机械毕业设计478纯电动汽车电控调速系统设计.docx
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机械毕业设计478纯电动汽车电控调速系统设计
届本科毕业论文（设计）
论文题目：
纯电动汽车电控调速系统设计
学生姓名：
所在院系：
所学专业：
应用电子技术教育
指导老师：
完成时间：
摘要
本论文以纯电动汽车直流无刷电机控制器为研究目的，详细地叙述了基于STC12C5404AD型单片机控制的PWM调速控制系统的设计过程。
在论文中简单介绍了单片机STC12C5404AD的结构以及IGBT功率驱动模块的应用；无刷直流电机的霍尔信号与逻辑驱动信号的关系，利用此关系来控制电机的转动和方向；另外，本论文中对电机的一些保护功能如限流保护、欠压保护、短路保护都是利用模块的自带功能来实现的，而刹车断电、智能巡航、自动定速、防飞车、防盗等保护功能是利用程序来实现，这样使电路简单，成本降低。
除此之外，还设计了系统的软件流程，包括主程序流程设计，调速子程序流程设计。
关键词：
纯电动汽车；STC12C5404AD；IGBT功率模块；PWM控制
Thepureelectricvehiclesspeedelectroniccontrolsystemdesign
Abstract
Thisarticletakedevelopmentsthepureelectricautomobileconcurrentnottobrushtheelectricalmachinerycontrollerastheresearchgoal,narratedindetailhascontrolledthepureelectricautomobile'sPWMvelocitymodulationcontrolsystem'sdesignprocessbasedontheSTC12C5404ADmonolithicintegratedcircuit.ThepresentpaperintroducedthemonolithicintegratedcircuitSTC12C5404ADstructureaswellastheIGBTpoweractuationmoduleapplicationindetail;Introducednotbrushesdirectcurrentmachine'sHallsignalandlogicdrivingsignalrelations,usesthisrelationstocontrolelectricalmachinery'srotationandthedirection;Moreover,inthepresentpapertoelectricalmachinery'ssomeprotectionfunctionlikecurrentlimitingprotection,theundervoltageprotection,theshortcircuitprotectionisrealizesusingthemodulebringingfunction,butgetsonthebrakesthepowerfailure,theintelligentcruise,theautomaticconstantspeed,againstspeedingcar,securityandsoonprotectionfunctionsisrealizesusingtheprocedure,likethismakestheelectriccircuittobesimple,costreduction.Inaddition,butalsohasdesignedsystem'ssoftwareflow,includingmasterroutineflowdesign,velocitymodulationsubroutineflowdesign.
Keywords:
thepureelectricautomobile;STC12C5404AD;IGBTpowermodule,PWMcontrols
1引言
汽车虽给国民经济带来了发展，给人类带来了方便，但也给人类带来了巨大的灾害，42%的环境污染是来源于燃油汽车的排放，80%的城市噪声是由交通工具产生的；并且当今世界石油储量日趋减少，而燃油汽车是消耗石油的大户！
因而当今汽车工业发展势必寻求低噪声、零排放、综合利用能源的方向。
有鉴于此，本世纪六七十年代，电动汽车开始复苏。
人们利用现有的成熟技术可以对蓄电池进行处理，以达到零污染排放的目的，因此被称为绿色汽车。
目前,世界上许多国家在研究电动汽车上主要是解决电池问题和控制器的问题，而我的论文主要是研究控制器的问题。
在控制器的选择上，有多种多样，从以前的模拟控制方式到模拟数字一体化的方式，可以说各有各的优势，各有各的缺点。
随着科技的不断进步，人们开始了在单片机上的研究，利用单片机作为控制器来控制PWM的脉冲宽度以达到控制电机转速和转向的目的。
利用单片机的控制器有很多优点，一方面减少了元件的使用量且减少了故障的出现率；另外保护功能的实现主要在程序，为产品的后期开发提供了方便。
因此，本文主要研究的是基于STC12C5404AD型单片机控制纯电动汽车的PWM调速控制系统的设计过程。
在本论文中详细介绍了单片机STC12C5404AD的结构以及IGBT功率驱动模块的应用；介绍了无刷直流电机的霍尔信号与逻辑驱动信号的关系，利用此关系来控制电机的转动和方向；另外，本论文中对电机的一些保护功能如限流保护、欠压保护、短路保护都是利用模块的自带功能来实现的，而刹车断电、智能巡航、自动定速、防飞车、防盗等保护功能是利用程序来实现，这样使电路简单，成本较低。
除此之外，还设计了系统的软件流程，包括主程序流程设计和调速子程序流程设计。
2设计方案
2.1电机的选择
方案
（1）：
采用直流有刷电机。
直流有刷电机是电机工作时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是靠随电机转动的换向器和电刷来完成的；具有控制简单，材料成本低的优点，但是由于它是靠机械换向，其电刷和换向器容易损坏，且其全程效率低、机械噪声大、故障率高，寿命短的缺点。
方案
（2）：
采用直流无刷电机。
无刷电机是由控制器提供不同电流方向的直流电来达到电机里面线圈电流方向的交替变化，采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料。
因此在无刷电机的转子和定子之间没有电刷和换向器。
直流无刷电机具有高效率,高转矩,高精度的三高特点，同时具有体积小,重量轻的优点,但是其具有控制技术高，设备复杂，造价高等缺点。
经过以上两种方案的分析比较，考虑到电动汽车的行程效率、运行速度和寿命问题，本论文中选择采用方案
（2）——直流无刷电机。
2.2控制器的选择
方案
（1）：
选用PWM专用集成芯片作为主控芯片。
如PWM芯片SG3525具有很高的温度稳定性和较低的的噪声等级，具有欠压保护和外部封锁功能，能方便地实现过压、过流保护，能输出两路波形一致、相位差为180°的PWM信号。
方案
（2）：
采用通用的AT89S51单片机作为控制器，单片机通过模拟的PWM口，经处理后通过功率放大器驱动电机。
方案（3）：
采用SoC型STC系列的宏晶单片机STC12C5404AD单片机作为控制器。
目前SoC型单片机已非常普遍，基于51内核的SoC型芯片也有众多供应厂商。
它有四路PWM输出和8路10位的A/D转换器。
加速器送来的模拟信号通过A/D转换器，转换结果作为PWM脉宽调制信号，通过改变某一频率PWM的脉冲宽度来改变驱动器输出功率的大小从而控制电动汽车在一个档位的速度。
经过讨论和老师的指导，我们采用了方案（3）作为我的设计。
采用方案
（1）能够满足基本要求，但是这种方案可控性不好、功能单一，每扩展一种功能就要增加相应的硬件电路，使控制器成本增加很多；采用方案
（2）能满足设计基本要求，而且价格便宜，购买方便，但是现场编译不太方便；而方案（3）集中了前两种方案中的优点，还弥补了它们存在的缺陷；而且处理速度快，运行稳定可靠，符合电动汽车无刷电机控制严格要求。
无刷电机控制控制复杂，电机需要一定的逻辑输出才能可靠运行。
而这类单片机都有丰富的片上资源，比较强大的处理能力，一般都不需要外扩其他器件就可以构成一个完整的系统。
片上系统的优点在于减小了布线的麻烦，提高了系统的整体性能。
宏晶单片机STC12C5404AD还可以通过普通的MAX232串口实现在线系统编译的特点。
2.3PWM调制方式
对于两相导通三相六状态的空心杯无刷直流电动机，在一个周期内，每个功率开关器件导通120度电角度，每隔60度有两个开关器件切换。
因此，PWM调制方式可以有以下五种：
（1）on_pwm型、
（2）pwm_on型、（3）H_pwm-L_on型、（4）H_on-L_pwm型和（5）H_pwm-L_pwm型。
前四种方式又称为半桥臂调制方式，即在任意一个60度区间，只有上桥臂或下桥臂开关进行斩波调制。
其中，方式
（1）和
（2）为双管调制方式，即在调制过程中上桥臂和下桥臂的功率开关都参与斩波调制。
方式（3）和（4）又称为单管调制方式，即在调制过程中只有上桥臂或下桥臂的功率开关参与斩波调制。
方式（5）又称为全桥调制方式，即在任意一个60度区间内，上、下桥臂的功率开关同时进行斩波调制。
在全桥调制方式中，功率开关的动态功耗是半桥调制方式中的两倍。
与半桥调制方式相比，全桥调制方式降低了系统效率，给散热带来困难。
因此，考虑到功率开关的动态功耗，在PWM调制方式上应选择半桥调制方式。
同时，在半桥调制方式中，双管调制方式不增加功率开关的动态损耗，并解决了由单管调制所造成的功率开关散热不均，提高了系统的可靠性，但是实现起来较复杂。
因此，本设计采用较容易实现的H_pwm-L_on型调制方式，即在各自的120度导通区间内，上桥臂功率开关通过PWM调制，下桥臂开关管恒通。
3系统结构框图
根据系统控制要求和以上方案论证，系统整体电路方框图如图1所示。
图1系统整体硬件电路方框图
图1所示的单片机系统主控器就是现在已经非常普遍的宏晶单片机STC12C5404AD，它是整个系统的核心。
主控器的根本任务是控制无刷电机的转速和方向，检测各单元控制信号，安全可靠地完成相应的控制功能。
电源为各电路提供工作的原动力，加速器输出模拟电压控制PWM脉冲的宽度，而这个模拟电压必需经主控器A/D转换通过已固化的内部程序才能完成PWM脉宽的调整。
需要说明的是加速器只有在控制模拟器处于相应的档位才能调整PWM脉冲的宽度，控制模拟器就是该系统模拟的汽车档位、离合器和刹车，这是最基本的功能。
主控器巡回检测控制模拟器和加速器的动态，输出相应的PWM脉冲经IGBT驱动模块放大后产生足够大的驱动电压，驱动由IGBT管组合成的三相桥式开关电路，IGBT驱动模块时刻检测三相桥式开关电路的运行状态，具有欠压保护、短路保护、过压保护功能。
三相桥式开关电路既无刷电机驱动电路，其在PWM脉冲的控制下按照无刷电机的控制逻辑导通、截止，因是IGBT管组合成而成，可以在高频大功率下工作，具有驱动较大功率的无刷电机功能。
在汽车停放期间防盗报警电路处于设防状态，主要检测振动信号为主，且具有防宠物功能，检测到报警信号就会切断电路，是汽车无法运行。
该控制器还具有自动巡航、刹车保护、以及扩展功能，这些功能是通过软件实现的。
4单片机外围器件的设计
4.1电源电路
电动汽车电源一般情况下用的是288V的蓄电池。
因电动汽车电机功率较大，采用高压小电流是一种较好的办法。
本控制器需要三路电源，均由电瓶通过接口J3提供：
一是单片机STC12C5404AD正常工作所需的+5V电压。
该电源电路的输出电流应该不低于100mA。
试验证明，当电流低于100mA时，外围电路不能正常工作，甚至导致单片机中程序的误动作。
二是提供IGBT驱动模块正常工作时所需要的+24V工作电压，对主控器输出的PWM的矩形波进行足够的放大。
三是电机的+288V工作电压。
由于该电源电路的工作电流比较大（正常工作电流为10A到60A），故所有288V电压经过的电路都应该具有较强的通电流能力，否则会引起控制器的电路板因电流过大而被烧毁。
应该注意，这里的288V、24V电压和5V电压并不是同通同断的。
其中288V电压受到程序的控制，当电机工作时288V、24V电压受程序的控制加入电路，断电时电压不加入电路。
而5V电压不受程序的控制，5V电压可以受钥匙的控制，也可以不受任何控制直接加入单片机。
其原理图如图2所示。
图2电源电路原理图
4.2单片机主控制电路
由设计方案可以确定单片机主控制电路单片机选用STC12C5404AD，现在详细介绍该单片机的特点和连接方式。
4.2.1SoC型单片机STC12C5404AD
STC12C5404AD系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机。
元件使用方便，指令代码完全兼容传统51内核的单片机。
STC12C5404AD单片机DIP封装，其单片机芯片的管脚分布图如图3。
图3STC12C5404AD单片机DIP封装管脚接口
功能引脚：
P0.0-P0.3P0口I/O口；
P1.0-P1.7P1口I/O口，第二功能A/D转换；
P2.0-P2.7P2口I/O口；P2.4、P2.0有PWM输出功能；
P3.0-P3.7P3口I/O口；周围还可有特殊功能引脚；
RST硬件复位引脚；
XTAL1、XTAL2时钟引脚；
VCC、GND电源引脚。
STC12C5404AD单片机的特点：
（1）增强型6时钟（机器周期），12时钟周期（机器周期）8051CPU；
（2）3.4-5.5V工作电压（5V单片机）；
（3）工作频率范围0—35MHz，相当于普通8051的0-400M；
（4）用户应用程序空间4K；
（5）片上集成512字节RAM；
（6）27个通用I/O口，P1、P2、P3、准双向口弱上拉，P0口开漏输出；
（7）支持ISP、IAP，无需专用编程器，可通过串口（P3.0，P3.1）直接下载用户程序；
（8）EEPROM功能支持；
（9）硬件看门狗支持，可完全省去外部看门狗；
（10）内部集成专用复位电路MAX810，外部晶振12M以下时可省去外部复位电路；
（11）6个16位定时器\计数器；
（12）外部中断9路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断唤醒；
（13）全双工UART串行口，可用软件模拟多个串行口；
（14）A/D转换，10位精度ADC，共8路；
（15）4路PWM输出。
STC12C5404AD单片机的特殊功能寄存器在原有51内核单片机的基础上进行了扩展，新增加了一些特殊功能寄存器，软件程序设计可以查阅STC12C5404AD系列单片机的用户手册详细资料，这里不在赘述。
仅了解各管脚的功能和使用的连接方式，以设计电路原理图。
4.2.2ISP电路
ISP称系统在线编程，可以不用专门的编程器实现单片机的烧写程序，PC机标准串行通信接口通过MAX232进行电平转换后与单片机接口进行通讯，因此只需要使用一根串口通信电缆（DB9）连接单片机的串口，J3为系统DB9串行接口。
TXD、RXD分别接图3中的TXD（P3.1）、RXD（P3.0），这两个端口就可通过PC机的COM口直接烧写到STC12C5404AD单片机中。
如图4所示。
图4ISP的连接电路示意图
4.2.3IGBT驱动模块
AST965为N沟道IGBT栅极驱动模块，输入与输出之间采用光电耦合以提供所需的电气隔离。
模块具有短路、欠压和过压保护功能，所需外围元件极少，对供电电源要求低，易于使用，适应各种不同类型的IGBT驱动。
其典型应用电路如图5所示，各管脚功能如表1所示。
图5电压源－电阻驱动应用电路
表1各管教功能表
序号
名称
描述
1
PDA
脉冲输入正端
2
PDK
脉冲输入负端
3
FQC
保护/故障输出光电三极管“C”
4
FQE
保护/故障输出光电三极管“E”
5
VDD
模块电源正端
6
VSS
模块电源负端
7
ADJ
短路动作时间调整
8
VO
电压源输出端，与第9脚短接作电压源输出连到IGBT的G极
9
IO
电流源输出端，直接连到IGBT的G极，并联一只电阻接到8脚
10
EG
电位引脚连到IGBT的E极，IGBT关断在栅极上产生一个负电位
11
C
连到IGBT的C极，用于检测IGBT饱和实现短路保护
4.3调速器输入电路
电动车的调速有两类：
光电类和霍尔类。
由于光电类调速手把故障率较高，现在基本上已经被淘汰，我们这里主要介绍霍尔类调速手把。
霍尔调速，是利用霍尔效应结合集成电路制作的，它有三条引线，一条接+5V，一条速度信号输出线，一条电源地。
常见的霍尔调速把有两种：
一种是输出信号由低变高型，另一种是输出信号由高变低型。
所谓输出信号由低变高型是指，慢慢地旋转霍尔调速把，信号线对地电压由起始1V逐渐上升到4V左右。
而输出信号由高变低型的相反，慢慢地旋转霍尔调速把，信号线对地电压由起始4V逐渐上降到1V左右。
这两种可以相互改变，方法是打开调速器，将每块磁铁极型颠倒后，用胶重新固定即可。
霍尔调速把内部常使用三端线性霍尔器件UGN3501T，在用5V供电时，静态电流小于8mA，电压稍高于5V，电流就会大于10mA。
如果供电超过6V，霍尔器件的电流和温度都会快速上升，此时霍尔器件容易损坏。
由于调速器是控制电机速度的首要部件，我们把单片机的P1.3口作为调速转把输入的ADC口，所以必须保证单片机P1.3口检测到的电压与调速器输出电压保持一致。
在实际使用中，发现控制器在正常工作中会对调速器产生一定的干扰（主要产生一些尖脉冲），对PWM电路产生了不良影响（测试中发现当霍尔元件的三个接口断开以后，输入电压产生了一个幅度约5V、频率较高的尖脉冲，而且此时电机的速度突然变为最高。
实际使用过程中当三根连接线断开以后，应该使电机的速度立刻为零），所以调速手把输入电路我们人为的加入了抗干扰元件，防止因为霍尔元件开路造成飞车事故的发生。
调速器输入电路原理图见图6，电路工作原理分析如下：
图6中的R18和C1就是为抗干扰而加入的。
R18和C1的共同作用下对上述中的尖脉冲进行很好的滤波，可抑制掉尖脉冲，起到抗干扰作用。
同时R18接入电路以后当相当于单片机P1.3口加了一个下拉电阻，保证在P1.3口无电压时为零，即保证在输入端的三个输入线同时断开（一般在不断电更换转把时，会出现这种情况）时，程序采集到的输入信号电压为零。
这种情况也是对控制器的一种保护。
图6调速器输入电路
4.4控制模拟器
为了能使本控制系统操作符合长期以来人们的驾车习惯，考虑到成本问题，采用独立开关模拟汽车档位、离合器（lihe）和刹车（shache）。
系统上电以后踩调速器油门和直接挂档是不能使汽车行驶的，增加了汽车驾驶的安全性。
下面说一下整个操作过程：
（1）只有踩下离合器，才能挂档，松开离合器汽车才能行驶。
（2）每档有一个最低速和最高速，是通过调速器调整PWM脉宽实现的。
（3）汽车行驶过程中，踩下离合器，汽车处于滑行状态，可以节约能源。
（4）紧急刹车需踩下离合器和刹车。
（5）当汽车匀速行驶10秒可自动实现巡航。
（6）设防和撤防保护汽车的安全性。
以上功能是通过软件实现的，根据实际需求可以扩展其他功能。
如图7所示。
图7控制模拟器
4.5换相逻辑接口
此接口的功能把无刷电机的位置霍尔开关信号送到单片机的霍尔检测口，主控器STC12C5404AD根据霍尔状态输出相应的PWM逻辑驱动脉冲。
无刷电
图8换相逻辑接口
机的霍耳元件有5根引线，图8所示的1—5接口分别是霍耳元件的公共电源正极、公共电源负极、A相霍耳输出、B相霍耳输出和C相霍耳输出，H1、H2、H3分别是A相、B相、C相霍尔输出的检测端口，无刷控制器（60°）霍耳真值信号是：
100、110、010、011、001、101，无刷电机采用两相导通六状态控制方式，其正反转霍尔值表如表2所示，换相逻辑接口如图8所示。
表2霍尔信号与电机驱动逻辑真值表
方向控制
霍尔信号
逻辑驱动信号
H1
H2
H3
V1
V3
V5
V2
V4
V6
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
0
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0
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
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1
0
0
1
1
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0
0
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0
1
0
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
0
0
0
0
0
0
0
4.6IGBT驱动电路
此模块在本系统中共有六块，+24V供电，如图9，管脚功能已阐述过，导通与关断受主控制器输出的PWM脉冲控制，下图所示的六路PWM0—PWM5的PWM0驱动，其余5路类似。
1-5V的PWM0脉冲从1脚输入经内部光电三极管隔离放大、功率放大后从8脚输出电压20V，9脚输出电流。
本电路采用电压输出模式，控制一个IGBT管导通与截止，IGBT-AST965内置正负电压发生器以及电压滤波器，驱动正向电压稳压，输入电压波动时不影响驱动正向电压高低，内置驱动欠压保护电路；短路保护电路，短路保护时软关断IGBT；VCE检测的快恢复二极管，耐压达2000V，内置光电耦合器以传输驱动保护／故障信号３脚输出，主控器检测到此信号关断PWM输出；内置栅极电压箝位元件，动作速度在20nS以内。
P6CE16CA为瞬态电压抑制二极管，两端经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度（最高达10-12秒）使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压箝位在一个预定的20V，从而确保后面IGBT开关管免受瞬态高能量的冲击而损坏。
标号A相上桥HA、HAC、HAE别接IGBT的G、C、E实现PWM脉冲的进一步驱动放大，检测G、C、E的状态以实现驱动放大，下桥用LA、LAC、LAE，B相、C相类推见附图。
如图9所示。
图9IGBT驱动电路
4.7无刷电机驱动电路
经过比较分析，对无刷电机采用全桥方式驱动，这样可以提高绕组利用率，如图10所示，其通电方式有2中：
二二导通和三三导通。
图示中L1、L2、L3分别代表无刷电机的A相、B相、C相三相绕组，电机采用星形连接。
MGY40N60是摩托诺拉生产的IGBT单管，受PWM脉冲控制，可通过40-60A的电流，反相承受电Vces=600V，
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