk(g)
附录3
>> num=[2];
>> den=[1 4 4 1];
>> rlocus(num,den)
附录4
>> num=[2];
>> den=[1 4 4 1];
>>kaig=tf(num,den);
>> margin(kaig)
课程设计成绩评定表
纯电动汽车整车控制器的设计
纯电动汽车整车控制器的设计 摘要：随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。传 统的内燃机汽车消耗石油，排出大量废气，使得城市的空气质量不断下降。纯电 动汽车由于不使用传统化石能源，对环境不造成污染，受到人们的青睐。随着科 技的进步，电动汽车的核心技术不断地革新与突破，逐渐完善的城市基础设施提 供了有利的帮助，电动汽车已经成为潜力股，逐步取代传统汽车变为可能。本文 从汽车结构出发，结合整车信息传输过程，设计了整车控制器的软硬件结构。 关键词：纯电动汽车；整车控制器；硬件设计；软件设计 纯电动汽车作为新能源汽车的一种，以其清洁无污染、驱动能源多样化、能 量效率高等优点成为现代汽车的发展趋势。整车控制器（vehicle control unit，VCU）作为纯电动汽车整车控制系统的中心枢纽，主要实现数据采集和处理、控 制信息传递、整车能量管理、上下电控制、车辆部件控制和错误诊断及处理、车 辆安全监控等功能。国外在纯电动汽车整车控制器的产品开发中，积极推行整车 控制系统架构的标准化和统一化，汽车零部件厂商提供硬件电路和底层驱动软件，整车厂只需要开发核心应用软件，有利的推动了整车行业的快速发展。虽然国内 各大汽车厂商基本掌握了整车控制器的设计方案，开发技术进步明显，但是对核 心电子元器件、开发环境的严重依赖，所以导致了整车控制器的国产化水平较低。本文以复合电源纯电动汽车作为研究对象，针对电动汽车应有的结构和特性，对 整车控制器的设计和开发展开研究。 一、整车控制系统分析与设计 （一）整车控制系统分析 复合电源纯电动汽车整车控制系统主要由整车控制器、能量管理系统、整车 通信网络以及车载信息显示系统等组成。首先纯电动汽车整车控制器通过采集启动、踏板等传感器信号以及与电机控制器、能量管理系统等进行实时的信息交互，获取整车的实时数据，然后整车控制器通过所有当前数据对驾驶员意图和车辆行 驶状态进行判断，从而进入不同的工况与运行模式，对电机控制系统或制动系统 发出操控命令，并接受各子控制器做出的反馈。 保障纯电动汽车安全可靠运行，并对各个子控制器进行控制管理的整车控制器，属于纯电动汽车整车控制系统的核心设备。整车控制器实时地接收传感器传 输的数据和驾驶操作指令，依照给定的控制策略做出工况与模式的判断，实现实 时监控车辆运行状态及参数或者控制车辆的上下电，以整车控制器为中心通信节 点的整车通信网络，实现了数据快速、可靠的传递。 （二）整车控制系统设计 复合电源的结构设计，选择了超级电容与DC/DC串联的结构，双向DC/DC跟 踪动力电池电压来调整超级电容电压，使两者电压相匹配。为了车辆驾驶运行安全，同时为了更好地使超级电容吸收纯电动汽车的再生制动能量，在复合电源系 统中动力电池与一组由IGBT组成双向可控开关，防止了纯电动汽车处于再生制动状态时，动力电池继续供电，降低再生制动能量的吸收效率。 整车CAN通信网络设计，由整车控制器（VCU）、电机控制器（motor control unit，MCU）、电池管理系统（battery management system，BMS）、双向DC/DC控制器以及汽车组合仪表等控制单元（Electronic Control Unit，ECU）组成 了复合电源纯电动汽车的整车通信网络。 二、整车控制器硬件设计及软件设计
电动车设计计算书
一、车型设计的主要参数指标 表1 主要参数 二、车型设计的计算方程式 电动汽车动力传动系统的设计应该满足车辆对动力性能的要求和续驶里程的要求。我们得到动力性能的要求，即最高车速80km/h ，加速性能0~50km/h 小于10s ，爬坡度不小于20%（20 km/h ），续航里程150kw （50km/h ）。为此，需要掌握沿汽车行驶方向作用于汽车的各种外力，即驱动力与行驶阻力。根据这些力的平衡关系建立汽车行驶方程式，就可以估算汽车的最高车速、加速度、最大爬坡度和续航里程。 汽车的行驶方程式为： t F F =∑ 式中：F t ——驱动力； ΣF——行驶阻力之和。 车辆行驶的驱动力是路面作用在车辆驱动轮上的，电动汽车的电动机输出轴输出转矩，经过车辆传动系传递到驱动轮的驱动力矩为T t ，同时，地面对驱动轮产生反作用力F t ，这个反作用力就是驱动汽车行驶的外力，即驱动力。
其数值为： t t T F r = 式中：T t —作用与驱动轮上的转矩； r —车轮半径。 电动汽车中T t 是由电动机输出的转矩经传动系统传递到车轮上的。令传动系统总传动比为i ，传动系统的机械效率为ηt 。驱动电动机的输出转矩为T tq ，则有： t tq t T T i η=?? 汽车在水平道路上等速行驶时，必须克服来自地面的滚动阻力和来自空气的空气阻力。当汽车在坡道上上坡行驶时，还必须克服坡度阻力。汽车加速行驶时还需要克服加速阻力。因此汽车行驶过程中的总阻力为： f w i j F F F F F =+++∑ 式中：F f —滚动阻力 F w —空气阻力 F i —坡度阻力 F j —加速阻力 其中：（1）滚动阻力：F f 可以等效的表示为： f F W f =? 式中：W —作用于车辆上的法向载荷； ｆ—滚动阻力系数，与路面种类，行驶车速以及轮胎的结构、材料、气压等有关。研究中滚动阻力系数，按经验公式取值。 (2) 空气阻力： 21 2 w D r F C A u ρ=????
电动车设计设计
第一章概述 1.1设计的主要目的和意义 此次设计的目的是掌握产品造型的设计，包括材料、尺寸的合理选择，灵活运用制作技术、形态表达语言，根据人机工程学和美学来设计电动自行车的尺寸和颜色。 根据同类型产品的类比和设计，力学分析，考虑人机工程学中的人体尺寸和人的舒适程度来综合设计电动自行车的尺寸。 设计的目的其实包括好几个层面，第一，加工工艺的了解；第二，进一步提出不同材质的优化组合课题；第三，探究材料与产品结构、功能的有机联系；第四，熟悉产品结构连接件的运用；第五，产品形态讨论；第六，寻求产品设计制作的个性化等等。 通过这半年的设计，我们很好的复习了已经学过的课程，并对部分材料的应用有了一定了解，在颜色搭配上也有了一定的学习，而且能熟练操作制图软件和办公软件。对我们以后在工作上有很大的帮助。 1.2国内外电动自行车的发展情况 1.2.1国外及我国台湾地区电动自行车的发展情况 为创造市场需要，适合老弱妇孺各种年龄层骑乘自行车，国外厂商多年前即开始研制辅助驱动自行车并且在新电池和驱动机械马达技术成熟发展之下，电动自行车应运而生。海外发展较早的要 数日本、奥利地、德国、台湾等国家和地区，近几年美国发展也比较快。国外的电动自行车主要是 作为一种轻松代步及休闲健身工具。例如，在大型的停车场、超市和旅游区里使用。从1994到1999年6年时间中，全球电动自行车数量，从3.6万辆剧增1600万辆，如按2%算，电动车需要量会在30万辆以上。同时，东南亚、中东、印度增到50万辆，而在2000年，仅日本就需要50万辆。总体来说，电动自行车在全球的潜在市场很大，并呈上升趋势。 日本电动车的生产及技术都占世界领先地位，商品化的电动自行车由日本雅马哈公司率先于1994年推出，并随着本田、三洋、松下等知名公司的参与，生产规模日益放大。但日本对电动自行车的使用管理上采取了严格限制，日本只许智能型电动自行车上路，并对智能型电动自行车的要求 制定了很严格规定。具体有：在任何路况情况下，速度小于
电动车跷跷板设计
电动车跷跷板设计报告 山东交通学院禹海岱刘晓君董立国 摘要:为了满足电动车跷跷板的设计要求，进行了各单元电路方案的比较论证及确定，系统以凌阳16位单片机SPCE061A作为电动车的控制核心,选用了上海直川科技有限公司生产的ZCT245AL-TTL型倾角传感器测量跷跷板水平方向倾角，该传感器灵敏度高、重复性好且输出485信号便于与单片机接口；对于关键的小车动力部分，经过充分比较、论证，最终选用了控制精确的步近电机，其最小步进角0.9度，易于平衡点的寻找；通过红外对管TCRT5000寻迹，实现了小车走直线等功能；系统显示部分选用图形点阵式液晶显示器OCJM4*8C，串行接口，编程容易，美观大方。采用单片机内部时钟实现精确计时。最后的实验表明，系统完全达到了设计要求，不但完成了所有基本和发挥部分的要求，并增加了路程显示、全程时间显示和语音播报三个创新功能。 关键词：倾角传感器，红外对管，步进电机，SPCE061A 1.系统方案 1.1 实现方法 本题要求设计并制作一辆电动小车，能实现在跷跷板上运动且在不同配重的情况下保持平衡等功能。我们想利用电机控制小车运行，角度传感器测量跷跷板水平方向倾角来确定小车何时达到平衡，利用寻迹模块实现小车沿直线行走以及在A点外某处能自动驶上跷跷板，还有显示模块以及语音模块等做为人机界面，实现显示及语音提示等功能。上述各模块的方案论证如下。 1.2 方案论证 1.2.1 控制器模块 方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51单片机价格便宜，应用广泛，但是功能单一，如果系统需要增加语音播报功能，还需外接语音芯片，实现较为复杂；另外51 单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。 方案二：采用凌阳公司的SPCE061A 单片机作为控制器的方案。该单片机I/O 资源丰富，并集成了语音功能。芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，大大简化了系统开发调试的复杂度。 根据本题的要求，我们选择第二种方案。 1.2.2 电机模块 电机模块选择是整个方案设计的关键，按照设计要求，小车需在C点和有配重的情况下分别达到平衡状态，这需要对小车的精确控制，而且小车制动性能要好。因此普通直流电机不能满足要求。 方案一：采用直流减速电机控制小车的运动，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差,无法达到小车及时停车的要求。
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电动车控制器原理及编程2008-10-29 15:34
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电动自行车控制器设计.
基于中颖SH79F081的电动自行车控制器设计 摘要:方波驱动的无刷直流电机由于力矩大, 运行可靠, 在电动车控制器中广泛应用, 方波驱动最大的缺点在于换相时的电流突变引起的转矩脉动, 导致噪声较大, 但好的控制策略可以大大改善换相噪声. 电动车控制器设计的难点在于电流控制, 本文就电动车控制器设计的一些关键地方加以描述. 关键词:电动车控制器直流无刷电机换相同步整流 概述 电动自行车上使用的电机普遍采用永磁直流电机. 所谓永磁电机, 是指电机线圈采用永磁体激磁, 不采用线圈激磁的方式. 这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能, 提高了电机机电转换效率, 这对使用车载有限能源的电动车来讲, 可以降低行驶电流, 延长续行里程. 永磁直流电机按照电机的通电形式来分, 可分为有刷电机和无刷电机两大类, 有刷电机由于采用机械换相装置导致可靠性和寿命降低, 因此逐渐退出电动车市场. 无刷电机又可分为有传感器和无传感器两类, 对于无位置传感器的无刷电机, 必须要先将车用脚蹬起来, 等电机具有一定的旋转速度以后, 控制器才能识别到无刷电机的相位, 然后控制器才能对电机供电. 由于无位置传感器无刷电机不能实现零速度启动, 所以现在生产的电动车上用得较少. 目前电动车行业内使用的无刷电机, 普遍采用有位置传感器无刷电机. 有位置传感器永磁直流无刷电机按照内部传感器的安装位置不同, 又可分为60度电机和120度电机. 在120°的霍尔信号中, 不可能出现二进制000和111的编码,
所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作. 因为霍尔组件是开漏输出, 高电平依靠电路上的上拉电阻提供, 一旦霍尔零件断电, 霍尔信号输出就是111. 一旦霍尔零件短路, 霍尔信号输出就是000, 而60°的霍尔信号在正常工作时这两种信号均会出现, 所以一定程度上影响了软件判断故障的准确率. 因此目前市面马达已经逐渐舍弃60°相位的霍尔排列. 2. 永磁直流电机基本原理 2.1. 主回路电路 1.
基于单片机的电动车智能充电器的设计
前言 (4) 第一章充电器原理 (5) 1.1 蓄电池与充电技术 (5) 1.2 密封铅酸蓄电池的充电特性 (5) 1.3 充电器充电原理 (6) 1.3.1 蓄电池充电理论基础 (6) 1.3.2 充电器的工作原理 (8) 第二章总体设计方案 (10) 2.1 系统设计 (10) 2.2 方案策略 (10) 第三章硬件电路设计 (12) 3.1 电路总体设计 (12) 3.2 芯片介绍 (12) 3.2.1 LM358双运放 (12) 3.2.2 UC3842单管开关电源 (13) 3.2.3 EL817光耦合器 (14) 3.2.4 场效应管K1358 (15) 3.3 电动车充电器原理及各元件作用的概述 (16) 3.3.1 充电器原理图 (16) 图3.5 充电器原理图 (16) 3.3.2 各元器件作用概述 (16) 3.4 功能模块电路设计 (17) 3.4.1 第一路通电开始 (17) 3.4.2 第二路UC3842电路 (17) 3.4.3 第三路LM358（双运算放大器）电路 (18) 3.5 电动车充电器改进方案 (21) 3.5.1 增加充满电发声提示电路 (21) 3.5.2 加散热风扇 (22) 第四章总结与展望 (23)
致谢 (25)
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电动车跷跷板 学校：滨州学院 参赛学生：王璐 李润国 乔文静 专业：电子信息科学与技术 机械设计制造及其机器自动化指导教师：贾荣丛、高坤
电动车跷跷板 摘要： 本系统采用AT89S52作为主控制芯片，再加上黑白传感器、角度传感器等传感器，完成了规定时间内定点停车、保持平衡，倒车至指定位置、能够沿直线行进基本的功能。 关键词：AT89S52，黑白传感器，角度传感器。 Abstract: This system with AT89S52 for core controller, realization pass to add Black-and-white sensor, Angle Sensors and LCD. To spread feeling to equip completion provision time to be a little bit already decided parking and hold the balance in refit behind small car bodywork towards refitting behind commonly the intelligence of the car control, reverse the car to appointed position, advance along the straight lineof essential function. Keyword: AT89S52, Black-and-white sensor, angle sensor.
目录 1.系统方案 (4) 1.1 微控制器模块 (4) 1.2车体设计 (4) 1.3电机模块 (5) 1.4电机驱动模块 (5) 1.5寻迹传感器模块 (5) 1.6 角度传感器模块 (6) 1.7电源模块 (6) 1.8显示模块 (6) 1.9最终方案 (6) 2.主要硬件电路设计 (7) 2.1电机驱动电路的设计 (7) 2.2黑白线检测电路的设计： (7) 2.3角度检测电路的设计： (8) 3.软件实现 (9) 3.1理论分析 (9) 3.2总体流程图 (9) 3.3直线调节流程图 (10) 3.4平衡调节流程图 (11) 3.5返回流程图 (12)
纯电动汽车整车控制器的设计
纯电动汽车整车控制器的设计 发表时间：2019-07-05T11:27:03.790Z 来源：《电力设备》2019年第4期作者：王坚 [导读] 摘要：随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。 （柳州五菱汽车工业有限公司广西柳州 545007） 摘要：随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。传统的内燃机汽车消耗石油，排出大量废气，使得城市的空气质量不断下降。纯电动汽车由于不使用传统化石能源，对环境不造成污染，受到人们的青睐。随着科技的进步，电动汽车的核心技术不断地革新与突破，逐渐完善的城市基础设施提供了有利的帮助，电动汽车已经成为潜力股，逐步取代传统汽车变为可能。本文从汽车结构出发，结合整车信息传输过程，设计了整车控制器的软硬件结构。 关键词：纯电动汽车；整车控制器；硬件设计；软件设计 纯电动汽车作为新能源汽车的一种，以其清洁无污染、驱动能源多样化、能量效率高等优点成为现代汽车的发展趋势。整车控制器（vehicle control unit，VCU）作为纯电动汽车整车控制系统的中心枢纽，主要实现数据采集和处理、控制信息传递、整车能量管理、上下电控制、车辆部件控制和错误诊断及处理、车辆安全监控等功能。国外在纯电动汽车整车控制器的产品开发中，积极推行整车控制系统架构的标准化和统一化，汽车零部件厂商提供硬件电路和底层驱动软件，整车厂只需要开发核心应用软件，有利的推动了整车行业的快速发展。虽然国内各大汽车厂商基本掌握了整车控制器的设计方案，开发技术进步明显，但是对核心电子元器件、开发环境的严重依赖，所以导致了整车控制器的国产化水平较低。本文以复合电源纯电动汽车作为研究对象，针对电动汽车应有的结构和特性，对整车控制器的设计和开发展开研究。 一、整车控制系统分析与设计 （一）整车控制系统分析 复合电源纯电动汽车整车控制系统主要由整车控制器、能量管理系统、整车通信网络以及车载信息显示系统等组成。首先纯电动汽车整车控制器通过采集启动、踏板等传感器信号以及与电机控制器、能量管理系统等进行实时的信息交互，获取整车的实时数据，然后整车控制器通过所有当前数据对驾驶员意图和车辆行驶状态进行判断，从而进入不同的工况与运行模式，对电机控制系统或制动系统发出操控命令，并接受各子控制器做出的反馈。 保障纯电动汽车安全可靠运行，并对各个子控制器进行控制管理的整车控制器，属于纯电动汽车整车控制系统的核心设备。整车控制器实时地接收传感器传输的数据和驾驶操作指令，依照给定的控制策略做出工况与模式的判断，实现实时监控车辆运行状态及参数或者控制车辆的上下电，以整车控制器为中心通信节点的整车通信网络，实现了数据快速、可靠的传递。 （二）整车控制系统设计 复合电源的结构设计，选择了超级电容与DC/DC串联的结构，双向DC/DC跟踪动力电池电压来调整超级电容电压，使两者电压相匹配。为了车辆驾驶运行安全，同时为了更好地使超级电容吸收纯电动汽车的再生制动能量，在复合电源系统中动力电池与一组由IGBT组成双向可控开关，防止了纯电动汽车处于再生制动状态时，动力电池继续供电，降低再生制动能量的吸收效率。 整车CAN通信网络设计，由整车控制器（VCU）、电机控制器（motor control unit，MCU）、电池管理系统（battery management system，BMS）、双向DC/DC控制器以及汽车组合仪表等控制单元（Electronic Control Unit，ECU）组成了复合电源纯电动汽车的整车通信网络。 二、整车控制器硬件设计及软件设计 （一）整车控制器结构设计 整车控制器的硬件结构根据其基本的功能需求进行设计，如图1所示。支持芯片正常工作的微控制器最小系统是整车控制器的核心，基础的信号处理模块，CAN通信与串口通信组成的通信接口模块，以及LCD显示等其他模块分别作为它的各大功能模块。 图1 整车控制器硬件结构图 （二）整车控制器硬件设计 从功能上可以把整车控制器分为6个模块。 1）微控制器模块：本设计选用美国德州仪器公司TI的数字信号处理芯片TMS320F2812为主控芯片，负责数据的运算及处理，控制方法的实现，是整车控制器的控制核心。此芯片运算速度快，控制精度高的特点基本满足了整车控制器的设计需求。TMS320F2812的最小系统主要由DSP主控芯片、晶振电路、电源电路以及复位电路组成。 2）辅助电源模块：由于整车控制器的控制系统中用到多种芯片，所以需要设计辅助电源电路为各个芯片提供电源，使其正常工作，因此输出电平有多种规格。采用芯片LM317、LM337可分别产生+5V和－5V的供电电压。 3）信号调理模块：输入整车控制器的踏板信号是1～4.2V模拟电压信号，TMS320F2812的12位16通道的A/D采样模块输入的信号范围为0～3.0V，因此需要对踏板输入的模拟电压信号进行相应的调理运算，以满足DSP的A/D采样电平要求。选用德州仪器的OPA4350轨至轨运算放大器，在输入级采用RC低通滤波电路与电压跟随电路以滤除干扰信号，减小输入的模拟信号失真。开关信号先经RC低通滤波电路滤除高频干扰，再作为电压比较器LM393的正端输入，电压比较器的负端输入接分压电路，将LM393的输出引脚外接光耦芯片，在起到电平转换作用的同时，进一步隔离干扰信号，提高信号的安全性与可靠性。 4）通讯模块：TMS320F2812具有一个eCAN模块，支持CAN2.0B协议，可以实现CAN网络的通讯，但是其仅作为CAN控制器使用。选用3.3V单电源供电运行的CAN发送接收器SN65HVD232D，其兼容TMS320F2812的引脚电平，用于数据速率高达1兆比特每秒（Mbps）的应
电动自行车驱动控制系统设计说明
目录 1、概述 (1) 1.1 电动自行车驱动控制系统设计的意义 (1) 1.2 研究现状综述 (1) 1.3 研究方法 (2) 1.3.1直流电机调速原理 (2) 1.3.2直流调速系统实现方式 (3) 2、系统总体方案论证 (4) 2.1 系统方案比较与选择 (4) 2.2 系统方案描述 (4) 3、硬件电路的模块设计 (5) 3.1控制电路设计 (5) 3.2信号处理电路设计 (6) 3.3驱动电路方案及参数描述 (7) 3.3.1 IR2110驱动电路中IGBT抗干扰设计 (8) 3.3.2 IR2110功率驱动介绍 (9) 3.3.3 H桥驱动电路原理 (10) 3.4 稳压电源设计 (10) 3.5 光电测速电路 (11) 4、系统软件设计 (12) 4.1电动机驱动和速度控制程序设计 (13) 4.2PWM调速与测速程序设计 (15) 4.2.1 PCA捕获模式 (15) 4.2.2 PCA脉宽调节模式 (16) 4.2.3 PWM调制信号接收模块 (17) 5.系统调试 (19) 6、结束语 (20) 参考文献 (21) 致 (22) 附录1 原理图 (23) 附录2 PCB图 (24) 附录3 程序清单 (25) 1、定时器程序 (25) 2、延时程序 (26) 3、LCD显示程序 (26) 4、PWM程序 (30) 5、电动机调速程序 (32) 6、主程序 (35)
电动自行车驱动控制系统设计 1、概 述 1.1 研究现状综述 20世纪70年代以来，直流电机传动经历了重大的技术、装备变革。整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进[1]。同时，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成为控制的电路的发展方向。使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代[1]。 早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低[2]。随着计算机控制技术的发展，微处理器已经广泛使用于直流传动系统，实现了全数字化控制。由于微处理器以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度、可靠性和稳定性比模拟直流调速系统大大提高。直流传动控制采用微处理器实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。采用微处理器控制，使整个调速系统的数字化程度，智能化程度有很大改观；采用微处理器控制，使调速系统在结构上简单化，可靠性提高，操作维护变得简捷，电机稳态运行时转速精度等方面达到较高水平。 现阶段，我国还没有自主的全数字化直流调速控制装置生产商，而国外先进的控制器价格昂贵，且技术转让受限，为此研究及更好的使用国外先进的控制器，吸收国外先进的数字化直流电机调速装置的优点，具有重要的实际意义和重大的经济价值。 1.2 研究方法 1.2.1直流电机调速原理 直流电动机根据励磁方式不同，直流电动机分为自励和他励两种类型。不同励磁方式的直流电动机机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速有以下公式： T C C R C U n c r c φ φ内-= 其中：U —电压；R —励磁绕组本身的电阻；f —每极磁通(Wb)；Cc —电势常数；Cr —转矩常量[3]。由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制[4]，而且由
简易智能电动车(全国大学生电子设计大赛)
2003年全国大学生电子设计竞赛 简易智能电动车
简易智能电动车（E题） 摘要：简易智能电动车由一个电动玩具车改造而成。系统的控制部分以单片机为核心，通过对前向通道各种传感器信号的采集、处理，较好地实现了后向通道驱动及转向电机的运动控制和相关信息的处理、显示和声光报警。 关键词：电动车，路径跟踪，避障，光源引导
本系统要求设计并制作一个简易智能电动车，其行驶路线示意图如图1所示： 图1 智能电动车行驶路线示意图 1 设计方案包括基本要求，发挥部分及其它创新部分 总电路框图如图2所示： 1．1 基本要求 ① 电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线）、沿宽度为2cm 的黑色引导线到达B 点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为15cm 、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时，立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。 ② 电动车到达B 点后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C 点（也可脱离圆弧引导线到达C 点）。C 点下埋有边长为15cm 的正方形薄铁片，要求电动车到达C 点检测到薄铁片后在C 处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。 ③ 电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。 跑线
④电动车完成上述任务后立即停车，全程不得超过90秒，行驶时间达到90秒时立 即自动停车。 图2 系统总体框图 1．2 发挥部分和创新部分 ①电动车在“直道区”行驶过程中，我们存储并显示出了每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。 ②电动车进入停车区域后，能准确驶入车库中。 ③停车后，能准确显示全程行驶时间及成功或完成信息。 2 单元电路的方案论证与电路参数计算 2．1 线路跟踪电路 方案一：采用CCD单色摄像头，配计算机主板及图像采集卡。对白背景下，黑线的识别，目前做的比较成熟，效果相当好。但成本高，很难找到合适的载体。 方案二：采用颜色传感器。目前颜色传感器的应用，越来越广泛，效果也可以。但几百元的价格及相对复杂的处理电路，并且还需要光源，所以也不是一个很好的选择。 方案三：采用一左一右两个红外发射接收对管。该传感器不但价格便宜，容易购买，而且处理电路（如图3所示），简单易行，实际使用效果很好，能很顺利地引导小车到达C点。 在该电路中，加比较器LM311的目的，是使模拟量转化为开关量，便于处理。为
电动车跷跷板报告
电动车跷跷板报告 【摘要】：本系统采用遥控电动小汽车改装而成，主要由89C52和模拟电路为核 心器件，实现对智能电动车行驶的自动控制。整车长23 厘米，宽5厘米，运行性能良好，符合设计要求。电动车平衡检测使用倾角传感器。电动智能小车电路由平衡检测电路、计时显示电路、电机驱动电路等组成，它不需要遥控就能按要求行走。 一、方案的选择与论证 根据题目要求，系统可以以划分为几个基本模块，如图1.1所示 图1.1 1、步进电机驱动调速模块 方案一：采用与步进电机相匹配的成品驱动装置。使用该方法实现步进电机驱动，其优点是工作可靠，节约制作和调试的时间，但成本很高。 方案二：采用集成电机驱动芯片LA298。采用该方法实现电路驱动，简化了电路，控制比较简单，性能稳定，但成本较高。 方案三：采用互补硅功率达林顿管ULN2003实现步进电机的驱动。采用该方法实现步进电机的驱动，电路连接比较简单，工作也相对可靠，成本低廉，技术成熟。 基于上述理论分析，最终选择方案三。 2、平衡检测模块 方案一：采用精密的倾角传感器，这种传感器对应每个角度输出一个固定电流。可以实现精确控制，但价格昂贵。 方案二：采用简易的倾角传感器，它直接输出一个开关量。当其与地面垂直时，两触点断开；若倾斜角度超出一定范围，两触点短接。这种传感器价格低廉，使用方便。 基于上述分析，最终选择方案二。 3、显示模块 方案一：采用数码管显示。数码管具有经济、低功耗、耐老化和精度比较高等优点，但它与单片机连接时，需要外接存储器进行数据锁存。此外，数码管只能显示少数几个字符。 方案二：采用LCD进行显示。LCD具有功耗低、无辐射、显示稳定、抗干
基于单片机的电动车控制器
单片机原理与应用 课程设计报告 电动车控制器 专业班级：电气工程及其自动化xxx班姓名： 时间： 2010.3.3—3.19 指导教师：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 2010年 3 月19日
基于单片机的电动车控制器 一．设计要求 （一）基本功能 1.显示：实时显示电瓶的电量；车速 2.线性调速功能： 要求采用传统的手把调速方式（通过线性霍尔传感器），此处对霍尔器件的电压处理要求利用压频转换来代替A/D转换。 3.具备完善的保护功能： 如过载保护、欠压保护、短路保护和防飞车等功能。 （二）扩展功能 1．可增加实时的总里程显示 2．速度具有一定的记忆功能 二．计划完成时间三周 1．第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。 2．第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。 3．第三周完成软件和硬件的联合调试。
目录 1引言 (1) 2总设计方案 (1) 2.1设计思路 (1) 2.2单片机介绍 (1) 2.3设计框图 (1) 3设计原理分析 (2) 3.1硬件设计 (2) 3.1.1最小系统 (2) 3.1.2时速控制电路 (3) 3.1.3驱动电路 (4) 3.1.4过流、欠压保护电路 (4) 3.1.5刹车保护 (4) 3.1.6显示电路 (5) 3.2软件设计 (5) 3.2.1主程序流程 (5) 4结束语 (6) 参考文献 (7) 符录1 (8) 符录2 (9)
基于单片机控制的电动车控制器 电气072班李占业 摘要：本系统由单片机系统、显示系统、驱动系统和数模转换系统组成。通过按键来控制单片机，通过P1口输出的具有时序的方波作为电动车的控制信号，使电动车的里程与转速发生变化，达到对电动车控制的目的。该设计具有结构简单、可靠性高、使用方便、可以实现较复杂的控制、具有较大的灵活性和适应性等特点。 关键词：电动车单片机ADC0809 A44E 1 引言 电动车控制器是用来控制电动车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动车的其它电子器件的核心控制器件，它就象是电动车的大脑，是电动车上重要的部件。微型计算机的出现给人类生活带来了根本性的变化，使现代科学研究发生了质的飞跃，单片机技术的出现给现代生活带来了一次新的技术革命。本设计主要是设计一个由单片机控制的电动车控制器系统，操作者可通过系统的按钮控制电动车的旋转速度电量和里程。同时为了可以直观的看出电动车的运行状态，其旋转速度和当前电量可以在数码管上显示出来。 2 总体设计方案 2.1 设计思路 根据电动车的工作原理可以知道，电动车控制器是通过霍尔速度转把采集信号，然后通过数模转换将信号传给单片机，利用单片机控制输出用改变功率管控制信号PWM的方法来控制电动车的转速，用霍尔元件A44E安装在车轮上，车轮每转一圈霍尔器件就会给单片机一个脉冲，单片机根据这个脉冲的频率来计算车速并用数码管显示出来，另外为了保护电池当电池电压下降到一定程度的时候要有警示电路（用普通发光二极管警示）。并且要设计配套的刹车保护、欠压保护、过流保护等保护电路。 2.1.1 单片机的选用 单片计算机即单片微型计算机。（Single-Chip Microcomputer ）,是集CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。随着科学技术的发展，越来越多的智能化产品都用到了单片机。他体积小，成本低，功能强，广泛应用于智能产品和工业自动化上。而51 单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。本设计选用常见的AT89S51。 2.1.2 电动车电机的选用 目前电动车电机普遍采用永磁直流电机。所谓永磁电机，是指电机线圈采用永磁体激磁，不采用线圈激磁的方式。这样就省去了激磁线圈工作时消耗的电能，提高了电机机电转换效率，这对使用车载有限能源的电动车来讲，可以降低行驶电流，延长续行里程。本设计也选用此永磁直流电机。 2.1.3设计框图
智能电动车联网系统硬件模块的研究与设计
智能电动车联网系统硬件模块的研究与设计 摘要：本课题选用飞思卡尔（Freescale）半导体公司推出的Kinetis系列微控制 器K60为核心控制器，该系列芯片具有很好的数据处理能力以及丰富的外设资源。在硬件方面再配以摄像头，无线模块等，使得我的硬件设计简单，集成性好，工 作稳定，操作方便，容易实现；在软件方面从数据的采集，处理，PID控制方法 等方面详细阐述了该智能电动小车的原理和设计思想，再通过无线技术，传输采 集的数据，在上位机上时时的显示赛道的信息，让人直观的看到车辆行驶的状况。这些方法体现了该智能电动小车硬件设计的合理性等优点。 关键词：飞思卡尔单片机；摄像头；控制算法；上位机 引言 在今天的社会生活中，车辆与我们息息相关，然而车辆发展到现在还不是很 完备，特别是在智能化、节能环保以及安全性等方面，这是由于在智能，环保， 安全上并没有很好地解决好这些问题，从而导致交通越来越拥堵、环境污染越来 越严重，重大交通事故越来越多等问题[1]。智能电动联网汽车可以减少交通事故，可以减少环境污染；可以让汽车采集路况信息并将信息传送给城市交通指挥中心，从而可以选择最佳的行车路线，进而有效避免交通拥堵。这样在道路上，即使没 有信号灯，汽车也可以保持高速的行车速度，路上也不会有堵塞，事故的现象， 从而解决城市交通问题及环境污染问题。 1实际应用的五点总结 因为传感技术，无线通信技术和GPS技术在现阶段已将各自发展的相对成熟，那么在未来的汽车交通中可以试着结合这几种技术，这样就可以全方位，多层次 的建立车辆之间的联系。这种综合的技术将被主要应用在如下几个方面： 1.1交通事故的急救 当大型事故发生时或者特殊事件时，车辆就会自动开启车载系统发射求救信号，通过车载无线通信系统发出求救信息给通信中心工作人员，工作人员可以利 用GPS技术对事故地点进行精确的定位，并及时作出最优的救援方案，并且在救 援与车内人员进行沟通，稳定车内人员的情绪，减少他们精神，生命，财产的损 失[2]。 1.2出行自动导航 还可以根据司机目的地和实时路况信息，最快到达目的地的路径，甚至为出 租车司机寻找最有可能少走路线多载乘客的路线。很多国际大型汽车公司都已经 开始了实验：日本丰田与2009年引入一个G-Book智能副驾系统，美国通用汽车2009年将凯迪拉克和别克等车型上使用nStar技术，福特，日产等汽车企业相继 发布了网络中心车载平台。在未来的道路上我们将会看到老人，小孩，残疾人， 盲人都可以随心所欲的驾驶着自己的汽车，人类社会将变得更加和谐美好[3]。 1.3交通管理 将先进的信息分析技术，传感技术，无线通讯技术，自动控制技术以及计算 机网络技术等有效地集成，运用于整个交通管理，从而在交通上全方位发挥作用的，准确高效的运输和管理[4]。 1.4缓解驾驶疲劳 车联网技术的未来，红绿灯将不会出现在城市交通，交通拥堵，交通事故和 停车难都将得到有效的解决。现如今驾驶者在驾驶过程中极度的紧张了和疲劳， 这种技术可以让驾驶者不必考虑交通的路况，尽情的享受车外的美景。
电动车跷跷板说明书(1)
电动车跷跷板 设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的200mm～600mm范围内调整，调整步长不大于50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。在不加配重的情况下，电动车完成以下动作： （1）电动车从起始端A出发，在30秒钟内行驶到中心点C附近。 （2）60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡5秒钟，给出明显的平衡指示。 （3）电动车从（2）中的平衡点出发，30秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于50mm）。 （4）电动车在B点停止5秒后，1分钟内倒退回起始端A，完成整个行程。 （5）在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。 图10.9.1 起始状态示意图 图10.9.2 平衡状态示意图 【项目知识点和技能点】 1、步进电机的应用和控制。
2、自动寻迹系统原理与应用。 3、角度传感器的原理和应用。 4、PTR8000无线发送与接收模块的应用。 5、AT89s52单片机模数转换的原理和应用。 8.2.2 总体设计方案 以单片机AT89S52为主要控制芯片，查询按键的输入，传输各种参数的显示，两台电机的正反转和速度控制以及两台电机的协调运动，负责光电检测信号的接收和对信号的处理，从而能够确定小车轨迹，在B点停止和返回，并最终停止。 角度传感器把角度信号输给单片机，把检测到的角度和基准角度比较，从而确定翘翘板的平衡点。寻找平衡点时主要是采用PID闭环控制算法，在小车行驶过程中每当小车翻过平衡点的时候都令小车向后退一段路程，直到小车再次翻过平衡点，小车再次向前行驶一段比前一段要小的距离直到翻过平衡点，最终找到平衡点。系统框图如8-13所示，由如下几个模块组成 控制模块——采用AT89S52单片机控制。 电机选择模块——采用四线两相步进电机。 显示模块——采用1602LCD液晶显示屏进行显示。 光电检测模块——采用反射式光电传感器检测跷跷板上黑线。 电机驱动模块——采用步进电机驱动电路。 角度检测模块——采用角度传感器检测。 【项目准备】 1、项目原理 本系统共可分为两部分：跷跷板平衡检测系统，以AT89s52单片机为控制核心， 将角度传感器连接在跷跷板中心的转动轴上以检测跷跷板摆动角度，，并通过无线 通讯模块将数据发送给电动车系统。 电动车系统也以AT89s52为控制核心，以两个步进电机分别与左右车轮同轴相连来作为电动车的动力装置，采用光电传感器检测引导线，利用无线通讯模块接收跷跷板 平衡检测系统发送的数据，单片机对数据进行智能分析，调整小车前进速度和方向，使跷跷板达到平衡状态。在电动车到达指定位置时，给出声光提示，同时液晶显示 屏显示时间和小车当前状态。其原理图如图10.9.3所示： 图10.9.3 电动车跷跷板系统原理图