李攀 王濟焜

【摘? 要】針對新能源汽車驅(qū)動系統(tǒng)，采用KEA128單片機，研究出一種直流電動機變向、變速的控制系統(tǒng)。采用電流閉環(huán)控制的PID算法，大幅提高系統(tǒng)的實時性，保證系統(tǒng)具有較高的魯棒性。論文通過仿真和實驗對提出的轉(zhuǎn)矩控制策略進行測試和驗證。

【Abstract】Aiming at the drive system of new energy vehicle， a control system of changing direction and changing speed of DC motor is developed by using KEA128 single chip microcomputer. The PID algorithm of current closed-loop control is used to improve the real-time performance of the system and ensure the system has high robustness. The proposed torque control strategy is tested and verified by simulation and experiment.

【關(guān)鍵詞】新能源;控制系統(tǒng);直流電動機

【Keywords】new energy; control system; DC motor

【中圖分類號】TM33? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2020）06-0181-02

1 引言

隨著環(huán)境污染的不斷加劇和能源供應(yīng)的日益緊缺，以直流電動機為動力源的電動汽車，以其環(huán)境污染小、噪聲污染低、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點逐漸出現(xiàn)在人們的視野中，但由于其技術(shù)要求高、價格昂貴等原因并未普及開來。本次基于單片機的直流電動機控制系統(tǒng)的研究，使用32位KEA128單片機，工作頻率高，易于勝任復(fù)雜的控制算法和濾波算法，且相較于以DSP為核心的驅(qū)動系統(tǒng)，此設(shè)計控制電路PCB板的布線難度更小，驅(qū)動系統(tǒng)的生產(chǎn)成本更低。

2 直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)

直流電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)由軟件設(shè)計和硬件電路設(shè)計兩大部分構(gòu)成。硬件部分主要由KEA128單片機，多個傳感器，預(yù)驅(qū)A3941，4個MOSFET管組成的逆變器和一個直流電動機組成。軟件部分利用C語言，實現(xiàn)數(shù)字信號的采集以及對電動機速度的調(diào)節(jié)，即脈沖寬度調(diào)制。通過控制電路、功率驅(qū)動電路、電源電路等電路模塊的設(shè)計，實現(xiàn)電動機的速度控制以及過流保護等保護功能，確保電動機根據(jù)給定的脈沖工作。

3 軟件設(shè)計

3.1 PID 算法設(shè)計

眾所周知，按偏差的比例、積分、微分進行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為PID調(diào)節(jié)器。因其構(gòu)成明白易懂，實驗人員可隨時調(diào)整參數(shù)而應(yīng)用廣泛，且本設(shè)計采用KEA128單片機系統(tǒng)來實現(xiàn) PID控制時，其軟件系統(tǒng)靈活易修改的優(yōu)點得以發(fā)揮。所以，PID數(shù)字控制器在本設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2 算法工作過程

系統(tǒng)工作后，首先進行初始化，設(shè)置工作參數(shù)，而后采集電動機、各個傳感器的模擬信號，將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并對其進行處理判斷，若一切正常，則按程序要求，控制輸出大小適宜的電流，經(jīng)過功率晶體管驅(qū)動電路的處理，控制直流電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。若出現(xiàn)故障，則系統(tǒng)在故障診斷后，在顯示屏上顯示對應(yīng)的故障碼，經(jīng)人為干預(yù)，故障排除后方可進行正常工作。具體算法工作過程如圖1所示。

4 硬件設(shè)計

4.1 KEA128單片機控制系統(tǒng)

KEA128系列微控制器是Kinetis EA系列32位ARM Cortex MCU控制器，廣泛適用于高可靠性工業(yè)和運輸應(yīng)用，能夠面向汽車環(huán)境提供最高等級的質(zhì)量和長期供貨支持。EA系列是廣泛的ARM生態(tài)體系的入門級產(chǎn)品，提供低功耗的M0+內(nèi)核和8-128kB的嵌入式閃存，支持5V電源，具備出色的EMC/ESD兼容性，能夠適應(yīng)高溫環(huán)境，輻射排放較低，且其內(nèi)部設(shè)計了過流保護、過壓保護等功能，不易燒，性能穩(wěn)定，安全級別高，是出色的汽車芯片。

4.2 功率晶體管驅(qū)動電路

功率晶體管是雙極性大功率器件，具有控制方便、開關(guān)時間短、通態(tài)壓降低、高頻特性好、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點，特別適合在集成電路中作功率器件，廣泛應(yīng)用在電動機控制系統(tǒng)中。當BE結(jié)正偏、CB結(jié)反偏時，功率晶體管處于放大模式，作為放大器，其應(yīng)用在電源串聯(lián)調(diào)壓電路，用較小的基極電流便可以控制較大的集電極電流，將較小的功率按比例放大為較大的功率。當BE結(jié)零偏或反偏、CB結(jié)反偏時，功率晶體管處于截止模式，起大功率半導(dǎo)體開關(guān)的作用。綜上，控制系統(tǒng)通過控制各個晶體管電流的大小，便可進一步控制電動機的運動。

4.3 系統(tǒng)工作過程

控制器根據(jù)輸入的信號，輸出相應(yīng)PWM波，驅(qū)動電路將脈沖寬度的變化PWM信號輸送給電動機，并通過調(diào)節(jié)電壓的高低控制電動機的轉(zhuǎn)速。主控制芯片根據(jù)輸入信號，控制功率開關(guān)管的開通或關(guān)斷，以實現(xiàn)對電動機的電子換向。通過輸入不同的脈沖的寬度來決定功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序及換相的時間，同時計算出電動機的轉(zhuǎn)速，并與給定的轉(zhuǎn)速信號進行比較，調(diào)節(jié)脈沖寬度的占空比，實現(xiàn)直流電動機速度及轉(zhuǎn)向的控制。

從圖2可以看出，整個直流電動機的速度控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小等諸多優(yōu)點。

5 結(jié)語

本設(shè)計是一種基于KEA128單片機的直流電動機的變向轉(zhuǎn)、變速轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)。采用PWM調(diào)制，減小電流及換相轉(zhuǎn)矩脈動，具有穩(wěn)態(tài)誤差小，控制精度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點。通過信號發(fā)生器和示波器等對軟硬件參數(shù)進行了嚴格測試，設(shè)計符合預(yù)期要求。

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