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        低速電動車用電機(jī)控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

        2015-04-02 20:45:51王艷許燁王世國李素雙
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年10期
        關(guān)鍵詞:新能源

        王艷 許燁 王世國 李素雙

        摘 要:文章針對低速電動汽車,設(shè)計了一款基于DSP芯片的交流異步電機(jī)控制器。根據(jù)低速電動車運行環(huán)境、使用便捷性及安全性的要求,給出電機(jī)控制器的整體設(shè)計方案和詳細(xì)的電路實現(xiàn)方法。實踐證明,該款控制器對電機(jī)適用性強(qiáng),效率高,各種保護(hù)功能齊全。

        關(guān)鍵詞:新能源;交流異步電機(jī);電機(jī)控制器;DSP

        引言

        隨著新能源產(chǎn)業(yè)的興起,電動汽車以低成本運營,綠色環(huán)保等優(yōu)勢進(jìn)入到人們的生活中。低速電動車作為一種新型的代步工具,在農(nóng)村占據(jù)了很大的市場。但是低速電動車目前使用的電機(jī)及控制器大多為直流有刷控制系統(tǒng)。直流有刷控制系統(tǒng)的缺點是電機(jī)維護(hù)費用高,最高轉(zhuǎn)速低,爬坡能力有限,這些因素一直制約著低速電動車的推廣。交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)可以有效克服直流有刷控制系統(tǒng)的缺點,但是價格偏高。本設(shè)計在電路設(shè)計及器件選型上做了大量的分析及試驗驗證,提供了一種操作簡單,價格低廉的低速電動車用交流異步電機(jī)控制器。

        1 電機(jī)控制器系統(tǒng)設(shè)計

        電動汽車電機(jī)控制器主要工作方式為扭矩控制方式。工作原理為:采集車輛油門踏板的信號和電機(jī)速度傳感器信號作為輸入,根據(jù)檢測到的電機(jī)U、V、W的相電流做閉環(huán)反饋,得到電機(jī)驅(qū)動需要的PWM波形。同時,電機(jī)控制器需要實時監(jiān)測電機(jī)的溫度信號、電流大小、控制器的溫度信號、電壓信號等,保障控制系統(tǒng)的安全及行車的安全。為了方便實現(xiàn)對電機(jī)參數(shù)的匹配設(shè)置及整車特性的設(shè)置,專門設(shè)計了CAN總線通信電路,提高了控制器使用的方便性及故障定位的便捷性。本設(shè)計共由三部分組成,控制板、功率板及電容。基于上述功能,本設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

        控制器的主芯片采用TI公司的TMS320LF2406,該款芯片將實時處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身,為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個理想的解決方案??刂破鞯耐鈬娐分饕ǎ耗M量檢測電路、開關(guān)量檢測電路、電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、轉(zhuǎn)速采集電路及CAN通信電路、參數(shù)存電路。

        1.1 模擬量檢測電路

        模擬量檢測電路通過運放完成對輸入油門踏板信號的采集功能。如圖2所示。

        圖2 模擬量檢測電路原理圖

        1.2 電流檢測電路

        電流檢測電路是電機(jī)控制器系統(tǒng)的重要組成部分,電路如圖3所示。電流采樣的準(zhǔn)確性影響電機(jī)相電壓矢量三角形的閉合性,即影響電機(jī)的效率及運行的平穩(wěn)性。但是由于集成的電流傳感器價格比較貴,本設(shè)計采用Allegro公司的A1326芯片,配合磁環(huán)進(jìn)行電流的檢測,通過改變磁環(huán)的磁場氣隙,可以調(diào)整電流的檢測范圍。實踐證明,使用該電路可以實現(xiàn)對電流的準(zhǔn)確采集。

        1.3 電壓檢測電路

        電壓檢測電路可以通過檢測電池的端電壓,實現(xiàn)對電池的過欠壓報警,如圖4所示。由于蓄電池的工作電壓范圍比較寬,為了準(zhǔn)確檢測到最高電壓和最低電壓,本設(shè)計采用了雙運放分段采集的方式。其中,低電壓由U8A檢測,高電壓由U8B部分電路檢測。低電壓段輸出:V0=(R58*(1/(R57+R45)+1/R58+1/R56)*Vi+)-R58/R56*VREF。高電壓段輸出:V1=(R49*(1/R52+1/R49+1/R50)*Vi+)-R49/R50*VREF。其中,Vi+=R48/(R37+R48)*Udc,VREF=3.0Vdc。此種檢測方法大大提高了電壓的采集精度,而且電路簡單,器件便宜。

        圖4 電壓檢測電路原理圖

        1.4 溫度檢測電路

        圖5為電機(jī)溫度檢測電路。將電機(jī)溫度傳感器信號從motor_temp信號端引入。通過更改R2、R3電阻的值,可以實現(xiàn)匹配不同型號的溫度傳感器,如PT100,KTY84等。

        圖5 溫度檢測電路原理圖

        1.5 轉(zhuǎn)速采集電路

        本設(shè)計所應(yīng)用的場合是低速電動車,所以電機(jī)使用的轉(zhuǎn)速傳感器大多數(shù)為編碼器。采集電路如圖6所示。通過設(shè)置電阻R172、R62、R66和R67,以及R173、R61、R64和R65的值,實現(xiàn)對不同電壓類型編碼器的信號采集。

        圖6 轉(zhuǎn)速采集電路原理圖

        1.6 CAN通信電路

        CAN通信電路采用CAN收發(fā)電路82C250實現(xiàn),如圖7所示。在CAN的輸出端增加共模濾波電感L10,增強(qiáng)了CAN總線的抗干擾性。

        1.7 參數(shù)存儲電路

        參數(shù)存儲功能使用EEPROM芯片ST93C66,如圖8所示。通過CAN總線傳入的設(shè)置參數(shù),存儲在非易失性EEPROM中,以適應(yīng)對不同電機(jī)參數(shù)的匹配。同時,電機(jī)及控制器如果出現(xiàn)故障,也可以將故障代碼存儲在該EEPROM中,然后通過CAN總線發(fā)送出去,方便用戶對設(shè)備的故障定位及檢修。

        圖8 參數(shù)存儲電路原理圖

        2 結(jié)束語

        文章詳細(xì)論述了采用 TMS320LF2406 DSP為核心的低速車交流異步電機(jī)控制器的硬件設(shè)計,給出了模擬量采集、電流采集、電壓采集、CAN通信等電路的設(shè)計方法及器件選型。本電機(jī)控制器通過臺架測試及實際車輛道路測試,證明硬件電路工作可靠,控制器效率達(dá)到95%以上,各種保護(hù)功能完善。通過CAN總線進(jìn)行電機(jī)匹配設(shè)置及故障讀取,增強(qiáng)了控制器的可操作性,方便了用戶使用。圖9為該款控制器安裝圖。

        圖9 控制器實車安裝圖

        參考文獻(xiàn)

        [1]王曉明.電動機(jī)的DSP控制:TI公司DSP應(yīng)用(第2版)[M].北京航天大學(xué)出版社,2009.

        [2]"Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor using TMS320F240"Texas Instrument 1998,3.

        作者簡介:王艷(1978-),黑龍江哈爾濱人,碩士,工程師,研究方向:電動驅(qū)動及控制。

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