張正中，張珊珊

(金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 金華 321007)

在純電動(dòng)汽車的開發(fā)過程中，仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)過程內(nèi)具有重要的作用，它縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了研制費(fèi)用，提高了汽車的性能[1]。同時(shí)，在純電動(dòng)汽車研發(fā)階段，引用HILS(Hardware-in-the-Loop Simulation)作為替代純電動(dòng)汽車整車真實(shí)環(huán)境或設(shè)備的一種典型方法，能夠提高仿真的逼真性，解決以前存在于系統(tǒng)中的許多復(fù)雜建模難題[2]，從而可以將純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件開發(fā)的控制算法在一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，以便觀察與實(shí)際的控制對(duì)象相連時(shí)，控制算法的性能。

dSPACE是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測(cè)試的設(shè)備，它實(shí)現(xiàn)了和Matlab/Simulink的完全無縫連接，可以很好地完成控制算法的設(shè)計(jì)，測(cè)試與實(shí)現(xiàn)，有效克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開發(fā)存在的上述問題。它具有運(yùn)算速度快、使用方便和界面友好等優(yōu)點(diǎn)。dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)功能強(qiáng)大，它既可以和實(shí)際控制對(duì)象相連（稱為快速控制原型），起到主控制器的作用；又可以和實(shí)際控制器相連（稱為硬件在回路仿真），起到被控對(duì)象的作用。因此，利用基dSPACE的控制系統(tǒng)可以達(dá)到縮短開發(fā)周期以及降低開發(fā)費(fèi)用目的。

1 無刷直流電機(jī)模型

三相無刷直流電機(jī)采用永磁轉(zhuǎn)子和三相橋電力電子變流器進(jìn)行電子換向和脈寬調(diào)制(PWM)控制，如圖1所示。假設(shè)：轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流忽略不計(jì)，無阻尼繞組，電勢(shì)為120°平頂梯形波，相電流形波為120°矩形波，則無刷直流電機(jī)是一個(gè)分段線性多變量系統(tǒng)，在a，b，c 坐標(biāo)系統(tǒng)中的數(shù)學(xué)模型為[3]：

式中，

ia，ib，ic為a，b，c 相電流；

ua，ub，uc為a，b，c 相電壓；

ea，eb，ec為a，b，c 相電勢(shì)；

Im為相電流平頂部分的數(shù)值；

Em為電勢(shì)平頂部分的數(shù)值；

Rs為定子相電阻；

Ls，Lm為定子相自感和定子相間互感；

θ 為轉(zhuǎn)子電角；

Ke為電勢(shì)系數(shù)；

Kt=2Ke為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

P 為極對(duì)數(shù)；

Te，TL為電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩；

J 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

根據(jù)磁極位置信號(hào)，由分段線性函數(shù)產(chǎn)生每相電勢(shì)信號(hào)。無刷直流電機(jī)基于轉(zhuǎn)子磁極位置進(jìn)行電子換向，表現(xiàn)為連續(xù)時(shí)間與離散事件的混合系統(tǒng)。

圖1 無刷直流電機(jī)電子換向主電路、工作波形和換向邏輯

圖2 無刷直流電機(jī)電氣子系統(tǒng)Simulink模型

據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型得到圖2所示的無刷直流電機(jī)電氣子系統(tǒng)Simulink框圖。圖中限幅器的限幅值取為1/2，以獲得120°梯形波的三相電勢(shì)。由于限幅器的增益衰減為1/2，為獲得電勢(shì)ea，eb，ec，其后串接放大器的增益取為2Ke。

2 基于dSPACE的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

以DS1005PPC控制器板為核心，配以DS2001AD采集板、DS2002/2003多路A/D采集板、CP4002多I/O板、DS2102DA輸出板和DS3002增量式編碼器接口板，構(gòu)成了dSPACE的標(biāo)準(zhǔn)組件系統(tǒng)DS1005的硬件部分[4]?；赿SPACE的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

從圖3可以看出，基于dSPACE的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以dSPACE為控制核心，在外圍還需要擴(kuò)展一些相關(guān)電路，如隔離電路、信號(hào)處理電路、驅(qū)動(dòng)和功率橋電路、保護(hù)電路等，從而構(gòu)成了一個(gè)完整的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2.1 dSPACE本身硬件部分

圖3 基于dSPACE的電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

dSPACE本身已經(jīng)集成好的硬件部分包括DS1005PPC控制板、DS4002多I/O板、DS2001AD采集板和DS3002旋轉(zhuǎn)編碼器接口板等。通過CP4002多I/O板，可以輸出6路PWM電機(jī)控制信號(hào)以控制功率器件的開通和關(guān)斷；通過DS2001AD采集板可以采集電機(jī)的電壓和電流等模擬量，尤其是當(dāng)需要同時(shí)采集更多路數(shù)的模擬量時(shí)，可以使用具有32路A/D采集的板卡DS2002/2003；另外，通過DS3002旋轉(zhuǎn)編碼器接口板，可以直接將電機(jī)后部帶的編碼器信號(hào)輸入至DS1005PPC，從而用于速度檢測(cè)；此外還有DS2102DA輸出板，可以利用它來輸出一些信號(hào)以方便調(diào)試。

2.2 外圍擴(kuò)展電路部分

外圍擴(kuò)展電路部分主要包括PWM信號(hào)反相和死區(qū)產(chǎn)生電路、模擬和數(shù)字隔離電路、電壓和電流采集及信號(hào)處理電路、驅(qū)動(dòng)和功率橋電路和保護(hù)電路等[5]。由于篇幅所限，此處只給出PWM信號(hào)反相和死區(qū)產(chǎn)生電路，如圖4所示。

圖4 PWM信號(hào)反相和死區(qū)產(chǎn)生電路

針對(duì)控制過程中逆變器同一橋臂的上、下功率器件控制波形反相的特點(diǎn)，控制軟件只需輸出三路PWM控制信號(hào)而由硬件進(jìn)行反相處理。此外，由于控制電機(jī)時(shí)的PWM脈寬調(diào)制均采用180bPWM導(dǎo)通方式，為避免逆變橋上、下橋臂功率器件同時(shí)導(dǎo)通而燒毀功率器件，所以還需在上、下橋臂的PWM控制信號(hào)之間加幾個(gè)微秒的信號(hào)延遲，稱為死區(qū)時(shí)間。本文采用由硬件電路來進(jìn)行PWM控制信號(hào)的反相和產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間，這樣做的好處在于可以減少軟件的運(yùn)算時(shí)間和節(jié)省存儲(chǔ)空間，且可靠性更高。這樣，三路PWM控制信號(hào)輸入PWM信號(hào)反相和死區(qū)產(chǎn)生電路后，輸出為具有幾個(gè)微秒的死區(qū)時(shí)間的六路PWM電機(jī)控制信號(hào)，從而很方便地用于電機(jī)控制。圖4顯示了三路中的一路PWM信號(hào)反相和死區(qū)產(chǎn)生電路。該電路主要使用了反相器74HC04來對(duì)PWM信號(hào)實(shí)施反相，同時(shí)還利用了電容沖、放電過程及整形電路來產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間。其中，死區(qū)時(shí)間的大小可以通過選擇電容或電阻參數(shù)來設(shè)置。

3 結(jié)束語

本文建立了適合四輪電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)用無刷直流電機(jī)模型，設(shè)計(jì)和擴(kuò)展dSPACE相關(guān)的外圍硬件電路，使得dSPACE和MATLAB/Simulink無縫連接的建立起無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用此平臺(tái)可以縮短四輪電動(dòng)車用無刷直流電機(jī)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)周期，有利于對(duì)控制算法的研究和實(shí)際應(yīng)用前的有效驗(yàn)證。

[1]鄒 淵，孫逢春，王 軍，何洪文.電動(dòng)汽車用仿真軟件技術(shù)發(fā)展研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23(7)：761-764.

[2]馬培蓓，吳進(jìn)華，紀(jì) 軍，徐 新.dSPACE實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)軟件環(huán)境及應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2010，16(4)：667-671.

[3]Pillay P,Krishnan R.Modeling,Simulation,and Analysisof Permanent-Magnet Motor Drives,Part II:The Brushless DC Motor Drive[J].IEEE Transactions on Industry Application，1989，25(2):274-279.

[4]薛定宇，陳陽泉.基于Matlab/Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[5]楊 滌，李立濤，楊 旭，等.系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.