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(guò)程中,仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)過(guò)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(guó)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(wú)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(wèn)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。
三相無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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。
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)。
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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)輸出一些信號(hào)以方便調(diào)試。
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(guò)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(lái)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(lái)對(duì)PWM信號(hào)實(shí)施反相,同時(shí)還利用了電容沖、放電過(guò)程及整形電路來(lái)產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間。其中,死區(qū)時(shí)間的大小可以通過(guò)選擇電容或電阻參數(shù)來(lái)設(shè)置。
本文建立了適合四輪電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)用無(wú)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(wú)縫連接的建立起無(wú)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(wú)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。
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