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1、摘要随着世界汽车数量的急剧增长，汽车在带给我们便利的同时，也对人类环境所造成的危害越来越严重。电动汽车作为一种新兴的交通工具，它以电为能源，具有零排放无污染的优点，具有很好的开发前景，而随着能源危机的日益加剧和环境污染的日益严重，电动汽车前景的发展壮大，己成为一种必然趋势，所以当今世界各国对电动汽车的研究和开发越来越关注。同时随着能源危机和环境污染的日益严重，发展一种高性能的电动汽车取代燃油汽车己经成为一种必然趋势。我们现代的汽车功能复杂多样，所以对于电动汽车也是需要的，设计一个适合于电动汽车的控制系统是电动汽车的关键技术之一，是电动汽车研究必不可少的基本环节。本文主要是研究设计用于电动汽车的
2、整车电子电路控制系统。 在本文中，首先概述了汽车研究的背景和意义、发展现状、关键技术等。在收集和查阅了相关资料后，确定采用以DSP作为主控制器的系统设计方案。电动汽车控制器电路的设计中，最重要的工作就是完成对三相感应式交流电机的转速控制。文中通过对硬件电路设计，对电机控制系统进行了研究。根据所选的DSP芯片TMS320LF2407A的功能，对驱动系统硬件电路进行了系统设计，主要包括电流、电压、温度、速度检测电路以及过电压、欠电压、过电流、温度保护电路等。还描述了加速踏板给定信号转换电路，电池电压转换，RS232通讯电路等。关键词:电动汽车，控制器，控制电路，检测电路，保护电路Abstract
3、As world car number dramatically increase the amount of cars bring us convenient, but also to the damage caused by the human environment is more and more serious. Electric cars as a new kind of traffic tools, it with electricity for energy, have zero emissions pollution-free advantages, has the very
4、 good development prospect, and as the energy crisis intensified and environmental pollution has increased, the development of the electric car prospect, has become an inevitable trend in todays world, so electric car research and development more and more attention. At the same time as the energy c
5、risis and the increasingly serious environmental pollution, develop a high-performance electric automobile replace fuel automobile already became a kind of inevitable trend. We modern automobile function is complicated, so for the electric car is needed, design a suitable for electric vehicle contro
6、l system is one of the key technology of electric cars, is an indispensable electric car research the basic link. This paper is mainly study design for electric automobile vehicle electronic circuit control system. In this paper, this paper firstly summarized the research background and significance
7、 of automobile development, the present situation, the key technology, etc. In the collection and looked after by relevant information, determine by DSP as the main controller design scheme of the system. Electric vehicle controller circuit design, the most important job is to complete the three-pha
8、se induction type of ac motor speed control. In this paper, through the hardware circuit design, of motor control system is studied. According to the selected DSP TMS320LF2407A function, to drive system hardware circuit system design, including the current, voltage, temperature, speed detection circ
9、uit and over-voltage, owe voltage, current, temperature protection circuit, etc. Also describes the accelerator pedal a given signal converter circuit, the battery voltage conversion, RS232 communication circuit.Keywords: Electric Vehicles, EV Controller，CPU Circuit，detection circuit， protection cir
10、cuit目录第一章 绪论11.1 发展电动汽车的背景与意义11.2 电动汽车发展的历史、现状及趋势11.2.1电动汽车发展历史11.2.2 电动汽车国外发展现状21.2.3 电动汽车国内发展现状31.2.4电动汽车发展趋势.31.3 目前电动汽车的主要问题和关键技术41.3.1发展电动汽车目前存在的主要问题41.3.2电动汽车的关键技术51.4 电动汽车控制器5第二章芯片介绍及电动汽车整体结构概述6 2.1 DSP简介6 2.1.1 什么是DSP6 2.1.2 DSP芯片的发展6 2.1.3 DSP芯片的分类7 2.1.4 DSP芯片的基本结构72.2 DSP型号选择82.3电动车整体结构框图
11、及分析.10第三章 电动汽车重要物理量的检测保护102 3.1 三相电动机电流的检测保护12 3.1.1 基于霍尔电流传感器的电流采样电路12 3.1.2电流信号处理电路14 3.1.3 过电流保护15 3.2 控制器温度的检测与保护15 3.2.1 基于LM35温度传感器的温度采样电路15 3.2.2 温度信号处理电路16 3.2.3 温度保护电路17 3.3蓄电池电压检测与保护18 3.3.1基于的光耦器件HCNR201电压采样电路18 3.3.2 电压保护电路21 3.4 系统保护电路21第四章 速度检测及加速踏板部分电路23 4.1 速度检测23 4.1.1 光电编码器简介23 4.1
12、.2 速度检测电路254.2 加速踏板相关电路设计26 4.2.1 电动汽车加速踏板工作原理26 4.2.2 加速踏板给定信号转换电路27第五章 DSP外围电路28 5.1 时钟及复位电路28 5.1.1时钟电路设计28 5.1.2 复位电路设计29 5.2 电源转换电路30 5.3 RS232通讯接口31总结34参考文献35致 谢36附 录37第一章 绪论1.1发展电动汽车的背景与意义 随着我国的快速发展，在未来的一段时间内，我国将成为世界最大的汽车消费国，2010年我国汽车将增加到五千六百万辆以上，不过空气污染源也会大幅度提高，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、
13、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；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。汽车是人类文明的象征与产物，与人类社会文明进程息息相关，毫无疑问，汽车的发展脱离不了可持续发展的轨道。能源、环保与安全是未来汽车技术可持续发展的三大主题。如果说上个世纪人们关注的是汽车的节能、排放和安全技术，那么本世纪初人们已经更多的将目光转向汽车的新能源和环保技术。因为如果仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业，将会给燃油的需求和环境保护造成巨大
14、的压力。研制开发更节能、更环保、使用替代能源的新型汽车成为各大汽车公司的当务之急，随着持续发展面临着日趋严峻的形势，从而这些因素都主导着汽车工业势必朝着低噪声、零排放、综合利用能源的方向发展。电动汽车的发展正是当今汽车工业藉以解决能源、环保问题的可持续发展的重要途径。1.2 电动汽车发展的历史、现状及趋势1.2.1 电动汽车发展历史 20世纪60年代、70年代汽车污染和石油危机两件大事，对电动汽车的研究和开发起到强有力的推动作用。近30年来，世界范围内能源意识和环保意识空前强化，电动汽车重新受到高度重视。1975年出现第一辆现代汽油一电动混合动力车辆。1981年出现第一辆飞轮电动混合动力车辆。
15、1986年福特和通用电气公司开发出ETX-I型和型电动汽车。80年代通用汽车公司的甲醇燃料电池X型样车问世。1991年通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司组建了美国高效电池联合企业：1994年克莱斯勒汽车公司的甲醇燃料电池汽车Necar3问世；1996年通用、丰田联合研制的EVl蓄电池电动汽车进入市场。 1997年丰田汽车公司研制的复合动力轿车Prius进入日本市场：1999年汽车公司研制的燃料电池汽车P2000在北京、上海展出；20022005年法国雷诺、日本日产、韩国现代等汽车公司计划自己研发的电动汽车投放市场；可见各汽车大国十分重视电动汽车的研究开发，不仅注入巨额资金，而且给予特殊的政策优惠
16、。1.2.2 电动汽车国外发展现状 八十年代至今，现代电力电子技术、微电子技术、新材料技术和计算机技术的迅速发展，为电动汽车的研究开发提供了良好的物质基础；同时，电机控制理论如异步电机的矢量控制理论逐渐从理论研究进入了工程应用阶段，这就为电动汽车的研究和开发提供了的理论基础。以日、美、欧为代表的众多发达国家的科研机构、电力公司、车辆公司纷纷推出了电动汽车的概念车，并且一些型号已开始进入生产阶段。 现在丰田的纯电动汽车、混合动力汽车、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，使丰田成为混合动力汽车的先领者。美国、欧洲汽车制造商开发和生产
17、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。但是也在大力开发无刷永磁电机，随着磁性材料、控制技术和永磁电机的发展，无刷永磁电机性价比不断提高，无刷永磁电机作为欧美电动汽车驱动电机将为时不远。1.2.3 电动汽车国内发展现状 随着我国经济的发展，交通能源与环境保护的问题同样是我国面临的重大挑战。国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力及实现我国工业的跨越式发展的战略高度考虑，自上世纪80年代以来，我国就非常重视电动汽车的发展，“八五”期间，“九五”期间，正式列入国家重大科技产业工程项目。2001年9月，中国科技部在“十五期间的国家“8
18、63计划中，特别设立了电动汽车重大专项，提出了“三纵三横研究开发布局(“三横”是指纯电动汽车混合动力汽车和燃料电池汽车的整车，“三纵是指电池、电机和控制系统的关键零部件)。专项将从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，以官、产、学、研四位一体的方式，联合进行攻关。我国电动汽车重大科技专项实施几年来，经过200多家企业、高校和科研院所的2000多名技术骨干的努力，目前已取得了重大进展。如燃料电池轿车累计运行4000km，燃料电池客车累计运行8000km；混合动力汽车正在一些地方的公交线路上试验运行，运行超过14万km；
19、纯电动轿车和纯电动客车已通过国家有关认证试验。 而2008年北京奥运会以及2010年上海世博会等将成为我国混合动力和燃料电池等电动汽车良好的技术展示平台和市场导入机遇。所有这些都在推动着我国电动汽车的快速发展。综合国内外电动汽车发展的现状可见，纯电动汽车虽然有低噪声、零排放、综合应用能源等突出优点，但其技术经济的综合性能指标尚未达到实用要求，仍有许多关键技术需进一步深入研究、试验和开发。可以预言，在全球性大力推进研究开发电动汽车技术的21世纪，电动汽车的产业化并进入商业营运市场的实用化时期即将到来。1.2.4电动汽车发展趋势 随着计算机技术和微电子学的巨大发展，再加上现在集成度高、速度快、成本
20、低的微机专用芯片和数字信号处理器的应用越来越广泛，全数字化的控制系统应用于电机驱动不再是一种想象。随着软件开发功能的强大，现在用软件代替硬件，利用了它的控制功能以及它具有保护、自诊断和故障监视等其它功能。除此之外，我们还可以改变控制策略、修正控制参数和模型来提高控制系统的实用性和可靠性。可见利用全数字化的简单易用性作为今后电动车控制乃至交流传动系统一个重要的发展趋势。其次目前智能化技术用在电动汽车控制系统中只是局部智能化的应用，如模糊控制器、神经网络观测器等。因此完全智能化的发展是未来电动汽车发展的一个重要方向。 因此，各种电机要想在未来的电动车中占有一席之地，除了要对电机结构进行优化外，还需
21、要使电动汽车驱动控制系统趋于智能化和全数字化。此外，电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。现在应用于电动汽车的是一种称为质子交换膜的燃料电池( PEMFC),它以纯氢为燃料,以空气为氧化剂,不经历热机过程,不受热力循环限制,因此能量的转换效率高,是普通内燃机热效率的23倍。有关专家预言:21 世纪燃料电池电动汽车将可能成为汽车的主体。因此,目前世界各国政府以及各大汽车公司纷纷投入巨资 ,进行 PEMFC 电动汽车的研究与开发。1.3 目前电动汽车的主要问题和关键技术1.3.1发展电动汽车目前存在的主要问题 电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车、信息技术等多种高新技
22、术的集成 ,是典型的高新技术产品 ,其最终目标是实现智能化、数字化和轻量化。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、车身和底盘设计 ,以及能量管理技术等 ,其中前 3 项是电动汽车的发展瓶颈。电池、电机和控制器是电动汽车的三大关键核心零部件，只有三者兼备，才能形成具有自主知识产权的纯电动汽车驱动总成，才能在新能源汽车未来发展的国际竞争格局占有立足之地，拥有强大核心竞争力。它们的技术水平和产业化程度，直接影响着电动汽车的产业化进程。电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等。尽管电源技术至关重要，但电力驱动、能量管理系统和系统的优化也同样重要，事
23、实上，所有这些领域技术上的整合才是电动汽车技术成功的关键。1.3.2 电动汽车的关键技术1.电机驱动控制技术。电机驱动系统是电动汽车的心脏。它的任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的电能转化为车轮上的动能，或者将车辆上的动能反馈到蓄电池中。其中电子差速的实现、防抱死系统(ABS)的控制、车辆的稳定性运行、再生能量的回收都是通过电子系统控制实现的。2.能源系统。能源系统是电动汽车的血液，它的体积、重量和技术参数，决定了电动汽车的行驶性能。目前推广电动汽车的主要障碍是一次充电的续驶里程不足和初始成本较高，而电动汽车的能源系统正是导致这些问题的主要原因。在目前以及可以预见的将来，能源系统是电动汽
24、车实现市场化的瓶颈效应所在。3.能量管理系统。如果说电机驱动系统是电动汽车的心脏，则智能化的能量管理系统无疑就是电动汽车的大脑。它担负着维持电动汽车所有的蓄电池组件工作处于最佳状态；采集车辆各个子系统的运行数据，进行监控和诊断;控制充电方式和提供剩余能量显示等职责。4.系统优化。电动汽车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统，电动汽车的性能受多学科相关因素的影响，通过系统优化来改进电动汽车的性能和降低车辆的成本。电动汽车的各子系统之间的相互作用会影响整车的性能。1.4 电动汽车控制器控制器是电动汽车的核心，它的发展制约着整个电动汽车行业的发展。许多公司对于新能源汽车产业有清晰的战略规划。新能源汽车
25、中，电机驱动和动力电池控制是两大核心部分，因此以电机控制器和动力电池控制器为切入点进军新能源汽车行业，是符合实际、又具有前瞻性的策略。电动汽车控制器结构日趋完善，功能日趋强大。控制器的种类很多，常用的有单片机、DSP等。最近几年，国内对各种集成化的单片DSP的性能进行大幅度的改善，软件和开发工具也日益增多，而且使用也非常方便；同时对它们的价格进行大幅度调整，从而使得DSP器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接受；本文对以DSP为核心的电动汽车控制系统的部分电路做出说明。 第二章 芯片介绍及电动汽车整体结构概述2.1 DSP简介2.1.1 什么是DSP DSP有两种意思，一个是数字信号处理
26、，一个是数字信号处理器，可以说是关于电子方面的一门科学，是一个单独的学科。20世纪60年代以来，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息，来处理现实信号的方法，这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。德州仪器、Freescale等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。 DSP芯片也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现
27、各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：（1） 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。（2） 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。（3） 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。（4） 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。（5） 快速的中断处理和硬件I/O支持。（6） 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。（7） 可以并行执行多个操作。（8） 支持流水线操作，使指令预取、译码和执行等操作可以重叠执行。与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。2.1.2 DSP芯片的发展数字信号处理（DSP, di
28、gital signal processing）是一门涉及许多领域的新兴学科，在现代科技发展中发挥着极其重要的作用。近年来，数字信号处理理论在不断取得进步的同时，随着半导体技术的突飞猛进，专用的数字信号处理器芯片也获得了飞速发展。世界上第一个单片DSP芯片是1978年AMI公司宣布的S2811，1979年美国Intel公司发布的商用可编程期间2920是DSP芯片的一个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须的单周期芯片。自1980年以来，DSP芯片得到了突飞猛进的发展，DSP芯片的应用越来越广泛。从运算速度来看，MAC（一次乘法和一次加法）时间已经从80年代初的400ns（如TMS
29、32010）降低到40ns（如TMS32C40），处理能力提高了10多倍。DSP芯片内部关键的乘法器部件下降到5以下，片内RAM增加一个数量级以上。从制造工艺来看，1980年采用4的N沟道MOS工艺，而现在则普遍采用亚微米CMOS工艺。DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上，引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加。此外，DSP芯片的发展，是DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。2.1.3 DSP芯片的分类DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。1.按基础特性分。这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任
30、何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片2.按数据格式分。这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP芯片称之为定点DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式。3.按用途分。按照DSP芯片的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用。专用型DSP芯片是为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT等。2.1.4 DSP芯片的基本结构 DSP芯片的基本结构包括：1. 哈佛结构。哈佛结构的主要特点是将
31、程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。 2.流水线操作。流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。3.专用的硬件乘法器。乘法速度越快，DSP处理器的性能越高。由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。4.特殊的DSP指令。特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。5.快速的指令周期。快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周
32、期在200ns以下。2.2 DSP型号选择 TMS320LF2407A是基于TMS320CZXX型16位定点数字信号处理器的新型DSP控制器。它是TI公司1997年针对新一代交流电机数字控制而推出的，除了具有以上DSP芯片的一般特点外，还有以下的特点：(1)采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗。40MIPS(40百万条指令/秒)的执行速度，从而提高了控制器的实时控制能力；(2)基于TMS320的内核，保证了与TMS320LF240x系列DSP的代码兼容性；(3)片内有高达32K字16位的flash程序存储器，2.5K字RAM，其中包含544字的双端口RAM（
33、DARAM）2K字的单端口 RAM(SARAM)；(4)两个事件管理器模块EVA和EVB，适用于控制各种类型的电机，为工业自动化方面的应用奠定了基础。每个事件管理器均包括如下资源:两个16位通用定时器，8个16位脉宽调制（PWM)通道，对外部事件进行定时捕捉的3个捕捉单元，其中2 个具有直接与光电编码器输出脉冲相连接的能力，防止击穿故障的可编程PWM死区控制；(5)可扩展的外部存储器总共有192K字16位的空间，分为64K字程序存储空间、64K字的数据存储空间和64K字的I/O空间；(6)看门狗(WD)定时器模块；(7)双8路或单16路10位A/D转换器，具有可编程自动排序功能，最小转换时间为
34、375ns；(8)CAN2.OB模块，即控制器局域网模块；(9)串行通讯接口(SCI)和16位串行外部设备接口(SPI)；(10)7个专用于串行扫描仿真口 (JTAG口)的引脚，允许对器件进行非侵入式的仿真，即无需使用连接至器件的全部引脚的插入式电缆。 基于以上特点，本文中纯电动汽车控制系统的核心部分选用LF2407A DSP作为电动汽车的控制芯片如图2-2为TMS320LF2407A引脚图图2-2 TMS320LF2407A引脚图2.3电动车整体结构框图及分析由框图可知可知，本文以TMS320LF2407A作为电动汽车的控制芯片，而要很好的控制电动汽车，除了芯片自身需要的外部供应电路以外，对
35、于电动汽车还有很多的电路，比如灯光、转向、电动车窗等，还有很多的需要检测及保护的电路的设计，而本文的设计只是电动汽车电路设计的一小部分的电路。根据设计任务的要求，需要对以下的电路进行设计:1LF2407A DSP及其外围电路；2电动机三相电流检测及过电流保护电路；3控制器温度检测及温度保护电路；4蓄电池电压检测及过压、欠压保护电路；5电动汽车速度检测电路；6加速踏板给定信号转换电路；7. RS232通讯接口（手持编程器接口）应任务书的要求，在设计中以TMS320LF2407A作为电动汽车的控制芯片，用无源晶振作为单片机的时钟供应，再加上四倍频电路，使得芯片的运行速度加快；同时用TPS7333芯
36、片为单片机提供一个可靠稳定的电源(3.3V)；又用MAX811设计一个可靠的复位电路，使得出现较小问题（加电、掉电、降压、轻微抖动）时，单片机能够快速复位；用MAX232构成PC机与TMS320LF2407A之间的通信接口，通过接口将程序从PC机输入到单片机中，是一个双向的通信；用增量式光电编码器及相应的转换电路构成速度检测电路，将处理好的脉冲信号送入事件管理器中，根据相应的中断及程序判断方向及转速；电动加速踏板是根据踏板踏下时，会产生不同大小的电压值，经过AD转换，DSP芯片便可以根据采样得到的数字量大小判断油门踩下的程度，输出对应的转矩；再有就是芯片温度、电源电压、电机电流的检测，利用相应
37、的传感器及信号处理电路经芯片显示相应的数据，判断电动汽车相应的情况是否正常，然后将信号处理电路的电压值与设定的保护值相比较，当大于或小于设定值时，在有相应的故障显示时，把故障信号经系统保护电路输入DSP的引脚(功率驱动保护中断输入引脚)，当引脚被拉低时，会产生一个外部中断，这时所有的DSP的事件管理器输出引脚(PWM输出引脚)将被硬件设置为高阻态，芯片停止工作，达到保护的目的。第三章 电动汽车重要物理量的检测及保护 检测电路的目的就是将要检测的各种信号经过转换变成DSP可以识别的数字信号。本章主要对电流检测、电压检测、温度检测这三部分进行设计以及说明，电流、电压、温度检测出的模拟量信号均是通过
38、外围设计的转换放大滤波整形等电路转换后直接接到处理器TMS320LF2407A的接口电路上，同时根据相应的电路设计及设置，做出保护等。电动汽车运行过程中，各部分温度，电压等要保持在一定范围内。3.1 三相电动机电流的检测保护 作为汽车的动力系统，三相交流异步电动机的电流必须保持在允许的范围内系统各部分才能正常运行。否则电动机中发生短路故障或电流过大时，会对汽车各部分的机械及电气设备带来危害，因此对电流进行检测和保护是极其重要的。3.1.1 基于霍尔电流传感器的电流采样电路 闭环霍尔电流传感器是利用霍尔器件为核心敏感元件用于隔离检测电流的模块化产品，它的工作原理是霍尔磁平衡式的。当电流流过一根长
39、的直导线时，在导线周围产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测，由于磁场的变化与霍尔器件的输出电压信号有良好的线形关系，因此可利用霍尔器件的测得的输出信号，直接反应出导线中的电流大小： I B VH （1） 式中：B为导线通电流后产生的磁感应强度；I为通过导线中的电流；VH为霍尔器件在磁场B中产生的霍尔电压。当选择适当的比例系数，上述关系可以表示为等式。 对于霍尔输出电压信号VH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一类为开环霍尔电流传感器；另一类为闭环霍尔电流传感器。 闭环霍尔电流传感器的工作原理是磁平衡式的，即原边
40、电流（IN）所产生的磁场，通过一个副边线圈的电流（IM）所产生的磁场进行补偿，使霍尔器件始终处于检测零磁通的工作状态。当原副边补偿电流产生的磁场在磁芯中达到平衡时： NIN= nIM （2） 式中：N为原边线圈的匝数；IN为原边电流；n为副边线圈的匝数;IM为副边补偿电流。 由上式看出，当已知传感器原边和副边线圈匝数时，通过测量副边补偿电流IM的大小，即可推算出原边电流IN的值，从而实现了原边电流的隔离测量。示意图如图3-1。图3-1 霍尔效应电流传感器 由于驱动系统中的电机正常运行时三相电流平衡，因此只需检测其中两相定子电流，第三相电流可计算得到。系统试验电机额定电流153A，电动机过载系数
41、为2.9。 检测电路的电流采样元件选用霍尔电流传感器LT308S6。LT308S6是闭环霍尔电流传感器，可用于测量直流、交流和脉冲电流。原边额定有效值电流为300A，副边额定有效值电流为100mA，最大测量电流为500A，转换率为1:3000。其主要优点有出色的精度， 良好的线性度，低温漂，宽频带，抗干扰能力强，过载能力强等。电流采样电路如图3-2所示。 图3-2 电流采样电路图3.1.2电流信号处理电路 当测量电阻取10时，三相交流电机定子电流信号通过霍尔电流传感器后获得模拟量电压输出范围为一l.67 V+1.67V，而DSP的ADC模块要求为0-3.3V范围的模拟输入电压量。利用两门运算放
42、大器构建求和电路,实现输入电压和 +2V基准电压累加， 将U2的输出展至-0.33 -3.67V。再由U3做一次反向跟随放大，实现电压反向功能,输出电压0.33 3.67V。而因为有过电流的保护，不会让两次反向后的电压超过3.3V。所以处理后的信号会在0.33 3.3V，再通过二极管的限幅保护后送到DSP的AD转换单元，进行电流检测。图3-3为信号处理电路。 图3-3信号处理电路3.1.3 过电流保护过流是引起功率驱动器被烧坏和损坏的主要原因之一。功率开关期间虽然可以承受短时间的过流，但一旦超出安全区，则会永久地损坏，所以要设置快速的过流保护电路。在主电路进行电流检测时，一旦检测到主电路的电流
43、过流时，应该立即封锁控制信号输出，通知DSP关断所有控制信号并报警，关断开关器件并采取相应的措施。图3-4为过流保护电路图,经过电流检测电路处理后的电压与设置的电压信号（1V和3V）进行比较，电压比较器LM339输出高低电平信号，一路信号送入系统保护中的双四输入端或门7432中，另一路经光电耦合后送入DSP芯片的数据输入端。图3-4为过流保护电路3.2控制器温度的检测与保护3.2.1基于LM35温度传感器的温度采样电路要求控制器的上限温度为65，在70时保护系统作用。本文选用LM35温度传感器作温度采样，此传感器采用己知温度系数的基准源作为温敏元件。芯片内部则采用差分对管等线性化技术，实现了温
44、敏传感器的线性化，也提高了传感器的精度。与热敏电阻、热电偶等传统传感器相比，具有线性好、精度高、 体积小、校准方便、价格低等特点，非常适合温度的测量工作。它的主要性能指标如下： 1) 输出电压与摄氏温度成正比：+10mV/； 2) 宽温度测量范围：-55至+150； 3) 宽供电电压：430V； 4) 低功耗，一般小于 60A，自热温度小于0.1 5) 非线性数值:小于1/4精度可达0.5该传感器能够将测得的温度转化为电压信号输出，输出电压与环境摄氏温度成正比耗电极少，输出阻抗低。电路如图3-5所示.为了实现温度精确测量，采用LM35的全温度测量接线方法，取Vcc=5，图中： 电阻R的阻值按照
45、 R=Vcc/50uA来选择。电路的输出电压与温度的线性关系，则电阻R=100K，电路的输出电压与温度的线性关系为:（1）环境温度150，Vo=1500mV；（2）环境温度25，Vo=250mV；（3）环境温度-55，Vo=-550mV。图3-5 温度信号采集电路3.2.2 温度信号处理电路如图3-6所示， 传感器LM35得到的电信号是与摄氏温度成正比的电压信号，且正负电压可能均有，故必须给传感器进行正负电源供电。由于电压的输出值较小，在线路中传输的过程中会有衰减，造成测量误差，故要对信号的即时进行处理，首先要对信号放大,由于所测量的温度将信号限定最大到70，电路中的电压信号的输出最大到700
46、mV，经放大4倍到2.8V，因为会有负值，为了方便下一级的处理，需要将信号进行正负的变换。具体的转换电路如图所示,在图中，输入电压经过U9的判断后，选择导通Q1或Q2，当采集输出电压大于0时，经放大器（U7)放大输出反相器后, Q2导通 ，输出的负电压值经过U8反向到DSP ADCIN02；当放大输出电压大于0时，Q1导通，放大的电压输入到DSP ADCIN05。 图3-6温度信号处理电路3.2.3 温度保护电路温度保护是利用设定好的电阻进行电压分压，如果温度高于某一设定值，运算放大后的温度信号与2.8V（对应70）电压进行比较，当大于设定值时，就发送信号给DSP芯片，DSP芯片就会产生相应的中断，关闭相应的程序，以免系统受损。如图3-7所示，运算放大后的温度信号与2.8V（对应70）电压进行比较，比较器输出高低电平信号如电压，一路送入DSP的数据信号输入端，另一路送入系统保护中的芯片。 图3-7 温度保护电路3.3 蓄电池电压检测与保护一辆设计优良的电动汽车，除了有良好的机械性能、良好的电机驱动性能，选择适当的能量源(即电池)以外，还应该有一套协调、管理和监控电池功能的电池管理系统，使有限的能量源最大限度得以利用。因此，在电动汽车的整车系统设
