摘要汽車工業(yè)是人類現(xiàn)代文明的重要標(biāo)志之一，進(jìn)入21世紀(jì)后隨著人類環(huán)境保護(hù)意識的加強以及能源危機的日益突顯，使得人們不得不重新審視和定位汽車產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和將來。電動汽車具有節(jié)能，零排放，低噪聲等優(yōu)點，是真正綠色環(huán)保的交通工具。無刷直流電機是一種通用性很強的高性能應(yīng)用電機，以其控制簡單、可靠性高等優(yōu)越的性能成為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的首選。本文以四驅(qū)電動車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)作為研究對象，采用FPGA作為控制核心進(jìn)行了相關(guān)的分析研究。本文首先對國內(nèi)外電動汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢以及電動車驅(qū)動系統(tǒng)控制方法進(jìn)行了相關(guān)調(diào)研，了解無刷直流輪毅電機的控制方法及控制器的發(fā)展。其次，本文對電動車驅(qū)動系統(tǒng)控制技術(shù)進(jìn)行了分析，并根據(jù)電動車驅(qū)動控制系統(tǒng)的特性及提高系統(tǒng)集成度的要求，采用FPGA為控制核心。FPGA作為數(shù)字器件，通常用于控制數(shù)字化電機;通過對本控制系統(tǒng)進(jìn)行一定程度的數(shù)字化改造，可用于控制直流電機，并且可以提高系統(tǒng)的調(diào)速精度和控制功能。FPGA采用獨特的并行運算電路，在一個控制核心中可以加入多個控制對象進(jìn)行獨立驅(qū)動，控制性能不受到影響，各控制對象間不會產(chǎn)生干擾，避免了多對象實時控制中繁瑣的時序設(shè)計問題，一定程度上提高系統(tǒng)的集成度和抗干擾能力。再次，以Altera FPGA為核心控制器設(shè)計電動車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要分為控制部分和驅(qū)動部分。控制部分主要由FPGA及AD轉(zhuǎn)換器組成，包括數(shù)據(jù)采集和PWM波形的產(chǎn)生以及電機電樞電流的采樣。驅(qū)動電路由MOSFET功率轉(zhuǎn)換電路及光電隔離電路組成。電機的位置信號由霍爾元件采集。選擇PID控制算法，對數(shù)字PID控制器進(jìn)行設(shè)計并在FPGA控制器上實現(xiàn);對電動車輪毅電機進(jìn)行獨立控制，使各電機的控制達(dá)到驅(qū)動電動車正常行駛的目的。方案設(shè)計與實施過程中，在QUartosll環(huán)境下對各環(huán)節(jié)及系統(tǒng)總體進(jìn)行了仿真和驗證。最后，通過對控制器的調(diào)試和實驗，驗證了以FPGA為控制核心的四驅(qū)電動車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了輪毅電機的平穩(wěn)啟動，良好的速度調(diào)節(jié)性能，達(dá)到電動車正常行駛的性能指標(biāo)。關(guān)鍵詞:電動汽車，無刷直流電機，F(xiàn)PGA，PID控制AbstractThe car industry is one of the most important symbol of modern industrial civilization，entering the 21st century，with the strengthening awareness of environmental protection and the expanding energy crisis，people have no choice but to reconsider the current status and future of the automobile industry. Electric cars have advantages including energy-saving，zero-exhausting and low noise etc，it is the real green traffic tools. BLDCM is the best choice in the driving system of electric cars. This thesis takes the electric control 4wd driving system as the main research object，Using the FPGA as core controller to do the interrelated analysis and research.Firstly this thesis carry on research in the present situation and development trend of electric cars and its driving system control methods at home and abroad. Find out The control method of BLDCM and development of its controller.Secondly，this thesis analyze the technology of driving system of the electric cars and use the FPGA as the core controller according to the characteristics of driving contro1 system and the request in improving the integration. As a digital device，F(xiàn)PGA usually use in controlling digital motor，with a certain degree of digital transformation of the system it could be used to control BLDCM. The FPGA adopt unique parallel computing circuit，could using to control multiple objects independently and its performance is not affected，avoiding the complex timing problems in design，improving the system integration and the anti-interference ability.Using Altera FPGA as core controller to design the driving control system in electric cars .The system includes controlling and driving parts. Controlling part is mainly composed of FPGA and A/D converting modules .Driving circuit includes power converting circuits and isolation circuit. Choose of PID control as the main algorithm for four wheels motor independent controlling，doing simulations under Quartus environment.Finally，through the commissioning and experiment to realize the reliability of whole system，and the good performance in speed adjustment.Key words: Electric cars，BLDCM，F(xiàn)PGA，PID control algorithm目錄第l章緒論. 1.1選題背景及意義.11.2電動汽車發(fā)展與國內(nèi)外現(xiàn)狀.21.3無刷直流電機控制器的發(fā)展.31.4FPGA基本結(jié)構(gòu)及技術(shù).41.4.1FPGA的基本結(jié)構(gòu)及特點.51.4.2FPGA在無刷直流電機控制中的應(yīng)用.61.5課題主要研究內(nèi)容.6第2章無刷直流電機的基本原理及控制系統(tǒng)分析.82.1無刷直流電機控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成.82.2無刷直流電機的控制原理.102.3無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型.122.4PWM調(diào)制方式分析與研究.142.4.1PWM調(diào)制方式分類.巧2.4.2PWM調(diào)制方式對電樞電流影響.巧2.5PID控制策略研究.162.5.1PID控制原理.162.5.2PID控制參數(shù)整定.182.6本章小結(jié).19第3章電動車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件組成及設(shè)計.203.1基于FPGA的電動車電機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件組成.203.2控制電路模塊組成與設(shè)計.213.2.1FPGA主控制器及其配置模塊.213.2.2電源模塊.243.2.3AD轉(zhuǎn)換模塊.253.2.4串口通信模塊.263.3驅(qū)動電路模塊組成與設(shè)計.273.3.1功率開關(guān)器件及其驅(qū)動電路模塊.273.3.2電平轉(zhuǎn)換與隔離電路模塊.283.3.3電流采樣及霍爾信號檢測模塊.293.4本章小結(jié).30武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第4章電動車電機驅(qū)動控制在FPGA中的實現(xiàn).314.1FPGA的開發(fā)流程及開發(fā)工具.314.1.1FPGA基本開發(fā)流程.314.1.2系統(tǒng)開發(fā)工具Quartusn.犯4.1.3VHDL概述及特點.324.2無刷直流電機控制系統(tǒng)主要模塊設(shè)計.344.2.1控制系統(tǒng)主要模塊.344.2.2AD轉(zhuǎn)換控制模塊.344.2.3轉(zhuǎn)子位置及電機轉(zhuǎn)速檢測模塊，.374.2.4PWM產(chǎn)生及死區(qū)保護(hù)模塊.404.2.5數(shù)字PID算法的實現(xiàn).434.3基于FPGA的UA又1，設(shè)計.454.3.1uART通信方式.454.3.2UART在FPGA中的實現(xiàn).464.3.3FPGA多電機控制的討論.504.4本章小結(jié).52第5章系統(tǒng)調(diào)試與仿真.535.1Matlab系統(tǒng)仿真分析.，.535.2QUartusll環(huán)境各模塊調(diào)試和仿真.545.2.1ADCOSOg控制模塊，.545.2.2轉(zhuǎn)子位置及電機轉(zhuǎn)速檢測模塊.555.2.3PWM產(chǎn)生及死區(qū)模塊.565.2.4數(shù)字PID控制算法.575.3本章小結(jié).58第6章總結(jié)與展望.，596.1全文總結(jié).596.2進(jìn)一步工作展望.60參考文獻(xiàn).61作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文.63致謝.，.64武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1.1 選題背景及意義汽車產(chǎn)業(yè)至今已走過了百年歷史，以內(nèi)燃機為動力源的汽車為人類的生活帶來了極大的便利，為人類社會的進(jìn)步做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。然而在它不斷推動社會發(fā)展的同時，也帶來了日益突顯的危害。汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展使得全球汽車總量不斷提高，內(nèi)燃機汽車大量消耗有限的石油資源使得資源枯竭、能源短缺等問題日益嚴(yán)重;加之其在大量耗能的情況下帶來越來越的環(huán)境污染問題，嚴(yán)重威脅到人類的健康和生存。在強調(diào)可持續(xù)發(fā)展的今天人們不得不重新審視汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向，各國政府也不惜投入重金來尋求解決這些問題的途徑。然而如果繼續(xù)采用內(nèi)燃機提供動力，以當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平無論是研制石油的代燃料或是采用其他燃燒模式都不能從根本上解決能源的消耗和降低尾氣排放等問題。尋求零排放或低排放、低噪聲、提高能源率已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求和必然趨勢。正是在這樣的發(fā)展背景下，電動汽車技術(shù)的研究和發(fā)展成為了汽車產(chǎn)業(yè)一種新的理念和熱點。電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通安全法規(guī)各項要求的車輛。電動汽車主要包括三大類，即純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車。電動汽車較之傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車有著顯著的優(yōu)點:低噪聲且無尾氣排放，對環(huán)境更加友好，在很大程度上減低對人類生活環(huán)境的污染;采用電能替代石油，改善了能源結(jié)構(gòu)并且可以有效提高能源利用率和經(jīng)濟(jì)效益。正是有著這樣的優(yōu)點電動汽車將成為21世紀(jì)最具競爭力和前景的交通工具。電動汽車系統(tǒng)一般由車體、電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)、電池管理及控制系統(tǒng)組成，而電機驅(qū)動及控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，決定著整車系統(tǒng)的運行性能和能量利用效率，也是區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的最大不同點。目前在電動汽車電機驅(qū)動控制方面還存在諸多難題，在極大程度上限制了電動汽車的發(fā)展。本課題以當(dāng)前電動汽車的研究熱點四輪驅(qū)動電動車作為研究對象，對其電機驅(qū)動控制器進(jìn)行分析和研究，提出一種新的設(shè)計思路，并在設(shè)計過程中為驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展提供相關(guān)的技術(shù)參考以及初步研究結(jié)論，對進(jìn)一步開發(fā)和改良電動汽車電機驅(qū)動控制技術(shù)具有工程和學(xué)術(shù)意義。1.2電動汽車發(fā)展與國內(nèi)外現(xiàn)狀電動汽車最早出現(xiàn)在19末期，世界上第一輛電動汽車于1873年由英國工程師戴維森發(fā)明，是一輛由鐵鋅電池提供動力的三輪車;1881年法國工程師特魯夫使用鉛酸電池研制了第一輛可以反復(fù)充電的電動汽車3。從此之后的四十年電動汽車在汽車產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了重要地位，這得益于19世紀(jì)末電池技術(shù)的成熟。進(jìn)入20世紀(jì)后隨著內(nèi)燃機技術(shù)的不斷發(fā)展，以內(nèi)燃機為動力源的汽車逐漸占據(jù)主導(dǎo)，電動汽車進(jìn)入了暫時的沒落時期。20世紀(jì)末期爆發(fā)的能源危機和環(huán)境污染等問題給電動汽車引來了發(fā)展的轉(zhuǎn)機，以美國、英國、德國及日本為代表，世界各國均開始電動汽車技術(shù)的研究工作。目前電動汽車主要分為三大類，即純電動汽車，混合動力汽車和燃料電池電動汽車。純電動汽車由蓄電池提供電能驅(qū)動輪毅電機，這一類電動汽車己經(jīng)有著130多年的歷史。它無有污染的排放成分，對環(huán)境友好，被視為綠色交通工具的首選。目前純電動汽車技術(shù)較為成熟，但受限于電池容量密度和價格以及整車功能等問題，推廣范圍有所局限?；旌蟿恿﹄妱悠囀侵赣蓛煞N以上能量源驅(qū)動，其中至少有一種提供電能的汽車，它的持續(xù)工作時間長，動力性強，無污染低噪聲，典型代表為豐田公司的普銳斯混合動力轎車。燃料電池汽車是指通過將電池中的化學(xué)能直接裝化為電能，而不經(jīng)過燃燒的汽車。其電池的化學(xué)反應(yīng)不產(chǎn)生有害物質(zhì)，能效可達(dá)到80%。但這類電動汽車還存在較多技術(shù)難點，且成本較高，還需要較長的研發(fā)周期。三種電動汽車中，燃料電池汽車和純電動汽車最具發(fā)展和應(yīng)用前景，而混合動力轎車目前應(yīng)用最為成熟，但長遠(yuǎn)來看它只是一種過渡時期的產(chǎn)品，隨著電動汽車技術(shù)的發(fā)展，純電動汽車和燃料電池汽車必將得到廣泛的應(yīng)用。在汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)國家中，日本在電動汽車的研發(fā)中態(tài)度最為積極，在混合動力汽車的開發(fā)中處于全球領(lǐng)先地位，政府制定了許多相關(guān)政策鼓勵電動汽車的發(fā)展，目前豐田和本田兩家公司已批量生產(chǎn)和銷售混合動力汽車，豐田公司的PRIUS混合動力轎車已于2000年起進(jìn)入歐洲、北美市場，全球混合動力汽車銷量已達(dá)11萬輛，美國在電動汽車產(chǎn)業(yè)與日本存在一定的差距，目前只進(jìn)行小規(guī)模的純電動汽車的生產(chǎn)，但政府投入上億美元進(jìn)行電動汽車的研發(fā)，顯示對電動汽車技術(shù)的重視。歐洲各國中法國是最為積極推廣電動汽車的國家之一，上世紀(jì)90年代末期該國電動汽車產(chǎn)量己達(dá)到2000輛，目前巴黎已有數(shù)百輛電動汽車在運行，雪鐵龍汽車公司研發(fā)的電動汽車已經(jīng)投入生產(chǎn)s。其他汽車產(chǎn)業(yè)并不太發(fā)達(dá)的國家也十分重視電動汽車的研發(fā)，目前電動汽車在全世界的保有量已達(dá)到5萬輛左右。我國的電動汽車的研究起步于上世紀(jì)70年代，“八五”期間電動汽車被列入國家攻關(guān)項目;90年代我國進(jìn)入了較快發(fā)展期，經(jīng)過“八五”計劃起的三個五年計劃，我國在電動汽車領(lǐng)域取得了一系列的成果6。目前我國電動汽車整體水平已邁入國際先進(jìn)行列，在一些技術(shù)領(lǐng)域還處于世界領(lǐng)先水平，如在燃料電池車載發(fā)動機的研發(fā)領(lǐng)域，我國是世界上少數(shù)掌握其核心技術(shù)的國家;混合動力客車已具有小規(guī)模生產(chǎn)能力，純電動汽車也開始批量生產(chǎn)。中國是一個能源消耗大國，同時在傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)我國與發(fā)達(dá)國家存在較大差距，發(fā)展電動汽車勢在必行。在已取得突破性進(jìn)展的基礎(chǔ)上，隨著各項技術(shù)的逐漸成熟以及政府的更加重視，我國電動汽車必定擁有著更加光明的前景。電動汽車是真正意義上的綠色交通工具，可以預(yù)言21世紀(jì)是電動汽車代替內(nèi)燃機汽車的時代，盡管當(dāng)前面臨許多技術(shù)方面的困難和問題，但從長遠(yuǎn)的角度來看，電動汽車必將引起一場汽車產(chǎn)業(yè)革命。1.3無刷直流電機控制器的發(fā)展無刷直流電機是同步電機的一種，是當(dāng)代一種典型的機電一體化產(chǎn)品，采用電子換向裝置代替機械換向裝置。無刷直流電機作為一種通用的高性能應(yīng)用電機，以其可靠性高、控制簡單等優(yōu)越的性能成為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的首選閉。電機控制器是實現(xiàn)伺服調(diào)速系統(tǒng)基本功能的核心，保證電動機正常運行。電機控制器主要完成以下功能:產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號對電動機進(jìn)行調(diào)速控制;為驅(qū)動電路提供控制信號;實現(xiàn)各種控制算法，使系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能;實現(xiàn)欠壓、過流保護(hù)功能等?？煽啃院蛯崟r性是對控制系統(tǒng)的基本要求，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機控制器主要有以下幾種實現(xiàn)方法。(l)模擬電路。采用放大器等分離元件進(jìn)行連接，其實時性好，但是控制系統(tǒng)規(guī)模有限，難以進(jìn)行大運算量的復(fù)雜控制(2)專用集成電路。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電機控制專用集成電路被廣泛使用。這些集成電路多為模數(shù)混合電路，具有可靠性高，抗干擾能力強，價格低廉等優(yōu)點，因此得到較快發(fā)展。但是這種專用集成電路一般有著固定的控制算法，無法根據(jù)被控對象的需要進(jìn)行相應(yīng)的修改。(3)以微控制器為核心。采用8位或16位單片機為核心構(gòu)成控制器，結(jié)構(gòu)簡化，控制精度提高;適應(yīng)性強，可實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制算法。但MCU采用流水線結(jié)構(gòu)，處理速度受到較大限制，而且外圍電路較復(fù)雜，在實時控制和多對象控制方面存在較大的不足和困難。(4)以DSP為核心。TI公司推出的電機控制芯片TMS32OX28X系列是目前DSP控制器的代表。它延續(xù)了MCU的優(yōu)點，同時片上集成了電機控制專用模塊(如PWM產(chǎn)生電路，捕獲單元等)和大容量存儲器，可進(jìn)行更快速的控制運算，實現(xiàn)復(fù)雜運算等，與MCU相比有著顯著的性能提升。(5)以FPGA為核心。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，EDA技術(shù)給電子設(shè)計帶來巨大變化，F(xiàn)PGA工藝的不斷提高及價格不斷降低，使得硬件描述語言與FPGA器件的應(yīng)用范圍越來越廣泛，通過EDA設(shè)計工具可采用軟件編程實現(xiàn)控制算法，將控制算法下載到器件中以硬件方式實現(xiàn)控制。FPGA擁有豐富的可配置FO資源，采用獨特的并行運算電路，高速數(shù)字信號處理能力強。采用FPGA為核心控制無刷直流電機是一種新的控制系統(tǒng)設(shè)計思路，相比于其他控制核心，F(xiàn)PGA有著顯著的優(yōu)勢:FPGA片內(nèi)資源豐富，可配置FO資源豐富，接口設(shè)計靈活，簡化了外圍電路結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的集成度;采用硬件方式實現(xiàn)控制算法，實時性強，可靠度高;可重復(fù)編程，設(shè)計靈活，有著豐富的IP資源，縮短了設(shè)計周期I9。1.4FPGA基本結(jié)構(gòu)及技術(shù)隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字集成電路從電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路逐步發(fā)展為專用集成電路AsIC。ASIC的出現(xiàn)降低了生產(chǎn)成本提高了系統(tǒng)的可靠性，但其設(shè)計周期長，靈活性差。為了滿足人們對專用集成電路日益增長的需求，可編程器件逐漸在電子設(shè)計領(lǐng)域發(fā)展起來。從早期的可編程只讀存儲器PROM、紫外線可擦除只讀存儲器EPROM和電可擦除只讀存儲器EEPROM，發(fā)展到能完成中大規(guī)模數(shù)字邏輯功能的可編程陣列邏輯PAL和通用陣列邏輯GAL;如今現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA和復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD已可完成超大規(guī)模的復(fù)雜組合邏輯和時序邏輯。1.4.1FPGA的基本結(jié)構(gòu)及特點FPGA(Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場可編程門陣列，這個概念最早是由Xilinx公司提出，上世紀(jì)80年代中期Xilinx公司生產(chǎn)了世界上第一片F(xiàn)PGA，之后這種新型可編程邏輯器件以其優(yōu)越的性能獲得廣泛青睞，應(yīng)用逐漸普及。相比于其他的可編程邏輯器件，一片F(xiàn)PGA可以集成幾十萬到上百萬邏輯門，并且其邏輯功能單元不僅限于邏輯門而可以具有較為復(fù)雜的邏輯功能，使得芯片功能大幅度加強。FPGA基于SRAM架構(gòu)，主要由六個基本部分組成，即基本可編程邏輯單元CLB(Configurable Logic Block)，可編程輸入輸出單元IOB(I/O Block)，嵌入式RAM，豐富的布線資源，底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核。(l)基本可編程邏輯單元CLB。CLB是可編程邏輯的主體和實現(xiàn)用戶功能的基本單元，其一般由查找表LUT(Look UP Table)和寄存器(Register)組成，以陣列排列分布于芯片中l(wèi)l。LUT本質(zhì)上是一個RAM，在FPGA中較常使用4輸入結(jié)構(gòu)的LUT，每個LUT可以看作一個具有4位地址線的16*1的RAM。當(dāng)用戶通過原理圖或硬件描述語言對一個邏輯電路進(jìn)行描述后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件自動對該邏輯電路的所有可能結(jié)果進(jìn)行計算并將其預(yù)先寫入RAM，每一個邏輯運算輸入信號相當(dāng)于一個查找表輸入地址，通過輸入地址找出相應(yīng)的內(nèi)容然后輸出。不同F(xiàn)PGA制造商的查找表和寄存器在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組合模式的密切程度上存在一定的差異。Altera公司FPGA的可編程邏輯單元通常被稱為邏輯單元LE(Logic Element)，每個LE由一個寄存器和一個查找表構(gòu)成。Altera公司大多數(shù)FPGA將10個LE組合起來構(gòu)成更大功能單元LAB，即邏輯陣列模塊(Logic Array Block)。每個LAB由LE以及LE間的進(jìn)位鏈、LUT級聯(lián)鏈、LAB控制信號、局部互聯(lián)資源和寄存器級聯(lián)鏈等連線與控制資源等組成。(2)可編程輸入輸出單元IOB。IoB主要完成不同電氣特性下輸入輸出信號的驅(qū)動與匹配要求，它是芯片與外界電路的接口部分。通過開發(fā)軟件可以對不同電氣標(biāo)準(zhǔn)和FO物理特性進(jìn)行匹配?？梢哉{(diào)整匹配阻抗的特性，調(diào)整輸出驅(qū)動電流的大小等。近年來Aslc工藝不斷得到發(fā)展，目前IOB支持的最高頻率逐漸得到提高，一些高端FPGA芯片支持最高2Gbi/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。(3)嵌入式RAM。目前多數(shù)FPGA都具備內(nèi)嵌RAM，嵌入式RAM可根據(jù)設(shè)計要求靈活地配置為單端口RAM、雙端口RAM、偽雙口RAM、先進(jìn)先出單元FIFO等常用存儲結(jié)構(gòu)單元。 (4)豐富的布線資源。布線資源的主要作用是用以連接FPGA內(nèi)部單元，將各個基本可編程邏輯單元和可編程輸入輸出單元連接起來，從而構(gòu)成能完成特定功能的電路l2。布線資源根據(jù)長度、寬度、分布位置和工藝的不同劃分可以劃分為不同等級，一般情況下在FPGA的開發(fā)過程中不需要直接對布線資源進(jìn)行選擇，可用的布線資源以及所有的底層單元模塊均由布局布線器完成，其根據(jù)輸入的邏輯網(wǎng)表拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件自動進(jìn)行選擇。(5)內(nèi)嵌專用硬核及底層嵌入功能單元。內(nèi)嵌專用硬核主要指Hard Core，其通用性相對較弱且非所有FPGA均具有。底層嵌入功能單元指通用程度比較高的嵌入式功能單元，主要包括有PLL、DSP、CPU等模塊。隨著FPGA工藝與技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA內(nèi)部的嵌入模塊越來越豐富，用以滿足不同設(shè)計需求。1.4.2FPGA在無刷直流電機控制中的應(yīng)用近年來FPGA發(fā)展迅速，新一代高性能FPGA集成規(guī)模也越來越高，己達(dá)到百萬門，具有廣闊的應(yīng)用前景。FPGA調(diào)試方便，開發(fā)周期短，且EDA設(shè)計軟件發(fā)展迅速，設(shè)計理念先進(jìn)，通用性較強。目前FPGA主要用于通信領(lǐng)域，將FPGA引入無刷直流電機的控制中，可以簡化系統(tǒng)外設(shè)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)抗干擾能力，且由于FPGA采用并行運算電路，將控制算法以硬件方式實現(xiàn)，可以提高系統(tǒng)的實時性和調(diào)速精度，同時在控制多對象，尤其是在對電動車驅(qū)動系統(tǒng)中的多電機被控對象時比其他控制器具有優(yōu)勢，各被控對象控制性能不受影響，避免了流水線結(jié)構(gòu)控制器多對象控制編程時復(fù)雜的時序問題。FPGA用于無刷直流電機的控制時，需要對系統(tǒng)進(jìn)行一定的數(shù)字化，主要包括傳感器信號接收及電機驅(qū)動方式等方面，另需完成電機驅(qū)動信號、閉環(huán)控制算法等模塊的設(shè)計。采用FPGA作為核心控制器功能強大，是電機控制系統(tǒng)一種新的發(fā)展思路和方向。1.5課題主要研究內(nèi)容電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動汽車系統(tǒng)的關(guān)鍵組成結(jié)構(gòu)，決定著整車系統(tǒng)的運行性能和能量利用效率，也是與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車最大的不同;相比于內(nèi)燃機汽車，電動汽車中電機驅(qū)動控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，調(diào)速精度高，可靠性強。本文主要研究以Altera公司Cycfone 系列FPGA為控制核心，根據(jù)無刷直流電動機控制系統(tǒng)的原理及特性，設(shè)計四驅(qū)電動車驅(qū)動控制系統(tǒng)，達(dá)到電動車驅(qū)動控制系統(tǒng)的最佳運行標(biāo)準(zhǔn)并提供相應(yīng)的保護(hù)措施。本課題以此為目標(biāo)進(jìn)行了以下幾點研究工作:(l)無刷直流電機基本原理及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析對無刷直流電動機結(jié)構(gòu)及控制原理進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)模型并研究其控制算法和控制策略;分析PWM調(diào)制方式對無刷直流電機控制的影響。(2)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)合控制算法和控制模塊對控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，主要包括有FPGA外圍電路，驅(qū)動電路、AD轉(zhuǎn)換電路等設(shè)計。(3)硬件描述語言(VHDL)對控制系統(tǒng)各模塊和控制算法的實現(xiàn)以硬件描述語言對無刷直流電機控制器各模塊進(jìn)行設(shè)計，主要包括位置傳感器信號檢測模塊、AD轉(zhuǎn)換控制模塊、電機轉(zhuǎn)速檢測模塊、PWM驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊;研究數(shù)字PID控制器的設(shè)計與實現(xiàn)等;(4)仿真和實驗利用QUARTUS和MATLAB環(huán)境對系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的仿真和實驗，并進(jìn)行實地調(diào)試運行。第2章無刷直流電機的基本原理及控制系統(tǒng)分析電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動汽車的核心，無刷直流電機以其可靠性高、控制簡單等優(yōu)越性能成為電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的首選”。本章選取無刷直流電機作為電動汽車驅(qū)動電機，對無刷直流電機的基本結(jié)構(gòu)和控制原理進(jìn)行相應(yīng)的分析和研究。2.1無刷直流電機控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成無刷直流電機控制系統(tǒng)主要由永磁電機本體、位置傳感器和功率開關(guān)電路組成，如圖2一1所示。無刷直流電機的基本工作原理是通過位置傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子當(dāng)前的位置信息，通過功率開關(guān)電路使電機的電樞繞組按照一定的邏輯順序通電，從而在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。圖2一1無刷直流電機控制系統(tǒng)基本原理框圖無刷直流電機采用電子換向裝置代替了有刷直流電機的機械換向裝置，永磁電機本體主要由安裝有永磁極的轉(zhuǎn)子和安裝有電樞繞組的定子兩部分組成，定子繞組一般采用三相連接，轉(zhuǎn)子則由永磁磁鋼按一定極對數(shù)組成。在定子繞組的、繞組利用率高因此被廣泛采用。功率開關(guān)電路采用兩兩導(dǎo)通方式，即每一個瞬間只有兩個功率器件導(dǎo)通;無刷直流電機電樞每轉(zhuǎn)一周，定子繞組換向6次，功率器件采用1200導(dǎo)通方式。功率開關(guān)電路，即逆變器電路，根據(jù)轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置信息，按照一定的邏輯規(guī)律決定功率開關(guān)器件的開斷;按照接法的不同可分為橋式和非橋式，一般采用MOSFET或IGBT等全控器件組成。無刷直流電機利用電子換向裝置取代了機械電刷換向裝置，在結(jié)構(gòu)上則是把有刷直流電機的轉(zhuǎn)子電樞繞組安裝在定子上，而把永磁磁極安裝在轉(zhuǎn)子上。常規(guī)的直流電源通過電子換向裝置向無刷直流電機定子電樞繞組供電以產(chǎn)生位置固定的電樞磁場，電樞磁場與永磁旋轉(zhuǎn)磁場相互作用才能使得電機實現(xiàn)正反向的旋轉(zhuǎn)，因此電樞繞組還需根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行正確的換相操作。無刷直流電機控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電機本體和功率開關(guān)電路之外，還要由轉(zhuǎn)子位置傳感器來控制功率開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)定子電樞繞組的正確換相，使得定子電樞繞組所產(chǎn)生的磁場與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場在空間始終保持在900電角度的范圍之內(nèi)。位置傳感器在無刷直流電機中的作用是檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置，為功率開關(guān)電路提供正確的換向信息，這部分與傳統(tǒng)有刷直流電機機械換向裝置作用類似，它主要有禍合式、敏感式及接近開關(guān)式等。由于永磁無刷直流電機轉(zhuǎn)子為永磁體，因此本文采用霍爾元件作為位置傳感器，利用霍爾效應(yīng)檢測轉(zhuǎn)子磁極的位置。無刷直流電機中霍爾位置傳感器安裝在繞組線圈邊所在位置，當(dāng)磁極極間出現(xiàn)時霍爾傳感器輸出電平信號變化形成換相邏輯信號。如圖2一2(a)所示，永磁體S的弧度寬為180電角度，三個霍爾元件Ha、Hb、Hc安裝位置相隔120電角度。在電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)過程中，Ha、Hb、Hc便交替輸出三個寬1800電角度、相互相位差1200電角度的矩形波信號，如圖2一2(b)所示。根據(jù)霍爾元件的輸出信號的不同組合可判斷出某一時刻轉(zhuǎn)子磁極的位置，對該信號進(jìn)行相應(yīng)的處理后可驅(qū)動功率開關(guān)器件進(jìn)行工作。圖2一2霍爾元件式位置傳感器及其輸出波形霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)適用，可靠耐用，控制方法也較為簡單，但要注意的是在傳感器安裝過程中，霍爾傳感器要盡量靠近永磁體，否則其輸出的信號電平過低無法進(jìn)行正常工作。無刷直流電機控制系統(tǒng)原理框圖如圖2一3所示，電機本體為三相六狀態(tài)工作方式，電機的電樞繞組使用星形連接，分別與相應(yīng)的功率開關(guān)器件Vl一V6相連。功率開關(guān)器件Vl一V6組成全橋功率開關(guān)電路，電機每相繞組的始端與一個橋臂相連，在星形接法的電機電樞繞組中，只有導(dǎo)通的相繞組才有電流流過，而沒有導(dǎo)通的相繞組則沒有電流流過。位置檢測由與電機本體同軸的位置傳感器完成，用以檢測電機轉(zhuǎn)子位置。控制電路對位置傳感器信號進(jìn)行相應(yīng)的處理并進(jìn)行相應(yīng)的邏輯變換以產(chǎn)生驅(qū)動信號，經(jīng)過相應(yīng)的驅(qū)動電路處理后用于控制功率開關(guān)器件，使電機各相繞組按照一定的邏輯順序進(jìn)行工作。圖2一3無刷直流電機控制系統(tǒng)原理圖2.2無刷直流電機的控制原理無刷直流電機與普通直流電機相比去掉了電刷，轉(zhuǎn)子為永磁體而將電樞繞組裝在定子上，這種結(jié)構(gòu)與普通直流電機相反。一般采用雙邊勵磁的方法，即轉(zhuǎn)子側(cè)加直流勵磁電流，產(chǎn)生固定的勵磁磁勢Ff:定子側(cè)由直流電源供電，產(chǎn)生電樞磁勢Fa。電樞通入直流電后產(chǎn)生不變的磁場，電機轉(zhuǎn)子不會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn);為了使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，需要讓定子電樞各項繞組不斷進(jìn)行換向通電，使定子磁場隨轉(zhuǎn)子位置不斷變化。換向裝置由位置傳感器、控制電路和功率開關(guān)電路組成，其作用便是使轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的靜止勵磁磁勢Ff與電樞磁勢Fa在空間上始終保持90的電角度，從而產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩。永磁電機定子電樞繞組一般采用三相對稱連接形式，轉(zhuǎn)子則由永磁磁鋼按一定的極對數(shù)組成。三相繞組連接包括有星形和三角形連接方式，同時對應(yīng)的功率開關(guān)電路也分為橋式和非橋式兩種。不同的電樞繞組連接和電機驅(qū)動方式可以產(chǎn)生不同的性能。以三相六狀態(tài)無刷直流電機的控制為例，如圖2一4所示，AA，BB，CC.分別代表無刷電機的三相定子電樞繞組。當(dāng)永磁體和轉(zhuǎn)子位置處在圖2一4(a)中位置時，通過位置傳感器檢測磁極信號的位置并反饋給控制電路，經(jīng)控制電路驅(qū)動開關(guān)功率電路，使功率器件Vl和V6導(dǎo)通，繞組A、B通電，產(chǎn)生電樞磁勢Fa;電流路徑為:電源正極一Vl一A相繞一B相繞組一V6一電源負(fù)極，轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的靜止勵磁磁勢Ff與電樞磁勢Fa相互作用使轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動60到達(dá)圖2一4(b)所示位置時，位置傳感器檢測磁極信號的位置并反饋給控制電路，經(jīng)控制電路驅(qū)動開關(guān)功率電路，使功率器件V6截止，Vl和V2導(dǎo)通，繞組A、C通電，電流路徑為:電源正極一Vl一A相繞組一B相繞組一VZ一電源負(fù)極，轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的靜止勵磁磁勢Ff與電樞磁勢Fa相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向旋轉(zhuǎn)。以此類推，功率開關(guān)器件的導(dǎo)通邏輯為VIV6一VIVZ一V3VZ一V3V4一VSV4一VSV6，采用這種導(dǎo)通邏輯往復(fù)地循環(huán)可使電機各相繞組按一定順序工作產(chǎn)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)。圖2一4無刷直流電動機工作原理圖在圖2一4中，轉(zhuǎn)子側(cè)產(chǎn)生的靜止勵磁磁勢Ff連續(xù)沿順時針方向轉(zhuǎn)動，而電樞磁勢Fa不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)而是一種跳變式的旋轉(zhuǎn)，每次跳變60電角度;并且Fa只有在Ff從圖2一4(a)位置到達(dá)圖2一4(b)位置時才會跳變60電角度。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過600電角度電樞磁勢改變一次，相應(yīng)的功率開關(guān)器件進(jìn)行一次換流。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈的過程中電機共有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)中兩相定子繞組導(dǎo)通，每一相導(dǎo)通時間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過120電角度，因此此功率開關(guān)電路稱為120導(dǎo)通型。在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周的過程中分為6種狀態(tài)。表2一1給出了正反轉(zhuǎn)過程中功率開關(guān)器件的導(dǎo)通邏輯。表2一1正反轉(zhuǎn)通電邏輯2.3無刷直流電機的數(shù)學(xué)模型無刷直流電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的過程中，電動機定子上的電樞繞組切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電樞繞組中的反電動勢波形與氣隙磁場波形、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子相對于定子電樞每相繞組的位置有關(guān)。在方波氣隙磁場電機中，定子繞組反電動勢是三相對稱的梯形波，如圖2一5所示。圖2一5電樞電流和反電動勢理想波形在三相六狀態(tài)星形連接的無刷直流電機中，電樞繞組反電動勢為梯形波，波形的平頂寬度等于120電角度，波形的幅值與轉(zhuǎn)子速度成正比。利用電動機本身的相變量(a-b一c坐標(biāo)系)來建立電機數(shù)學(xué)模型，為了簡化模型的建立和分析，對本文論述的無刷直流電機做出如下的假設(shè):(l)定子三相繞組對稱，空間互差120電角度;定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布對稱，三相定子繞組自感相等均為L，三相定子繞組互感相等均為M;(2)電機氣隙均勻，磁路不飽和，忽略渦流和磁滯損耗;(3)忽略定子鐵心齒槽效應(yīng)，忽略定子繞組電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場分布近似梯形波，平頂寬度近似120電角度;(4)忽略功率器件導(dǎo)通和開斷時間影響，功率器件的導(dǎo)通壓降恒定，關(guān)斷后等效電阻為無窮大;(5)永磁體不存在阻尼作用，轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組。根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得到三相繞組的電壓平衡方程:其中ua，ub，uc是三相繞組電壓(V);ia，ib，ic是三相繞組相電流(A);ca，eb，ec是三相繞組電動勢(V);P=didt，為微分算子;R為電機的相電阻;L為電機的相繞組自感(H);M為每兩相繞組間的互感(H)。根據(jù)所得到的電動機電壓方程可得到電動機等效電路如圖2一6所示。圖2一6永磁無刷直流電機等效電路圖式中幾為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，J為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量，。為角速度。根據(jù)電樞回路電壓方程可得U=E。+I。R+u;(2一6)其中U為端電壓，E。為電樞繞組反電動勢，I。為電樞電流，R為電樞回路平均電阻，U為功率管飽和壓降。電樞反電動勢Ea=K x n， (2一7)其中K為反電動勢系數(shù)，n為電機轉(zhuǎn)速。 (2一8)2.4PWM調(diào)制方式分析與研究脈寬調(diào)制技術(shù)PWM(Pluse Width Modulation)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式。2.4.1PWM調(diào)制方式分類PWM調(diào)制主要可以分為兩種形式，即全橋調(diào)制和半橋調(diào)制。全橋調(diào)制是指對功率開關(guān)電路的所有器件Vl一V6進(jìn)行PWM調(diào)制;半橋調(diào)制是指在任意時刻只對上半橋Vl、V3、VS或者下半橋VZ、V4、V6進(jìn)行調(diào)制。半橋調(diào)制又可以分為對稱半橋調(diào)制和不對稱半橋調(diào)制;對稱半橋調(diào)制是對每一個功率開關(guān)器件在前60電角度保持全通而在后60電角度進(jìn)行PWM調(diào)制，而不對稱半橋調(diào)制是在120電角度范圍內(nèi)只對一個功率開關(guān)器件進(jìn)行PWM調(diào)制。三相無刷直流電機采用三相六狀態(tài)橋式工作方式，其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過PWM脈寬調(diào)制實現(xiàn)。對于功率開關(guān)器件組成的橋式逆變電路有著不同的PWM調(diào)制方式，不同的調(diào)制方式對電機的電樞電流存在不同的影響。為了使無刷直流電動機達(dá)到更好的調(diào)節(jié)性能，本文對不同PWM調(diào)制方式進(jìn)行分析。2.4.2PWM調(diào)制方式對電樞電流影響PWM調(diào)制主要可分為全橋調(diào)制和半橋調(diào)制，下面對這兩種PWM調(diào)制方式對無刷直流電機電樞電流的影響進(jìn)行分析。采用全橋調(diào)制時，以Vl和V6均導(dǎo)通的60電角度為例，在Vl和V6上加以PWM調(diào)制信號。如圖2一3所示，在Vl及V6的導(dǎo)通階段電流通路為:電源正極一Vl一電機A相繞組一電機B相繞組一v6一電源負(fù)極，此時中點電壓U。=U。/2;在Vl和V6的截止階段，A，B兩相繞組通過與功率開關(guān)器件并聯(lián)的二極管以及電容C進(jìn)行續(xù)流，維持中點電壓U。二U。/2。在此期間如圖2一5所示，C相端電壓在U。/2一E至U。/2+E范圍內(nèi)變化(E為相反電動勢，EU。/2)，即在600電角度過程中均有0U。u。，使得與vs并聯(lián)的二極管正偏導(dǎo)通，導(dǎo)致C相繞組導(dǎo)通，出現(xiàn)非換相期三相同時導(dǎo)通的情況。同理，如果Vl全導(dǎo)通而V6受PWM調(diào)制信號控制，同樣會出現(xiàn)上述三相同時導(dǎo)通的情況。出現(xiàn)三相同時導(dǎo)通的情況對電樞電流產(chǎn)生較大波動，從而增大電機轉(zhuǎn)矩脈動。在不對稱半橋調(diào)制時出現(xiàn)三相同時導(dǎo)通的現(xiàn)象，主要原因是PWM在一個導(dǎo)通周期內(nèi)只對一個功率開關(guān)器件進(jìn)行控制，因此不論是對稱半橋還是不對稱半橋都會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，唯一區(qū)別是在電樞電流脈動方面對稱半橋調(diào)制比不對稱半橋略小。為了解決這樣的問題，目前提出了另一種PWM調(diào)制方式，即30調(diào)制方式，又稱為PWM一ON一PWM調(diào)制，只對前30和后30電角度進(jìn)行PWM調(diào)制，其他時刻對功率器件進(jìn)行全通控制。經(jīng)過研究表明這種新的調(diào)制形式可以消除這種三相同時導(dǎo)通的現(xiàn)象，但若采用這種方式需要對位置傳感器進(jìn)行改造，增加了