1、本科毕业论文（20 届）汽车用永磁起动发电机控制器设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要随着永磁技术的不断发展和电力电子技术的成熟，以及当前保护环境对汽车技术的新要求，永磁起动发电技术在汽车领域的应用越来越广泛的应用。起动发电技术将汽车起动机和发电机集成在一个电机上，这个永磁电机在汽车发动机起动前用作起动电机，当汽车发动机开始正常运转时，用作发电机。本设计在绪论部分论述的了起动发电技术在国内外研究的现状，然后通过对永磁电机分类比较，确定了永磁无刷直流电动机作为本次设计的电动机类型。随后介绍了无刷直流电动机的工作原理、基本方程和机械特性
2、，并对本次设计所使用的永磁无刷直流电动机进行了电机参数的计算。确定控制算法为数字 PID 控制技术，使用积分分离法对其做了改进。在控制器的硬件设计中，经过对控制芯片的选择，确定主控芯片为TMS320LF2407A 型号的 DSP，随后设计了逆变电路、驱动电路、相电流检测电路等相关电路。在设计的最后，对控制系统的软件进行了设计，确定了主程序和中断子程序。关键词：起动发电机，永磁无刷直流电机，控制器，PID，TMS320LF2407A摘 要IIIAbstractWith the continuous development of the permanent magnet technology an
3、d the mature of the power electronics technology, and the new requirements of the environment protection for automotive technology, permanent magnet starter and power generation technology is more widely used in the automotive sector. Starting the power generation technologies integrated automotive
4、starter and generator in a motor, before starting the car engine the permanent magnet motor is used as a starter motor and used as a generator when the car engine start normal operation.In the introduction part, the design discussed the status of the starting the power generation technology in the d
5、omestic and foreign research. Then by the classification of permanent magnet motor, make sure of the brushless DC motor as the design of the motor， and then introduced the principle of working, the basic equations and mechanical properties of the brushless DC motor, design and work out calculation o
6、f the permanent magnet brushless DC motor. Then determine the digital PID control technology as the control algorithm, use the integral detach to improvement the algorithm. In the hardware design of the controller, after the select of the control chip, we determine to use the DSP TMS320LF2407A as th
7、e master chip, followed by the design of the inverter circuit of the circuit, the drive circuit, the phase current detection circuit. At the end of the design, design the software of the control system, the main program and interrupt subroutine.Key words: starter-generator, the permanent magnet brus
8、hless DC motor, controller, PID, TMS320LF2407AAbstractIV目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪论 .11.1 课题目的和意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国外研究现状 .11.2.2 国内发展现状 .31.3 本论文主要工作 .4第二章 电机建模 .52.1 电机类型的选择 .52.2 无刷直流电动机工作原理 .62.3 三相逆变模块 .72.4 永磁无刷直流电动机的基本方程 .82.5 永磁无刷直流电机仿真模型 .132.6 永磁无刷直流电动机的起动特性 .142.7 PWM 调速 .152.
9、8 永磁起动发电机技术指标： .172.9 本章小结 .19第三章 控制系统硬件设计 .203.1 控制系统总体方案 .203.2 主控芯片的选择 .203.3 控制系统硬件结构 .223.4 MOSFET 驱动电路 .233.5 转速及转子位置检测电路 .24第一章 绪论- 2 -3.6 相电流检测电路 .253.7 欠电压保护电路 .263.8 DSP 外围电路的设计 .273.8.1 时钟电路 .273.8.2 JTAG 仿真接口 .283.8.3 串行通信接口电路 .293.8.4 辅助电源 .293.9 本章小结 .30第四章 控制系统软件设计 .314.1 总体设计思路 .314.
10、2 主程序 .324.3 中断子程序 .324.3.1 捕捉中断子程序 .334.3.2 电流采样中断 .344.3.3 故障保护中断 .344.4 PID 控制程序 .354.4.1 模拟 PID 控制原理 .354.4.2 位置式 PID 控制算法 .374.4.3 增量式 PID 控制算法 .384.5 数字 PID 改进算法 .404.5.1 积分分离法 .404.5.2 数字滤波技术 .414.6 本章小结 .43总 结 .44参考文献 .45致 谢 .46第一章 绪论- 1 -第一章 绪论1.1 课题目的和意义2002 年以来，中国汽车行业开始进入黄金时期，轿车需求量猛增，这是中国
11、汽车发展的支柱性力量。中国 2011 年累计生产汽车 1841.89 万辆，同比增长0.8%，销售汽车 1850.51 万辆，同比增长 2.5%，再次刷新全球历史纪录。然而随着国际油价和国内油价的进一步提升，汽车的节能问题越来越引起人们的广泛关注。汽车永磁起动发电机的研究就是为了提高汽车起动过程和运行过程中的效率。稀土永磁电机最显著的性能特点是轻型化、高性能化、高效节能。高性能稀土永磁电机是许多新技术、高技术产业的基础。车用起动机和发电机是两个独立的电器设备，用于起动和发电。在传统的汽车电气系统中，发电机和起动机是体积和重量最大的两个独立电气装置，所起到的作用是十分重要的。但是它们普遍存在效率
12、低、故障率高等缺点。起动发电一体化是将起动与发电功能集于一体，具有在蓄电池低电流小起动转矩大；在发动机转速范围内，发电机功率大、效率高、体积小，适于安装等优点。起动发电机能为新的电器供电，起动快，可以瞬间将发动机起动到怠速状态，起动几乎无噪声；起动过程有害物排放少；制动时能量可再回收；在起动停车过程中，可以降低燃料消耗；使曲轴扭转振动减小，传动系振动降低；可以提供增加功能，改善发动机的起动性能；可以减少发动机机的冷凝性，使发动机的功效提高；燃料消耗降低。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状ISAD(Integrated starter Alternator Damper)系统中的电机
13、主要是交流电机、开关磁阻和永磁同步电机，为推进直流无刷电机在混合动力汽车中的应用，ISAD 系统作为混合动力汽车（HEV）的一种形式，虽没有实现零排放，但它能达到的动力性、经济性和排放指标是缓解日益尖锐的汽车需求与环境污染、石油短缺矛盾的有效途径。德国大陆公司的 Tocher 子公司在 1997 年第一次开第一章 绪论- 2 -发出 ISAD 系统。1999 年，起动发电一体化系统在法兰克福国际汽车展览会上首次展出。 法雷奥集团起动/发电一体化（ISA）组合的起动机 发电机被整合成一起，连接在发动机和变速器间的轴承上，这种设计省去过去起动机和发电机的部件，发电电压为 42V。发电机在反向电动机
14、模式时作为起动机使用，通过控制器的作用起动过程速度快、噪声小。采用这种系统可以使普通柴油及发动机降低分贝数，并且再生制动，既提高了制动效率又增强了燃料燃烧效率。美国伟世通公司(Visteon Corporation)也推出了其 ISA 的样机，最大输出功率可达 12kW。以上两种起动发电机也是以辅助动力作为它们的主要功能。ISG（Integrated Starter and Generator） ，是汽车起动发电一体机，直接集成在发动机主轴上，就是直接以某种瞬态功率较大的电机替代传统的启动电机，在起步阶段短时替代发动机驱动汽车，并同时起到启动发动机的作用，减少发动机的怠速损耗和污染，正常行使时
15、，发动机驱动车辆，该电机断开或者起到发电机的作用，刹车时，该电机还可以起到再生发电，回收制动能量的节能效果。总之这是一种介于混合动力和传统汽车之间的一种成本低廉的节能和环保方案。日本的混合电驱动技术以丰田公司最为著名，其混合电动车 Prius 已经成功商用化，并且行销欧美和亚洲国家。丰田公司在 1996 年于电动车 RAV4 中就采用了东京电机公司的插入式永磁同步电机作为驱动电机。丰田汽车公司和本田汽车公司是目前两家批量生产和销售混合动力车的汽造商。截至 2003 年7 月底，日本混合动力汽车 Toyota Prius 已售出 12 万多在混合电动汽车开发方面，韩国现代集团相继于 1999 年
16、、2000 年和 2002 发出 Avante、Verna 和Click 混合电动汽车。德国宝马汽车公司推出了自己的曲轴起动发电机(Crankshaft Starter/Alternator, CSA)。与此同时，一些美国汽车公司和学术机构也开始一体化起动发电机的研究工作。第一章 绪论- 3 -1.2.2 国内发展现状我国的发展混合动力车辆的技术条件已基本具备。一气丰田将于今年内生产丰田混合动力的 Prius 轿车，而通用中国和上汽也将首度合作推出混合动力客车。国内吉利集团华普汽车有限公司最近也研制出一款新型 ISAD 轿车样机，其 ISAD 系统采用了永磁无刷直流电机方案。我国近年来非常重视
17、该技术的发展，并将该技术开发课题列入了“十五”863 计划。目前我国的东风、长安、吉利、比亚迪等汽车公司都在开展相应车用 ISAD 系统及配套部件的研究。吉林大学对“ 混合动力客车用 ISG 控制器”进行研究，本文的内容，是对ISG 电机控制理论与方法的探索性研究。使用 PIC18F458 单片机作为核心控制器，对直流无刷电机作控制特性的研究与实验。但其单片机的计算能力不足，无法对电极的磁场，电流做更加复杂的控制。重庆大学对长安汽车公司的混合动力羚羊轿车项目进行了研究与开发(国家863 计划项目) ，进行了长安混合动力羚羊轿车系统的关键技术仿真实验，建立了数学模型，但车辆起动性能还有待提高。江
18、苏大学和进行了基于开关磁阻电机的车用 ISAD 系统的控制策略的研究首先开展了汽车用开关磁阻电机 ISAD 系统的研究工作，提出了开关磁阻电机在 ISAD 系统的不同工作模式下的最优激励参数判别标准与及其控制策略，采用基于 CPLD 的纯硬件控制系统对开关磁阻电机 ISAD 系统进行控制，其电机角度位置控制电路，具有优异的控制效果，采用基于 DSP+CPLD 的控制系统对开关磁阻电机 ISAD 系统进行控制，简化了系统结构，提高了系统的性能和可靠性。但其原理试验样机系统还有很多不足之处，额定功率小起动转矩较小，脉动较大，开关磁阻电机光电传感的位置检测方法，系统可靠性不足。中科院电工研究所对车
19、42V 电气系统的起动发电机的全数字化控制软硬件进行了深入研究。研究了异步电机空间矢量脉宽调制 算法和 DSP 控制。S(VPWM)研究了转矩、磁通、转速调节器等设备在全数字化矢量控制的控制算法，同时设计了系统软件。第一章 绪论- 4 -1.3 本论文主要工作本论文主要是对汽车用永磁起动发电机控制器中，无刷直流电机的起动控制部分做了研究和设计。做了以下几方面工作：(1) 首先选择永磁无刷直流电机为本次设计所使用的电机，介绍了永磁电机的内部结构和三相逆变器的工作原理，建立了数学模型和仿真模型，对其机械特性尤其是起动特性进行了分析，确定了电机的主要技术指标。(2) 确定电机的控制系统总体方案，选择
20、主控芯片为 TMS320LF2407A 型号的 DSP。设计了控制系统的驱动电路、相电流检测电路、电流保护电路、欠电压保护电路、时钟发生器、JTAG 仿真接口、编码器接口电路和串行通信接口电路(3) 进行了控制系统软件设计，将软件部分分类为：主程序模块、中断子程序模块和 PID 控制程序模块。设计了系统初始化、捕获当前位置和设置中断标志等主程序框图，位置捕获中断、电流采样中断、故障保护中断等中断程序框图。对 PID 控制算法做了简单介绍，设计了增量式 PID 控制算法程序框图、积分分离算法程序框图和防脉冲干扰平均值滤波法程序框图。第二章 电机建模- 5 -第二章 电机建模2.1 电机类型的选择
21、永磁电机的分类：有刷直流电机、感应电机、电励磁同步电机、开关磁阻电机、双凸极电机和永磁无刷电机。Boliger 于 1917 年提出了无刷直流电机的思想。随着电力电子及制造等相关专业的发展，美国 D.Harrison 等人于 1955 年首次以“ 用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷” 的技术申请了专利，这是现代无刷直流电机诞生的标志。1978 年，第一台无刷直流电机及其驱动器的展示，标志着无刷直流电机真正进入应用。永磁无刷电机是在直流电机的转子上装置永久磁铁，不再用电刷和换向器为转子输入励磁电流，工作时，直接将电流输入无刷直流电机的定子中，控制其运转。永磁无刷直流电机重量轻，体积小，比功
22、率大，能量密度高。永磁无刷直流电机用作发电机使用时效率高，消耗少，低速供电性能优良，能适应低劣条件的环境，噪音低，使用寿命长，具有很强的市场竞争力。各类永磁电机优缺点比较如表 2-1 所示。表 2-1 各类永磁电机优缺点比较比较内容 有刷直流电机 感应电机 开关磁阻 电机 永磁无刷电机控制方式 差 一般 优 优大小质量 差 优 一般 优高速运转能力 差 优 优 一般维修性 差 优 优 一般电动机效率 差 一般 优 优尺寸质量 优 一般 一般 一般控制性 一般 优 一般 优控制装置功率元件 少 多 较多 多综合评价 差 一般坚固 较优 优高效基于这些优点，永磁无刷直流电机很适合作为燃油汽车用起动发电机。
