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低速电动汽车驱动电机及其控制系统研究

邓攀登  
【摘要】:电动汽车具有高效节能污染小等优点,越来越多的人们的关注。本文以设计生产低速电动汽车驱动电机项目为背景,研究开发具有高效、稳定的电动车驱动电机及其控制系统。以一台微型低速纯电动汽车为平台,讨论并分析其动力性能需求,针对性的选择匹配电机。综合所有驱动电机运行特性和控制特点,选择无刷直流电机作为驱动电机,并制作了基于dsPIC高性能数字信号控制器的无刷直流电机控制系统。围绕霍尔传感器安装偏差对电机性能影响,讨论传统三段式无位置传感器运行模式的缺点,提出适合低速电动汽车的无刷直流无位置传感器控制方案。本文首先分析研究无刷直流电机本体,建立三相星型连接电机数学模型。讨论永磁无刷直流电机的工作原理,以及调速性能,得出可以通过改变定子绕组两端平均电压来改变电机转速的结论,从而为使用PWM进行无极调速提供理论依据。接着介绍了无刷直流电机无传感器控制的原理以及转子位置信号检测方法。对低速电动汽车正常行驶所需要的一些指标进行分析,给出动力性能需求。通过电动汽车的物理参数推导得出车辆行驶和爬坡所受到的阻力,进而折算到电机端,得出电机的额定输出功率和转速。依次确定电机选型方案。在控制对象选定的情况下,分析电机控制系统的性能需求,给出控制系统的功能要求和控制系统整体设计方案。最后提出一种适合低速电动汽车的无刷直流电机无传感器启动方案,采用电感法结合反电动势检测法,有效的避免了传统启动方案带来的启动转矩抖动大的问题。以无刷直流电机及控制系统的性能需求为基础,设计系统硬件电路,给出系统硬件设计总体结构,采用微芯公司生产的dsPIC33FJ32MC204作为主控芯片,丰富的系统资源和外设资源能够满足控制系统要求。同时结合系统不同模块的电源需要,分别设计不同等级的电源电路。然后设计系统反电动势检测、功率主电路、功率驱动电路、电流电压检测电路、保护电路以及故障报警电路等。给出电路图并进行电路分析。在硬件电路的基础上,系统搭建软件平台,系统软件主要实现的功能有电机正的运动控制、系统的保护、以及电机状态检测等功能。给出整体程序框架和构成,采用模块化设计思路,将各个子任务采用分时调度的方法进行系统资源分配,达到系统资源利用的最大化。主要介绍了主程序、定时器中断、故障保护、电机换相、信号采集、控制模式切换程序的流程图。采用无刷直流控制系统无位置传感器和有位置传感器模式切换的方式,保证了电机在高速运行阶段的平稳性和舒适性,具有一定应用价值。将所选电机和设计的控制器与实验平台进行匹配组装实验,主要测试电机的空载和带载转速、爬坡能力、空载和带载电流、车辆时速、空载和带载时电机温升,控制器温升等数据。给出实验波形,并分析实验中遇到的问题,给出解决方案。由波形分析和实际测试数据可以看出,选用的电机和设计的控制器可以满足低速电动汽车的运行要求。同时提出的新型控制方法也能很好的应用,从控制方法上改进了整个低速电动汽车的性能。最后通过总结得出文章结论,说明设计系统表现良好,负荷实际应用需求,有利于电动汽车市场推广。同时针对论文工作期间所遇到的问题,讨论改进方案,并对今后的工作作出期望。本文通过将无刷直流电机选型及其控制系统设计,提出一种基于电感法的无传感器无刷直流电机启动方案,改进控制过程中的算法,提高了运行效率和稳定性,所设计系统具有可编程性强,具有强大的系统保护功能,能够适应电动汽车运行的恶劣环境,可靠性高,具有一定的应用价值。


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