閆文龍+付成偉

摘 要： 針對(duì)目前燃油汽車對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞并且引起能源緊缺的問題，而電動(dòng)汽車將逐漸成為汽車發(fā)展主流的的現(xiàn)狀，給出了一種基于STM32103VE控制器和電壓空間矢量SVPWM技術(shù)的雙永磁同步電機(jī)拖動(dòng)、采用超級(jí)電容組進(jìn)行能量回收的電動(dòng)汽車運(yùn)行模擬硬件開發(fā)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行以及采用超級(jí)電容組進(jìn)行能量回收的目的。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車； 超級(jí)電容； STM32103VE； 永磁同步電機(jī)； 能量回收

中圖分類號(hào)： TN91?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）21?0142?03

Simulation of electric car and design of energy recovery system with super?capacitor

YAN Wen?long， FU Cheng?wei

（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： Considering the serious pollution to the environment and energy shortage caused by fuel cars， and electric car will become the mainstream of car industry development. A hardware development platform for running simulation of electric car with a super capacitor group for the energy recovery is given， which is dragged by double permanent magnet synchronous motor based onSTM32103VE controller and voltage space vector SVPWM technology. The experimental results show that this system is of simple structure and powerful function， and can simulate the electric car running and realize energy recovery by super capacitor group.

Keywords： electric car； super?capacitor； STM32103VE； permanent magnet synchronous motor； energy recovery

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與有限能源的不斷消耗，環(huán)境問題與能源問題逐漸成為世界性關(guān)注的熱點(diǎn)。能源的高效率利用與使用過程中的能源的回收已經(jīng)成為大家所關(guān)注的焦點(diǎn)，尤其是在汽車上的應(yīng)用。所以未來汽車的發(fā)展方向注定是低碳、環(huán)保的電動(dòng)汽車。因此，本文將介紹一種模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行的效率監(jiān)控與超級(jí)電容能源回收系統(tǒng)，以此來研究電動(dòng)汽車的電能利用效率與超級(jí)電容能量回收的情況，進(jìn)而使電動(dòng)汽車更高效、環(huán)保的運(yùn)行，運(yùn)行中多余能量更完全的被回收并且再利用。

1 系統(tǒng)的主要功能和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車運(yùn)行模擬以及超級(jí)電容組能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通信總線采用的是CAN通信方式，CAN通信方式作為多線路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，可在通信總線上掛多條支線，并且自動(dòng)完成總線仲裁和檢錯(cuò)。系統(tǒng)還包括電源供電、總控制臺(tái)監(jiān)控、主動(dòng)永磁同步電機(jī)及電機(jī)控制器、測功機(jī)監(jiān)測、從動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電及負(fù)載端的電子負(fù)載和超級(jí)電容組能量回收部分。組建系統(tǒng)的主要目的是模擬電動(dòng)汽車在運(yùn)行中的各種情況，主動(dòng)永磁同步電機(jī)模擬電動(dòng)汽車部分，從動(dòng)永磁同步電機(jī)及后面的部分則模擬電動(dòng)汽車在運(yùn)行中的負(fù)載，通過改變負(fù)載端的參數(shù)，進(jìn)而改變主動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)所加的負(fù)載。在系統(tǒng)運(yùn)行中，總控制臺(tái)可以同時(shí)監(jiān)控輸入端的輸入功率、驅(qū)動(dòng)端的主動(dòng)永磁同步電機(jī)的功率和電能轉(zhuǎn)化成主動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行機(jī)械能的效率，負(fù)載端的輸出功率、電子負(fù)載消耗的功率、超級(jí)電容組能量回收功率、對(duì)永磁同步電機(jī)運(yùn)行的機(jī)械能進(jìn)行回收的效率，還有回收的能量通過變壓電路儲(chǔ)存到超級(jí)電容內(nèi)的效率。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)意在模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行、監(jiān)控能量走向及轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車的能源利用率。所以在用永磁同步電機(jī)模擬電動(dòng)汽車的運(yùn)行，而在另一端同樣放置一個(gè)永磁同步電機(jī)作為發(fā)電機(jī)用，并且可以通過改變其發(fā)電輸出端的負(fù)載來改變模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行的電機(jī)上的負(fù)載，進(jìn)而模擬不同工況。在這些基礎(chǔ)之上，采用超級(jí)電容組將原電動(dòng)汽車運(yùn)行中浪費(fèi)的以及未能回收的能量進(jìn)行有效地回收。這樣既增加了電動(dòng)汽車的行駛距離，也對(duì)人們生存的環(huán)境減小了壓力，更加的低碳、環(huán)保。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)共分為四部分：

（1） 用主動(dòng)永磁同步電機(jī)模擬的電動(dòng)汽車運(yùn)行部分。此部分包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制部分和數(shù)據(jù)回采部分，可以模擬整車的啟動(dòng)、運(yùn)行與制動(dòng)。此部分的主芯片采用的是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32103VE，時(shí)鐘最高頻率為72 MHz，IGBT控制模塊采用的是CONCEPT公司生產(chǎn)的2SD315AI模塊，IGBT模塊采用的是英飛凌生產(chǎn)的BSN75GB170DN2模塊，永磁同步電機(jī)采用的是交流伺服電機(jī)130ST?M15025，額定轉(zhuǎn)矩為15 N·m，額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。通過這一部分可以測試整車在不同工況下的電機(jī)運(yùn)行情況以及電機(jī)運(yùn)行的效率；

（2） 主動(dòng)永磁同步電機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速的測量部分。此部分采用的是JN338型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀。通過這一部分的測量可以直觀地觀測電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行情況，更有助于第一部分的監(jiān)控與計(jì)算；

（3） 從動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電和負(fù)載切換部分。此部分包含從動(dòng)永磁同步電機(jī)，電機(jī)型號(hào)與第一部分的永磁同步電機(jī)相同，還包括三相整流橋和輸出切換部分。主動(dòng)永磁同步電機(jī)在運(yùn)行的情況下，拖動(dòng)從動(dòng)永磁同步電機(jī)，從動(dòng)永磁同步電機(jī)當(dāng)做發(fā)電機(jī)使用，電機(jī)三相輸出端接到整流橋，整流橋的輸出端根據(jù)不同的要求接到不同的負(fù)載上，以改變主動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行的負(fù)載，進(jìn)而模擬不同的工況；

（4） 包含美爾諾電子有限公司生產(chǎn)的M9711電子負(fù)載和錦州凱美公司生產(chǎn)的400 V/20 F的超級(jí)電容組能量回收部分。此部分的電子負(fù)載各項(xiàng)參數(shù)可調(diào)，超級(jí)電容組的前端帶有可控的單向BUCK?BOOST電壓轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)主動(dòng)永磁同步電機(jī)模擬整車運(yùn)行時(shí)，不需要進(jìn)行能量回收，整流橋輸出端接在電子負(fù)載端，以模擬不同的工況；當(dāng)需要進(jìn)行能量回收時(shí)，如整車的減速和制動(dòng)的過程中，整流橋的輸出端就接在電壓轉(zhuǎn)換模塊，為超級(jí)電容組充電。通過改變控制電壓轉(zhuǎn)換模塊控制信號(hào)的占空比來改變超級(jí)電容的充電電壓與電流，即可模擬不同的負(fù)載。

3 電動(dòng)汽車運(yùn)行模擬的控制機(jī)理

總控制臺(tái)是系統(tǒng)控制和監(jiān)測的核心，所有的輸入信息由總控制臺(tái)接收，所有的控制邏輯都是由總控制臺(tái)判斷，所有的反饋信息也是返回到總控制臺(tái)進(jìn)行檢測和顯示。總控制臺(tái)信息的輸入、反饋信號(hào)的接收以及控制信號(hào)的發(fā)出如圖2所示。

圖2 總控制臺(tái)結(jié)構(gòu)

輸入信息包括輸入模擬路況情況與電機(jī)的啟?？刂?；反饋信息包括電源輸入功率、主動(dòng)電機(jī)運(yùn)行功率、從動(dòng)電機(jī)發(fā)電功率、電子負(fù)載消耗功率、逆變橋輸出電壓、超級(jí)電容充電功率和故障信號(hào)等；控制信號(hào)包括為電機(jī)控制器設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，切換整流橋輸出端的負(fù)載，設(shè)置電子負(fù)載的參數(shù)，調(diào)節(jié)超級(jí)電容組前端電壓轉(zhuǎn)換模塊的電壓等。

本系統(tǒng)主控臺(tái)的軟件控制機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)上電初期，等待硬件上電完畢，軟件程序開始初始化。初始化結(jié)束后，程序開始讀取當(dāng)前系統(tǒng)的信息判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，如讀取電源電壓、主動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、超級(jí)電容組輸入端電壓、判斷當(dāng)前狀態(tài)有無錯(cuò)誤、各部分間連接是否異常。當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束后，總控制臺(tái)將人工輸入當(dāng)前所要模擬的整車工況，然后程序開始設(shè)置下一步的參數(shù)。根據(jù)輸入的模擬工況開始初始化主動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的參數(shù)，并且判斷系統(tǒng)是否要進(jìn)行能量回收，如果需要能量回收，則將輸出負(fù)載端接到超級(jí)電容組的一端。如果不需要能量回收，則將輸出負(fù)載端接到電子負(fù)載端，并初步設(shè)置電子負(fù)載的參數(shù)。等待負(fù)載端配置完畢，主動(dòng)電機(jī)將按照輸入的工況要求分步運(yùn)行主動(dòng)電機(jī)，與此同時(shí)，負(fù)載端根據(jù)實(shí)時(shí)信息調(diào)節(jié)超級(jí)電容前端的調(diào)壓模塊和電子負(fù)載的配置參數(shù)。電機(jī)運(yùn)行的全程，總控制臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與顯示以及系統(tǒng)錯(cuò)誤提示，操作者可以根據(jù)顯示的信息判斷當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)。當(dāng)整車工況模擬完畢后，由操作人決定是否繼續(xù)模擬下一工況，如果繼續(xù)，程序則返回人工輸入模擬工況階段，如果結(jié)束，程序?qū)⑼顺觥?/p>

圖3 主控臺(tái)軟件控制結(jié)構(gòu)流程

系統(tǒng)中電機(jī)控制器的內(nèi)部控制機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)部控制機(jī)理結(jié)構(gòu)圖

永磁同步電機(jī)的控制采用的是電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，相比于SPWM算法，更高效、精準(zhǔn)。由圖4可以看出，首先由總控制臺(tái)給電機(jī)控制器發(fā)出指令，然后由電機(jī)控制器決定采用轉(zhuǎn)速控制模式還是扭矩控制模式。若采用轉(zhuǎn)速控制模式，則扭矩電流[isqref]由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)后的輸出值決定；若采用扭矩模式，則[isqref]由電機(jī)控制器的輸入值決定。電機(jī)控制器的整個(gè)控制邏輯采用的是雙閉環(huán)控制，反饋量包括電機(jī)的定子電流[ia]和[ib、]由位置傳感器輸出的電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角位移與轉(zhuǎn)速[n。]電機(jī)的定子電流[ia]和[ib]利用公式[ic=-（ia+ib）]計(jì)算出[ic，]通過Clarke變換和Park變換將電流[ia，][ib，][ic]變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量[isd，][isq。][isd，][isq]則作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。根據(jù)機(jī)械轉(zhuǎn)角位移就可以計(jì)算出電角度[θe，]電角度[θe]用于參與Park變換和逆變換的計(jì)算，轉(zhuǎn)速[n]作為速度環(huán)的負(fù)反饋量。當(dāng)選擇轉(zhuǎn)速模式時(shí)，給定的轉(zhuǎn)速[nref]與轉(zhuǎn)速反饋量[n]的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流[q]軸參考量；當(dāng)選擇扭矩模式時(shí)，給定的[isqref]直接作用于電流[q]軸參考量。[isdref]由電機(jī)控制器給定，在必要時(shí)，此電流可以起到對(duì)電機(jī)內(nèi)部弱磁作用。[isqref]和[isdref]與電流反饋量[isd，][isq]的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出[dq]旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓[Vsqref]和[Vsdref。][Vsqref]和[Vsdref]再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成[αβ]直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量[Vsαref]和[Vsβref。]由此可確定其所在磁鏈軌跡的扇區(qū)，然后采用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)來控制逆變器。

在主動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的整個(gè)過程中，總控制臺(tái)與電機(jī)控制器持續(xù)地進(jìn)行信息交互，總控制臺(tái)實(shí)時(shí)的顯示主動(dòng)電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的軟硬件以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)驗(yàn)室的條件下進(jìn)行了全面的試驗(yàn)和調(diào)試。系統(tǒng)由總控制臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。主動(dòng)電機(jī)可模擬電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況，包括啟動(dòng)工況、正常行駛工況、加速/爬坡行駛工況、制動(dòng)/下坡行駛工況和剎車工況；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀實(shí)時(shí)地監(jiān)控主動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行情況；從動(dòng)電機(jī)在主動(dòng)電機(jī)的拖動(dòng)下，將轉(zhuǎn)換的電能加載到負(fù)載接口上，負(fù)載切換接口有效地根據(jù)需求切換輸出端負(fù)載；電子負(fù)載能夠按照要求配置相關(guān)的參數(shù)，并且穩(wěn)定的工作，超級(jí)電容組在前端調(diào)壓模塊的幫組下能夠高效快速地回收多余的能量。經(jīng)過實(shí)際測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，信息反饋及時(shí)準(zhǔn)確，執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)迅速，達(dá)到了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行、監(jiān)控能量走向及能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車的能源利用率的目的。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行以及超級(jí)電容組能量回收系統(tǒng)，采用雙永磁同步電機(jī)拖動(dòng)的方式，加入超級(jí)電容能量回收部分，通過CAN通信方式發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行和超級(jí)電容組能量回收的功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大，達(dá)到了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行以及采用超級(jí)電容組進(jìn)行能量回收的目的，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

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（2） 主動(dòng)永磁同步電機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速的測量部分。此部分采用的是JN338型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀。通過這一部分的測量可以直觀地觀測電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行情況，更有助于第一部分的監(jiān)控與計(jì)算；

（3） 從動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電和負(fù)載切換部分。此部分包含從動(dòng)永磁同步電機(jī)，電機(jī)型號(hào)與第一部分的永磁同步電機(jī)相同，還包括三相整流橋和輸出切換部分。主動(dòng)永磁同步電機(jī)在運(yùn)行的情況下，拖動(dòng)從動(dòng)永磁同步電機(jī)，從動(dòng)永磁同步電機(jī)當(dāng)做發(fā)電機(jī)使用，電機(jī)三相輸出端接到整流橋，整流橋的輸出端根據(jù)不同的要求接到不同的負(fù)載上，以改變主動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行的負(fù)載，進(jìn)而模擬不同的工況；

（4） 包含美爾諾電子有限公司生產(chǎn)的M9711電子負(fù)載和錦州凱美公司生產(chǎn)的400 V/20 F的超級(jí)電容組能量回收部分。此部分的電子負(fù)載各項(xiàng)參數(shù)可調(diào)，超級(jí)電容組的前端帶有可控的單向BUCK?BOOST電壓轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)主動(dòng)永磁同步電機(jī)模擬整車運(yùn)行時(shí)，不需要進(jìn)行能量回收，整流橋輸出端接在電子負(fù)載端，以模擬不同的工況；當(dāng)需要進(jìn)行能量回收時(shí)，如整車的減速和制動(dòng)的過程中，整流橋的輸出端就接在電壓轉(zhuǎn)換模塊，為超級(jí)電容組充電。通過改變控制電壓轉(zhuǎn)換模塊控制信號(hào)的占空比來改變超級(jí)電容的充電電壓與電流，即可模擬不同的負(fù)載。

3 電動(dòng)汽車運(yùn)行模擬的控制機(jī)理

總控制臺(tái)是系統(tǒng)控制和監(jiān)測的核心，所有的輸入信息由總控制臺(tái)接收，所有的控制邏輯都是由總控制臺(tái)判斷，所有的反饋信息也是返回到總控制臺(tái)進(jìn)行檢測和顯示?？偪刂婆_(tái)信息的輸入、反饋信號(hào)的接收以及控制信號(hào)的發(fā)出如圖2所示。

圖2 總控制臺(tái)結(jié)構(gòu)

輸入信息包括輸入模擬路況情況與電機(jī)的啟停控制；反饋信息包括電源輸入功率、主動(dòng)電機(jī)運(yùn)行功率、從動(dòng)電機(jī)發(fā)電功率、電子負(fù)載消耗功率、逆變橋輸出電壓、超級(jí)電容充電功率和故障信號(hào)等；控制信號(hào)包括為電機(jī)控制器設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，切換整流橋輸出端的負(fù)載，設(shè)置電子負(fù)載的參數(shù)，調(diào)節(jié)超級(jí)電容組前端電壓轉(zhuǎn)換模塊的電壓等。

本系統(tǒng)主控臺(tái)的軟件控制機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)上電初期，等待硬件上電完畢，軟件程序開始初始化。初始化結(jié)束后，程序開始讀取當(dāng)前系統(tǒng)的信息判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，如讀取電源電壓、主動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、超級(jí)電容組輸入端電壓、判斷當(dāng)前狀態(tài)有無錯(cuò)誤、各部分間連接是否異常。當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束后，總控制臺(tái)將人工輸入當(dāng)前所要模擬的整車工況，然后程序開始設(shè)置下一步的參數(shù)。根據(jù)輸入的模擬工況開始初始化主動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的參數(shù)，并且判斷系統(tǒng)是否要進(jìn)行能量回收，如果需要能量回收，則將輸出負(fù)載端接到超級(jí)電容組的一端。如果不需要能量回收，則將輸出負(fù)載端接到電子負(fù)載端，并初步設(shè)置電子負(fù)載的參數(shù)。等待負(fù)載端配置完畢，主動(dòng)電機(jī)將按照輸入的工況要求分步運(yùn)行主動(dòng)電機(jī)，與此同時(shí)，負(fù)載端根據(jù)實(shí)時(shí)信息調(diào)節(jié)超級(jí)電容前端的調(diào)壓模塊和電子負(fù)載的配置參數(shù)。電機(jī)運(yùn)行的全程，總控制臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與顯示以及系統(tǒng)錯(cuò)誤提示，操作者可以根據(jù)顯示的信息判斷當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)。當(dāng)整車工況模擬完畢后，由操作人決定是否繼續(xù)模擬下一工況，如果繼續(xù)，程序則返回人工輸入模擬工況階段，如果結(jié)束，程序?qū)⑼顺觥?/p>

圖3 主控臺(tái)軟件控制結(jié)構(gòu)流程

系統(tǒng)中電機(jī)控制器的內(nèi)部控制機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)部控制機(jī)理結(jié)構(gòu)圖

永磁同步電機(jī)的控制采用的是電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，相比于SPWM算法，更高效、精準(zhǔn)。由圖4可以看出，首先由總控制臺(tái)給電機(jī)控制器發(fā)出指令，然后由電機(jī)控制器決定采用轉(zhuǎn)速控制模式還是扭矩控制模式。若采用轉(zhuǎn)速控制模式，則扭矩電流[isqref]由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)后的輸出值決定；若采用扭矩模式，則[isqref]由電機(jī)控制器的輸入值決定。電機(jī)控制器的整個(gè)控制邏輯采用的是雙閉環(huán)控制，反饋量包括電機(jī)的定子電流[ia]和[ib、]由位置傳感器輸出的電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角位移與轉(zhuǎn)速[n。]電機(jī)的定子電流[ia]和[ib]利用公式[ic=-（ia+ib）]計(jì)算出[ic，]通過Clarke變換和Park變換將電流[ia，][ib，][ic]變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量[isd，][isq。][isd，][isq]則作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。根據(jù)機(jī)械轉(zhuǎn)角位移就可以計(jì)算出電角度[θe，]電角度[θe]用于參與Park變換和逆變換的計(jì)算，轉(zhuǎn)速[n]作為速度環(huán)的負(fù)反饋量。當(dāng)選擇轉(zhuǎn)速模式時(shí)，給定的轉(zhuǎn)速[nref]與轉(zhuǎn)速反饋量[n]的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流[q]軸參考量；當(dāng)選擇扭矩模式時(shí)，給定的[isqref]直接作用于電流[q]軸參考量。[isdref]由電機(jī)控制器給定，在必要時(shí)，此電流可以起到對(duì)電機(jī)內(nèi)部弱磁作用。[isqref]和[isdref]與電流反饋量[isd，][isq]的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出[dq]旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓[Vsqref]和[Vsdref。][Vsqref]和[Vsdref]再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成[αβ]直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量[Vsαref]和[Vsβref。]由此可確定其所在磁鏈軌跡的扇區(qū)，然后采用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)來控制逆變器。

在主動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的整個(gè)過程中，總控制臺(tái)與電機(jī)控制器持續(xù)地進(jìn)行信息交互，總控制臺(tái)實(shí)時(shí)的顯示主動(dòng)電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的軟硬件以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)驗(yàn)室的條件下進(jìn)行了全面的試驗(yàn)和調(diào)試。系統(tǒng)由總控制臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。主動(dòng)電機(jī)可模擬電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況，包括啟動(dòng)工況、正常行駛工況、加速/爬坡行駛工況、制動(dòng)/下坡行駛工況和剎車工況；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀實(shí)時(shí)地監(jiān)控主動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行情況；從動(dòng)電機(jī)在主動(dòng)電機(jī)的拖動(dòng)下，將轉(zhuǎn)換的電能加載到負(fù)載接口上，負(fù)載切換接口有效地根據(jù)需求切換輸出端負(fù)載；電子負(fù)載能夠按照要求配置相關(guān)的參數(shù)，并且穩(wěn)定的工作，超級(jí)電容組在前端調(diào)壓模塊的幫組下能夠高效快速地回收多余的能量。經(jīng)過實(shí)際測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，信息反饋及時(shí)準(zhǔn)確，執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)迅速，達(dá)到了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行、監(jiān)控能量走向及能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車的能源利用率的目的。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行以及超級(jí)電容組能量回收系統(tǒng)，采用雙永磁同步電機(jī)拖動(dòng)的方式，加入超級(jí)電容能量回收部分，通過CAN通信方式發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行和超級(jí)電容組能量回收的功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大，達(dá)到了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行以及采用超級(jí)電容組進(jìn)行能量回收的目的，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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（2） 主動(dòng)永磁同步電機(jī)的扭矩與轉(zhuǎn)速的測量部分。此部分采用的是JN338型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀。通過這一部分的測量可以直觀地觀測電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行情況，更有助于第一部分的監(jiān)控與計(jì)算；

（3） 從動(dòng)永磁同步電機(jī)發(fā)電和負(fù)載切換部分。此部分包含從動(dòng)永磁同步電機(jī)，電機(jī)型號(hào)與第一部分的永磁同步電機(jī)相同，還包括三相整流橋和輸出切換部分。主動(dòng)永磁同步電機(jī)在運(yùn)行的情況下，拖動(dòng)從動(dòng)永磁同步電機(jī)，從動(dòng)永磁同步電機(jī)當(dāng)做發(fā)電機(jī)使用，電機(jī)三相輸出端接到整流橋，整流橋的輸出端根據(jù)不同的要求接到不同的負(fù)載上，以改變主動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)行的負(fù)載，進(jìn)而模擬不同的工況；

（4） 包含美爾諾電子有限公司生產(chǎn)的M9711電子負(fù)載和錦州凱美公司生產(chǎn)的400 V/20 F的超級(jí)電容組能量回收部分。此部分的電子負(fù)載各項(xiàng)參數(shù)可調(diào)，超級(jí)電容組的前端帶有可控的單向BUCK?BOOST電壓轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)主動(dòng)永磁同步電機(jī)模擬整車運(yùn)行時(shí)，不需要進(jìn)行能量回收，整流橋輸出端接在電子負(fù)載端，以模擬不同的工況；當(dāng)需要進(jìn)行能量回收時(shí)，如整車的減速和制動(dòng)的過程中，整流橋的輸出端就接在電壓轉(zhuǎn)換模塊，為超級(jí)電容組充電。通過改變控制電壓轉(zhuǎn)換模塊控制信號(hào)的占空比來改變超級(jí)電容的充電電壓與電流，即可模擬不同的負(fù)載。

3 電動(dòng)汽車運(yùn)行模擬的控制機(jī)理

總控制臺(tái)是系統(tǒng)控制和監(jiān)測的核心，所有的輸入信息由總控制臺(tái)接收，所有的控制邏輯都是由總控制臺(tái)判斷，所有的反饋信息也是返回到總控制臺(tái)進(jìn)行檢測和顯示。總控制臺(tái)信息的輸入、反饋信號(hào)的接收以及控制信號(hào)的發(fā)出如圖2所示。

圖2 總控制臺(tái)結(jié)構(gòu)

輸入信息包括輸入模擬路況情況與電機(jī)的啟?？刂疲环答佇畔娫摧斎牍β省⒅鲃?dòng)電機(jī)運(yùn)行功率、從動(dòng)電機(jī)發(fā)電功率、電子負(fù)載消耗功率、逆變橋輸出電壓、超級(jí)電容充電功率和故障信號(hào)等；控制信號(hào)包括為電機(jī)控制器設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，切換整流橋輸出端的負(fù)載，設(shè)置電子負(fù)載的參數(shù)，調(diào)節(jié)超級(jí)電容組前端電壓轉(zhuǎn)換模塊的電壓等。

本系統(tǒng)主控臺(tái)的軟件控制機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)上電初期，等待硬件上電完畢，軟件程序開始初始化。初始化結(jié)束后，程序開始讀取當(dāng)前系統(tǒng)的信息判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，如讀取電源電壓、主動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置、超級(jí)電容組輸入端電壓、判斷當(dāng)前狀態(tài)有無錯(cuò)誤、各部分間連接是否異常。當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束后，總控制臺(tái)將人工輸入當(dāng)前所要模擬的整車工況，然后程序開始設(shè)置下一步的參數(shù)。根據(jù)輸入的模擬工況開始初始化主動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的參數(shù)，并且判斷系統(tǒng)是否要進(jìn)行能量回收，如果需要能量回收，則將輸出負(fù)載端接到超級(jí)電容組的一端。如果不需要能量回收，則將輸出負(fù)載端接到電子負(fù)載端，并初步設(shè)置電子負(fù)載的參數(shù)。等待負(fù)載端配置完畢，主動(dòng)電機(jī)將按照輸入的工況要求分步運(yùn)行主動(dòng)電機(jī)，與此同時(shí)，負(fù)載端根據(jù)實(shí)時(shí)信息調(diào)節(jié)超級(jí)電容前端的調(diào)壓模塊和電子負(fù)載的配置參數(shù)。電機(jī)運(yùn)行的全程，總控制臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與顯示以及系統(tǒng)錯(cuò)誤提示，操作者可以根據(jù)顯示的信息判斷當(dāng)前運(yùn)行的狀態(tài)。當(dāng)整車工況模擬完畢后，由操作人決定是否繼續(xù)模擬下一工況，如果繼續(xù)，程序則返回人工輸入模擬工況階段，如果結(jié)束，程序?qū)⑼顺觥?/p>

圖3 主控臺(tái)軟件控制結(jié)構(gòu)流程

系統(tǒng)中電機(jī)控制器的內(nèi)部控制機(jī)理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)部控制機(jī)理結(jié)構(gòu)圖

永磁同步電機(jī)的控制采用的是電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，相比于SPWM算法，更高效、精準(zhǔn)。由圖4可以看出，首先由總控制臺(tái)給電機(jī)控制器發(fā)出指令，然后由電機(jī)控制器決定采用轉(zhuǎn)速控制模式還是扭矩控制模式。若采用轉(zhuǎn)速控制模式，則扭矩電流[isqref]由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)后的輸出值決定；若采用扭矩模式，則[isqref]由電機(jī)控制器的輸入值決定。電機(jī)控制器的整個(gè)控制邏輯采用的是雙閉環(huán)控制，反饋量包括電機(jī)的定子電流[ia]和[ib、]由位置傳感器輸出的電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)角位移與轉(zhuǎn)速[n。]電機(jī)的定子電流[ia]和[ib]利用公式[ic=-（ia+ib）]計(jì)算出[ic，]通過Clarke變換和Park變換將電流[ia，][ib，][ic]變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量[isd，][isq。][isd，][isq]則作為電流環(huán)的負(fù)反饋量。根據(jù)機(jī)械轉(zhuǎn)角位移就可以計(jì)算出電角度[θe，]電角度[θe]用于參與Park變換和逆變換的計(jì)算，轉(zhuǎn)速[n]作為速度環(huán)的負(fù)反饋量。當(dāng)選擇轉(zhuǎn)速模式時(shí)，給定的轉(zhuǎn)速[nref]與轉(zhuǎn)速反饋量[n]的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流[q]軸參考量；當(dāng)選擇扭矩模式時(shí)，給定的[isqref]直接作用于電流[q]軸參考量。[isdref]由電機(jī)控制器給定，在必要時(shí)，此電流可以起到對(duì)電機(jī)內(nèi)部弱磁作用。[isqref]和[isdref]與電流反饋量[isd，][isq]的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出[dq]旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓[Vsqref]和[Vsdref。][Vsqref]和[Vsdref]再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成[αβ]直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量[Vsαref]和[Vsβref。]由此可確定其所在磁鏈軌跡的扇區(qū)，然后采用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號(hào)來控制逆變器。

在主動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的整個(gè)過程中，總控制臺(tái)與電機(jī)控制器持續(xù)地進(jìn)行信息交互，總控制臺(tái)實(shí)時(shí)的顯示主動(dòng)電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)的軟硬件以及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，在實(shí)驗(yàn)室的條件下進(jìn)行了全面的試驗(yàn)和調(diào)試。系統(tǒng)由總控制臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。主動(dòng)電機(jī)可模擬電動(dòng)汽車的運(yùn)行工況，包括啟動(dòng)工況、正常行駛工況、加速/爬坡行駛工況、制動(dòng)/下坡行駛工況和剎車工況；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀實(shí)時(shí)地監(jiān)控主動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行情況；從動(dòng)電機(jī)在主動(dòng)電機(jī)的拖動(dòng)下，將轉(zhuǎn)換的電能加載到負(fù)載接口上，負(fù)載切換接口有效地根據(jù)需求切換輸出端負(fù)載；電子負(fù)載能夠按照要求配置相關(guān)的參數(shù)，并且穩(wěn)定的工作，超級(jí)電容組在前端調(diào)壓模塊的幫組下能夠高效快速地回收多余的能量。經(jīng)過實(shí)際測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，信息反饋及時(shí)準(zhǔn)確，執(zhí)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)迅速，達(dá)到了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行、監(jiān)控能量走向及能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提高電動(dòng)汽車的能源利用率的目的。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行以及超級(jí)電容組能量回收系統(tǒng)，采用雙永磁同步電機(jī)拖動(dòng)的方式，加入超級(jí)電容能量回收部分，通過CAN通信方式發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行和超級(jí)電容組能量回收的功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大，達(dá)到了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行以及采用超級(jí)電容組進(jìn)行能量回收的目的，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

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