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        純電動汽車三相異步電動機矢量控制

        2012-07-20 04:00:04萬曉鳳朱俊裕
        微特電機 2012年1期
        關(guān)鍵詞:電路圖磁鏈三相

        萬曉鳳,朱俊裕,肖 京

        (南昌大學(xué),江西南昌330031)

        0 引 言

        隨著汽車數(shù)量的急劇增加,能源和環(huán)境問題日益嚴峻,迫切需求一種低碳和節(jié)能的交通工具。電動車是一種安全、經(jīng)濟、清潔的綠色交通工具,在能源、環(huán)保、節(jié)能和降噪方面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力,必將逐漸取代現(xiàn)在的燃油車輛而成為新的主要交通工具。

        電動汽車由車體、電驅(qū)動裝置(電動機)、可充電電池、充電器和控制系統(tǒng)五大部分組成。其中控制系統(tǒng)是電動車的重要組成部分,決定著整車的性能。異步電動機具有價格低、維護容易、體積小的優(yōu)點,已經(jīng)成為多數(shù)交流驅(qū)動電動汽車的首選。本文基于交流異步電動機的上述優(yōu)點,選用三相交流異步電動機,運用矢量控制原理,對電動汽車控制系統(tǒng)進行研究分析。

        1 系統(tǒng)工作原理

        1.1 交流異步電動機的矢量控制原理

        矢量控制的基本原理是將交流異步電動機經(jīng)模型轉(zhuǎn)換模擬成直流電動機,再用類似于直流電動機的控制方法來對它進行控制。通過坐標變換,將三相靜止軸ABC坐標系轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)軸MT坐標系。在MT坐標系下,將定子電流矢量分解為控制勵磁電流分量的im和控制轉(zhuǎn)矩電流分量的it。這樣就實現(xiàn)了像直流電動機的控制方式和效果。

        定子電流信號經(jīng)“Clarke變換”和“Park變換”,并反饋到控制端,對給定的控制信號的勵磁分量im和轉(zhuǎn)矩分量it進行修正,從而達到類似于直流電動機的工作狀況。其中由三相坐標系(ABC)到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系(MT)的變換方程式:

        式中:N2、N3分別為兩相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)每相繞組的有效匝數(shù);θ為轉(zhuǎn)子磁鏈位置。

        1.2 電機控制芯片及空間矢量PWM波形的生成

        TMS320LF2407A是TI公司生產(chǎn)的16位定點數(shù)字信號處理器,有兩個專為電動機控制而設(shè)計的事件管理器EVA和EVB。它們都是由兩個16位通用定時器、1個可快速封鎖輸出的外部引腳和8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)輸出口組成;具有可編程死區(qū)功能,用于防止上、下橋臂直通;另有3個捕捉單元和1個光電位置編程器接口。

        PWM波是一種脈寬可調(diào)的脈沖波,用于交流電動機的電壓控制,它保持脈沖波的頻率或周期不變,通過調(diào)整脈沖的寬度來調(diào)整電壓。PWM波是由TMS320LF2407A通過設(shè)定定時器周期寄存器的周期值和比較器的比較值來產(chǎn)生。其中周期值用于控制PWM波的頻率(或周期),比較值控制PWM波的脈寬。因此,比較值必須小于或等于周期值。由于使用比較器的不同,產(chǎn)生PWM波有使用定時器比較寄存器和使用比較單元兩種方法。后者可產(chǎn)生加死區(qū)的PWM波。

        使用定時器比較寄存器產(chǎn)生PWM波,占空比的計算公式:

        使用比較單元產(chǎn)生PWM波,占空比的計算公式:

        通過式子,確定占空比,就能得到所需要的波形。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        2.1 系統(tǒng)控制電路

        硬件系統(tǒng)的控制電路由TMS320LF2407A為核心構(gòu)成,結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1 硬件系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)框圖

        圖1中系統(tǒng)利用SCI串口與顯示模塊相連,定時向SCI上發(fā)送電機信息(電流、電壓、轉(zhuǎn)速、故障代碼等),便于電機的調(diào)試和檢測。

        TMS320LF2407A事件管理模塊EVB產(chǎn)生六路互補的觸發(fā)脈沖,脈沖通過PWM7-12通道,進入驅(qū)動電路和三相逆變電路得到所需要的波形,使得三相異步電動機穩(wěn)定工作。驅(qū)動電路反饋的電機運行信號,經(jīng)過PDPINTB通道回到TMS320LF2407A并進行分析處理。例如反饋回電機運行故障的信號,TMS320LF2407A將對六路互補的觸發(fā)脈沖進行關(guān)斷。

        TMS320LF2407A內(nèi)置采樣、保持的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC,16個模擬輸入通道。電流、電壓、溫度、電子油門等信號經(jīng)過信號處理電路,通過AD通道進入TMS320LF2407A,TMS320LF2407A進行分析處理。例如當溫度高于45℃時,TMS320LF2407A輸出高電平信號,經(jīng)過GPIO通道,開啟冷卻風(fēng)扇,低于40℃時,則輸出低電平信號,關(guān)閉冷卻風(fēng)扇。

        TMS320LF2407A通過正交編碼通道CAP,對電動機的角位移和轉(zhuǎn)速等信息進行檢測。

        2.2 采樣電路的設(shè)計

        由于DSP只能處理數(shù)字量,所以必須經(jīng)過采樣電路將要檢測的各種信號,通過轉(zhuǎn)換,變成DSP可識別的信號。采樣電路由電流采樣、溫度采樣、油門采樣、轉(zhuǎn)速和電機位置采樣組成。

        2.2.1 電流采樣電路

        電流采樣電路如圖2所示。圖2采用的是LEM傳感器,型號為HAS400-S/SP50,工作電壓為±5 V。傳感器檢測A、B兩相電流,電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。電壓信號經(jīng)過低通濾波電路、集成運放的電壓偏置電路,變?yōu)?~3.3 V之間,最后通過電壓跟隨器進入TMS320LF2407A,AD模塊把它變成相應(yīng)的數(shù)值,再對其進行分析處理。

        圖2 電流采樣電路圖

        2.2.2 溫度采樣電路

        溫度采樣電路圖如圖3所示,溫度采樣是通過一個固定在控制器散熱片上的熱電耦測溫。溫度信號通過溫度采樣電路進入到TMS320LF2407A,再對其進行分析處理。當溫度值超過 45℃時,TMS320LF2407A通過I/O輸出高電平信號開啟冷卻風(fēng)扇;當溫度值低于40℃時,則輸出低電平信號,關(guān)閉冷卻風(fēng)扇。

        圖3 溫度采樣電路圖

        2.2.3 油門采樣電路

        油門采樣是通過油門踏板即一個滑動變阻器對+5 V電壓進行分壓,向控制器輸入正值的電壓信號,經(jīng)過濾波通過電壓跟隨器進入到TMS320LF2407A的AD采樣通道。其電路圖與溫度采樣電路相似。

        2.3 過壓和欠壓保護電路設(shè)計

        圖4 過壓欠壓保護電路圖

        過壓和久壓保護電路圖如圖4所示。Ua、Ub為二相采樣電壓,分別與Uw1(0~1.65 V之間)和Uw2(1.65~3.3 V 之間)相比較,輸出高(低)電平。當Ua大于Uw1,小于Uw2時,U0為高電平,并將此信號送給PDPINTB,事件管理模塊正常工作;當Ua小于Uw1或者Ua大于Uw2時,U0為低電平信號,PDPINTB接受到低電平信號后立即通知事件管理模塊關(guān)閉PWM輸出通道,停止工作。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        3.1 矢量控制軟件實現(xiàn)

        圖5為矢量控制軟件結(jié)構(gòu)圖,定子電流的iA、iB由電流傳感器測量檢測,經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,由iC=-(iA+iB)計算出iC。通過“3/2變換”和“交/直變換”將電流 iA、iB、iC轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標系MT中的直流分量im、it,并反饋給電流控制環(huán)。電動機的機械角位移由編碼器測得,并將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速n后反饋給速度控制環(huán),作為速度控制環(huán)的負反饋量。在得到用于Park變換和Park逆變換計算的磁鏈位置時,由于異步電動機的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子磁鏈存在轉(zhuǎn)速差,必須通過電流-磁鏈位置計算求出。轉(zhuǎn)矩控制的電流T軸給定值由轉(zhuǎn)速給定值與實際轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所得。T軸及M軸電流給定值與電流反饋值的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié),分別得到旋轉(zhuǎn)坐標系(M/T)下的相電壓分量,再經(jīng)過直/交變換轉(zhuǎn)換成靜止坐標系統(tǒng)的定制相電壓分量,并利用SVPWM技術(shù),產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器。

        圖5 矢量控制軟件結(jié)構(gòu)圖

        3.2 程序流程圖

        系統(tǒng)程序流程圖主要包括主程序、PWM中斷、故障中斷等。PWM中斷流程圖如圖6所示,詳細地講訴了PWM波形的產(chǎn)生步驟,及每個變化的過程。

        圖6 PWM中斷流程圖

        4 系統(tǒng)仿真

        仿真模型如圖7所示。

        圖7 矢量控制總仿真模型

        仿真用的異步電動機主要參數(shù)如下:額定功率Pn=15 kVA,額定電壓Un=460 V,額定頻率fn=60 Hz,額定轉(zhuǎn)速 N=3 000 r/min,定子電阻 Rs=0.087 Ω,轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.228 Ω,定子漏感 Ls=0.8 mH,轉(zhuǎn)子漏感 Lr=0.8 mH,定轉(zhuǎn)子互感 Lm=34.7 mH,機械轉(zhuǎn)動慣量J=1.662 kg·m2,極對數(shù) p=2,PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)為 P=20,I=2,D=0。

        仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。圖8表明磁鏈運行為圓形軌跡,且幅值穩(wěn)定,圖9表明電流具有很好的正弦特性,轉(zhuǎn)矩具有瞬時響應(yīng)特性,電機轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)快并且穩(wěn)定波動較小。實驗及仿真驗證了該系統(tǒng)在調(diào)速控制中的可行性,并且該系統(tǒng)在昌河ideal車上進行測試,到達了穩(wěn)定運行的要求。

        圖8 定子磁鏈運行區(qū)域及軌跡

        圖9 電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、速度仿真結(jié)果圖

        [1] 王曉明,王玲.電動機的DSP控制-TI公司DSP應(yīng)用[M].第一版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

        [2] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].第三版.北京:機械工業(yè)出版社,2003.

        [3] 劉和平.TMS320LF240XDSP結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用[M].第一版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

        [4] 周淵深.交流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真.[M].第一版.北京:中國電力出版社,2004.

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