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摘要基于DSP2407A的电动汽车感应电机控制系统硬件设计第一章绪论1．1选题的背景与意义在未来的一段时间内，我国将成为世界最大的汽车消费国，去年我国的汽车保有量为7802万辆。不过空气污染源也随之大幅度提高，空气污染将有64％来自于汽车尾气的排放，如一氧化碳、碳氢化合物、硫化物以及由于二氧化碳排放等，这些气体都会造成温室效应，对我国经济健康发展起到一定得阻碍影响；在2020年左右，我国石油消费量将超过4.5亿吨，而我国能源系统效率平均低于国际先进水平10％，但是我国60％石油消费量依赖于进口，要是仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会使我国为此付出巨大代价和对环境保护也会造成巨大的压力。在这种严峻的形势下，我国汽车工业的未来发展需要我们好好思考。根据现在世界人口和汽车的增长趋势来看，今后50年中，世界人口和汽车数量分别从60亿增加到100亿和10亿增加到40亿辆以上。若这些车辆都采用内燃机，能源需求和空气污染将会给人类造成巨大的压力和损坏。因此我们必须开发节能环保型以及高效智能型的交通车辆，只有这样才能在本世纪实现交通的可持续发展。现在世界上各国汽车现有数量加在一起超过10亿辆，每年新增加的各种汽车约3500万辆，按平均每辆汽车年消耗10～15桶石油及石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达到100～150亿桶，可见就光汽车每年消耗的石油量都要占世界石油产量的一半以上，这样石油资源要是长期按现在的每年几十亿吨大规模地开采，那么石油资源枯竭的日子将会越来越近。根据科学家的预测，如果按目前地球上石油资源的消耗水平，仅仅可以维持60～100年左右。能源危机曾经对世界经济带来严重影响，因此石油资源的争夺更加强烈，石油纠纷在国际上也不断发生，甚至为了争夺石油资源而爆发的战争在近几年也不断发生。因此石油资源的解决是当今世界每个国家所面临的首要考虑的问题，石油资源解决的好坏是当今世界是否稳定的重要因素。电动汽车是将机算机、电子与化学各学科领域中的高新技术于一体，是汽车、计算机、电力拖动、新材料、新能源、功率电子、自动控制、化学电源等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车的种类很多，如纯电动汽车和燃料电池汽车。混合动力电动汽车是纯电动汽车发展过程中，能满足未来汽车以节能为目标和污染物排放低等要求且有利于市场化的一种新车型。燃料电池是以氢为燃料，与大气中的氧转化为电能作为汽车动力，推动汽车前进。混合动力电动汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车对世界汽车的发展以及环境的保护都起到一个前所未有的阶段，具有里程碑的意义。我国政府已将电动汽车的快速发展列入我国“十五”国家863计划，加大了对电动汽车开发和产业化的投入，与世界发达国家电动汽车发展接轨，目前已经取得了一定得成就。国务院总理温家宝在今年的4月18日主持召开的国务院常务会议中讨论通过了《节能与新能源汽车产业发展规划》。会议指出，加快培育和发展节能与新能源汽车产业，对于缓解能源和环境压力，推动汽产业转型升级，培育新的经济增长点，具有重要意义。要以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式电动汽车产业化，推广普及非插电式电动汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。争取到2015年，纯电动汽车和插电式电动汽车累计产销量达到50万辆，到2020年超过500万辆；2015年当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至每百公里6.9升，到2020年降至5.0升；新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平。为此，一要实施技术创新工程。建立研发体系，突破关键核心技术，大幅提高汽车燃料经济性水平和动力电池系统安全性、可靠性、轻量化水平。二要加快推广应用和试点示范。实施鼓励购买和使用节能汽车政策，开展私人购买新能源汽车补贴试点。三要因地制宜建设慢速充电桩和公共快速充换电设施，制定动力电池回收利用管理办法，建立动力电池梯级利用和回收管理体系。四要完善标准体系和准入管理制度，加大财税金融政策支持，营造有利于产业发展的市场环境，加强科研和人才保障，积极开展国际合作。会议强调，发展节能与新能源汽车产业，要依托现有产业基础，科学规划产业布局，防止低水平盲目投资和重复建设。由此可见政府对电动车发展的重视。我国不少高等院校、相关的研究以及国内部分企业都加强了对电动汽车研究开发的力度，加快了汽车事业的发展速度。目前我国纯电动汽车研发比较顺利，可以小批量生产与应用；与此同时电动汽车的发展目前它的产业化也可以说具备条件；值得炫耀的是我国的燃料电池汽车研发目前达到国际先进水平。因此我国建立电动汽车产业，逐步实施车用能源动力系统转型，实现节能环保目标奠定了技术基础。现如今各国都在发展电动汽车事业，是由于它具有以下几个方面的优点：(1)污染小。电动汽车在本质上是一种零排放汽车，一般无直接排放污染物，要是有污染也是间接污染，如电池废弃物和发电的时候所消耗的能源而造成的污染都属于间接污染。然而国家目前也在大力改进间接污染，再加上电池废弃物的回收技术逐渐成熟。其次水力、原子能发电等均十分清洁，只是火力发电污染比较严重，不过相对于燃油汽车而言，它的控制难度就比较容易了，这样电动车就可以实现人们想要的“清洁车辆”。根据国内外相关资料调查显示，电动汽车的噪音比燃油车辆要低5dB以上。而目前世界各大城市的噪音污染比较严重，因此要想大幅度降低噪音污染，在世界范围内电动汽车的广泛使用是必不可少的。国外资料研究表明，使用电动汽车必然造成对电力新的需求，但通过一些优惠政策鼓励电动汽车用户在夜间充电，可使得电动汽车能尽量利用夜间多余电力。除此之外，电厂废气排放可以集中处理，技术和经济上都优于汽车的废气排放。目前新型蓄电池也朝着污染低、安全性好的方向发展，这是因为新型的蓄电池也可以在后期集中进行处理。美国加利福尼亚州进一项试验数据和研究报告表明，在综合考虑上述两个因素影响的前提下，要想大幅度降低一氧化碳和碳氢化合物的排放量，电动汽车的广泛应用是势在必行的!也只有电动汽车这种自身具有环保型的汽车完全代替燃油汽车才能使我们的环境污染降低，使得地球更加适合人类的住居!(2)节约能源。据测算，将原油提炼成柴油和汽油，要是用它们作为燃油汽车驱动能源时，它们平均只有大约14％的能量利用效率。下面说下过程，重油经过提炼再到电厂燃烧发电，所得到的电能经过电力传输，我们通过所传送过来的电能进行电池充电，之后驱动电机，此过程又损耗一部分能量。我们不难发现重油从提炼到驱动电机这些过程是步步损耗能量的，因此电机输出时它的能量利用效率也就剩下大约20％了。其他发电方式应用于电动汽车能量利用率将会更高。由此可见，电网电力任何一步降低电能的损耗模式，对于消耗能量的电动汽车而言，它的节能责任重大、意义重大。(3)改善能源消耗结构。我国石油储量仅占世界石油储量的2～3％左右，因此我国以石油为主的能源消耗，只能通过进口才能满足国内的能源需求。2011年我国进口石油及其产品就超过2.51亿吨，石油依赖进口高达55.2％。可见以石油为主的能源和以它经过提炼而用作化工原料的依赖，对石油的充分利用对发展我国国民经济和能源安全有着重大的意义。目前，我国大约石油总消耗的一半用于交通运输。交通运输消耗如此之大的能源，可见能源的节省它起着至关重要的作用，因此电动汽车的广泛使用，对减少石油资源消耗具有举足轻重的影响。(4)改善电网负荷。世界各国供电系统都存在负荷平衡问题。也就是说白天是用电高峰，夜间人们相对于白天而言用电量要少得多，因此我们利用夜间对电动汽车充电，这样不但有利于电动汽车的能量补充也能使电网负荷得到平衡，这样对降低维护电网的成本也起着至关重要的作用。例如若一辆电动汽车每天夜间平均能吸收50K删电能厂需几十万辆电动汽车才能完成一个千万千瓦级电厂的调峰任务。可见夜间对电动汽车进行充电对电网负荷平衡问题的意义是多么重要!(5)树立节能环保形象。随着我国对外开放，我国经济发展迅速，在世界上的地位逐年不断提高，与世界各国的交往更加密切，因此我国的环保形象对世界各国影响重大!特别是我国的首都北京城市，作为国际化的大都市，经常性接待国内外上层人士和举办国际会展活动，环保与节约能源上的影响深远。因此电动汽车的发展和广泛使用对树立北京和中国在国际上的良好形象有着重要意义。本世纪是电动汽车进入全面快速发展的时期，因此我们要抓住、抓紧这个在时间上不可多得的机会，我们国内电动汽车的研发各单位企业要团结协作、大胆创新，使我国的电动汽车事业在世界汽车工业新一轮竞争中抓住机会，取得有利地位，这样对提升我国汽车工业在世界范围内的竞争力具有很重要的意义，实现振兴我国电动汽车工业的发展。目前研制和开发的关键技术主要有电池、电动机、电动机控制、整车设计，以及能量管理技术等。然而，制约电动汽车发展的瓶颈是电池和电机驱动控制系统。电机驱动控制系统是提高汽车动力性、续驶里程和可靠性的保证。其输出特性决定了电动汽车的动力特性，同时，它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。目前，在电池技术未取得突破的背景下，电机驱动系统的研究成为电动汽车技术研究的主要热点，也是提高续驶里程并使之实用化的关键，目的是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程以及行驶方便性、可靠性等。电机驱动子系统的研究以驱动电机的研究为中心，辅以各种新型控制技术而展开。本课题就是在考虑电动汽车驱动系统运行特点和电机调速控制器发展的背景下，以德州仪器的DSP芯片TMS320F2407作为控制核心、以美国IR公司生产的IR2130MOSFET驱动芯片作为功率驱动模块，设计出硬件控制平台，采用交流感应电机，并根据电动汽车的运行工况做出一些灵活应用，设计出一套性能优越的电动汽车驱动系统。1.2电动汽车发展的国内外现状1.2.1国外发展现状当前国际上各国都在对电动汽车的高新技术进入深入研究，这是由于电动汽车是二十一世纪绿色的交通工具，在节省能源上扮演者重要的角色。它将机算机、电子与化学各学科领域中的高新技术于一体，是车辆、电力拖动、新能源、智能控制等工程技术中最新成果的集成产物。因此电动汽车的大力推广和发展，可以解除了人们对石油资源日渐枯竭的担心；同时电动汽车作为清洁、节能的新型交通工具可以做到“零排放”，也就是说电动汽车在行驶过程中污染几乎为零，更重要的是，它的噪音小、热辐射低以及不消耗汽油，再加上它的结构不复杂，使用维护简单。根据以上分析，那么电动汽车的关键技术之一就是如何提高电机驱动技术的效率和高性能。丰田上世纪80年代前半期的纯电动汽车采用控制装置较简单的有刷直流电机，90年代前半期开始采用交流感应电机。现在丰田的纯电动汽车、电动汽车、燃料电池汽车都采用无刷交流永磁同步电机，并对其不断改进提高，使电动汽车的性价比不断提高，增加其竞争力，使丰田成为电动汽车的先领者。美国、欧洲汽车制造商开发和生产的电动汽车，从优先考虑低成本和高可靠出发，不论是电动轿车还是电动大客车，采用交流感应电机。关于EV交流调速驱动系统的研究，国外已经研究了10几年的时间，知名度较高的有美国的太阳电公司，日本的丰田公司和美国的通用公司，其中太阳电公司作为EV交流驱动系统研究的主要机构，已经研究出基于矢量控制的大功率EV变频器。矢量控制能解决传统交流调速系统启动转矩小，转矩响应慢的特点，但是矢量控制受制于电机参数的变化，考虑到EV复杂的运行工况，矢量控制的交流调速技术在EV中的应用并不具备绝对的优势。另外，国外产品价格昂贵，且技术受制于人。德国鲁尔大学Depenbrock教授于1995年提出的异步电机直接转矩控制，具有控制手段直接、结构简单、高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点，非常适合EV驱动系统的要求。在直接转矩控制方法中，由于定子磁通定向只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性大为减弱，尤其是不受转子参数变化的影响；此外，直接转矩控制通过转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量，不需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变换，从而控制系统及其计算过程大大简化。显然，直接转矩控制的交流调速技术展示了专用于EV驱动系统的令人瞩目的应用前景。1.2.2国内发展现状近几年我国电动汽车的研