電動汽車的驅動系統設計范文

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《中國西部科技雜志》2015年第五期

1電動汽車控制系統中矢量控制技術

電動汽車系統控制電路中系統功率部分采用直-交電壓型電路，功率回路有蓄電池、濾波電路和智能功能模塊IPM逆變電路組成。系統控制器采用TI公司推出的TMS320LF2812-DSP作為控制主芯片，用它來完成電子差速算法、及高階控制器離散化的魯棒控制器，它們的實現需要記憶大量的歷史數據，且完成電動機矢量控制系統的轉速控制器、電流控制器的算法、以及電壓空間矢量PWM的產生、A/D轉換以及坐標變換等。輔助電路由速度檢測電路、電流檢測電路以及故障檢測電路等組成。實現異步電機的轉速檢測、電流檢測以及轉速和電流的雙閉環控制。DSP控制器負責將電動汽車駕駛員根據自己的意圖與行車線路給定目標車速Vc、方向盤轉角信號、剎車信號、電機轉速、蓄電池電壓、電容儲能狀態等進行A/D轉換，應用電子差速算法計算電機的轉速和位置，最后應用矢量控制算法和魯棒控制算法，得到電壓空間矢量PWM的控制信號，經過光電隔離電路后，驅動IPM功率開關器件。DSP控制器還負責整個系統的保護和監控，一旦系統出現過壓、過電流、欠壓等故障，DSP將封鎖SVPWM輸出信號，以保護IPM模塊。異步電動機矢量控制基本思想就是把異步電機的電子電流分解為直軸電流分量ids和交軸電流分量iqs。矢量控制策略是當轉子磁通恒定時，電磁轉矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制定子電流的q軸分量就可以控制電磁轉矩。這樣由定子電流d軸分量控制轉子磁通，q軸分量控制轉矩實現了系統的完全解耦控制，形成經過SVPWM逆變調制信號，將期望電壓矢量值供給逆變器，對異步電機進行供電，一旦控制器的參數設定好后，在電機的運行條件不發生改變的前提下，這個控制系統具有較好的動態響應性能。但由于電動汽車在行駛過程中道路工況復雜，且駕駛模式多變，那么電機的自身參數也隨之改變，如果不對速度控制器的參數和輸出不進行校正，駕駛性能會變差，所以利用通過脈沖編碼盤獲得的電機速度n反饋值，與經過電子差速算法輸入的速度參考量refn和轉向信號形成閉環。同時編碼盤的另一個作用是獲得轉子的絕對位置，從而通過磁通觀測環節，輸出正確的磁通角θ以實現精確的PARK逆變換，這樣對輸出進行及時的校正，使真個系統在運行條件發生變化時，加快動態響應過程。為了抑制干擾對控制誤差的影響，使得閉環控制系統正常工作，系統中的速度調節器采用H∞魯棒標準控制問題的混合靈敏度設計算法以加強內部穩定性。采用矢量控制方案的交流異步電機的系統結構如圖1所示。

2控制器硬件電路設計

控制系統的任務是根據駕駛員根據由方向盤、驅動踏板和制動踏板設定的指令信號，以及車輛當前的運行狀態，即電機轉速、蓄電池電壓、電容儲能狀態等。首先調節主回路使其工作于某一特定的狀態，然后調節相應功率器件的占空比，使電機電樞電流或者儲能器件的充電功率滿足驅動或制動踏板設定的指令值。控制系統硬件部分為以美國德州儀器（TI）公司的TMS320F2812型DSP（數字信號處理器）芯片為核心的控制電路板和相應的外圍電路構成，如圖2所示。系統主回路的電壓、電流信號及驅動和制動踏板位置信號經傳感器采集后，通過信號調理電路由DSP的A/D轉換模塊進行模數轉換。控制系統的輸出為多路SVPWM信號，電路中采用Avago公司的HCPL-316J門驅動光電耦合器對SVPWM信號進行處理，經光耦隔離處理后接入IGBT的門極。IGBT的故障信號經光耦隔離后接入DSP的功率驅動保護中斷引腳。在主回路進行相應的調整后可用于電機的驅動和再生制動控制，霍爾傳感器檢測到的電機轉子位置信號經信號調理電路接入DSP的捕獲單元。制動系統由電機和能量儲存器件，即超級電容或者高速飛輪組成。車輛制動時，電機在驅動控制系統的調節下工作于發電機工況，將車輛的部分動能或重力勢能轉化為電能經過控制儲存在超級電容或飛輪中。這部分能量在車輛加速和爬坡時釋放出來，協助電池向電機供電，使回收的能量得到再利用。超級電容通過雙向DC/DC連接到直流母線，和電池并聯通過電機控制器向電機供電。電機控制器在剎車踏板被踩下后，使電機工作于發電機工況，將回饋能量送至直流母線；雙向DC/DC作為超級電容充放電控制器使用。車輛制動時將直流母線上的電機回饋能量進行電壓變換后向超級電容充電；車輛起動或加速時使電容放電，電容儲存能量經電壓變換后送至直流母線，和電池并聯向電機供電，一方面改善車輛加速性能，另外還可以避免電池大電流放電，延長電池壽命。控制系統外圍電路主要包括PWM輸出與IGBT故障信號輸入光耦隔離電路，主回路電壓、電流信號調理電路，以及電機轉子位置檢測信號調理電路。

3控制系統軟件設計

控制系統軟件設計采用基于空間磁場定向控制策略，即在速度控制器采用H∞魯棒標準控制問題的混合靈敏度設計算法，系統q軸、d軸電流環采用PI控制器。利用TMS320F2812強大的實時算術運算能力，對異步電機的速度、轉矩進行實時控制。系統控制軟件先完成系統的初始化工作，包括DSP的內核初始化，模數轉換（ADC）子模塊的初始化，以及PWM輸出子模塊的初始化和數字輸入輸出（DIO）子模塊的初始化。系統初始化完成后進入等待定時器周期中斷循環狀態。控制軟件主程序如圖3所示。圖3控制器主程序流程圖主回路的電壓、電流和車輛的驅動、制動指令經濾波電路輸入到DSP中，在定時器周期中斷服務子程序中，首先對這些信號進A/D轉換和數字濾波，在控制系統對車輛的運行狀態做出判斷后，運行相應的控制算法，并用控制量，即IGBT的占空比設置相應的PWM模塊及PWM引腳的輸出。中斷處理模塊程序流程圖如圖4所示。

4實驗結果

以7.5KW電動汽車用交流異步電機為控制對象，其最大功率15KW、額定電壓72V、額定扭矩為32N.m、最大轉速為5600rpm、效率95%，根據異步電機的技術指標得到在MTS-II電機測試臺架上的測試結果如表1，電機及其控制器外特性曲線如圖5。將給定目標車速cV、方向盤轉角信號、剎車信號、電機轉速檢測信號、蓄電池電壓、電容儲能狀態等進行A/D轉換的信號輸入到上述設計的驅動控制系統中，相應交流電機側得的技術參數如電壓為72V、輸入功率為6.6KW，轉矩得到11.9N.m、轉速為4609rpm、輸出功率為5.7KW、均低于額定值。根據實驗結果表明，電動汽車異步電機驅動控制器具有較好的系統穩定運行性能，較快的轉速響應速度、達到預期的設計效果。

5結論

選擇合適的電動機是提高各類電動汽車性價比的重要因素，因此研發或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求，并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的電動機驅動方式顯得極其重要。本文從選擇合適的交流選擇異步電機，設計基于矢量控制的變頻調速系統，采用H∞魯棒標準控制問題的混合靈敏度設計算法，解決復雜系統在不確定條件下維持系統可靠性和穩定性；采用的新型的PWM調制方式——空間電壓矢量（SVPWM）脈寬調制原理與實現直-交PWM電流源型異步電機變頻器控制器，提高了能量的利用效率；同時采用電子差速控制技術，解決電動汽車發展瓶頸中的電機及其控制系統中需要協調控制電機差速，實現倒退，轉彎等功能。通過以上技術應用與傳統PID控制器相比，非線性方法具有更好的控制效果，改善了電動車運行的穩定性和可靠性，而且在制動過程中可以回收更多的能量，提高了整車的能量利用效率，并且再生能源方便地回饋到電動汽車的蓄電池中，實現了能量回收。

作者：黃英 殷軍 單位：江蘇省光伏風電控制工程技術研發中心 蘇州經貿職業技術學院 蘇州秉立電動汽車科技有限公司