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1、 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 : 时间年： r月 ; j曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。同意安敢农业大学可以用不同
2、方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 时间： 时 间 ： 叫 年 月 W日 电动汽车具有环保无污染、噪声低以及能量效率高等特点，可以解决由传统汽车 带来的环境污染、能源紧缺以及气候变暖等一系列问题，因此各国政府与汽车 制造商 对电动汽车的研发投入大量的资金并取得了一定的成果。我国的电动汽车技术起步 晚，电动汽车的一系列关键技术都需要研究解决。研究开发电动汽车首先需要解决的 关键技术是电机及电控技术。永磁无刷直流电机具有转矩大、噪音低、调速范围宽、 高功率密度以及良好的控制性能等优点，逐渐成为电动汽车首选的驱动电机，因此， 开展对无刷直流电机的控制系统研究具有重要的理论和实践价值
3、。 本课题以永磁无刷直流电机为研究对象，在综合国内外相关研究文献的基础上， 设计了一款较为实用的无刷直流电机控制系统，包括硬件和软件在内的整体设计 。本 课题主要研究内容有： 1. 建立了无刷直流电机仿真模型。在分析了无刷直流电机的数学模型的基础上， 利用Matlab/Simulink仿真平台搭建了无刷直流电机本体和控制系统进行仿真分析， 为硬件设计与软件设计打下了基础。 2. 设计了以 MC9S12XS128单片机为核心的无刷直流电机控制器。根据无刷直流 电机的工作原理以及驱动控制系统的需求，设计了无刷直流电机控制器硬件和软件系 统：硬件系统包括控制电路和驱动电路两个部分，软件系统详细给出了
4、各个模块的设 计流程图。 3. 开发了 MC9S12XS128单片机底层驱动模块库，设计了无刷直流电机的快速控 制原型，将控制器的 Simulink仿真模型自动实现为 MC9S12XS128单片机嵌入式系统 C代码并编译下载到控制器中，全程无需手动编写代码，加快无刷直流电机控制器的 开发。 4. 搭建了无刷直流电机控制系统实验平台，进行样机实验，实验结果表明该控制 器设计合理、稳定及可靠，具有较强的应用价值。 关键词 :无刷直流电机， MC9S12XS128,无刷直流电机控制器，底层驱动模块库，自 动代码生成 Abstract Electric Vehicle (EV) has no poll
5、ution, low noise and its energy efficient is high, etc, These advantages solved the problems such as energy, pollution and climate warming that made by traditional vehicle. So governments and car manufacturers invest a lot of money in the research and development of EV and have obtained certain achi
6、evements. The research of EV technology in our countiy has begun later,a series of key technologies need to be solved on the EV. Motor and its control technology is one of the mostimportant technologies that must be solved firstly.Permanent magnet Brushless DC Motor(BLDCM) has been the best choice f
7、or EV with itslarge torque, low noise, wide speed range, high power density and superior speed regulation.Therefore, the study of BLDCM control system has greatly theoiy meaning and practice value. This topic used BLDCMfor the research object, based on the related domestic and overseas research lite
8、ratures,designed the BLDCMcontrol system with definite practical value , including hardware and software. In this paper, the main research contents are as follows: 1. The BLDCM simulation model is established. Based on the analysis of the mathematical model of BLDCM, using Matlab/Simulink simulation
9、 platform building BLDCM control system and simulation analysis. 2. Designed with MC9S12XS128 microcontroller as the core controller of BLDCM. According to the principle of BLDCM and drive control system requirements, design of BLDCM controller software and hardware system. Hardware system including
10、 control circuit and driver circuit two parts, the software system is given in detail design flow chart of each module. 3. Developed MC9S12XS128 microcontroller underlying driver module library, designed of the rapid control prototype of permanent BLDCM, the controller of the Simulink model automati
11、cally for the MC9S12XS128 embedded system C code and compile the download to the controller, no manual coding, speed up the development of BLDCM controller. 4. Established BLDCM control system experimental platform, the experimental results show that the controller design is reasonable, stable and r
12、eliable, with strong application value. Key words: BLDCM, MC9S12XS128, BLDCM controller, Driver module library , Automatic code generation mm . i 图表清单 . VI 第一章绪论 . 1 1.1课题来源 . 1 1.2课题研究背景 . 2 1.3无刷直流电机研究现状及发展趋势 . 3 1.4本文研究内容的结构与安排 . 3 第二章无刷直流电机控制原理 . 5 2.1无刷直流电机组成结构 . 5 2.1.1电机本体 . 5 2.1.2转子位置传感器 .
13、6 2.1.3电子换相电路 . 6 2.2无刷直流电机的工作原理 . 6 2丄 1换相原理 . 7 2.1.2 PWM调速原理 . 8 2.3无刷直流电机的数学模型 . 10 2.3.1三相电压平衡方程 . 10 2.3.2电磁转矩方程 . 11 2.3.3 11 2.4电机本体模块的建模 . 12 2.4.1电压方程模块 . 12 2.4.2反电动势模块 . 12 2.4.3转矩模块 . 13 2.4.4电机本体总模型 . 14 2.5电机驱动控制系统建模 . 14 2.5.1功率逆变模块 . 14 2.5.2速度控制模块 . 15 2.5.3参考电流模块 . 15 2.5.4电流滞环控制模
14、块 . 17 2.5.5驱动控制系统模型 . 18 2.6仿真结果分析 . 18 2.6.1反电动势波形分析 . 19 2.6.2转速波形分析 . 19 2.6.3转矩波形分析 . 20 2.7本章小结 . 20 第三章无刷直流电机驱动控制器的硬件系统设计 . 21 3.1硬件系统整体结构 . 21 3.2控制电路设计 . 21 3.2.1电源电路设计 . 21 3.2.2MC9S12XS128单片机电路设计 . 22 3.3驱动电路设计 . 23 3.3.1功率元器件的选择 . 23 3.3.2驱动电路设计 . 24 3.4信号采集电路设计 . 25 3.4.1转子位置信号采集电路设计 .
15、25 3.4.2母线电流采集电路设计 . 25 3.5调速电路设计 . 26 3.6本章小结 . 27 第四章无刷直流电机驱动控制器的软件系统设计 . 28 4.1 CodeWarrior开发环境介绍 . 28 4.2软件系统整体设计 . 28 4.3主程序及初始化模块设 . 29 4.4位置信号检测模块设计 . 31 4.5中断服务程序模块设计 . 32 4.5.1捕获中断服务程序模块设计 . 32 4.5.2 AD转换中断服务程序模块设计 . 33 4.6本章小结 . 34 第五章无刷直流电机代码自动生成 . 35 5.1代码自动生成技术在控制器软件开发中的应用 .35 5.1.1传统控制
16、器开发方式 .35 5.1.2基于模型设计的开发方式 .36 5.2 Real-Time Workshop 程序创建过程 .38 5.3 MC9S12XS128单片机的系统目标文件配置 .40 5.4MC9S12XS128单片机底层驱动模块的开发 .40 5.4.1 S函数底层驱动模块的编写 .41 5.4.2 TLC脚本文件的编写 .43 5.5MC9S12XS128单片机底层驱动模块库的开发 .44 5.5.1 AD模块 S函数的编写 .45 5.5.2AD模块 TLC文件的编写 .48 5.5.3封装后显示模块 .48 5.6无刷直流电机驱动模型自动代码生成的研究 .49 5.6.1位置
17、信号转换算法模块 .50 5.6.2无刷直流电机控制模型模块 .51 5.6.3无刷直流电机控制模型验证 .51 5.6.4无刷直流电机自动代码生成 .52 5.7本章小结 . 53 第六章实验结果分析 .54 6.1位置信号波形检测 .54 6.2 PWM信号波形检测 .55 6.3本章小结 .56 第七章总结与展望 .57 7.1总结 .57 7.2展望 . 57 参考文献 .59 致谢 .62 作者简介 .63 攻读硕士学位期间取得的研究成果 .64 附录 .65 V 查图清单 图 2-1无刷直流电机组成框图 . 5 图 2-2无刷直流电机原理框图 . 5 图 2-3无刷直流电机工作原理
18、图 . 7 图 24 PWM占空比原理图 . 9 图 2-5无刷直流电机等效电路图 . 11 图 2-6相电压方程模块 . 12 图 2-7三相反电动势波形 . 12 图 2-8反电动势模块 . 13 2-9雛模块 . 13 图 2-10电机本体模型 . 14 图 2-11功率逆变器模块 . 15 图 2-12速度控制模块 . 15 图 2-13参考电流模块 . 17 图 2-14滞环控制原理 . 17 图 2-15电流滞环控制模块 . 18 图 2-16无刷电机控制系统模型 . 18 图 2-17反电动势响应曲线 . 19 图 2-18转速响应曲线 . 19 图 2-19转矩响应曲线 . 2
19、0 图 3-1无刷直流电机控制系统硬件结构框图 . 21 图 3-2电源电路 . 22 图 3-3无刷直流电机控制电路 . 23 图 34无刷直流电机驱动电路 . 24 图 3-5转子位置信号检测电路 . 25 图 3-6电流测量、放大和滤波电路原 . 26 图 3-7调速电路 . 26 图 4-1软件整体设计框图 . 29 图 4-2系统主程序模块设计流程图 . 30 图 4-3位置信号检测程序设计流程图 . 31 图 44中断服务程序模块设计流程图 . 32 图 4-5捕获中断服务程序设计流程图 . 33 图 4-6 AD转换中断服务程序设计流程图 . 34 图 5-1传统控制器开发设计流
20、程图 . 35 图 5-2基于模型设计流程图 . 37 图 5-3Real-Time Workshop 程序创建过程 . 38 图 5-4代码自动生成整体流程图 . 39 图 5-5S函数的封装流程图 . 41 图 5-6S函数中的函数 . 42 图 5-7 Simulink库中 MC9S12XS128单片机底层驱动工具箱 . 45 图 5-8AD模块封装后的效果图 . 49 图 5-9 AD模块底层驱动对话框 . 49 图 5-10无刷直流电机自动代码生成结构框图 . 50 图 5-11位置信号转换算法模块 . 50 S 5-12 Chart 模块 . 51 图 5-13无刷直流电机控制模型
21、模块 . 51 图 5-14模型验证仿真结果 . 51 图 5-15无刷直流电机 MBD模型 . 52 图 5-16目标选择 . 52 图 6-1系统实物图 . 54 图 6-2位置信号检测波形图 . 55 图 6-3PWM驱动波形图 . 55 附表清单 表 1-1电动汽车驱动电机性能比较 . 2 表 2-1转子位置信号换相控制表 . 8 表 2-2转子位置信号与三相参考电流之间的对应关系 . 15 VIII 第一章绪论 1.1课题来源 国家自然科学基金。 1.2课题研究背景 自 1886年世界上第一辆燃油汽车诞生起，燃油汽车已走过一百二十多年的历史， 其性能已日臻完善，功能更加强大，且在安全
22、，节能，环保等方面取得了重大的进展。 但是，燃油汽车的发展面临着环境污染和能源危机的双重挑战。据统计，目前全世界 汽车保有量已超过 10亿辆 m， 预测到 2020年我国汽车保有量将突破 1.5亿辆，汽车 保有量每年以 3000万辆的速度增长，我国每年汽车尾气排放的有害气体大约 2亿吨， 约占大气污染总量的 60%以上，燃油车的废气己成为大气污染的一个主要来源；燃 油汽 车使用的主要能源是石油，而石油作为一次性能源，开发使用后便不可再生，石油 作为全世界上重要的化工资源被世界各国在汽车上大量地消耗，根据石油专家以往的 推算，当前全世界探明的石油储藏量按照现有的消耗量计算的话，地球上石油只够使
23、用 50年左右，能源危机十分严峻 2,3。因此，为了解决燃油汽车所造成的环境污染、 能源紧缺等问题，研究电动车辆就具有深远意义 4。 电动汽车具有清洁无污染、能量来源多样化、能量效率高的特点，可以解决传统 汽车造成的环境污染、能源紧缺以及气候变暖等问题，各国政府都非常重视电动汽车 的发展 5。电池、电机及电控作为电动汽车的三大核心技术，目前电池能量密度低导 致电动汽车续驶里程短一直是电动汽车发展的瓶颈，制约着行业的发展，短期内无法 解决。对我国来说，我们在研究和掌握电池技术及其能量管理技术的同时，也要抓紧 时间掌握好电机电控和整车控制技术，在发达国家的蓄电池技术还没取得重大进展和 突破之前，掌
24、握好电动汽车的其它的核心技术，这样才能缩短与发达国家的差距 5。 在这个背景下，本课题通过采用 Freescale公司的 MC9S12XS128芯片作为主控芯片， 对车用驱动电机的控制进行研究。 传统的车用驱动电机是有刷直流电机，优点是它在低转速时，转矩仍然较高，操 作简单且容易控制，其缺点是需要定期对换向器和电刷进行维护。随着电力电子技术， 传感器技术以及新材料技术的快速发展，目前国内外电动车用驱动电机主要有以下三 种：开关磁阻电机，交流感应电机和无刷直流电机。其中开关磁阻电机凭借其起动时 电流小而起动转矩大，能够实现再生反馈制动，稳态和动态性能好等优点作为驱动系 统的方案也被电动车辆所用，
25、它的缺点是振动噪声大，控制复杂。交流感应电机具有 高可靠性，低转矩波动和不用位置传感器等优点，矢量控制技术 优异且成熟，但存在 1 较大的铜损，运行效率低，特别是在低速时，效率更低，这是它的致命弱点。最有发展前景 的还属无刷直流电机，因为它具有体积小、功率密度高、输出转矩大、运行效率高以 及调速性能好等特点 6。电动汽车中所使用的各驱动电机性能如表 1-1所示。 表 1-1各种驱动电机的性能比较 Tablel-1 Conq)arison of several types of motors 项目 有刷直流电机 交流感应电机 无刷直流电机 开关磁阻电机 力矩转速性能 一般 好 好 好 转速范围
26、4000-6000 9000-15000 4000-10000 15000以上 效率 75%-80% 85%-92% 90%-95% 85V93% 功率密度 差 一般 好 般 可靠性 差 好 一般 好 易操作性 最好 好 好 好 控制其成本 低 高 高 -般 尺寸与质量 大，重 一般，一般 小，轻 小，轻 无刷直流电机的控制方案有多种，它们的区别主要在于系统的成本、功耗、运行 稳定性以及控制的精度等方面。例如，文献 6中采用 TI公司的 DSP2812作为无刷直 流电机的控制芯片，文献 7选用 FPGA为控制芯片，文献 8选用 Atmel公司的 MEGA8 单片机作为主控芯片，文献 9、 10选用 Cypress半导体生产的 CY8C24533作为控 制芯片。前两者控制系统芯片属于 32位 MCU，优点是稳定性好、控制精度高，不足 之处是系统成本较高。而后两者属于 8位 MCU,控制方案成本低，与 DSP、 FPGA 相比，系统的控制精度与性