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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、制动等基本功能以与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,以与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
普与。
关键词:电动汽车,ATmega64,他励直流电机,PID模糊控制
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目录
摘要……………………………………………………………………………1
第一章 绪论
1.1 纯电动汽车在国的发展状况…………………………………………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的特性与部结构………………………………………
…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………………………………………………
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………………………………………………………
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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
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电池客车累计运行8000km:混合动力客车已在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。
国主要汽车制造商对纯电动汽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。奥运会期间,奇瑞、长安、东风、一汽、京
华与福田等汽车生产企业联合清华大学、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,以与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、以与
提供基础设施的大规模示,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。
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
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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、与抗干扰电路的设计。
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。
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,记录实验数据与图表,进行实验分析。
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。
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huayuya123
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