摘 要

本研究基于电动汽车电机驱动控制系统技术，通过对电机控制器的开发和优化，达到能够提高电动汽车的性能和使用寿命的目的。本文选取了永磁无刷直流电机（BLDCM）作为电动汽车的驱动电机。首先对无刷直流电机的工作原理和数学模型进行了详细分析和阐述，包括永磁体和转子之间的作用、转矩以及运动特性等关键参数。本文设计了以TMS320F28335为核心，设计了控制电路，并通过采用霍尔电流传感器和霍尔位置传感器等元件，构建了电流、电压、位置和转速检测电路。该电路体系具备高度可靠性和精度，能够实时监测和反馈电动机运行状态，并对电机控制进行实时调整和优化。设计了软件整体框架，使用模块化编程设计主程序和各个中断程序，包括转子位置检测、电机换相与转速计算程序，电机启动、停机与保护程序等。

关键词：电动汽车；电机；控制系统；传感器

Abstract

Based on the motor drive control system technology of electric vehicles, this study can improve the performance and service life of electric vehicles through the development and optimization of motor controllers. In this paper, a permanent magnet brushless DC motor (BLDCM) is selected as the drive motor for electric vehicles. Firstly, the working principle and mathematical model of brushless DC motor are analyzed and elaborated in detail, including key parameters such as the action between the permanent magnet and the rotor, torque and motion characteristics. In this paper, the hardware circuit of the motor drive control system is designed, the control circuit is designed with TMS320F28335 as the core, and the current, voltage, position and speed detection circuit is constructed by using components such as Hall current sensor and Hall position sensor. The circuit system has a high degree of reliability and accuracy, which can monitor and feedback the motor operating status in real time, and adjust and optimize the motor control in real time. The overall software framework is designed, and the main program and each interrupt program are designed using modular programming, including rotor position detection, motor commutation and speed calculation programs, motor start, shutdown and protection programs, etc.

Keywords: electric vehicles; Motor; control system; sensor

目录

第一章 绪论…………………………………………………………………

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义与价值

1.2 国内外发展状况

1.2.1 国内发展

1.2.2 国外发展

1.3 对电动汽车电机性能要求

1.4 论文的主要内容

第二章 电机驱动控制系统的总体设计

2.1电机驱动控制系统的组成

2.2 电机驱动控制系统总体设计

2.3永磁无刷直流电机

2.3.1 永磁无刷直流电机的基本结构

2.3.2 无刷直流电机的基本工作原理

2.3.3 永磁无刷直流电机的数学模型

2.3.4永磁无刷直流电机的特性分析

2.4本章小结

第三章 硬件设计

3.1 控制电路的设计

3.1.1 DSP及其周围电路

3.1.2 TMS320F28335最小系统设计

3.1.3 脉宽调制信号输出电路

3.2 驱动电路的设计

3.2.1 功率元器件的选择

3.2.2 功率驱动芯片

3.2.3 功率驱动电路的设计

3.3 检测电路的设计

3.3.1 用霍尔电流传感器实现信号检测

3.3.2 位置信号检测及其转换电路

3.4本章小结

第四章 软件设计

4.1电机驱动系统软件整体构架

4.2主程序模块

4.3定时中断子程序模块

4.4本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

5.3本章小结

• 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.1.1 研究背景

科技的飞速发展带动着汽车产业的迅速增长，当前全球的汽车保有量也在持续增加，以石油为燃料的传统内燃机的汽车在给人们的生活生产带来巨大方便的同时，也为社会上的自然环境、人类的可持续发展埋下了巨大的隐患。在2020年4月9日举行的国务院新闻发布会上，国家发改委表示，目前我国全部汽车保有量大约在2.6亿左右，人均保有量从最开始的不到0.01辆，现如今已经增长到大于0.18辆。根据相关国际组织的统计调查，目前，全球石油使用总量的一半以上都是用于全球各地的交通运输行业。内燃机车所排放的尾气中含有大量的硫化物、氮氧化物等有害物质，因此，全球各地的雾霾情况愈发频繁，温室效应、环境污染也越发严重。同时，传统内燃机汽车的使用量不断的扩大，使得石油资源日益紧张，也引起了一系列的纠纷问题，因此，环保无污染、能源效率高并且资源充足的电动汽车，逐渐的出现在大众的市场，并越来越受到人们的欢迎。

根据《中国制造2025》，我国已将新能源汽车作为汽车领域的重点发展对象，并为此特定制造了一套完整的详细发展战略，在我国所制定的七大战略性产业，新能源汽车也位列其中，确定了要大力扶持并且发展电动汽车的方向，要求要坚决掌握汽车的智能化，自动化，低碳化等核心技术。我国在“十三五规划”中重点强调大力发展新能源汽车，主张自主研制自主创新，是实现汽车强国的必由之路。另外，我国的科技部还公开发布了国家首批科研试点的新能源汽车专项，主要是围绕着动力电池与管理，电机驱动与电子技术，电机汽车智能化自动化等6个创新领域，发布了38个核心研究任务，并且在多个方面包括电机驱动控制器的效率、电池功能安全提出指标要求。

新能源电动汽车最主要的部分就是电机驱动控制系统，它的性能指标将对电动汽车的续航里程、动力输出、安全舒适性、驾驶操控性等多方面有着重要的影响。所以，新能源电动汽车行业的核心就是能够研制并且掌握高效高端的电机驱动控制系统的控制技术。目前，全球各地在电机驱动控制系统领域均有了一些研究进展，但是国内在相关方面的研究起步时间相对较晚，一些关键的核心技术和国外相比，还是有不小的差距，因此，对于深入的研究电动汽车的驱动系统是有深刻的影响。随着这几年的发展，我国自主新能源汽车厂商已有了十足的进步，比亚迪汽车、蔚来汽车、小鹏理想等新能源汽车的崛起，也标志着我国已逐步的掌握电机系统的核心技术。

1.1.2 研究意义及价值

    电机驱动控制系统是电动汽车的核心系统之一，它负责控制电动汽车的电机转动，实现车辆的高效、稳定的运行。电机驱动控制系统性能的好坏与效率的高低能够全面影响汽车的各方面性能指标。让驶汽车在运动的过程中为行驶在各种路面上，会经历各种的行驶状况，这就要求汽车具有非常稳定的的驾驶安全性、操控性，这对电机控制系统的响应快速性，运行稳定性，行驶可靠性都提出了十分严格的要求。当前电动汽车产业对电机驱动控制系统有着严格性能要求，主要体现在以下几个方面：确保在额定转速下能够输出最大的转距以满足电动汽车的启动速度、加速性能以及负载爬坡的稳定等要求，还要保证在额定转速以上时能够保持恒定功率稳定运行，保证在较宽的范围内合适调速来满足高速行驶、适应复杂多变的运行环境，因此，电动汽车电机驱动系统的技术层次方面的研究以及生产技术的落实有着更高的难度和要求。当前，全球各国汽车集团以及各区域的汽车科研机构都在不断的加大人力、物力、财力的投入，来不断深入对电动汽车电机驱动控制系统的技术研究，与此同时，我国对电动汽车研究也紧跟步伐，研发高性能和要求的电机驱动控制系统，对我国新能源电动汽车产业行业的发展具有深远的意义。

1.2 国内外发展现状

  1.2.1国内发展

目前我国新能源电动汽车发展所取得的成就十分显著，我国在新能源电动汽车方面的发展政策也更加系统和完善，国家政府为了发展新能源电动汽车给予了相当多的支持，在财政上给予了巨大的财政补贴，也减免了相关的税务。

在最近几年的发展中，我在电动汽车控制系统领域的研发已经取得了许多瞩目的成果，我国已经实现自主进行驱动设备的算法设计，并且能够独立的开发软件硬件。同时，国内的新能源汽车厂商也迅速崛起，有著名的新能源汽车企业：比亚迪汽车、未来汽车、小鹏汽车、理想汽车、吉利汽车，这些是我国较为突出新能源汽车厂商，他们大多采用永磁同步电机为主要的驱动电机，依靠自身技术支持自主研发，他们的不断发展壮大，也代表着我国新能源汽车领域的技术也在不断的发展，并走向世界。

  1.2.2国外发展

    国外电动汽车企业成立大多都比较早，他们对于电动汽车的研究也是起步非常早，对于电动汽车，电机控制技术的方面的研究也有了一定的经验积累，到目前为止，他们已经取得了相当多的产品成果，技术方面也有一套成熟的完整体系。对于主控电机的使用类型，有一部分厂商采用了异步电动机作为主控电机，例如，美国的特斯拉产品，日本丰田下面的产品，其他的欧洲，美国厂商大多主要永磁同步电动机，例如，福特的focus electrons、宝马i系列产品、日产leaf、雪佛兰spark等。外国电动汽车企业对于驱动研究主要有以下几个方面：

1.技术比较成熟。国外汽车企业成立超过百年，有着大量的造车经验，同时对于电机驱动控制系统的研究较为投入，有着丰富的开发经验，已经取得了大量研究成果。并且通过长时间的实践与测试，数据与经验较为丰富。他们现在已经开发出来的新能源汽车产品硬件结合度高，集成化质量好；软件设计成熟策略完整，整体构架好，体系完备，整套电机驱动控制系统更加高效。

2.科研方式多样。国外汽车厂商资金积累充足，他们看中电动汽车的广阔前景，并且不惜代价加大投入资源，并且是电动汽车的研发成为自己厂商的下属机构分支。也有一部分电器公司，与电机驱动控制系统的装置有着专门的研发，并取得了自己独有的优势。同时国外部分企业与高等院校共同设计研发，有着大量的人才储备资源，形成了完善成熟的研发环境。

3.驱动控制器标准化比较完整。国外的研发环境已经形成了一套完整的标准，完整的标准化也提高了研发效率，同时驱动控制装置的适用性也得到了保障，国外生产商也已经协商制定了相关标准。

1.3 对电动汽车电机性能要求

电动汽车具有绿色环保、能源高效、工艺结构简等众多优势。在环保方向，随着 环保意识增强与科学技术的进步，国内的电能能源结构逐渐向水力发电、风能、太阳能、潮汐能、地热能等清洁能源方向转换，电能是电动汽车的主要能源动力，而且在运行过程中排放为零，对环境污染较少。在节能方向，传统的汽车燃油机只能在一个较窄的转速范围内产生最大转矩，因此需要较为庞大且复杂的变速箱体系去变速传递转速扭矩，而电动汽车可以在较宽的范围内直接产生最大转矩，运行过程中不需要变速箱调速，直接由电控调速，将电能转换为运行功率，因此能量转换效率高，节约能源，而且构造简单，运行可靠，技术稳定。

汽车行驶过程中，电动汽车的电机驱动控制系统扮演着至关重要的角色。作为电动汽车的三大核心部件之一，电机驱动控制系统对车辆的驱动特性、动力和能效等方面有着决定性影响。控制器、驱动器、传感器、电源、电动机共同构成了电动汽车电机驱动系统。

    对电动汽车电机的要求如下：

（1）整体尺寸小，结构紧凑简洁，简洁的结构可按照特定要求进行外表的具体设计；

（2）较轻的质量，能够灵活控制设备质量，为更好控制整体重量；

（3）具备超强的过载适应能力，以及瞬时输出功率，保证汽车短时间大功率的输出高特性要求；

（4）力矩控制更加准确，提高动态性能；

（5）良好的可靠性，要有良好的乘客安全可靠性，以满足高安全等级要求；

（6）相比较传统汽车生产成本较低，满足消费市场消费者的要求，能够大批量生产，均化减少电动汽车整体生产成本；

1.4 论文的主要内容

设计永磁同步电机为对象，以电动汽车的控制系统为研究背景，分别对驱动控制系统的算法、硬件、软件进行了分析与研究。本课题首先从背景调查为开始，进一步对控制理论进行分析，根据电动汽车的应用特性设计了高性能控制器及驱动器硬件系统。

第一章介绍了电动汽车的电机驱动控制系统的研究背景以及国内外发展现状，并根据其系统特性需求，分析了当前电动汽车领域对使用的电机的性能要求，以及介绍论文的整体架构；

第二章介绍了章电动汽车电机驱动控制系统总体设计，本章对电动汽车永磁无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型和运行特性以及对选取的数字信号处理器进行了结构介绍和周围功能模块的说明。

第三章介绍了电机驱动控制系统硬件电路设计，本章使用6个IGBT和1个功率驱动芯片设计了三相全桥逆变电路，以TMS320F28335芯片为核心设计了控制电路，使用霍尔电流传感器和霍尔位置传感器等设计了电流电压和位置转速检测电路。

第四章介绍了电机驱动控制系统软件设计，本章对控制系统软件进行设计，设计主程序和中断子程序，速度环控制子程序，电流环控制子程序。

第五章对全文进行总结分析以及下一步的展望。

第二章 电机驱动控制系统的总体设计

2.1电机驱动控制系统的组成

电动汽车电机驱动控制系统主要由驱动电机、能量转换器、电机控制器、动力电池和机械传动装置等几部分组成，驱动电机主要是使用永磁无刷直流电机，能量转换器使用的是逆变器，电动汽车电机驱动控制系统的组成框图如下图所示。

2-1 电机驱动控制系统的组成框图

（1）电机控制器

电机控制器采样踏板速度、电机转子位置、逆变器电流电压等信号，使用一定的算法或控制策略，控制逆变器中电力电子器件的导通顺序和 PWM 占空比，最终实现电机转速和转矩的调节。

（2）逆变器

绕组按照一定的顺序导通，从而产生旋逆变器根据电机控制器输出的驱动信号开通或关断电力电子器件，使电机定子各相转磁场，拖动电机转子旋转。

（3）驱动电机

驱动电机是电动汽车的关键组成部分，它提供电动汽车的动力。永磁电机由于具有功率密度高、尺寸小、质量轻等特点，因此成为作为电动汽车驱动电机的理想选择。

2.2 电机驱动控制系统总体设计

驱动电机选用的是永磁无刷直流电机；系统使用的逆变器是由6个IGBT组成；控制电路中的控制器是选取TMS320F28335芯片。图 2-2中，永磁无刷直流电机是电机控制系统的控制对象；控制量是转速（即对应的电压）和转矩（即对应的电流）；控制目标是为了使系统精度更高、系统动态性能更稳定、系统抗干扰能力更强和转矩脉动幅度更小。

图 2-2 电机驱动系统结构框图

2.3永磁无刷直流电机

2.3.1 永磁无刷直流电机的基本结构

永磁无刷直流电机(BLDCM)，其基本结构和原理如下图2-4所示。