基于DSP的电动车多轮驱电机的协调控制.doc

1、 国内图书分类号： TP273,U469.72 国际图书分类号： 西 南 交 通 大 学 研 究 生 学 位 论 文 基于 DSP 的电动车 多轮驱电机的协调控制 年 级 二六级 姓 名 吴 学 斌 申请学位级别 工 学 硕 士 专 业 控制理论与控制工程 指 导 教 师 周文祥 研究员 二九年六月 Classified Index： TP273,U469.72 U.D.C： Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis COORDINATING CONTROL FOR MULTIPLE IN-WHEEL MOTORS OF THE EL

2、ECTRIC VEHICLE BASED ON DSP Grade： 2006 Candidate： Wu Xuebin Academic Degree Applied for： Master Degree Speciality： Control Theory and Control Engineering Supervisor： Zhou Wenxiang June 2009 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校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。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部

3、分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论 文。 本学位论文属于 1保密，在 年解密后适用本授权书； 2不保密，使用本授权书。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导老师签名： 日期： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新如下： 针对电动三轮车控制需求，给出

4、了其双电机协调控制策略，利用软件编程代替了传统机械差速器功能，系统结构简单，灵活性高，易于实现。 学位论文作者签名： 日期： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 I 页 摘 要 承载、转向和牵引是地面运行车辆的三大基本功能。目前纯电动汽车正在向多轮驱方向发展，这种系统至少含有两台驱动电机，通过对多电机的协调控制，不仅可实现电动车的双向牵引，而且为同时实现转向协调提供了可能。为此，本文围绕多轮驱电机的协调控制技术进行相关的理论与试 验研究。 首先，对 永磁无刷直流电动机的工作原理与特性 进行分析；借鉴经典汽车技术，系统的研究了轮驱式电动车的控制功能及实现方法； 给出一个由人工转向轮 +两个驱动轮

5、组成的电动三轮车概念模型，并提出了一种基于双电机独立驱动、电流指令灵活分配的控制系统策略。该系统接收电流调节手把指令和电流分配指令，通过双电机电流信号分配及闭环控制实现转矩协调控制， 使电动车在 牵引驱动的同时 ，实现转向协调控制 。 其次，针对上述电动三轮车的控制需求，在对电机功率驱动电路结构与控制方式、电流及转子位置信号检测方法进行比较分析的基础上，设计了 无刷直流电动机的 硬件 驱动 电路，搭建了 以 TMS320F2812 开发板为主控制器的双电机协调控制系统硬件试验研究平台 ；分析了控制系统软件整体需求，编写了系统输入、输出及控制模块软件，完成了 双电机协调控制系统软件设计 。 最后

6、， 在 试验研究平台上，完成了系统 软件与硬件联合调试。通过电机开环调试，标定了速度检测子系统；单独施加恒定激励电流，标定了电流检测子系统；外加可变负载，验证了电机电流闭环控制功能。 调试结果 表明， 控制系统可实现电机启动、调速、正反转和电流闭环控制。 全部试验结果表明，基于 DSP 的电动车多轮驱电机协 调控制可在牵引驱动的同时实现转向协调，采用成熟的电流闭环控制技术，以软件代替机械差速器的功能，可供多轮驱电动汽车的研究参考。 关键词： 电动汽车；多轮驱； DSP；电流闭环控制 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 II 页 Abstract Three basic functions of

7、 the ground running vehicles are bearing, steering and traction. At present, the trend of the pure electric automobiles is the multiwheel drive. This kind of system contains two driven motors at least. By coordinating control of the motors, the bidirectional traction of the electric vehicles can be

8、realized, and coordinating control for the steering could become possible at the same time. Therefore, the related theory and experiment about coordinating control technology of the multiwheel drive has been researched in this paper. At first, the working principle and characteristic for the permane

9、nt magnet brushless dc motor have been analyzed. According to the technique of traditional automobile, the control functions and realization methods of wheel-driven electric vehicle are researched systematically. The conceptual model of the electric tricycle composed of artificial steering wheel and

10、 two driven wheels is presented, and the system control strategy based on independent dual motor driven and flexible current instructions assignment has been proposed. The current adjustment handle instructions and current assignment instructions are received in this system, and coordinating control

11、 for torque is realized by assignment and closed-loop control for current of the dual motors. Furthermore, steering coordinating control can be realized, while traction of the electric automobiles can be completed. Secondly, for the control need of the electric tricycle mentioned above, the hardware

12、 driven circuit of magnet brushless dc motor has been designed on the basis of comparing for power driven circuit structure, control means, mehod of current and rotors position signal detection of motor. And the hardware test and research platform of the dual-motor coordinating control system taking

13、 TMS320F2812 as the main controller has been builded up. The entire demand of software control system has been analyzed and input modules, output modules and control modules of system have been programmed. The software design of the dual-motor coordinating control system has been accomplished at las

14、t. Finally, system software and hardware joint debug has been completed on the experimental study platform. Speed detection subsystem has been calibrated by the 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 III 页 motor open-loop tests. Current detection subsystem has been calibrated by excitation permanent current imposed sepa

15、rately. And current closed-loop control of motor has been completed. The test results show that the control system can realize starting, speed adjustment, clockwise and anti-clockwise running and current closed-loop control functions of motor. All the test results show that the coordinating control

16、for multiple driven motors of the electric vehicle based on DSP can realize coordinating control for the steering, while traction of the electric automobiles can be completed. Mature technique of current closed-loop control is adopted, and the function of differential mechanism can be replaced by so

17、ftware module, which gives the reference to the study of multiwheel electric vehicles. Keywords: Electric Vehicle; Multiwheel Drive; DSP; Current Closed-loop Control; 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 IV 页 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.2 多轮驱协调控制的现状 . 1 1.3 论文完成的主要工作 . 3 第 2 章 电动车控制技术研究 . 4 2.1 无刷直流电动机分析 . 4

18、 2.1.1 工作原理 . 4 2.1.2 数学模型 . 6 2.1.3 建模仿真 . 8 2.2 电动车控制功能及实现 . 11 2.3 电动三轮车概念模型及策略 . 14 2.3.1 电动三轮车概念模型 . 14 2.3.2 双电机协调控制策略 . 15 2.4 研究技术路线 . 17 2.5 本章小结 . 17 第 3 章 电气控制系统硬件设计 . 18 3.1 电气控制系统方案研究 . 18 3.1.1 功率桥电路与控制 . 18 3.1.2 电机电流检测方案 . 21 3.1.3 转子位置信号检测 . 21 3.2 控制调节系统研究 . 22 3.2.1 控制调节系统需求 . 22

19、3.2.2 硬件 解决方案 . 22 3.3 电气控制系统的实现 . 23 3.3.1 电流控制输入电路 . 23 3.3.2 PWM 信号隔离电路 . 24 3.3.3 电机功率驱动电路 . 24 3.3.4 转子位置检测电路 . 28 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 V 页 3.3.5 电机电流检测电路 . 28 3.4 控制系统可靠性设计 . 30 3.4.1 电源去耦 . 30 3.4.2 信号隔离 . 31 3.4.3 布线线宽 . 31 3.5 本章小结 . 32 第 4 章 控制系统应用软件设计 . 33 4.1 软件总体分析 . 33 4.2 输入模块软件设计 . 34 4

20、.2.1 控制信号输入 . 34 4.2.2 转子位置检测 . 38 4.2.3 电机转速测量 . 38 4.2.4 电压电流采集 . 41 4.3 输出模块软件设计 . 42 4.4 控制模块软件设计 . 45 4.5 本章小结 . 47 第 5 章 系统调试与试验结果分析 . 48 5.1 试验研究平台介绍 . 48 5.2 电机开环调试 . 49 5.2.1 转速标定 . 49 5.2.2 转速 /电流特性 . 50 5.3 电流检测系统标定 . 51 5.4 电流闭环系统调试 . 52 结 论 . 55 致 谢 . 56 参考文献 . 57 攻读硕士学位期间发表的学术论文 . 61 西

21、南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 页 第 1 章 绪 论 1.1 课题研究背景及意义 采用电机驱动的 电动汽车最早诞生于 1873 年 8，而采用内燃机驱动的经典汽车要 晚 10 余年。由于发现了廉价的 化石能源，且电池的能量 /重量比居高不下，经典内燃机驱动汽车得到了百余年的发展，给人类带来了极大的方便，但也带来了极大的污染。大约从 1980 年开始，人们转而积极发展电动汽车 4-9，其采用电动机作为驱动源，不仅具有较高的驱动效率，并且最大的特点是环保，所以有逐渐取代内燃机驱动的趋势。坦克及装甲车的电驱化 1，移动机器人的电动控制 2，轮轨机车的电气化 3都是电机驱动优势的具体体现。 传

22、统电力驱动的电动汽车是在内燃机驱动的基础上发展而来的 ，采用电动机代替内燃式发动机，实现一辆车采用一台电机驱动，利用离合器、齿轮箱和差速器等一系列机械装置，实现电动机到车轮之间的动力传递。 随着电动车的发展，其电力驱动结构也出现了多种不同的形式，逐渐由传统的单电机驱动发展为多电机驱动即一个车轮采用一台电机驱动，电动机输出力矩直接通过减速器作用于车轮，使机械传动系统进一步得到减化。 最新的发展是将电动机直接装在车轮里面，使车速控制直接等同于电动机的转速控制，使多电机驱动系统结构彻底摆脱了齿轮箱和差速器等机械装置，实现了车辆底盘系统的电子化、主动化，因此多电机轮式 驱动 (多轮驱 )电动车越来越受到人们的重视。 对多个驱动电机协调控制，电动车不仅可实现牵引功能，而且为同时实现主动或被动转向提供了可能。采用良好的协调控制策略，轨道车辆可以提高弯道牵引力，节省能源，降低噪音；电动汽车可以降低轮胎磨耗，避免车辆在转弯时发生侧滑。因此研究多轮驱电机的协调控制以保证车辆安全、高效运行具有重要意义。 1.2 多轮驱协调控制的现状 由于多轮驱电动车辆具有以上优点，因此得到了多家汽车公司和研究机构的重视 10-11，多电机协调控制策略也得到众多学者的研究。 多 轮驱 协调控制是通过调节各驱 动轮电动机的转速或转矩，实现对车辆运行状态的控制。目前已有的多轮驱协调控制策略可分为三种：转速闭环控制、