輔以弱激磁驅動策略之電動機車馬達控制系統製作

Abstract

以電能直接驅動之車輛在近年來因環保的需求下成為一項車輛技術發展的重要方向。環顧我國車輛工業現況，以機車的自製率為最大，同時由於其普及程度高，為道路車輛中相當大的廢氣污染源，因此不論就產業政策面或環保面考量，均為我國在電能驅動車輛技術發展的首要目標。電動機車的關鍵技術包括：電池、馬達及控制器。而控制器為電動機車的心臟，其功能為有效驅動馬達及控制機車之行進。控制器之技術包含控制訊號處理及驅動器兩大部分。本篇論文將針對此技術，以數位訊號處理器為核心，研究並製作其硬體電路與軟體發展平台。同時本論文發展以弱激磁馬達驅動策略進行馬達控制實驗，並顯示其在效率與扭力之改善。

Due to the increasing need of environmental protection, electric vehicles have become an important target of vehicular technology development. Among the vehicle industry in Taiwan, the motorcycle owns the highest percentage of domestic manufactured parts. Meanwhile, the popularity of motorcycle has made itself a major pollution source in this country. Therefore, it is necessary to develop the electric motorcycle technology both from the industrial policy as well as the environmental viewpoint. The key technologies of an electric motorcycle encompass battery, motor, and controller. The controller, as the heart of the system,is responsible of driving the motor efficiently and controlling the motion. It consists of a control signal module and a power module. The purpose of this project is to design and implement the hardware of both modules based upon a digital signal processor. At the same time, flux weakening driving strategies are designed and experimented to access their improvement of torque and efficiency. 中文摘要……………………………………………………………………………….i 英文摘要 ii 誌謝 iii 目錄 iv 圖列 vii 表列 x 第一章 緒論 1.1 電動機車發展動機……………………………………………………………1 1.2 電動機車技術領域…………………………………………………………….1 1.3 論文研究重點………………………………………………………………….2 第二章 動機車馬達控制系統硬體架構 2.0硬體平台概述……………………………………………………………………..3 2.1 F243-Based EVM電路設計……………………………………………………4 2.1.1 記憶體電路……………………………………………………………….5 2.1.2 Buffer之控制電路………………………………………………….……6 2.1.3 RS232電路……………………………………………………………….7 2.1.4 Power on Reset電路…………………………………………………….7 2.1.5 電源保護電路…………………………………………………………….8 2.1.6 特殊腳位Pull-high電路…………………………………………………8 2.1.7 JTAG電路……………………………………………………………….9 2.1.8 Can Bus Tranceiver電路………………………………………………10 iv 2.2 FPGA設計說明………………………………………………………………….10 2.2.1 記憶體與Buffer控制電路……………………………………………...12 2.2.2 解碼電路…………………………………………………………………12 2.2.3 Timer計數電路及控制電路……………………………………………14 2.2.4 數位Pulse濾波電路………………………………………………….…15 2.3 使用F234及FPGA的優點…………………………………………………..15 2.4 馬達驅動及訊號處理電路版………………………………………………….16 2.4.1 IR2110驅動IC電路…………………………………………………..16 2.4.2 DC側馬達電流訊號放大及濾波電路…………………………………17 2.4.3 硬體限流電路…………………………………………………………..17 2.4.4 軟體限流電路…………………………………………………………..18 2.4.5 油門輸入電路…………………………………………………………..19 2.4.6 HALL Sensor電路…………………………………………………….20 2.4.7 Relay控制電路…………………………………………………………20 2.4.8 電瓶電壓迴授電路……………………………………………………...21 2.4.9 Turbo Relay控制電路…………………………………………………22 2.4.10 Buzzer控制電路……………………………………………………….22 2.4.11 PWM訊號轉成DC電壓電路…………………………………………23 2.4.12 輸入訊號電路…………………………….. ……………………………23 2.5 DC-DC Converter電路……………………………………………………….24 2.6 Power Module電路…………………………………………………………...24 2.7 實驗室系統架構……………………………………………………………….25 2.8 車控系統概觀………………………………………………………………….26 第三章 相位領先（弱激磁）控制原理 v 3.0 引論……………………………………………………………………………..28 3.1 DC無刷馬達驅動原理……………………………………………………….28 3.2 馬達轉速與扭力及效率分析…………………………………………………29 3.3 相位領先馬達驅動之概念探討………………………………………………32 3.4 弱激磁原理說明………………………………………………………………33 3.5 提前相角之決定………………………………………………………………34 3.6 二維內差計算相角……………………………………………………………36 第四章 電動機車馬達控制系統軟體設計 4.0引論……………………………………………………………………………..38 4.1 可重用IP-Based控制系統平台……………………………………………….38 4.1.1 即時多工核心……………………………………………………………39 4.1.2 設備驅動模組……………………………………………………………40 4.1.3系統特色………………………………………………………………….42 4.2電動機車馬達控制軟體之實作………………………………………………….43 4.2.1 硬體週邊電路訊號的讀取及控制………………………………………...43 4.2.1.1 油門的讀取………………………………………………………43 4.2.1.2 軟體限流偵測……………………………………………………44 4.2.1.3 MosFet PowerModule的開關控制…………………………….44 4.2.1.4 Hall sensor之讀取方式…………………………………………46 4.2.1.5 FPGA中I/O的讀寫……………………………………………47 4.2.1.6 Uart資料傳送…………………………………………………...48 4.2.2 相角提前在軟體上之實作………………………………………………….48 4.2.2.1 相角提前之機制…………………………………………………...49 4.2.2.2 Hall元件擺設位置誤差消除……………………………………..50 vi 4.2.2.3 T2CMPR值之數學式推導………………………………………..50 4.2.2.4 提前相角定點化實現及問題……………………………………...50 4.2.2.5 提前相角之決定…………………………………………………...51 4.2.3 各個task的工作說明……………………………………………………..52 4.2.3.1 MotorDrive Task…………………………………………………52 4.2.3.2 GetStatus Task……………………………………………………54 4.2.3.3 GetPCCommand Task……………………………………………54 4.2.3.4 各個Task間之聯繫……………………………………………….55 4.3 PC端介面……………………………………………………………………..…59 第五章 相角提前驅動測試結果與討論 5.1扭力表現與油門、相角、轉速之關係……………………………………………60 5.2效率表現與油門、相角、轉速之關係…………………………………………..70 5.3測試結果分析…………………………………………………………………….77 5.3.1 扭力分析………………………………………………………………….77 5.3.2 效率分析……. …………………………………………………………...77 5.3.3 最佳效率之提前相角表………………………………………………….78 5.3.4填表原則分析……………………………………………………………..78 5.3.5基於油門與轉速之相角查表法的優缺點………………………………...79 第六章 結論……………………………………………………………………..80 參考文獻……………………………………………………………….…………..82 APPENDEX A (電動機車控制程式碼)…………………………………………84 APPENDEX B(電路圖)………………………………………………………..98 APPENDEX C(電動機車馬達控制器照片)…..…………………………101 vii