摘要随着能源危机的日益加剧和环境污染 压力的增加，电动汽车取代传统内燃汽车己经成为一种必然趋势然而，电动汽车一次充电的续驶里程远远小于传统的内燃机汽车，这一不足制约了电动汽车的产业化和迅速推广，增加电动汽车的续驶里程的一个有效方法是在电动汽车上使用能量回馈制动系统来吸收制动能量因此本文对电动汽车回馈制动进行了研究，主要完成了以下几个方面的工作首先，阐述了电动汽车回馈制动的原理，以永磁无刷直流电动机为例，分析了其工作原理分析了回馈制动在电动汽车结构中的可行性分析其次，阐述了回馈制动系统设计所需的硬件与传感器选择提出电动汽车回馈制动的方案设计了整个系统的硬件电路包括:电源电路、功率逆变电路、IGBT驱动和保护电路、回馈充电限流斩波电路、上电延时保护电路、DSP外围电路、相电流检测电路、直流侧电压检测电路研究了无刷直流电机的电动和回馈制动的控制方法，以及回馈制动时对蓄电池回馈充电电流的控制方法，在此基础上完成了软件的设训包括:换相控制程序、电流和电压采集程序、PWM占空比重载程序、回馈制动最大可充电流控制程序等关键词:电动汽车，无刷直流电机，回馈制动AbstractThe brushless DC motor (BLDCM) is a newly developed type of motor which replaces the mechanical commutation by the electric commutation. It has the merits of both the good speed control performance of the Brush DC motor and the simple structure of the asynchronous motor. With the research development on BLDCM and its control system, the BLDCM has been widely applied in industry especially in electric vehicle (EV) field in which the BLDCM has become the preferred motor. The research on motor drive and regenerative brake in developing electric vehicle is so important that this paper has studied the drive and regenerative brake of the BLDCM and the work has been done as the following:Firstly, the operating principle of the BLDCM has been discussed and the mathematic models on drive and regenerative brake states of the BLDCM were analyzed. The back EMF of the BLDCM is trapezoidal waveform with120 0 platform width.Secondly, the hardware circuits of the system has been designed which includes power inversion circuit driving and protecting circuit of the IGBT current limited and chopper circuit used in regenerative brake the electrifying delay circuit, DSP peripheral circuit, current detecting circuit and DC voltage detecting circuit the control method of both drive and regenerative brake has been studied. And the method of controlling the regenerative current was also be studied. The software is designed which based on that including the program of the commutation, the program of sampling current and voltage, the program of regulating the PWM wave, the program of calculating rotate speed, the program of regulating the current and rotate speed in close loop the program of controlling the regenerative current according to the charge of the battery.Key words:EV，the brushless DC motor，regenerative brake摘要 IAbstract II第一章绪论 - 1 - - 1 - - 2 -1.3本课题的主要内容本课题主要分六个部分： - 4 -第二章回馈制动的原理 - 5 - - 5 - - 6 - - 7 -第三章回馈制动在电动汽车结构中的可行性分析 - 10 -第四章回馈制动系统设计所需的硬件与传感器选择 - 12 - - 12 - - 14 - - 15 - - 15 - - 15 - - 16 -第五章回馈制动系统的设计 - 17 - - 17 - - 18 - - 18 - - 19 - - 21 - - 21 - - 21 - - 22 - - 22 - - 23 - - 24 -第六章试验结果分析 - 30 - - 30 - - 30 - - 30 - - 30 - - 30 - - 31 -6.2.3回馈制动时电机的相电流波形 - 32 -第七章结论 - 33 - - 33 - - 33 -致谢 - 34 -参考文献 - 35 -第一章绪论自1886年发明了汽车以来，汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具，可以说汽车大大的缩短了人们之间的距离，改变了人们的生活方式，提高了人们的生活质量。
但是由于燃油汽车所带来的污染问题越来越严重，特别是尾气中的一氧化碳和铅对人类的健康危害极大另一方面燃油汽车使用的燃料来自于石油，而石油是有限的不可再生资源，作为全世界重要的化工资源的石油被世界各国在汽车上大量地消耗，据近年的有关石油的国际会议估计，全世界探明的石油储存量在未来50年内即将用完因此，汽车工业的发展给同时也给世界带来了无法回避的负面影响正是在这种情况下，电动汽车(EV)的研究与开发引起了世界各国的关注，成为汽车发展的新热点近年来，各大公司在政府的支持下，也制定了发展电动汽车的长远规划，调动了社会上各种力量参与电动汽车的研制电动汽车经历了关键性技术的突破，样机、样车的研制，区域性试用以及小批量实际应用等探索阶段，现在已接近商业化生产电动汽车的研究和开发近年来虽然取得了一定的进展，但还存在如下的一些技术难题急待解决:(1)一次充电续驶里程太短;(2)电池的循环寿命短、更换率高;(3)电池的充电时间长通常需要6-10个小时才能完成;(4)电动汽车的动力性能还不够理想，电机的调速控制系统和蓄电池的能量管理系统复杂，技术不成熟;(5)售价昂贵;(6)整车太重由此可见，所有这些困扰电动汽车发展的主要因素最终都可以归结到电池上。
到目前为止，电动汽车的电池技术也没有取得突破性进展，在电池技术暂时难以有大的突破之前，如何充分利用能源，开发高效率的能量回馈制动技术，以尽可能地提高电动汽车行驶里程就成了一个非常值得研究的课题传统的燃油汽车在制动时是将汽车的惯性能量通过制动器的摩擦转化成无法回收的热能散发到周围环境中消散掉了对于电动汽车而言，由于电机具有可逆性，即电动机在特定的条件下可以转变成发电机运行，因此可以在制动时采用再生制动的办法，通过设计好的电力装置将制动产生的回馈电流充入储能装置，如各种蓄电池、超级电容器和超高速飞轮中，储存起来以备用来驱动电机，最终达到增加电动汽车的行驶里程的目的，这就是通常所说的回馈制动电动汽车的回馈制动对电动汽车本身而言是非常重要的通过回馈制动与机械刹车的配合使用，可以提高电动汽车刹车系统的安全性、灵敏性和可靠性电机的控制系统和蓄电池的能量管理系统的性能，以增加续驶里程、提高动力性能有文献指出通过再生制动系统的使用，电动汽车一次充电后行驶的里程增加10%— 25%，例如日本丰田开发的电动汽车Prius可以回收大约23%的能量如果电动汽车惯性大且工作在频繁制动的环境中，这一数字还要大例如在城市典型工况环境中，大型载客巴士制动时的惯性能量可达发动机发出的总能量的50%。
其中消耗在制动器上的惯性能量是可以回收的，约占总惯性能量的80%，即理论上可回收的惯性能量约占发动机总能量的40%特别地，我国是一个多山的国家，丘陵和山地占国土面积的三分之二，特别是在中国的西部，山高坡陡，开展再生制动研究十分必要，中国西部大部分地区道路起伏变化明显，常有数十米乃至数百米的大坡道，在下坡时，将车辆的制动、减速能量回收储存起来，等到上坡时再释放使用，这样不但可以节省能源，还可以减少刹车片的磨损，降低故障率，减少使用成本同样在城市交通中，由于需要频繁的加减速，回馈制动同样具有重要的意义，有着显著的经济价值因此，对电动汽车的回馈制动，如果采用合适的控制策略，对电动汽车的减速、制动时的能量进行回收利用，将产生非常可观的经济和社会效应综合前面所述，合理的利用电制动，不仅能为汽车提供辅助制动功能，提高整车制动性能，进一步增强其竞争力，而且通过延长电动车辆的一次充电续驶里程，从而回收制动能量来节约能源，因此研究电动汽车能量回馈制动技术，开发一种高效的电动汽车回馈制动系统是一项非常有意义的工作 国外对回馈制动技术己经进行了研究，通常多采用向蓄电池充电来吸收再生制动回馈的能量，其缺点是蓄电池难以实现短时间大功率充电且充放电循环次数有限，成本高，还有就是使用超级电容、飞轮等储能元件进行能量回收，在回馈制动系统方面: (1)美国纽约州的斯卡奈塔第联合大学对大型客车的回馈制动的建模进行了研究，该车满员为30人，满载重量可达12，474Kg，采用飞轮储能。
在设定的城市平均驾驶循环中(其特点为加速、减速很快，匀速运行的距离短，停车时间短，整个循环为56秒)进行了定量的经济性分析在此循环中制动时的惯性能量占总能量的59%，可以给予回收通过理想的能量回馈系统可以使每辆车的燃料消耗成本从12，270美元/年降到5，030美元/年 (2)意大利的FIAT己经开始对超高速飞轮的实用性能进行评价，具体是把采用超高速飞轮作为铅酸电池辅助能源的混合能源系统用于电动汽车上并进行实验测试，模拟结果显示使用该系统可节能20% (3)日本丰田汽车公司于1997年向市场推出了混合式动力轿车Prius，它采用混联式布置，并具有惯性能量回收系统这种汽车是第一款真正在市场销售上取得成功的电动汽车汽车制动的惯性能量能够通过回馈制动系统得到回收，回收的能量约能提供汽车5%—15%的动力，这样能够提高燃油经济性10%左右其制动系统的参数匹配得很好，不会出现后轮先抱死情况 (4)日本本田公司于1997年推出了混和动力车EV PLUS，采用了能量回馈制动系统，可以使汽车在UDDS (Urban Dynamo Driving Schedule)工况下能量消耗降低20%左右。
(5)美国的国家航空与航天管理局路易斯研究中心(The NASA Lewis Research Center)开发了一种满载重量超过1, 5000Kg的混和动力公交车，带有超级电容储能装置的回馈制动系统，1997年已完成原型车的装配 (6)福特福克斯燃料电池汽车(FCV)将混合动力技术改善行驶里程和动力特性的优点与燃料电池的综合效益结合了起来新的蓄电池组、再生制动和贮氢罐组合起来，使可载四人的福克斯FCV的行驶里程达到160—200英里之间，较以前的车型有了大幅度的改善 (7)日本东京R&D公司在电动车上使用超级电容实现回馈制动后，可提高电动车行驶里程20公里，动力电池的使用寿命也延长1.5倍 虽然目前市场上还不多见中国电动汽车的身影，电动汽车能量回馈制动技术的研究也处于尚未成熟的发展阶段，但中国电动汽车的整车和关键技术发展，都已露出熹微，并非悲观人士所预言的那样只能在跨国公司的围剿中“壮烈”正如电动汽车重大科技专项总体组组长、同济大学副校长万钢，所说说，“中国电动汽车发展在战略上要实现跨越，在技术上必须一步一步扎扎实实往前走”科技部提供的资料显示，目前电动汽车的研制不论在整车技术上，还是在核心技术上，都取得了可喜进展。
(1)清华大学联合北京客车总厂等单位研制的燃料电池城市客车，采用燃料电池+动力电池的混合驱动型式，运行考核总里程超过10000公里在科技计划执行过程中，还形成了燃料电池城市客车整车总体设计、系统集成、仿真分析、控制策略优化、整车综合控制系统开发等一整套燃料电池整车开发技术，以及整车设计和测试标准等，将为燃料电池客车产业化提供重要的技术借鉴，所解决的关键共性技术都可用于其它相关电动车产品的开发 (2)东风混合动力轿车(EQ7200HEV)由东风电动车公司自主研发该车在成熟轿车平台基础上采用多项发明专利，其驱动系统装载电控汽油机，以永磁同步ISG和驱动电机、高性能镍氢电池作为辅助动力，以混联方式参与驱动应用和实现了AMT自动变速箱、CAN总线光纤通讯、强电安全系统、智能仪表显示、停车断油、制动能量回馈等多项先进技术和功能最高时速160 km,0-100km/h加速时间<13. 5秒，，用户在使用过程中不需外接电源对车辆进行充电额定乘客5人，适宜城市出租车、政府公务用车和私家用车 ③由北京理工大学为主开发的4种电动客车，均通过了国家汽车质检中心的型式认证建立了纯电动汽车整车仿真平台、电传动试验台及动力蓄电池成组测试试验台;完成近40辆示范样车的生产和调试。
纯电动客车在动力性、经济性、续驶里程、噪声等指标己达到或接近国际水平，初步形成了关键技术的研发能力和产业化配套能力纯电动客车40km/h等速续驶里程306km，完全可以满足短途旅游需要，整车性能达到国内领先水平;电动助力转向、多档变速器电动换挡机构(AMT)和电动一体式空调、附件一体化供电等设计理念和新产品应用有效地提高了整车性能和科技含量 (4)华南理工大学电动汽车重点实验室设计出的再生制动控制系统，在EV6600电动汽车上进行实验，实验结果表明该再生制动回收系统可以达到10%的能量回收效率 (5)混合动力汽车EQ6110HEV，采用了机械制动与再生制动相结合的策略一一低制动强度时优先采用再生制动，高强度时按比例复合再生制动与摩擦制动相结合实验表明在各种循环工况下，EQ6110HEV采用的这种再生制动控制策略有较好的节能效果，可降低能耗10%—20% 中国电动汽车4年的研发业绩固然值得欣慰，但公众只看市场上是否有性价比更优的产品中国汽车业界清醒认识到自己的不足毕竟，中国的电动汽车还没有产业化，还有一段路要走尽管中国三大汽车集团都致力于研发电动汽车，但无论在技术、消费环境、政策方面与国外相比差距都很大。
主要表现在以下方面: (1)在整车技术上，国外研制的电动车持续里程比我国大他们的样车一次充电可行驶四五百公里，投入市场的车一次充电可行驶200多公里，而我国的电动车只能持续行驶100多公里:在车速上，我国的电动车也比不上国外; (2)在电动车关键技术上，蓄电池方面，国外已成功开发出了铝空气电池、锌空气电池、镍氢电池等高能电池，而中国的高能电池正在研制中，目前可用的只有铅酸电池尽管我国己引进国外多种铅酸电池生产线，但生产出来的电池在质量上不过关;在其它各种单项技术上，如电机、电控、底盘、外壳、车内设施等都与国外存在不同程度的差异从眼前的研发能力看，中国似乎仍然无法乐观，但科研人员认为，关键在于如何把握时机中国科学院物理所黄学杰研究员说，“二次大战之后，日本的汽车工业与中国的一样糟糕，但为了发展这样一个有市场的行业，当美国人把汽车研发放在大排量时，日本致力于小排量汽车的研发决策一定是处心积虑的，当国际上出现石油危机时，日本用小排量车击败了美国人，10年跳上了汽车强国的台阶，如今又用环保车打击欧美在汽车市场上，几年前没有人认同中国的民营企业，但奇瑞走出来了，除了占领中国市场外，已登陆欧洲市场，而强大的德国大众却丢失了40%的市场。
谁能轻易断言胜败呢?”本课题主要分六个部分： 第一部分：回馈制动的原理 第二部分：回馈制动在电动汽车结构中的可行性分析 第三部分：回馈制动系统设计所需的硬件与传感器选择 第四部分：回馈制动系统的设计 第五部分：试验结果分析 第六部分：总结第二章回馈制动的原理在变频调速系统中，电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的，在变频器频率减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，或者说，它的转速变化是有一定时间滞后的，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果常用于电动汽车的电机主要有直流电机、感应电机、永磁同步电机、永磁无刷直流电机以及开关磁阻电机永磁无刷直流电机同其它电机相比具有几个明显优点.(1)永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了任何由电刷引起的问题;(2)永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易散发出去，结构也变得简单，并且节省了空间使其磁场损失也得到了减少;(3)永磁无刷直流电动机的效率与转速永远保持同步关系，不会发生失步、震荡等现象;(4)它的起动、调速特性类似于直流电机，控制简单，同时也克服了同步机的缺点，又具有功率因数好的优点。
正是由于永磁无刷直流电动机具有以上优点，使永磁无刷直流电机使其在电动车传动系统中备受青睐图2-1无刷直流电动机的结构原理图以无刷直流电动机为例，结构原理如图2-1所示它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关电路及其控制器二部分组成电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置，其定子绕组一般制成多相(二相、四相、五相等)，转子由永磁钢按一定极对数(2p=2, 4,…)组成，二相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接在图2-1中A相、B相、C相绕组分别与功率开关管((VT1,VT4),(VT3, VT6),(VTS, VT2)相接，转子位置传感器检测转子位置，并将位置信号传给控制电路当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号输入控制器，控制器控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定次序导通定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是无刷直流电动机的换相原理。
由十电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换相作用因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关电路、永磁同步电动机以及位置传感器二者组成的“电动机系统”其原理框图如图2-2所示图2-2 无刷直流电机的原理框图由无刷直流电机的工作原理知道，只要改变同一磁极下电枢电流的方向，就可以改变电机输出转矩的方向达到制动效果，改变电枢电流的方向的方法有1)改变电源的极性从而改变电枢电流的方向，也就是我们所说的反接制动，但是反接制动易产生较大的制动电流，且电路硬件实现相对复杂;(2)改变三相逆变器的导通功率管的导通规律从而改变电枢电流的方向从前面介绍的无刷直流电机的四种工作状态可知，正向和反向制动与相应的电动状态相比，只是改变了功率开关管的导通顺序，而通过改变功率开关管的导通顺序就可以改变同一磁极下电枢电流的方向，从而改变电机输出转矩的方向，产生反向制动力矩，达到效果就是本论文介绍到的回馈制动永磁无刷电机回馈制动时功率开关管调制方式，有半桥调制方式和全桥调制方式在实际应用中，应根据具体情况选择不同的制动方式下面对两种制动方式作一下比较首先，同电动状态一样，半桥斩波回馈制动具有非导通期间第二相续流电流，这种现象导致电机相电流出现非对称，加剧了转矩脉动相比较而言，全桥斩波引起的转矩脉动较小。
其次，半桥斩波只对下桥臂进行斩波操作，因此它引起的功率器件的开关损耗相对全桥斩波要小得多再次，从制动效果石‘采用半桥斩波的方式进行回馈制动时，整个PWM周期内，蓄电池均没有功率输出，续流阶段的电流上升主要靠电机旋转引起的反电势，因此充电电压提升较小，在电机转速降低时，制动转矩下降非常明显而全桥斩波方式下，续流阶段使蓄电池也串入续流回路，致使回路电流上升很快，制动扭矩输出大，制动效果明显最后，电机与蓄电池之间的能量流动:在半桥斩波和全桥斩波方式下，都能够对蓄电池进行回馈充电并目‘充电时的电路状态也是一致的但在制动过程中，半桥斩波方式下不能使蓄电池输出电能，而全桥斩波下，蓄电池在续流阶段有能量输出这样，全桥斩波方式就存在一个临界转速，当电机转速低十临界转速时，全桥斩波回馈制动时蓄电池输出能量大十电机回馈能量，就不能实现制动，这时可用其他方式实现制动停机，比如采用机械制动或能耗制动的方式虽然全桥制动时转矩脉动较小，但由于全桥制动下开关管的开关损耗较大，目制动过程中存在临界转速，这限制了它的应用本文中的回馈制动采用半桥斩波回馈制动制动时的能量回馈是电动汽车的核心技术之一电动汽车作为一个惯性比较大的负载，快速运行时具有很大的动能，采用回馈制动的方式加以回收，对十提高电动车辆的效率，延长电动车辆的一次充电行驶里程以及节能都具有重大意义。
铅蓄电池的充电电流应根据其荷电状态(SOC ，State of Charge的缩写)确定荷电状态即蓄电池剩余电量与最大可充电量的比值，通常在一定温度下，电池充电到不能再吸收能量的状态，定义SOC为1；而将电池不能再放出能量的状态，定义SOC为0如果充电电流远小十蓄电池可接受的电流，蓄电池充电时间就很长，同时极板深处的活性物质不参加反应，从而使电池容量减小，影响寿命反之，如果充电电流远远超过蓄电池可接受的电流，将产生析气反应(电解水的反应)蓄电池内将产生大量气泡，这些气泡猛烈撞击极板，可使活性物质脱落，严重影响蓄电池寿命实验测得蓄电池可接受充电电流曲线如图2-3图2-3蓄电池可接受的充电电流曲线 图中人为蓄电池实际充电电流线，I、为蓄电池内产生气泡的电流I二为蓄电池可接受的充电电流曲这是一条自然接受特征曲线，超过这一曲线的任何充电电流，不仅不能提高充电速率，而且‘会增加电池的析气反应SOC较小时，蓄电池可接受的充电电流较大，此时电池的端电压较低:SOC较大时，蓄电池可接受的充电电流较小，此时电池的端电压较高蓄电池的荷电状态的确定较为复杂，本设计采用了一种近似估计的方法，既由蓄电池的端电压近似估计荷电状态。
这种方法虽然不精确，但却简便易行 为了在回馈充电时确定此时蓄电池的最大可充电电流，在硬件和软件上都作了相应的设计硬件上，通过双限流斩波电路来限制回馈制动时电机的相电流，达到对蓄电池充电电流上限值的限制，避免出现回馈充电电流大十蓄电池可接受的充电电流的情况本设计的回馈制动采用半桥斩波方式，从以上的分析可知，半桥斩波过程中有两种电路状态，即由开关管导通时的续流状态和没有开关管导通时的回馈充电状态容易理解，在充电电流过大时双限流斩波电路关断开关管，正是减短了续流状态的时间，延长了回馈充电状态的时间，从而达到降低充电电流的目的从这个意义上说，也可以通过调节PWM波占空比来达到控制充电电流大小的目的，但本设计没有采用此方法在软件上，在回馈制动下，对转速和电流均实行开环控制根据电池的规格参数和蓄电池可接受的充电电流曲线，制作了电池端电压一一最大回馈充电电流表(见表2-4)该表中的最大可冲电电流、电流斩波上限值和电流斩波下限值均指直流侧的充电电流实验中却是对相电流进行斩波，但由十半桥斩波回馈制动过程中，续流时间和充电时间很难确定目‘存在非导通相的续流，很难用相电流定量计算直流侧充电电流的大小，所以在确定每个直流侧电流斩波上下限值对应的相电流斩波上下限值时采用了实验的方法，虽然不够精确，却简便易行。
表2-4电池端电压与最大回馈充电电流对应表 实验所用蓄电池组充满电后的端电压为125V，当蓄电池组端电压低十90V时系统低压保护表中显示了蓄电池组端电压在90-125V范围的最大回馈充电电流值控制过程如下:首先检测直流侧电压值，由检测到的电压值，查找电池端电压一一最大回馈充电电流表直流侧电压值的大小直接对应了相电流双限流斩波的上、下限给定，相电流的大小决定了对蓄电池冲电电流的大小然后通过D/A转换，输出双限流斩波的上、下限给定这样，当回馈电流较大时，可将相电流大小限定在给定的上下限对应的电流数值范围之内当回馈电流较小时(低十双限流斩波的上上限给定)，限流斩波电路没有斩波操作这样做达到了限制充电电流过大的目的 实验证明，这种方法使制动过程中即能够保证有较大的制动转矩，又避免出现过大回馈充电电流，能够较好的实现回馈制动第三章回馈制动在电动汽车结构中的可行性分析电动汽车在行驶过程中，只有满足特定的工况条件，电动汽车才有可能执行回馈制动汽车驱动电机产生的转矩经传动系统传至驱动轮，驱动轮便产生一个作用十地面的圆周力Fo，地面则对驱动轮作用一个反作用力Ft, Ft和Fo大小相同，方向相反。
F,即是驱动汽车的外力，称为汽车的驱动力，其计算式为式(3-1) (3-1) 式(3-1)中，T一一作用十驱动轮上的转矩; r一一车轮半径 用于驱动轮上的转矩T是由驱动电机产生的转矩经传动系传至车轮上的，由传动过程可得到式(3-2) (3-2)式(3-2)中T——驱动电机转矩: i——变速器的传动比: i——传动系统的传动比: η一一传动系统的机械效率当驱动电机处十额定转速以下时，驱动电机工作在恒转矩区;当驱动高十额定转速时，驱动电机工作在恒功率区设驱动电机转矩凡单位为N*M，功率Pe单位为KW，转速、的单位为r/min，则功率与转矩有关系式(3-3): (3-3)汽车在匀速运行时，汽车的驱动电机驱动力与行驶阻力之和相等，从而得到汽车均速行驶时的方程式为式(3-4)和式(3-5) (3-4)即 (3-5) 当汽车在上坡路段行驶时，坡道阻力凡为正值，呈现阻碍汽车前进的力;当汽车在下坡路段行驶时，坡道阻力凡则变为负值，呈现驱动汽车前进的力，此时汽车行驶方程式为式(3-4)和式(3-5)当汽车在加速行驶时，眨胜阻力刀为正值，呈现阻碍汽车前进的力;当汽车在减速行驶时，眨胜阻力刀为负值，呈现驱动汽车前进的力，此时汽车行驶方程式为(3-6)和式(3-7)。
(3-6)即 (3-7) 从下坡时汽车行驶方程和减速时汽车行驶方程可以看出，当汽车在下坡路段行驶或减速行驶时，驱动汽车行驶的力比正常前进行驶时的要多出Fi或者Fj，此时如果在保证汽车按需要行驶的前提下，控制汽车驱动电机的驱动力Ft为负值，即由汽车拖动汽车驱动电机运转因此，电动汽车在行驶过程中，可能出现电动汽车回馈制动的工况为:汽车在下坡路段行驶和减速行驶第四章回馈制动系统设计所需的硬件与传感器选择图4-1硬件系统示意图 以无刷直流电动机为例， 无刷直流电机控制系统的硬件部分主要由蓄电池及逆变电路、开关管驱动和保护电路、电源电路、系统控制单兀及其外围电路、电流及电压信号检测电路等几部分组成图4-1是硬件系统的示意图 图4-1描述了硬件系统各部分之间的关联，图中粗箭头表示能量传送方向，细箭头表示控制或检测信号的传送方向系统运行时，通过操作面板下达的控制指令(电动正向运行、电动反向运行、加速、减速、回馈制动等)进入控制单兀，控制单兀根据控制指令以及检测到的有关信号发出开关管驱动控制信号控制无刷直流电机的运行。
本系统采用铅蓄电池组作为电能储存装置，当电机电动运行时，蓄电池输出电能:当电机工作十回馈制动状态时，电机将电能回馈至蓄电池低速能量回馈制动系统主要由控制部分和功率单元组成由于本论文中所用到的制动系统与电动汽车驱动部分相比较无需专门的功率变换单元，而与驱动部分共用，其控制部分是在原来驱动控制部分加上电动传动切换信号和制动力矩给定信号，因此可以节省相关的元件和减小体积，使控制器更紧凑控制部分以TMS320LF2407 EVM为控制核心，设计了一系列的硬件外围电路(信号接口板),保证软件的顺利实施,系统的结构框图如图4-2所示:图4-2系统硬件结构框图系统中所使用无刷直流电机的主要参数如下:(1)额定功率:5. 5kw(2)额定电压:直流240V③额定电流:23A(4)额定转速:2000转/分5. 2功率单元 PWM功率转换电路的主要器件就是可关断的功率管和续流二极管在本设计中选用三菱智能功率模块PM100GVA120做为开关管IPM是一种新型的电力电子器件，不仅包括IGBT及续流二极管基本组合单元和驱动电路，还具有保护和报替功能，可以很方便地与微处理器相结构成智能功率控制系统IPM有下列功能： (1)IGBT驱动功能全部IGBT的驱动功能内置，采用软开关控制，分别使用单独门极电阻。
根据驱动元件特性，可独立控制各自的开关DV/DT，单电源驱动无需反偏电源 (2)过电流保护功能通过检测IGBT集电极电流进行过电流保护，如果集电极电流超过允许值6-Bus，则软关断IGBT由于有6-Bus的保护动作延时，瞬时过电流及噪声不会导致误动作同时还具有防止误动作闭锁功能在保护动作闭锁期间，即使有控制信号输入，IGBT也不工作 (3)短路保护功能过电流保护动作时，短路保护也将动作，能抑制因负载短路和桥臂短路引起的峰值电流短路保护及过电流保护实际上均是对IGBT的集电极电流进行检测无论哪个IGBT发生异常都可保护，由于电流检测内置，故无需另加检测元件 (4)控制电源欠电压保护当控制电源电压V cc下降到容许的下限值时，如果输入信号ON，则IGBT软关断，输出报警欠压保护采用滞环控制方式，当V cc恢复至上限值时，如果输入信号为OFF则解除报警 (5)管壳及管芯温度过热保护采用IGBT续流二极管管芯装在同一陶瓷基板上的测温元件检测基板温度，同时采用与IGBT管芯在一起的测温元件检测IGBT管芯温度当检出温度超过额定温度值并持续l ms后，过热保护动作，IGBT被软关断，在2ms的闭锁期间停止工作。
6)报警输出功能在下桥臂侧各种保护闭锁期间，输出报警信号如控制输入为ON状态，即使闭锁期己结束，报警输出功能也不复位等到控制输入变为OFF后，保护动作解除 本课题选用了SUMTAK株式会社产的LHR-307-2500型带U, V, W位置信号的增量式光电编码器它输出12路信号:A,B,Z,U,V.W以及他们的补信号A1,B1,Z1、U1,V1,W1其中A,B,A1、B1为占空比为50%的方波 光电编码器输出的U. V, W(或U1.V1, W1)顺次相差1200，按照U, V, W(或U, V, W)不同组合，可以把一对转子磁极分为6个等距区间，电机处于任一位置将相应磁极位置的信号与之对应磁极位置信号由TMS320LF2407的I/0口读入，通过查HALL元件与开关管的导通逻辑对应表就可以得到正确的电枢绕组导通关系 光电编码器输出的A, B, Z (A1, B1, Z1)速度检测信号，当编码器随旋转机械旋转时，在光电接受器上分别产生A信号(由内圈产生)和B(由外圈产生)脉冲波A, B根据A相和B相这是等距的光栅信号，两者错开900，当光电编码盘顺时针转动时，B相脉冲的前沿超前A相:逆时针转动时A相的前沿超前B相。
电动机每转一圈Z及Z产生一个脉冲 TMS320LF2407带的QEP电路，是专门用来处理正交光电编码器输入信号的，来自光电编码器的A, B, Z信号经过快速光祸隔离后，A, B直接连接到QEP/CAP复用电路，而在LF2407中要将捕获单元配置成正交编码脉冲模式，即QEP模式参见图4-3, QEP电路直接处理光电编码器输出的相位差为900脉冲信号，QEP模式对两路脉冲的上升沿和下降沿均进行计数，相当于4倍频而且它能根据两路脉冲的先后顺序判别电机的转向，省去了外部鉴相电路，增加了系统的可靠性图4-3光码盘脉冲波形根据脉冲计算转速的方法通常采用下列三种:M法、T法和M/T法这里采用的是M法测速，其原理是在某一个采样的时间内，通过对脉冲的计数来确定电机速度的大小设采样时间为Tc(秒)，光电编码器的每圈脉冲数为凡，在采样的时间所测到的脉冲数为m，则电机的转速N(RPM)为N= 天(M) 由于DSP输出的是高速PWM脉冲，且IPM对PWM脉冲的规则性要求很高为了提高模块的整体性能，应在DSP和IPM之间加入高速光藕开关量的输出经过光藕隔离和驱动芯片，提高了抗干扰和驱动能力.本课题中选用高共模比IPM接口专用光祸HCPL-4504。
该款光祸是美国AVAGO公司专为IPM等功率器件设计的光电隔离接口芯片:瞬间共模比大于l OKV/u S;内部集成高灵敏度光传感器;极短的寄生延时为IPM应用中的高速开关的死区时间确保了安全，是功率器件接口的完美解决方案 转子位置检测器即位置传感器，按动作原理可分为电磁式、光电式、磁敏式等位置传感器的种类比较多，且各自有各自的特点，目前在直流无刷电动机中常用的位置传感器有以下几种形式: (1)电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现其位置测量作用的，有开口变压器、铁磁谐振电路、接近开关等多种类型 电磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、使用环境要求不高、适应性强、结构简单和紧凑等优点:但这种传感器信噪比较大，体积较大，同时其输出波形为交流，一般需整流、滤波后方可应用 (2)光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应制成的，由跟随电机转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成光电式位置传感器性能较稳定，但存在输出信号信噪比较大、光源灯泡寿命短、使用环境要求较高等缺陷，不过现在己经有新型光电元件出现，可克服这些不足之处。
(3)磁敏式位置传感器 磁敏式位置传感器是指它的某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其基本原理为霍尔效应和磁阻效应目前，常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种 霍尔元件产生的电动势很低，在应用时往往要外接放大器，很不方便随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块NT型外延片上，这就构成了霍尔集成电路这种集成电路包括线性型和开关型两种，一般而言，无刷直流电机的位置传感器宜选用开关型 (4)无传感器位置检测近年来，还出现了无位置传感器无刷直流电机，此种电机利用定子绕组的反电动势作为转子磁钢的位置信号，该信号检出后，经数字电路处理，送给逻辑开关电路去控制无刷直流电机的换向由于它省去了位置传感器，使得无刷电机的结构更加紧凑，所以应用日趋广泛 电流检测的方法有电阻检测，光藕检测等各种不同的方法，本系统采用磁平衡原理实现的霍尔元件检测电流的方法所用器件为霍尔效应磁场补偿式电流传感器它是国际上推荐为电力电子线路中的关键电流检测器件它把互感器、磁放大器、和电子线路的思想集成一体具有测量、反馈、保护三重功能。
霍尔元件实际上是有源电流互感器，它的优点是“磁场补偿”，被测量的原边磁场同测量绕组里的测量磁势，实时补偿为零，也就是说，铁芯里实际上没有磁通，因而其体积可以做得很小，而不怕有铁芯饱和，不用担心频率、谐波影响之所以二者的磁势能被充分补偿，是由于霍尔效应的作用一旦二者不平衡，霍尔元件上就会有霍尔电动势产生它就作为以士15V供电的差分放大器输入信号，放大器的输出电流即为传感器的测量电流，自动迅速地恢复磁势平衡，即霍尔输出总保持为零这样电流的波形忠实的反映原边被测电流的波形，只是一个匝比的关系 本系统采用江门敏捷公司的电流传感器，其测量范围为+-300A，满量程输出是+-6V，由于LF2407A的工作电源和ADC基准电压都是0—3. 3V，因此电流传感器的输出必须经过电压转换电路，转换成0—3. 3V的电压，再传送到LF2407A的ADC模块进行AD转换 这种电流传感器有三个端子:正电压输入端，负电压输入端，输出信号端如果采取电压的输出形式，需要在电流输出端与供电电源零点之间串联一只负载电阻;根据所取电压大小，选取电阻值和及其功率 来自电流传感器有源电流互感器的电压信号是从直流母线上测得的，母线上大电压大电流信号，因此检测环境十分恶劣，干扰严重，必须采用响应的抗干扰措施。
在本系统的转换电路中，采用了RC低通滤波器，可以有效的滤掉干扰噪声和工频干扰，取的不错的效果 这里的保护信号主要针对IPM主回路而言，IPM产生过流、过压信号及欠压保护电路，在能量回馈系统中重要的是过流与过压保护过流保护是防止电动机绕组电压的峰值超过功率开关组件额定值而造成元件损坏当电机的某一相绕组电流较大，达到比较器的设定值时，限流保护电路动作，输出低电平信号给逻辑综合电路，再由逻辑综合电路输出关断信号给该相的功率开关，从而保护该相功率开关不被损坏 过压保护是防止电动机绕组电压的峰值超过功率开关组件额定值而造成元件损坏当电机的某一相绕组电压较大，达到比较器的设定值时，限压保护电路动作，输出低电平信号给逻辑综合电路，再由逻辑综合电路输出关断信号给该相的功率开关，从而保护该相功率开关不被损坏 经信号接口板处理由TMS320LF2407的PIDPINTA引脚进入，当发生过流过压等故障时产生中断，进行保护，同时在系统软件中也进行了相应的保护处理第五章回馈制动系统的设计图5-1功率逆变电路图 图5-1为蓄电池组、功率逆变电路以及无刷直流电机的电路连接图图中无刷直流电机额定功率为2.2KW，电枢绕组Y接。
功率逆变电路采用电压型二相全桥逆变电路，电阻R ,凡起到平衡电容C和CZ电压及整个系统断电时对电容C,6放电的作用在系统加电的瞬间，为了防止电容充电引起过大的浪涌电流，需要采取一定的措施，本系统采用了电阻和接触器并联网络当充电电压小十100V时，接触器J断开，电阻R流过电流，把浪涌电流限制在一个安全的范围当充电电压接近蓄电池组端电压时，接触器闭合，把R短路以减小电路损耗 无刷直流电动机调速系统的总体成本和运行可靠性在很大程度上依赖十功率开关兀件的价格和工作性能无刷直流电动机调速系统对其应用的开关器件的要求主要有: (1)满足系统电流电压值的要求，并有一定裕量 (2)尽可能低的导通压降和关断以后的漏电流，降低系统损耗 (3)尽可能高的开关速率和尽可能低的开关损耗 (4)尽可能小的驱动功率，尽可能简单的驱动电路 (5)开关管及其驱动电路综合考虑具有较低的价格在无刷直流电动机的控制系统里，通常采用全控型器件如GTR,GTO、功率MOSFET, IGBT等绝缘基极双极型大功率晶体管IGBT则是集MOSFET的电压控制与双极型大功率晶体管的大电流、低导通电阻特点与一体的新型复合场控器件，非常适合电机驱动逆变电路的设计要求。
本设计选用富士公司的IGBT,型号为1MBH60-100此型号采用单管封装，内部不含反并联续流二极管，额定电流60A,额定电压1000V对十本控制系统的功率电路，1MBH60-100能够适应开关频率的要求并具有足够的电流和电压裕量IGBT驱动和保护电路的性能直接影响到IGBT性能的发挥和整个系统的可靠，因此，设计好驱动和保护电路是IGBT应用中的关键问题以下首先介绍一下功率IGBT对驱动和保护电路的要求，然后着重介绍本系统所设计的驱动和保护电路 功率IGBT驱动电路的参数主要有:栅极驱动电压V、栅极电阻R;以及栅射电阻R栅极驱动电压VGE脉冲的上升率和下降率要充分大，上升沿陡峭的栅极正偏电压能使IGBT快速开通，达到缩短开通时间和减小开通损耗的目的同样，下降沿陡峭的栅极反偏电压能够达到快速关断器件，减小关断损耗的目的此外，为保证IGBT正常工作，对栅极电压幅度也有要求，当IGBT开通后栅极正偏电压应有足够的幅度，以使IGBT能够适应短时过载，以免其退出饱和区导致损坏但栅极正偏电压的幅值也不是越大越好，因为当其增大到一定程度后，对IGBT承受短路60A/1200V以下的IGBT的闽值电压电压一般为5-6V，实际应用时应选其1.52.5倍，即+15V较合适。
关断IGBT时在栅射极之间施加反偏电压，有利十管子的快速关断并抑制擎住现象的发生受栅射极之间最大耐压限制，一般取反偏电压为-5 V为了改善输入脉冲的前后沿陡度和防止震荡，需在栅极串联电阻R，一般为几十至几百欧姆为避免IGBT受外界干扰使栅射极之间电压超过V(th)引起器件误导通，可在栅射极之间并接一电阻，通常大小为(1000-5000 )R为防止栅射极出现电压尖峰，在栅射极间并接2只反向串联的稳压管，其值分别与+VGE和一VGE相等本设计选用的R为2_50 S2 , R二为300 KS2 同时，还要加一系列的保护措施IGBT的保护措施包括:过电流保护、过电压保护、dv/dt抑制以及过热保护等 当集电极电流增大时，IGBT饱和压降迅速上升，二者大体成线性关系可通过检测饱和压降来判断IGBT是否过流一般情况下，IGBT在过电流开始的l0,us内允许承受10倍的过电流因此必须在过流的瞬间迅速降低栅极电压，但也不是说，栅极电压的撤除越快越好，应当在规定的时限内对IGBT进行慢速关断当IGBT集射极间电压变化率dv/dt过高时，可能引起IGBT发生动误导通，甚至可能被击穿因此应设计好关断缓冲放电电路。
如图5-2所示图5-2缓冲放电电路为使IGBT正常工作，应考虑其散热问题为IGBT配置合适的散热片，创造好的通风条件，都有利十其散热如有必要还可用温度传感器测量其壳温，如果高十允许温度，应使主电路跳闸或关断栅极信号 由以上分析可知，调速系统的控制单兀输出的信号无法直接驱动开关兀件，需在二者之间加一驱动电路达到减小开关时间、提高驱动效率，改善开关兀件的开关特性的目的目前，国外多数IGBT生产厂家为了解决IGBT驱动的可靠性问题，都针对各自型号的IGBT开发了具有一定保护功能的专用驱动电路富士公司的EXB系列专用混合集成驱动电路是国内应用较多、性能较好的一种IGBT驱动电路本设计即采用了EXB系列中的EXB 841作为驱动保护模块EXB系列具有高速型和标准型，标准型的驱动信号最大延迟为4,us高速型的驱动信号延迟最大为1.S,us EXB系列内部有2_500V的高隔离电压的光祸合器，有过流保护电路和过流保护信号输出端子EXB 841适合驱动300A/1200V以下的IGBT，其最高工作频率为40KHz，单20V电源供电，可产生+1_5V的正电压和一_5 V的反偏电压，有过流保护和软关断功能。
应用EXB841可大大简化IGBT驱动和保护电路的设计，同时也提高了可靠性用IGBT构成的电路系统在调试或发生故障时，往往会出现过流或短路的情况，如果能够设计可靠的过流(短路)保护电路，就能够避免故障时器件的损坏本设计在过流(短路)保护中加了RS触发器，能够在发生过流或短路时将栅极控制信号封锁，同时故障指示灯亮，当排除故障时，手动按动复位按键，解除对栅极控制信号的封锁图5-3是用EXB 841构成的IGBT驱动和保护电路图图5-3用EXB 841构成的驱动和保护电路 图5-3中ERA34-10是反向恢复时间为1 _50ns的快恢复二极管如果采用其他不满足这种性能指标的二极管，将会降低驱动电路过流保护的速度，造成过流保护的失败图中RS触发器采用CD4043构成，与门采用74LS09构成TLP521为快速光祸保护电路部分中，TLP521的信号延迟时间为2至3个,cps , CD4043的信号延迟时间最大为几百个ns Ifn74LS09的信号延迟时间最大为几十个ns因此，保护电路在信号响应上是足够快的 当IGBT发生过流时，EXB 841的_5脚电平收高为低，RS触发器S端电平变为高电平，RS触发器输出端Q输出高电平。
这个高电平信号经过二极管，加到与门上的电平为低电平，此时EXB 841的14管脚电位为高电位，这样EXB841的输入信号就被封锁，它的3管脚电平收高为低，由此达到及时撤出栅极信号，保护IGBT的目的发生故障时，RS触发器将Q端输出的高电平锁住，当排除故障后，可以按动复位按钮，解除对栅极控制信号的封锁综上所述，本系统功。