基于AVR的纯电动车无刷直流电机驱动系统.pdf

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根据整车参数要求。设计一种基于AVR单片机控制的纯电动汽车无刷直流电机驱动系统。该系统以MEGA48单片机作为控制芯片.进行了电源电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计,利用PI控制器进行电机电流速度的双闭环控制,并采用C语言进行模块化编程和结构化编程。该系统可以实现欠压、过流和堵转保护.在系统出错情况下具有自检功能,同时具有升级空间,便于用户二次开发。
刘明岗,等基于AVR的纯电动车无刷直流电机驱动系统 VF5)的栅极电压不低于46V,才能保证场效应管的充分导 R 通.导通后,X1(或X2,X3电压与电池电压相同)由于 2.4kQ MOSFET管的栅极绝缘栅易被击穿破坏,因此栅源间电压不 GND 得超过正负20V。栅源间并联电阻或齐纳二极管,以防止栅 0.1uF781zdr(3 C34 H 0.1F 源间电压过大。本设计中,顶端驱动电路中的15Ⅴ稳压二极 管DZ2,D4和D6为保护二极管。漏源间也要加保护电路 以防止开关过程中因电压的突变而产生漏极大峰电压损坏 管子,可用齐纳二极管籍位当电机意外突然停转时,电机绕 0.1uF GND 0.1μF 0.1pF +12 IN(TAB) OUT 21 组产生瞬间的反向高压可能会损坏功率管,所以在直流母线 LM7915CT(3) 上并联一只耐高压电容,意外停机时,母线上产生的瞬间高 PCB IC 压会由于电容两端电压不能突变而得到抑制。 1.skΩ 底端电压驱动电路采用NE555内部推挽电路,利用单片 图3电源电路 Fig 3 Circuit of the power supply 机产生的PWM信号调制底端驱动信号,调制后的信号通过07V,测试点2处电压为21V左右,RT有效,振荡电路停 电阻藕合至底端驱动场效应管栅极,控制场效应管导通状止振荡,顶端驱动电路将不再输出驱动电压,从而实现硬件 态。因为底端驱动电路中NE55功耗较大,因此需要为制动稳定性。Ra和C3组成电流波形尖峰抑制器,可抑制电 UB,U和U1配上霍尔电容C,C和C底端电压驱动电流波形的前导峰象增强系统。 路中R2,R,R3为串联栅电阻,是场效应管底端驱动保护电 路,可消去由 MOSFET电容和栅一源电路在任何串联绕组感 R46 R13,5k 应而生的高频振荡。 RST VCC 8 以A相为例,顶端驱动,当LM39的2口输出为低时,12 曰噩 1.5k 脚正端接地,使得Q基极电压为22V>Ql开通,电流流过 C 0.01uF R19,电流方向为左正右负(从而保证Q】开通时Q2关断) GND OUT 1μF VF1栅极电压为50V左右,源极电压为36V左右,VF1开通; N555 当LM339的2口输出为高时,Q关断,这时VF1截止。Q2与 lN448 R18,Rlg,C2组成有源滤波器。底端驱动,当经过逻辑保护的A A 0.1 相底端控制信号ABTM输人为1时,经过底端驱动电路产生 12V有效信号,使得VF2导通。同时,单片机输出的PWM信 R47 10k 号送到NE555的RsT端,对底端控制信号进行调制。 M339 14电源电路 驱动电路的电源部分包含两部分电路:一部分是将电池 电源36V,通过三端稳压器LM7915产生相对电源电压的 图4振荡倍压电路和纯硬件保护电路 -15V电压,即36-15V=21V,用于倍压电路产生高驱动 Fig. 4 Doubling circuit of oscillating voltage and protection circuit of the pure hardware 电压;另一部分是通过三端稳压器IM7812产生的+12V电 2)振荡倍压电路 压,用于顶端驱动匹配和底端驱动电路。如图3所示,电源电 如图4所示,NE55的电源接+36V电压,地端接+2lV 路中,根据各个部分的电流,合理的选择分流电阻R14和R电压。NE555和外围电路组成振荡电路,振荡电路产生的振 的阻值和功率减小直接流过三端稳压器件的电流降低其荡频率约为4-5kHz,振荡信号从NE550的3脚输后,通过 发热量,提高电路稳定性圓。 陶瓷电容C3和C2二极管D3和n4构成的倍压电路,将输 15振荡倍压和硬件保护电路 出电压提升到50V左右,送到ⅵOS管的栅极。NE55的RST 1)硬件保护电路 脚能够控制振荡电路的起停。 为了增加控制系统的可靠性和安全性,设计了纯硬件制 倍压电路的工作原理是:当NE5553脚为GND电压 动保护电路,如图4所示。制动电路通过控制振荡电路的(+21V时,电源36V通过二极管D4给电容C2充电,如果 RST端的电平状态间接控制顶端驱动电路导通所需电压源.时间常数合适,C2上的电压近似等于36V-2V=15V,方向 通过LM9的保护功能,当系统正常工作时,测试点1处的为左负右正:当NE555的3脚为高时,电容Cx左侧为 电压通过上拉电阻,电平为12V,经过22V稳压二极管,测36V,右侧为36V+15V=5lV,因为二极管D4反偏截止, 试点2处的电平在34V左右振荡电路正常工作;当系统过生的51V电压就通过二极管D3给C2,C5充电,这样经过若 流时,纯硬件的保护电路U反向输人端的电压将高于正向干周期的反复充电,电容C2上的电压就升到后部驱动所需 输人端参考电压,U5内部的三极管导通,测试点1处电平约要的51V恒定电压。 71 《电子设计工程》2013年第18期 16软件部分 RAN Zherl-ya, CHEN Fang-hui, WANG Ren-zhi, et al. design 在软件方面利用高级语言,采用模块化编程和结构化编 of permanent magnet DC motor control system based on 程。实现了信号的采集及处理,实现了电动自行车的电动和 microprocessors for electric vehicle[J]. Mechanical 白动巡航两种三种工作模式并且在系统出错情况下具有自 Ingineering and Manufacturing and Automation,2009,12 检功能,且利用数字P控制理论实现电机速度的闭环调制。 6:123-125 所设计的系统工作流程图如图5所示 [2]张文灼,单片机应用技术[M]北京机械工业出版社,2008 电复位 3]郭庆鼎,赵希梅.直流无刷电动机原理与技术应用[M]、北 初始化相关寄存器, MODE-REG置为电动模式 京:中国电力出版社,2008 自检模式,显示相应信专的状态,若各 [4]罗森侨,彭忆强,易威.基于PC单片机和CAN总线的纯电 电器信号正鸴,则2秒后退出自检模式 动汽车电池管理系统设计.西华大学学报:自然科学 版,2013(1):61-64 测量电压及电流,并指示 LUO Sen-qiao, PENG Yi-qiang, YI Wei. Design of battery 是否大压,这泳 management system for electric vehicles based on PIC and Can [J] Journal of Xihua University: Natural Science 判断当前 作模式 Edition,2013(1):为1-64 SP有效? 助力传感器有数>到 [5]冉冉,陈方辉,单片杌在电动车永融直流电机控制系统设 是 计中的应用!J重庆工学院学报:自然科学版,2009,13 自检 刹车有效 <利丰有效是→自检 (12):125-127 Ran Ran, CHEN Fang-hui. Application of microprocessors 启动电机 magne 自动成功一一否→自检 electric vehicle [J]. Joumal of Chongqing Institute of 是 Te echnology Natural Science Edition, 2009, 13(12): 125-127 打开KMOD中断 6]曹铭,于永飞,黄菊花.基于 Freescale单片杌的电池管理系 常工作模式 统设计与实现门电源技术,2012(11):70-72 CAO Ming, YU Yong-fei, HUANG Ju-hua. Design and WORK-MODE-FLAG有 implementation of a battery management system based on Freescale MCU J Chinese Jourmal of Power Sources, 2012 刹车有效 (I1):70-72 是 7]吴志红,吴庾泽,朱元,等.基于 S单片机的混合动力 关闭KMOD 汽丰电池管理系统硬件设计!汽车技术,2009(4):35-37 半闭电机 Wu Zhi-hong, wu Geng-ze, ZHU Yuan, et al. Hardware 图5系统工作流程图 design of hybrid vehicle ba nt system based Fig 5 Work flowchart of the system on XC164CS SCMJ Automobile Technology, 2009(4 ):35-37 2结束语 [8]李练兵,梁浩,刘炳山,基于单片机的动力电池管狸系统 的硬件设计[电子技术应用,2010(2)46-4 文中所设计的基于AVR单片机的无刷直流电机控制器 LI Lian-bing, LIANG Hao, LIU Bing-shan. hardware desing of 具有硬件结构简单、保护功能完善、软件采用模块化设计易 power battery management system based on microprocessors[J I 于用户二次开发等特点。经过在龙瑞新能源汽车公司试制车 Application of Electronic: Technique, 2012(2): 46-49 辆上使用,得到的主要参数为:0~-20kmh加速时间为8s,最⑨]黄海宏,王海欣,庄翔,等、电动汽车分布式电池充放电管 大爬坡度为30°,续航里程提高20%,达到了龙瑞新能源汽车 理的研究!.电子测量与仪器学报,2009(6):64-69 公司驱动控制系统开发的功能和性能要求。 HUANG Hai-hong, WANG Hai-xin, ZHUANG Xiang, et al 参考文献: Research on distributed battery charge-discharge management 「门冉振亚,陈方辉,汪仁志,等,基于单片机的电动车水磁直 in electric vehicle]. Journal of Electronic Measurement and 流电机控制系统设计[J.机械工程与自动化,2009,12 Instrument,2009(6):64-69 (6):123-125 172

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2019-09-15
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