李才強(qiáng)，劉和平

(重慶大學(xué)，重慶400044)

0 引 言

電動(dòng)汽車具有無(wú)污染、噪聲低等特點(diǎn)。21世紀(jì)，發(fā)展電動(dòng)汽車是人類解決能源危機(jī)與大氣污染的主要途徑之一［1－2］。高密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機(jī)及其控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的心臟。異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、經(jīng)久耐用在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用［5－6］。電動(dòng)汽車運(yùn)行對(duì)驅(qū)動(dòng)控制器及其算法有特殊要求:要求有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，來(lái)滿足電動(dòng)汽車頻繁起動(dòng)、停車、加速減速、能量回饋、低速大轉(zhuǎn)矩爬坡、高速恒功率運(yùn)行等工況。在起動(dòng)和加速時(shí)應(yīng)具有高功率密度，在電動(dòng)汽車速度平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，輸出功率要小，但要求高效率。很顯然，這種應(yīng)用環(huán)境與其他場(chǎng)合的要求存在顯著差異。

目前，電動(dòng)轎車感應(yīng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制器通常采用兩種控制方法:轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向適量控制具有類似直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制特性，得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前多數(shù)電動(dòng)汽車控制器采用大電壓加IGBT來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在帶來(lái)大轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，也帶來(lái)了安全隱患。一旦發(fā)生漏電，對(duì)人體的傷害將是致命的。本文采用額定電壓為48 V的低壓電機(jī)作為電動(dòng)轎車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320F2808作為核心控制芯片，采用SVPWM技術(shù)和電壓型逆變器，設(shè)計(jì)了一款用于純電動(dòng)轎車的控制器及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)。降低了控制系統(tǒng)的成本，同時(shí)提高了整個(gè)電動(dòng)轎車的安全性，并進(jìn)行了裝車試驗(yàn)，效果良好。

1 基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電動(dòng)機(jī)矢量控制

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d－q坐標(biāo)系下，為了實(shí)現(xiàn)間接矢量控制的解耦控制，取轉(zhuǎn)子總磁鏈ψr的方向?yàn)閐軸，q軸為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，即垂直于轉(zhuǎn)子磁鏈ψr，則定子電壓和轉(zhuǎn)子磁鏈方程可表示［4］:

本文采用SVPWM控制方式，與SPWM相比，應(yīng)用SVPWM技術(shù)，電機(jī)電流諧波更小，而且電壓型逆變器直流母線的電壓的利用率得到了提高［3－4］。

1.1 轉(zhuǎn)子磁鏈位置角

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向后，轉(zhuǎn)子磁鏈位置角θ=∫(ωs+ωr)dt，其中轉(zhuǎn)差頻率ωs通過(guò)式(4)來(lái)計(jì)算，在Simulink中搭建仿真模型如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子磁鏈位置角仿真模型

在MATLAB/Simulink中搭建整個(gè)控制器仿真圖，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制仿真模型

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制器主芯片采用TMS320F2808 DSP芯片，功率板采用12個(gè)低壓大電流的MOSFET并聯(lián)，提高了系統(tǒng)過(guò)流能力，控制器可以承受600 A的電流，降低了系統(tǒng)成本。采用IR公司生產(chǎn)的IR21363S作為MOSFET的驅(qū)動(dòng)芯片，IR21363S有三個(gè)獨(dú)立的高壓側(cè)和低壓側(cè)輸出信號(hào)，可同時(shí)輸出6路PWM波，同時(shí)具有硬件過(guò)流保護(hù)，提高控制器的可靠性和穩(wěn)定性。電流采樣采用霍爾和磁環(huán)配合的方式，并通過(guò)RC濾波電路進(jìn)行濾波，降低了控制器成本，提高了AD采樣的準(zhǔn)確性和控制器的可靠性。通過(guò)CAN通信與觸摸屏液晶顯示器進(jìn)行相互通信，實(shí)現(xiàn)了控制器的人機(jī)交互功能。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)采用16節(jié)3.3 V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)作為供電電源。仿真和實(shí)驗(yàn)電機(jī)參數(shù):采用4極Y型連接的三相鼠籠電機(jī)，PN=5 kW，UN=48 V，fN=68 Hz，額定轉(zhuǎn)速為2 040 rad/s，轉(zhuǎn)子電阻0.002 732 1 Ω，定子電阻 0.003 123 65 Ω 定子和轉(zhuǎn)子漏感均為0.000 008 139H，定轉(zhuǎn)子之間的互感為0.000 273 163H。

3.1 仿真分析

對(duì)圖2的電動(dòng)汽車矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真波形如圖5所示。

仿真時(shí)將電機(jī)電流有效值限制在400 A，沒(méi)有超出控制器能承受的最大電流600 A，電機(jī)轉(zhuǎn)速給定為2 000 r/min，先讓電機(jī)空載起動(dòng)，在0.7 s時(shí)給電機(jī)加50 N·m負(fù)載。從圖5中可以看出電機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩很大，幾乎達(dá)到100 N·m，滿足電動(dòng)轎車起動(dòng)要求。電機(jī)轉(zhuǎn)速超調(diào)量非常小，在突加負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在給定轉(zhuǎn)速，可見(jiàn)電機(jī)調(diào)速性能優(yōu)良。

圖5 電動(dòng)轎車矢量控制系統(tǒng)仿真波形

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)采用泰克公司的數(shù)字存儲(chǔ)示波器(型號(hào)DPO4034)和500 A電流探頭(型號(hào)TCPA400)，該數(shù)字存儲(chǔ)示波器帶U盤接口，可用U盤存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。測(cè)試時(shí)三相相電壓經(jīng)過(guò)RC濾波后測(cè)得，R=10 kΩ，C=100 nF。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 帶載運(yùn)行時(shí)相電流和相電壓波形

實(shí)驗(yàn)測(cè)得電機(jī)在800轉(zhuǎn)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩為90.55 N·m;3 200 r/min時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩為45.32 N·m。從圖6中我們可以看出，電機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電壓和電流波形為較理想的正弦波，本控制系統(tǒng)具有良好的性能。

4 仿真和裝車調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決方法

4.1 仿真過(guò)程中遇到的問(wèn)題

仿真過(guò)程中在計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈位置角時(shí)，如果直接用式(4)來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)差，由于初始時(shí)刻ψr=0，這將導(dǎo)致式(4)分母為零，仿真時(shí)將報(bào)錯(cuò)。解決方法是初始時(shí)讓?duì)譺=ψr+0.000 001，然后再代入式(4)計(jì)算。由于0.000 001非常小，不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生影響。

在仿真時(shí)檢測(cè)回來(lái)的轉(zhuǎn)速ωr在計(jì)算磁鏈角位置時(shí)必須乘以極對(duì)數(shù)p，不然將導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁鏈位置角計(jì)算不準(zhǔn)確。

4.2 裝車調(diào)試過(guò)程遇到的問(wèn)題及解決方法

本文研究的控制器和電機(jī)在奧拓改裝車上進(jìn)行裝車調(diào)試，如圖7所示。遇到的問(wèn)題及解決方法如下:

圖7 實(shí)際裝車調(diào)試圖

(1)裝車調(diào)試時(shí)不踩踏板電機(jī)都有抖動(dòng)過(guò)程

原因分析:由電流采樣不準(zhǔn)以及轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量分解誤差引起。因?yàn)榇藭r(shí)給了轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量，所以會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)矩加在轉(zhuǎn)子上，但是該轉(zhuǎn)矩又不足以使得電機(jī)起動(dòng)，所以就產(chǎn)生了抖動(dòng)過(guò)程;如果將不踩踏板時(shí)的磁通分量和轉(zhuǎn)矩分量都給得很小，則不會(huì)抖動(dòng)，但是，在踏板松完的時(shí)候就會(huì)有磁通分量瞬變，會(huì)發(fā)生自激，導(dǎo)致大電流。

解決方法:改善相電流采樣精度，保證在零電壓點(diǎn)的采樣準(zhǔn)確。在保證相電流準(zhǔn)確的前提下，調(diào)整磁通估計(jì)的電機(jī)參數(shù)，使得轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量完全解藕。

(2)行駛過(guò)程中加速過(guò)快自激問(wèn)題。調(diào)試時(shí)，猛踩加速踏板燒毀控制器

原因分析:起動(dòng)時(shí)必須要在瞬時(shí)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩，才能使得汽車快速起動(dòng)，此時(shí)轉(zhuǎn)矩分量就是要變化快，但是太快又會(huì)產(chǎn)生自激現(xiàn)象，加速過(guò)程中如果踩踏板太快電機(jī)將發(fā)生自激，將產(chǎn)生大電流，有燒壞控制器的危險(xiǎn)，并會(huì)發(fā)生刺耳的聲音。

解決方法:修改控制參數(shù)，減緩轉(zhuǎn)矩的變化過(guò)程，同時(shí)協(xié)調(diào)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩的快速性要求。

(3)裝車調(diào)試時(shí)，起初電動(dòng)轎車在屋內(nèi)無(wú)法起動(dòng)。后來(lái)將方向打直后可以輕易的起動(dòng)。路試過(guò)程中電動(dòng)車能正常直路起動(dòng)、轉(zhuǎn)彎起動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)彎角度太大時(shí)所需要的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，導(dǎo)致起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?zé)o法滿足。

原因分析:電動(dòng)轎車不能在任何情況下產(chǎn)生足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

解決方法:修改控制器參數(shù)，進(jìn)一步提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩;大轉(zhuǎn)矩需要大電流，提高硬件電路板所能承受的最大電流，以滿足大轉(zhuǎn)矩需要控制器提供大電流的要求。

(4)電動(dòng)轎車的200 A主接觸器在調(diào)試過(guò)程中很容易被燒毀。

原因分析:由于系統(tǒng)電容容量很大，開(kāi)電瞬間必然對(duì)電容充電，直流電流沖擊很大，通過(guò)示波器捕捉此電流能達(dá)到200～300 A，因此容易燒毀接觸器。

解決方法:設(shè)計(jì)合適的接觸器電路，減小上電瞬間的直流脈沖電流。對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行分析解決后，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，電機(jī)連接在試驗(yàn)臺(tái)上，控制器與電機(jī)連接，加載器采用磁粉加載器(型號(hào)CZ100)，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x采用型號(hào)為NC－3扭矩測(cè)量?jī)x，加速踏板用電位器模擬。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，電位器旋轉(zhuǎn)到最大，控制器一直為最大加載狀態(tài)，電機(jī)加速到空載轉(zhuǎn)速最高值，增加磁粉加載器的加載電流，增加磁粉加載器的加載轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)速拉低，測(cè)試電機(jī)短時(shí)運(yùn)行時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩。實(shí)驗(yàn)測(cè)得轉(zhuǎn)矩如圖9所示。

圖8 實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩曲線圖

試驗(yàn)過(guò)程中，直流接觸器已沒(méi)有出現(xiàn)燒毀的情況，從圖8中可以看出，控制系統(tǒng)具有良好的起動(dòng)性能，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比較小，控制器的性能得到改善，性能良好。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以純電動(dòng)轎車低壓電機(jī)為對(duì)象研究了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量控制算法的適用性，基于TMS320F2808矢量控制的電動(dòng)轎車感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便可靠。對(duì)控制器和低壓電機(jī)進(jìn)的裝車和實(shí)驗(yàn)調(diào)試，證明該控制器具有良好的性能，較寬的調(diào)速范圍和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，以及較高的安全性，基本滿足電動(dòng)轎車的要求。

［1］ Chan C C.The State of the Art of Electric，Hybrid and Fuel Cell Vehicles［J］.Proceeding of the IEEE，2007，95(4):704 － 718.

［2］ Mutoh N，Kaneko S，Miyazaki T，et al.A torque controller suitable for dlectric vehicles［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，1997，44(1):54 －63.

［3］ Walivadekar V N，Manjunath H，Babu V S，et al.Development of transistorized PWM inverter fed induction motor drive for electric vehicle－ a case study［C］//Proceedings of the 1996 international Conference on power Electronics.1996:741 －747.

［4］ 阮毅，陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)－運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:133－142.

［5］ 諸自強(qiáng).陳清泉院士論文選集:現(xiàn)代電動(dòng)車、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電力電子技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005:5－7.

［6］ 王克奇，曲發(fā)義.電動(dòng)汽車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，30(5):73－76.