电动车用无刷直流电机控制系统及其故障诊断

摘要

由于环境的持续恶化以及化石能源极为有限，国家对新能源汽车发展进行大力扶持，电动车以其较低的价格和使用成本迅速发展，市场前景广阔。无刷直流电机(Brushless Direct Current Motor, BLDCM)有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，又兼具直流电机调速特性好，效率高等优势。无刷直流电机没有换向器和电刷等机械结构，使其具有体积小、重量轻、转速高等特性，因此近年来得到了广泛应用。其控制方式常采用两两导通的控制方式，即在一个电周期内得到六个转子位置信号用于电子换向。现在一般使用的方法是在电机壳体内安装三个霍尔传感器（间隔60°或120°）用于检测电机转子的位置，但霍尔传感器常因温度、电磁干扰、灰尘等环境因素的影响而不能正常工作，严重的时候甚至损坏，最终导致电机及控制器无法正常运行。如果上述问题发生在车辆行驶过程中，可能对乘客以及周围人员造成损害和威胁，所以提高电机控制系统的可靠性变得至关重要。在这样的背景下，本文以市场上现有的无刷直流电机控制器为基础，实现了无霍尔控制和有霍尔控制方式的集成，最终开发出了具有故障诊断和转子位置传感器故障容错控制功能的无刷直流电机控制器。
　　首先，在深入了解无刷直流电机及其控制原理之后，详细分析了有转子位置传感器的控制方法和无转子位置传感器的控制方法，制定了不同工作状态下功率开关器件的调制方式并制定控制方案。由于PI控制具有快速响应和实时性好的特点，所以设计了电机运行时的PI闭环调速系统用于电机调速。详细分析了转子位置传感器故障、电流故障和电压故障发生的常见原因，并以此确定了故障诊断的方案以及容错控制策略。
　　其次，在明确电动车用无刷直流电机控制器的功能与性能要求后，以控制方案为指导，使用AltiumDesigner软件进行硬件电路设计和开发。采用集成模块与分立元器件相结合的思路，以系统的可靠性和稳定性为前提进一步缩减了控制器的成本。硬件电路主要以单片机及其最小电路、电源电路、信号输入/输出电路这三部分组成。并以硬件为基础，以模块化编程思想为主导，使用KeilMDK软件作为软件的开发环境，运用C语言进行软件编译和开发，实现了有/无转子位置传感器控制模式集成与自动切换;完成了基于转子位置传感器故障诊断和电压电流故障诊断的容错控制，提高了电机运行的稳定性和可靠性。
　　最后依据所设计控制器的功能以及性能要求搭建了80BL103电机试验台架作为测试平台，检测所设计的无刷直流电机控制器软、硬件功能及可靠性。
　　经过台架试验，能够证明该控制器调速相应迅速且运行平稳;实现了有/无转子位置传感器控制集成与自动切换、完成了基于转子位置传感器故障诊断和电压电流故障诊断及其容错控制。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文结构安排

2 无刷直流电机系统整体控制方案研究

2．1 无刷直流电机基本结构

2．2 无刷直流电机运行控制方案

2．2．1 有转子位置传惑器控制方式

2．2．2 无转子位置传感器控制方式

2．2．3 无刷直流电机调速原理

2．3 无刷直流电机故障类型及其分析

2．3．1 电流／电压故障分析

2．3．2 转子位置传感器故障分析

2．4 本章小结

3 无刷直流电机控制系统硬件设计

3．1 硬件方案设计

3．2 主控芯片及其最小电路设计

3．3 电源电路设计

3．3．1 直流降压电路

3．3．2 直流电源隔离电路

3．4 信号输入／输出电路设计

3．4．1 转子位置信号检测电路

3．4．2 电压检测电路

3．4．3 电流检测电路

3．4．4 功率驱动电路

3．4．5 全桥逆变电路

3．4．6 信号隔离电路

3．5 本章小结

4 无刷直流电机控制系统软件设计

4．1 软件方案设计

4．2 主程序设计

4．3 子程序设计

4．3．1 功率场效应管自检程序

4．3．2 驱动信号处理程序

4．3．4 闭环调速程序

4．3．5 中断服务程序设计

4．4 故障诊断程序设计

4．4．1 转子位置传感器故障诊断程序

4．4．2 电压故障诊断程序

4．4．3 电流故障诊断程序

4．5 本章小结

5 系统调试与试验分析

5．1 试验平台搭建

5．2 试验结果与分析

5．2．1 电机运行试验

5．2．2 故障诊断试验

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

个人简介

攻读硕士期间发表的学术论文和专利