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武汉理工大学
硕士学位论文
基于FPGA的四驱电动车电机驱动控制系统设计
姓名:李学君
申请学位级别:硕士
专业:控制科学与工程
指导教师:李波
20100501
武汉理.J:人学硕士学位论文
摘要
汽车工业是人类现代文明的重要标志之一,进入2l世纪后随着人类环境保
护意识的加强以及能源危机的日益突显,使得人们不得不重新审视和定位汽车产
业的现状和将来。电动汽车具有节能,零排放,低噪声等优点,是真正绿色环保
的交通工具。无刷直流电机是一种通用性很强的高性能应用电机,以其控制简单、
可靠性高等优越的性能成为电动汽车驱动系统的首选。本文以四驱电动车电机驱
动控制系统作为研究对象,采用FPGA作为控制核心进行了相关的分析研究。
本文首先对国内外电动汽车的现状及发展趋势以及电动车驱动系统控制方
法进行了相关调研,了解无刷直流轮毂电机的控制方法及控制器的发展。
其次,本文对电动车驱动系统控制技术进行了分析,并根据电动车驱动控制
系统的特性及提高系统集成度的要求,采用FPGA为控制核心。FPGA作为数字
器件,通常用于控制数字化电机;通过对本控制系统进行一定程度的数字化改造,
可用于控制直流电机,并且可以提高系统的调速精度和控制功能。FPGA采用独
特的并行运算电路,在一个控制核心中可以加入多个控制对象进行独立驱动,控
制性能不受到影响,各控制对象间不会产生干扰,避免了多对象实时控制中繁琐
的时序设计问题,一定程度上提高系统的集成度和抗干扰能力。
再次,以Altera
FPGA为核心控制器设计电动车电机驱动控制系统。控制系
统主要分为控制部分和驱动部分。控制部分主要由FPGA及AD转换器组成,包
括数据采集和PWM波形的产生以及电机电枢电流的采样。驱动电路由MOSFET
功率转换电路及光电隔离电路组成。电机的位置信号由霍尔元件采集。选择PID
控制算法,对数字PID控制器进行设计并在FPGA控制器上实现;对电动车轮毂
电机进行独立控制,使各电机的控制达到驱动电动车正常行驶的目的。方案设计
与实施过程中,在Quartus
II环境下对各环节及系统总体进行了仿真和验证。
最后,通过对控制器的调试和实验,验证了以FPGA为控制核心的四驱电动
车电机驱动控制系统的可靠性,实现了轮毂电机的平稳启动,良好的速度调节性
能,达到电动车正常行驶的性能指标。
关键词:电动汽车,无刷直流电机,FPGA,PID控制
独创性声明
本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究
成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人
已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的
学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已
在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
签名:奎堂墨
日期:呈Q!晦曼垦兰墨旦
关于论文使用授权的说明
本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权
保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借
阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检
索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武
汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文,并向社会
公众提供信息服务。
(保密的论文在解密后应遵守此规定)
研究生(签名):夺学君
导师(签名):
日期:.2010年5月28
B
武汉理T大学硕十学位论文
1.1选题背景及意义
第1章
绪论
汽车产业至今已走过了百年历史,以内燃机为动力源的汽车为人类的生活带
来了极大的便利,为人类社会的进步做出了不可磨灭的贡献。然而在它不断推动
社会发展的同时,也带来了同益突显的危害。汽车产业的高速发展使得全球汽车
总量不断提高,内燃机汽车大量消耗有限的石油资源使得资源枯竭、能源短缺等
问题同益严重;加之其在大量耗能的情况下带来越来越的环境污染问题,严重威
胁到人类的健康和生存。在强调可持续发展的今天人们不得不重新审视汽车产业
的发展方向,各国政府也不惜投入重金来寻求解决这些问题的途径【l】。然而如果
继续采用内燃机提供动力,以当前汽车产业的发展水平无论是研制石油的代燃料
或是采用其他燃烧模式都不能从根本上解决能源的消耗和降低尾气排放等问题。
寻求零排放或低排放、低噪声、提高能源率已经成为汽车产业发展的迫切需求和
必然趋势。正是在这样的发展背景下,电动汽车技术的研究和发展成为了汽车产
业一种新的理念和热点。
电动汽车是指以车载电源为动力,用电机驱动车轮行驶,符合道路交通安全
法规各项要求的车辆。电动汽车主要包括三大类,即纯电动汽车、混合动力电动
汽车和燃料电池电动汽车。电动汽车较之传统内燃机汽车有着显著的优点:低噪
声且无尾气排放,对环境更加友好,在很大程度上减低对人类生活环境的污染;
采用电能替代石油,改善了能源结构并且可以有效提高能源利用率和经济效益f21。
正是有着这样的优点电动汽车将成为2l世纪最具竞争力和前景的交通工具。
电动汽车系统一般由车体、电机驱动及控制系统、电池管理及控制系统组成,
而电机驱动及控制系统是电动汽车的核心,决定着整车系统的运行性能和能量利
用效率,也是区别于内燃机汽车的最大不同点。目前在电动汽车电机驱动控制方
面还存在诸多难题,在极大程度上限制了电动汽车的发展。
本课题以当前电动汽车的研究热点四轮驱动电动车作为研究对象,对其电机
驱动控制器进行分析和研究,提出一种新的设计思路,并在设计过程中为驱动系
统的发展提供相关的技术参考以及初步研究结论,对进一步开发和改良电动汽车
电机驱动控制技术具有工程和学术意义。
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roler_
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