譚延良，胡燕嬌，盛碧云，樊少波

（江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

隨著國(guó)際油價(jià)的不斷攀升以及汽車(chē)尾氣對(duì)大氣污染影響的加重，出于國(guó)家能源安全和環(huán)境保護(hù)考慮，純電動(dòng)汽車(chē)由于無(wú)污染，能源消耗低等優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。而電動(dòng)汽車(chē)的2個(gè)關(guān)鍵是電池技術(shù)和電機(jī)控制系統(tǒng)，交流感應(yīng)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、成本低，功率密度比高等優(yōu)點(diǎn)，而成為當(dāng)前電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主流［1］，本文采用了microchip公司的DSPIC30F4011作為核心控制器，根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)的要求，對(duì)控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略，設(shè)計(jì)了一款高效率低成本的純電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的硬件電路總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是DSPIC30F4011處理器，如圖1所示。該處理器是高性能的16位數(shù)字處理器，它集成了單片機(jī)（MCU）的控制功能以及數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)吞吐能力，具有1KB的EEPROM，2KB的SRAM，以及6個(gè)電機(jī)控制專(zhuān)用PWM發(fā)生通道，9個(gè)10位的A／D轉(zhuǎn)換通道，1個(gè)正交編碼模塊和1個(gè)CAN總線通訊模塊。如圖1所示，直流電源由鉛酸電池提供，三相逆變橋采用多管并聯(lián)的 MOSFET組成。電機(jī)接線采用三相星型連接，由于三相電流之和為零，因此，只需測(cè)量?jī)上嚯娏鱅a，Ic即可，2路電流信號(hào)通過(guò)電流傳感器送入芯片的AD采樣端口，電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)過(guò)正交編碼器，送入芯片的正交編碼器接口（QEI）以進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。電子油門(mén)采用霍耳式加速器，加速器信號(hào)送給芯片的AD采樣端口，加速器微動(dòng)開(kāi)關(guān)和檔位開(kāi)關(guān)經(jīng)過(guò)光耦隔離電路送給芯片I／O進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，DSPIC30F4011的6路PWM經(jīng)過(guò)隔離驅(qū)動(dòng)芯片控制開(kāi)關(guān)管通斷。CAN總線通訊模塊采用可容錯(cuò)的高速CAN總線通信芯片MCP2551完成數(shù)據(jù)接受與發(fā)送功能，同時(shí)將實(shí)時(shí)采集的溫度、檔位、電子油門(mén)等信號(hào)送入相關(guān)顯示單元。

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 The overall design of hardware

1.1 定子電流檢測(cè)電路

通過(guò)檢測(cè)定子電流實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電流分量的閉環(huán)控制，電流檢測(cè)電路的主要功能包括：電流傳感器檢測(cè)、濾波、電壓跟隨、電壓偏置，以及限幅部分。如圖2所示，該系統(tǒng)選用了南京托肯公司的TKC400F霍耳電流傳感器進(jìn)行電流檢測(cè)，其輸入額定電流為400A，測(cè)量電流范圍為800A，由于電路中主要是高頻信號(hào)，因此濾波環(huán)節(jié)采用有源低通濾波器。R3，R4為給濾波電路過(guò)來(lái)的交流信號(hào)提供電壓偏置，再經(jīng)跟隨器和限幅電路保證輸出給單片機(jī)的為0～5V信號(hào)。

圖2 定子電流檢測(cè)Fig.2 Stator current detection

1.2 功率驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路選用IR公司的IR2110作為驅(qū)動(dòng)芯片，它兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，可用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)半橋，如圖3所示，IR2110浮置電源采用自舉電路，電容C2為自舉電容，快速恢復(fù)二極管D1用來(lái)阻斷直流干線上的高壓，C3，C4為濾波電容。D2，D3為續(xù)流二極管。與大多數(shù)控制系統(tǒng)不同的是這里沒(méi)有選用價(jià)格相對(duì)昂貴的IGBT開(kāi)關(guān)器件，而是選用了N溝道的MOSFET器件，它具有高頻特性好，開(kāi)關(guān)損耗小，輸入阻抗小，驅(qū)動(dòng)功率小的優(yōu)點(diǎn)，而IGBT通常存在電流拖尾的影響。PWM脈沖信號(hào)直接輸出給IR2110的HIN和LIN引腳，用于驅(qū)動(dòng)MOS管，SD為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)封鎖。

圖3 MOS管驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Driving circuit of MOSFET

針對(duì) MOSFET耐流值的限制［2］，通過(guò)并聯(lián)多個(gè)MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)提高耐流值的目的。由于MOSFET的通態(tài)電阻具有正的溫度系數(shù)，約為0.4%～0.8%，有利于采樣多 MOSFET管并聯(lián)。多只元件并聯(lián)工作時(shí)，MOSFET間可以自動(dòng)均流，通過(guò)多管并聯(lián)增加其傳導(dǎo)能力，節(jié)約了電路設(shè)計(jì)成本。

1.3 控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要使用了±15V，±12V，5V，5個(gè)等級(jí)的電源。為滿(mǎn)足控制系統(tǒng)較好的電氣性能和較低的成本，該系統(tǒng)正電源選用高性能電流模式PWM發(fā)生器控制器UC3845作為核心控制器，采用單端反激式結(jié)構(gòu)?？刂齐娐凡捎秒妷?、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以保證輸出電壓恒定。與傳統(tǒng)的線性電源相比，該電源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低、體積小、易實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)所需負(fù)電源由基于LM555定時(shí)器的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)。

1.4 轉(zhuǎn)速檢測(cè)設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)的正確性和精度將直接影響整個(gè)交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)和控制精度，影響轉(zhuǎn)速檢測(cè)結(jié)果精度因素主要有2個(gè)：一是系統(tǒng)硬件，二是速度估算法。本系統(tǒng)采用正交編碼器來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速，正交編碼器輸出的相位相差90°的2路脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)高速光耦6N137進(jìn)行隔離和反相電路輸出給DSPIC30F4011的正交編碼器接口（QEI）。速度估算采用的是測(cè)周法與測(cè)頻法相結(jié)合的方法，采取這種方法誤差小，精度高。

1.5 過(guò)溫保護(hù)設(shè)計(jì)

過(guò)溫保護(hù)采用的是NTC（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻），其電阻值較高；溫度低時(shí)，內(nèi)部載流子數(shù)目少，電阻值較高。隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。NTC熱敏電阻器在室溫下的變化范圍為10～1000000，它的測(cè)量范圍一般為－10～＋300℃。該系統(tǒng)設(shè)定的過(guò)溫值為80℃，一旦溫度超過(guò)80℃，系統(tǒng)停止運(yùn)行。電路通過(guò)電阻分壓的形式使輸出保證在5V以下，然后送給處理器ADC模塊。

1.6 欠壓，過(guò)壓，過(guò)流保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)同時(shí)還包括了欠壓，過(guò)壓，過(guò)流保護(hù)模塊，當(dāng)蓄電池電壓低于或者高于所設(shè)定最低或者最高電壓時(shí)，通過(guò)比較器作用輸出欠壓信號(hào)，啟用欠壓保護(hù)。當(dāng)流經(jīng)開(kāi)關(guān)管的電流值大于設(shè)置最大電流時(shí)，啟用電流保護(hù)電路，輸出封鎖信號(hào)，禁止PWM輸出。保護(hù)控制系統(tǒng)不受損壞。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略

矢量控制是在交流電機(jī)上模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)律。磁場(chǎng)定向坐標(biāo)通過(guò)矢量變換，將三相電流解耦成勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量，并使這2個(gè)分量相互垂直，彼此獨(dú)立，然后動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)以獲得像直流電機(jī)一樣的調(diào)速特性。如圖4所示，該系統(tǒng)采用的是基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的矢量控制策略［3－8］，采用轉(zhuǎn)速、電流的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。電流傳感器測(cè)量三相中的Ia，Ic兩相的電流值，經(jīng)過(guò)DSPIC30F4011的A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再通過(guò)Clarke變化和Park變換將電流轉(zhuǎn)換成M軸和T軸中的直流分量作為電流環(huán)的負(fù)反饋。利用正交編碼器測(cè)得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械角位移，將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速n，把轉(zhuǎn)速n作為負(fù)反饋量。對(duì)于交流感應(yīng)電機(jī)而言，機(jī)械角位移并不等于轉(zhuǎn)子磁鏈的角速度，因此，必須通過(guò)電流模型計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁鏈位置角θ，用來(lái)參與Park變換和逆變換。給定轉(zhuǎn)速Nref與轉(zhuǎn)速反饋量n的偏差經(jīng)過(guò)速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩給定電流Iqref，和勵(lì)磁電流分量Idref再經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器，分別輸出MT坐標(biāo)系相電壓分量，再通過(guò)Park逆變換產(chǎn)生αβ坐標(biāo)軸定子相電壓矢量Vα與Vβ，經(jīng)過(guò)電壓空間矢量脈寬調(diào)制產(chǎn)生6路PWM控制信號(hào)去控制逆變器，從而實(shí)現(xiàn)交流感應(yīng)電機(jī)的全數(shù)字控制。

圖4 交流感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure of AC induction motor field oriented vector control system

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

如圖5所示，軟件模塊主要包括了主程序流程圖和空間電壓矢量控制（SVPWM）中斷子程序流程圖，系統(tǒng)上電首先通過(guò)自檢，如果自檢不通過(guò)，則報(bào)警提示停機(jī)。然后等待中斷的發(fā)生，中斷模塊主要包括了4個(gè)中斷子程序：PWM中斷，用于SVPWM的產(chǎn)生；ADC中斷，主要用于電流、電壓、溫度的采樣；以及故障中斷子模塊，故障中斷模塊對(duì)產(chǎn)生的故障采取相應(yīng)的措施，本文主要給出SVPWM中斷的軟件實(shí)現(xiàn)。

圖5 主程序與PWM中斷子程序流程圖Fig.5 Flow chart of main programme and PWM interruption sub programme

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電機(jī)額定功率PN＝7.5kW，額定轉(zhuǎn)速定子繞組電阻Rs＝0.59Ω，轉(zhuǎn)子繞組Rr＝0.45Ω，UN＝220V，IN＝25A，電機(jī)磁極對(duì)數(shù)p＝2，在給定轉(zhuǎn)速為1400r／min，空載啟動(dòng)下的響應(yīng)結(jié)果如圖6所示。

圖6 空載啟動(dòng)下的響應(yīng)結(jié)果Fig.6 Response results without load start－up

4 結(jié)論

提出了電動(dòng)汽車(chē)交流控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本文沒(méi)有選用價(jià)格相對(duì)昂貴的IPM功率芯片，而是采用MOSFET多管并聯(lián)的方法增加耐流值，減少開(kāi)發(fā)成本。同時(shí)利用低成本，高可靠性的數(shù)字信號(hào)處理器DSPIC30F4011，分別對(duì)控制系統(tǒng)的電流檢測(cè)，控制系統(tǒng)電源，轉(zhuǎn)速檢測(cè)，以及過(guò)流、過(guò)溫等保護(hù)的硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。結(jié)合矢量控制策略，對(duì)系統(tǒng)的軟件模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)具有良好的控制精度和較高的可靠性，較易應(yīng)用于工程實(shí)踐。

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