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1、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
2、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 The pure electric vehicles speed electronic control system designAbstract This article take developments the pure electric automobile concurrent not to brush the electrical machinery controller as the research
3、goal, narrated in detail has controlled the pure electric automobiles PWM velocity modulation control systems design process based on the STC12C5404AD monolithic integrated circuit. The present paper introduced the monolithic integrated circuit STC12C5404AD structure as well as the IGBT power actuat
4、ion module application in detail; Introduced not brushes direct current machines Hall signal and logic driving signal relations, uses this relations to control electrical machinerys rotation and the direction; Moreover, in the present paper to electrical machinerys some protection function like curr
5、ent limiting protection, the under voltage protection, the short circuit protection is realizes using the module bringing function, but gets on the brakes the power failure, the intelligent cruise, the automatic constant speed, against speeding car, security and so on protection functions is realize
6、s using the procedure, like this makes the electric circuit to be simple, cost reduction. In addition, but also has designed systems software flow, including master routine flow design, velocity modulation subroutine flow design.Key words: the pure electric automobile; STC12C5404AD; IGBT power modul
7、e, PWM controls目 录1 引言12设计方案12.1 电机的选择12.2 控制器的选择22.3 PWM调制方式23系统结构框图34 单片机外围器件的设计44.1 电源电路44.2 单片机主控制电路44.2.1 SoC型单片机STC12C5404AD54.2.2 ISP电路64.2.3 IGBT驱动模块74.3 调速器输入电路74.4控制模拟器84.5 换相逻辑接口94.6 IGBT驱动电路104.7 无刷电机驱动电路114.8防盗报警124.9 保护电路135软件设计与分析135.1 主程序流程图135.2 PWM频率135.3子程序流程图135.3.1 模拟控制键子程序155.3
8、.2 正反转子程序165.3.3 A/D转换子程序166 结束语17谢辞18参考文献19附图1: 整体电路图20程序清单211 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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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。2.3 PWM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
15、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。电源电路STC12C5404AD单片机系统主控器调速器控制模拟器防盗报警IGBT驱动保护无刷电机驱动电路
