基于永磁同步电机的电动助力车控制系统设计与实现

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3.0 侯斌 2024-11-19 5 4 1.91MB 54 页 15积分

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基于永磁同步电机的电动助力车控制

系统设计与实现

摘要

随着现代的电子技术不断的发展，电动自行车成为现在发展迅猛的主流代

步工具，电动自行车的主要特点是使用方便、零排放、低噪音等。而电动自行

车的核心控制系统是对电机的控制，电机控制的好坏，关系到电动自行车运行

的稳定性及安全性。永磁同步电机因为其体积小、质量轻、效率高、损耗小和

控制方法灵活，广泛的应用在电动自行车中。

本文的主要工作内容为以下几点，文中所有实验均采用表贴式永磁同步电

机：

1.介绍了电动自行车的发展背景以及国内外的发展趋势，概述了永磁同步

电机的工作原理并且建立了不同坐标系下永磁同步电机的数学模型。

2.论文在理论方面主要研究了两种电机的控制算法：直接转矩控制算法和矢量

控制算法。设计了基于自抗扰控制算法的速度调节器，并将该速度调节器应用

于电机的直接转矩控制和矢量控制中。基于 Matlab/simulink 仿真平台，分别搭

建了仿真模型，对上述两种算法进行了仿真。

3.选用意法半导体公司的 STM32F103RB 微控制器芯片，设计了基于永磁同

步电机的电动自行车的电控制系统，软件部分主要包括主程序、功能程序以及

中断程序等，硬件部分主要包括了电机的驱动电路、电控系统的保护电路、控

制器的各种外围电路以及 AD 采样电路。

4.选用中颖电子公司的 SH79F166A 作为电动自行车面板的控制芯片，设计

了面板的控制系统，硬件部分主要包括电源电路和电压采样电路，软件部分主

要给出了面板与控制器和电池之间的通讯协议。

关键词：电动助力车永磁同步电机自抗扰控制微控制器

ABSTRACT

With the development of modern electronic technology ，Òthe electric bicycle

has become the mainstream and now it’s instead of walking tool .It has the

characteristic of easy to use, zero emissions, low noise, etc. The core of the control

system for motor control is the electric control system. It decides related to the

stability and security of electric bicycle operation. Permanent magnet synchronous

motor has good speed performance, flexible control method, high efficiency, large

starting torque, long life and other advantages, it increasingly widely used in electric

bicycle. the motor used in this paper is SPMSM.

The main work of this paper is just as the following:

1.Introducing the background of e-bike and the development of e-bike in China

and in the other counties. Summarizing the principle of SPMSM and establishing the

model of SPMSM under different coordinate system.

2. In theoretical, the paper introduce 2 different algorithm: Direct Torque Control

and Field-Oriented Control. Designed a speed controller based on ADRC and used the

speed controller in DTC and FOC. Based on Matlab/Simulink, a simulation platform

is established, and several simulation experiments are done in that simulation

platform. The simulation results confirmed that the speed controller based on ADRC

perform very well.

3.Microcontroller of STM32F103 is chosen to build the hardware platform.

Based on STM32F103, this paper designed the software platform. The hardware

include the drive circuit, the protecting circuit, the AD circuit etc. The software

include the main program, the interrupt program, and the function program etc.

4.Chose SH79F166A as the microcontroller of e-bike display. Just as the motor

control system, the display also has two parts: hardware and software. The hardware

include the source circuit and key circuit etc. The software include the main program,

the interrupt program etc.

Key Words: E-Bike, PMSM, ADRC, Microcontroller

中文摘要

ABSTRACT

第一章 绪 论........................................................................................................1
1 课题的背景及意义..................................................................................1
2 国内外电动助力车发展状况..................................................................1
2.1 国外电动助力车的发展状况.......................................................1
2.2 国内电动助力车的发展状况.......................................................2
3 电动助力车相关技术..............................................................................2
4 本文工作安排..........................................................................................3
第二章 永磁同步电机的结构与数学模型..........................................................5
1 永磁同步电机的结构..............................................................................5
1.1 永磁同步电机的定子绕组...........................................................5
1.2 永磁同步电机的转子结构...........................................................6
1.3 永磁同步电机的位置传感器.......................................................6
1.4 永磁同步电机的电子换向器.......................................................7
2 永磁同步电机的数学模型......................................................................7
2.1 电机控制算法中的坐标变换.......................................................8
1.2 不同坐标系上的数学模型...........................................................9
3 本章小结................................................................................................13
第三章 永磁同步电机控制算法研究................................................................14
1 直接转矩控制算法的研究....................................................................15
1.1 基本电压空间矢量.....................................................................15
1.2 磁链和转矩的控制方法.............................................................16
1.3 空间电压矢量的选择.................................................................17
2 矢量控制算法的研究............................................................................19
3 自抗扰控制算法的研究........................................................................20
3.1 微分跟踪器（TD）...................................................................21
3.2 扩张状态观测器（ESO）.........................................................21
3.3 非线性状态误差反馈.................................................................23
4 基于 ADRC 的速度控制器设计...........................................................23
4.1 直接转矩控制的速度控制器设计.............................................23
4.2 矢量控制的速度控制器设计.....................................................24
5 仿真结果及分析....................................................................................24
5.1 直接转矩控制的仿真结果与分析.............................................25
5.2 矢量控制的仿真结果与分析.....................................................28
6 本章小结................................................................................................30
第四章 电控系统的硬件电路设计....................................................................31
1 主控芯片介绍........................................................................................31
2 电机控制器硬件电路............................................................................33
2.1 最小系统电路.............................................................................34
2.2 电源供电电路.............................................................................35
2.3 位置检测电路.............................................................................35
2.4 电机调速电路.............................................................................36
2.5 制动电路.....................................................................................36

2.6 电机驱动电路.............................................................................37
2.7 欠压保护电路.............................................................................38
2.8 过流保护电路.............................................................................39
3 面板控制器硬件电路设计....................................................................39
3.1 开机电路.....................................................................................40
3.2 按键电路.....................................................................................40
4 本章小结................................................................................................40
第五章 电控系统软件设计................................................................................41
1 电机主程序............................................................................................41
2 电机的中断程序....................................................................................42
2.1 霍尔中断程序.............................................................................42
2.2 系统定时中断.............................................................................43
2.3 AD 中断......................................................................................43
3 速度环控制............................................................................................44
4 系统保护程序........................................................................................45
4 面板控制程序........................................................................................45
5 本章小结................................................................................................46
第六章 结论与展望............................................................................................47
1 结论........................................................................................................47
2 展望........................................................................................................47
参考文献..............................................................................................................48

第一章绪论

1.1 课题的背景及意义

随着社会的快速进步，科技的高速发展以及人民生活水平的不断提高，能源

紧缺问题、环境污染问题以及交通堵塞问题得到了各国政府以及人民的广泛关注

我国的石油资源比较贫乏，并且由燃油汽车尾气废气排放引起的污染是目前大中

城市的主要污染源。交通问题，尤其是大城市的交通问题更是令人头痛。人们花

在交通上面的时间增多，可自由支配的时间越来越少，这些问题都在困扰着人们

的生活，降低了人们的生活品质。在此大背景下，寻找一种新型的、可持续发展

的、环境友好型的机动车辆成为了迫在眉睫的事情。电动助力车的实质就是在普

通的自行车的车轮上安装了电机，并有相应的控制器控制根据使用者的要求控制

电机的运转。电动自行车作为一种新型代步车，相对于传统的自行车有高速，省

力的优点；相对于燃油汽车又具有环保、节能、轻便、占用空间小并且在普通人

民的经济能力承受范围之内的优点，因此得到了广大人民群众的认可[1-2]。

近年来，随着微电子技术、电力电子技术、新型电机控制理论算法和稀土永

磁材料的快速发展，使得永磁同步电机得以迅速的推广应用。和传统的电磁同步

电机相比较，永磁同步电机，尤其是稀土永磁同步电机具有效率高、损耗少、体

积小、节电效果明显的优点。永磁同步电机由永磁体提供励磁磁场，避免了传统

励磁绕组的使用，使电机的结构变得简单，减少了装配和加工费用，而且减去了

容易出问题的集电环和电刷，提高了电机运行的稳定性；又因为没有使用励磁绕

组，无励磁电流，故没有励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。近几年永磁

电机在各个领域中的应用越来越广泛[2-4]。

综上所述，基于永磁同步电机的电动助力车的研究有很大的经济效益和很大

的社会效益，有助于提高人们的生活品质，改善人们的生活质量，改善人类的生

活环境，节约国家资源。

1.2 国内外电动助力车发展状况

1.2.1 国外电动助力车的发展状况

在国外，日本是最早开始研发电动助力车的国家，是轻型电动助力车的发源

地，生产和规模都具备相当的规模。雅马哈第一个成功研制电动自行车，并且推

出了世界上的第一辆电动自行车。据日本自行车协会的统计， 2009 年日本的电

动自行车销量达到31.5 万辆。目前，实现产品的“轻量化”和增加电池的续航能

力是日本的研发重点[3]。

上海理工大学硕士学位论文

美国的轻型电动车发展的相对比较晚，1999 年美国电动车市场规模仅为6.5

万辆，虽然美国的市场规模比较小，但是市场增幅非常可观，达到了 400%。到

2010 年为止，美国电动车销量已经突破百万[4]。

轻型电动车最为成熟的市场是欧洲。欧洲每年电动车的销量可达 300 万辆到

400 万辆。欧洲最大的市场是德国和荷兰，比利时、瑞士、奥地利、意大利等国

的电动车发展也很不错[5]。

1.2.2 国内电动助力车的发展状况

到目前为止，中国电动助力车的发展主要经历了3个阶段：初级阶段、初现

生产规模化阶段、超速发展阶段。初级阶段也被称作是电动助力车的试验性生产

阶段，主要集中在 1995 年到1999 年。这个阶段主要是对电动助力车关键技术的

摸索阶段。在生产方面主要是小批量的投放，但这使得消费者认识了并且认可了

电动助力车。在技术上，早期的电池寿命短，电机使用的也是有刷电机，但是正

是这段时间的积累，为电动助力车后面的发展奠定了基础。

第二个阶段是初现生产规模化阶段，一般认为是在 2000 年到2004 年。在这

段时间里，电动自行车的关键技术有了突破，电动自行车的也得到了不断地提升

使得电动助力车逐渐替代了摩托车和自行车，成为新型的代步工具。

第三阶段是中国电动助力车快速发展的阶段。从2005 年到今，企业之间的竞

争日益激烈，正是这样，使得电动助力车的关键技术有了很大的进步和创新。电

池的寿命和容量都有了很大的提高，高效的无刷电机取代了原来的有刷电机。在

性能提高的同时降低了生产成本；控制器系统和充电系统方面的技术也有了很大

的进步。这大大的促进了电动助力车在中国的发展[7,8,9]。

1.3 电动助力车相关技术

电动助力车主要包括三个大的部分：电机、电池和车身，综合起来涉及到多

个技术领域：电力电子技术、电机控制算法、机械加工、制造材料等等。

电机的驱动电路涉及到微处理器的控制能力，高开关频率以及低功耗电力电

子器件的应用。电机控制算法已经由原来的恒压频比算法发展到现在的矢量控制

以及直接转矩控制。传统电机控制算法的速度环多采用 PI 调节器，但是PI 调节

器虽然有结构简单，便于调试等优点，但是也有高超调，系统响应慢等缺点。为

了在保留PI 调节器的优点的同时又改进PI 调节器的缺点，我国院士韩晶清教授

提出了自抗扰控制算法，能够解决超调与响应速度的矛盾。各国学者们还提出了

滑膜变结构控制器、卡尔曼观测器、luenberger 观测器等各种控制算法以解决电

机中存在的问题[3,4,5]。

目前能够被电动助力车采用的电池主要由4种，分别是锂离子电池、阀控铅

酸免维护蓄电池、镍氢蓄电池和胶体铅酸蓄电池。在已经商品化的电动助力车中

多采用的是密封式铅酸蓄电池，该电池在使用过程中不需要经常补偿水分，便于

维护。但是如果该电池充电不足或充电过度的情况下，会破坏电池内部的化学材

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摘要：

基于永磁同步电机的电动助力车控制系统设计与实现摘要随着现代的电子技术不断的发展，电动自行车成为现在发展迅猛的主流代步工具，电动自行车的主要特点是使用方便、零排放、低噪音等。而电动自行车的核心控制系统是对电机的控制，电机控制的好坏，关系到电动自行车运行的稳定性及安全性。永磁同步电机因为其体积小、质量轻、效率高、损耗小和控制方法灵活，广泛的应用在电动自行车中。本文的主要工作内容为以下几点，文中所有实验均采用表贴式永磁同步电机：1.介绍了电动自行车的发展背景以及国内外的发展趋势，概述了永磁同步电机的工作原理并且建立了不同坐标系下永磁同步电机的数学模型。2.论文在理论方面主要研究了两种电机的控制算法：...

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