敬一立，李凌杰

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

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電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

敬一立，李凌杰

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

摘 要：通過試驗(yàn)研究了電動(dòng)汽車的電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)過程。介紹了電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案、軟件實(shí)現(xiàn)、仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，本次研究為以后的電動(dòng)汽車電機(jī)控制找到了一定的研究方向和數(shù)據(jù)支持，在具體的平臺(tái)中完成了軟件模擬以及硬件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了CPLD和DSP雙核工作的框架要求，完成了通信及數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)際運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 電機(jī)控制系統(tǒng) 仿真平臺(tái)

0 引言

近些年來世界資源不斷減少，特別是石油趨于匱乏。與此同時(shí)我國(guó)的汽車保有量卻在逐年的增長(zhǎng)，不僅增大了環(huán)境壓力同時(shí)對(duì)汽油的使用量也是增加巨大?；谶@種情況，電動(dòng)汽車作為一種清潔節(jié)能型汽車有了很大的發(fā)展空間。在發(fā)展電動(dòng)汽車中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)就是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被分為兩種：一種是交流驅(qū)動(dòng)，一種是直流驅(qū)動(dòng)。早期由于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，其調(diào)速的范圍相對(duì)較廣，制動(dòng)力矩比較大等優(yōu)點(diǎn)使得直流驅(qū)動(dòng)器在汽車電機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是技術(shù)的革新使得交流電機(jī)不在需要換向器而且體積更小，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單易于維護(hù)，這些優(yōu)點(diǎn)使得目前交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)成為電車驅(qū)動(dòng)的主流。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的好壞直接關(guān)系到電車的產(chǎn)業(yè)進(jìn)化和發(fā)展，所以進(jìn)行電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)體統(tǒng)非常重要。下面就具體介紹一下電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)。

1 平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

1.1目標(biāo)定位與設(shè)計(jì)思想

此次設(shè)計(jì)的最終目的是提供一個(gè)開放性較好工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)值化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化的仿真平臺(tái)，具體的設(shè)計(jì)圖如圖1。

這個(gè)平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的仿真，還能完成電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)兩者結(jié)果的分析和對(duì)比。整個(gè)系統(tǒng)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器、PC機(jī)、交流感應(yīng)電機(jī)、直流電源以及LabVIEW系統(tǒng)組成。PC機(jī)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的仿真功能、控制算法、參數(shù)整定，PC機(jī)還可以與電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器直接聯(lián)系和通信實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

圖 1 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PC機(jī)的PXI系統(tǒng)：這種系統(tǒng)包含了通信數(shù)據(jù)采集需要的高速卡板以及微型計(jì)算機(jī)。實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制信息的通信完成電機(jī)控制，其中高速采集板可以采集到電池組、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際電流/電壓、驅(qū)動(dòng)器工作中的溫度等信息。微型計(jì)算機(jī)是整個(gè)控制的核心部位，可以起到電機(jī)的實(shí)驗(yàn)和仿真作用；電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器：交流電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是耦合性和變性強(qiáng)，在控制中要具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，在芯片的選擇上需要有較快的計(jì)算速度，其處理器主要是DSP+CPLD的雙CPU結(jié)構(gòu)?？刂破鞯墓β什糠种饕侨鄻蚴侥阕冸娐罚瑢?36V的直流電池變?yōu)榻涣麟妬韺?duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?？刂撇糠钟赏ㄐ拍K、信號(hào)采集模塊以及控制輸出模塊組成，其原理是實(shí)現(xiàn)外部信號(hào)的采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析檢測(cè)故障，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正常工作，上層軟件LabVIEW實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制通信，進(jìn)行參數(shù)配置；直流電源，其目的是提供高壓直流電，但是這樣的直流電要經(jīng)過逆變橋堆的轉(zhuǎn)換變頻和變壓變成三相交流電，用DC/CD轉(zhuǎn)換器變成24 V的低壓驅(qū)動(dòng)供電。

1.3系統(tǒng)底層軟件設(shè)計(jì)

為了滿足底層系統(tǒng)要求控制器采用了CPLD 和DSP雙核工作的框架。其中CPLD主要實(shí)現(xiàn)故障的診斷和保護(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)量的采集處理，是對(duì)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制；DSP實(shí)現(xiàn)電機(jī)的數(shù)字控制，產(chǎn)生PWM信號(hào)，采集模擬信號(hào)以及編碼脈沖實(shí)現(xiàn)上層軟件的通信。底層模塊設(shè)計(jì)主要包括了：流程控制模塊，實(shí)現(xiàn)程序的初始化、啟動(dòng)和故障處理以及真?zhèn)€運(yùn)行和停止；故障處理和保障模塊，這部分是由CPLD與DSP共同協(xié)調(diào)完成；控制算法模塊，針對(duì)的是脈沖調(diào)制算法和轉(zhuǎn)矩控制算法；數(shù)據(jù)通信模塊，是上層軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換以及其他控制部位的數(shù)據(jù)整理；數(shù)字采集和處理模塊，采取的是數(shù)字濾波和信號(hào)采集；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模塊，將驅(qū)動(dòng)控制的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定后保存。

1.4系統(tǒng)上層軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上層軟件設(shè)計(jì)就是整個(gè)軟件平臺(tái)的操作環(huán)境設(shè)計(jì)，上層也是實(shí)驗(yàn)和仿真的平臺(tái)入口。其性能好壞關(guān)系到以上系統(tǒng)的便捷和可操作性，在上層軟件開發(fā)中要跟上后續(xù)平臺(tái)的使用還要進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)和升級(jí)。

1.4.1設(shè)計(jì)思想與遵循原則

上層軟件平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)要體現(xiàn)出實(shí)用性、可操作性、安全性、可維護(hù)性以及先進(jìn)性和開放性，同時(shí)讓平臺(tái)的使用得到功能保護(hù)，可以判斷使用條件，設(shè)定使用限制，同時(shí)要保證符合時(shí)代發(fā)展的要求，具有一定科技含量，只有這樣才能保證以上平臺(tái)使用時(shí)達(dá)到最終的目的，滿足客戶需求。

1.4.2系統(tǒng)上層軟件功能模塊設(shè)計(jì)

此次系統(tǒng)上層軟件功能模塊設(shè)計(jì)原理是實(shí)行總—分原則。即在幾個(gè)大的模塊下進(jìn)行很多個(gè)小模塊的設(shè)計(jì)。例如在電機(jī)控制仿真模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K下再次分出更多個(gè)小的模塊，將各個(gè)模塊封裝起來可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)層次的模塊獨(dú)立完成各項(xiàng)任務(wù)實(shí)現(xiàn)功能獨(dú)立化 。將整個(gè)大系統(tǒng)化整為零，實(shí)現(xiàn)模塊管理的井然有序，防止出現(xiàn)重復(fù)性工作。對(duì)上層軟件的設(shè)計(jì)主要被分為幾個(gè)大模塊：1）通信及數(shù)據(jù)采集模塊，可以實(shí)現(xiàn)卡板數(shù)據(jù)收集和CANopen通信，用CANopen通信模塊的內(nèi)部讀取和寫入功能不僅可以發(fā)送電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的協(xié)議還可以接受外部協(xié)議，用卡板數(shù)據(jù)來收集電機(jī)的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速等信號(hào)；2）電機(jī)控制仿真模塊，可以進(jìn)行PI參數(shù)設(shè)定和算法仿真，進(jìn)行PI參數(shù)的整定實(shí)現(xiàn)電機(jī)的算法仿真還可以進(jìn)行控制改善；3）電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K，其中包括了電機(jī)控制、工況配置、參數(shù)配置，其控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向以及電機(jī)的啟動(dòng)和停止等，還能夠顯示出實(shí)際驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)和溫度變化等；4）工程更新模塊，可以進(jìn)行DSP的工程重新編寫工作；5）對(duì)比模塊，用于各個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的指標(biāo)對(duì)比同時(shí)顯示出數(shù)據(jù)之間的差異起到分析和驗(yàn)證的作用；6）遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)?zāi)K，主要采取網(wǎng)絡(luò)訪問形式，對(duì)所有在線用戶，進(jìn)行合理分配操作權(quán)限，控制實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；7）數(shù)據(jù)管理模塊，主要有數(shù)據(jù)庫管理和用戶管理兩個(gè)模塊組成，用戶管理由個(gè)人信息管理和用戶權(quán)限管理兩部分組成，數(shù)據(jù)庫管理可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)還可以進(jìn)行相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)的下載和上傳等。

2 平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)

2.1電機(jī)控制仿真模塊的實(shí)現(xiàn)

要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制仿真模塊，就要進(jìn)行混合編程、電機(jī)算法控制以及PI參數(shù)的整定。首先要導(dǎo)入電機(jī)實(shí)際控制的算法，PI參數(shù)整定可以將繁雜的系統(tǒng)參數(shù)變得簡(jiǎn)化，這樣混合式的編程使得系統(tǒng)在使用中變得更加方便。

2.1.1混合編程的實(shí)現(xiàn)

利用SIT工具包來調(diào)用simulink模型，現(xiàn)將simulink模型導(dǎo)入到LabVIEW的環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)兩者的混合編程，實(shí)際上他們共同用一個(gè)模型接口，使用中兩者都處于運(yùn)行狀態(tài)，具體操作方法是:在simulink環(huán)境下建立一個(gè)仿真模型然后輸入相關(guān)變量，在LabVIEW中建立起一個(gè)控制頁面，通過SIT將以上兩者的控制連接起來，在實(shí)際的使用中就可以進(jìn)行兩者的共同調(diào)用。具體的simulink 結(jié)構(gòu)圖如下：

2.1.2電機(jī)控制算法模塊的實(shí)現(xiàn)

1） 矢量控制模型

矢量控制也叫做磁場(chǎng)定向控制，其原理是通過解耦操作，來控制交流電機(jī)，也就是在內(nèi)部磁場(chǎng)上做好定向坐標(biāo)，將矢量通過解耦的辦法變成電流分量和轉(zhuǎn)矩分量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)節(jié)控制。將三相電流通過三相靜止坐標(biāo)系分別分解到兩相坐標(biāo)垂直系上，將轉(zhuǎn)軸的方向朝著磁鏈方向，分成電流分量和轉(zhuǎn)矩分量，來控制直流電機(jī)。按照這種思想，將坐標(biāo)進(jìn)行向量變化，可以求得控制量坐標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)三相交流電機(jī)的控制，根據(jù)磁鏈上的觀測(cè)器可以得出轉(zhuǎn)子的磁鏈實(shí)際位置，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)化得到定子的電路分量和勵(lì)磁分量，這些量的反饋信息會(huì)被PI控制器捕捉到，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的數(shù)據(jù)控制。

2） 直流轉(zhuǎn)矩控制模塊

直流轉(zhuǎn)矩控制方法是離散型的兩點(diǎn)式調(diào)節(jié)方法，可以避免復(fù)雜的坐標(biāo)變化和繁雜計(jì)算，直接根據(jù)電機(jī)的定子坐標(biāo)來計(jì)算轉(zhuǎn)矩的大小和磁鏈的幅值，這樣可以達(dá)到快速響應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，來彌補(bǔ)矢量控制的不足。其原理是：將檢查到的定子上三相電流，分解成坐標(biāo)矢量，通過轉(zhuǎn)矩觀測(cè)器和磁鏈觀測(cè)器得出轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實(shí)際值，將兩者的實(shí)際值和期望值之間的差值放入到模型當(dāng)中，通過模型調(diào)整差值，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的自動(dòng)控制。選擇一個(gè)合適的開關(guān)狀態(tài)來控制逆變器輸出，這時(shí)的PI 輸出實(shí)際上就是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩期望值。

2.2電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)?zāi)K的實(shí)現(xiàn)

2.2.1通信及數(shù)據(jù)采集模塊的實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集和通信是在CAN總線的前提下實(shí)現(xiàn)的，采用0B的擴(kuò)展格式，同時(shí)也參考了SAEJ1939的控制協(xié)議，整個(gè)協(xié)議的長(zhǎng)度為16個(gè)字節(jié)，分為校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)區(qū)和幀頭等協(xié)議數(shù)據(jù)格式如表1。其中的D0表示的是功能碼，有著不同的功能操作；D1是數(shù)據(jù)幀的編號(hào)，可以進(jìn)行排序?qū)2-D13上相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，D14-D15 可以進(jìn)行CRC的數(shù)據(jù)校驗(yàn)然后生成校驗(yàn)碼的高位符合地位。在實(shí)際應(yīng)用中可以設(shè)定電動(dòng)汽車的實(shí)際工況，采取16進(jìn)制來表示電機(jī)的控制數(shù)據(jù)，對(duì)16進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，可以起到屏蔽故障的功能。在驅(qū)動(dòng)控制中收集到的電機(jī)參數(shù)可以通過數(shù)字IO口以及報(bào)警協(xié)議發(fā)送至上層或者是下層的協(xié)議模塊，變成相關(guān)的波形或者是表格，顯示在實(shí)驗(yàn)者的面前。其實(shí)驗(yàn)工作原理如圖3。

表1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

圖3 工作原理圖

圖4 電機(jī)控制系統(tǒng)仿真圖

2.3對(duì)比分析模塊的實(shí)現(xiàn)

本次實(shí)驗(yàn)的對(duì)比分析模塊包括了導(dǎo)入模塊、對(duì)比模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。導(dǎo)入模塊采用自動(dòng)制動(dòng)導(dǎo)入數(shù)據(jù)的形勢(shì)，從數(shù)據(jù)庫中直接將實(shí)驗(yàn)或者是模擬得到的數(shù)據(jù)上傳進(jìn)去，檢測(cè)數(shù)據(jù)以后導(dǎo)入模塊被激活，就可以進(jìn)行選擇性比較，這里的數(shù)據(jù)分析模塊可以實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行上升時(shí)間以及穩(wěn)態(tài)誤差等最小值和最大值的計(jì)算處理，同時(shí)動(dòng)用相關(guān)函數(shù)進(jìn)行超量計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果進(jìn)行合理分析，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇性現(xiàn)實(shí)，得到我們想要的數(shù)據(jù)模型。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果分析

3.2異步電機(jī)矢量控制仿真

對(duì)于仿真前要做好參數(shù)的設(shè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的參數(shù)控制，在PI區(qū)進(jìn)行參數(shù)整定優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。調(diào)用MATLAB軟件工具，進(jìn)行調(diào)整，得出Kp、Ki的初始值，進(jìn)行參數(shù)設(shè)定完成后，可以進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過仿真后得到的初值是Kp=0.552、Ki=0.082得到的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為42.8 rad/s。通過仿真發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況中有較大的超調(diào)量，所以需要再次對(duì)以上兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過優(yōu)化后得到的Kp、Ki值分別為0.053和0.108，比較符合實(shí)際工作狀態(tài)。仿真圖如圖4。

3.3異步電機(jī)矢量控制實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)啟動(dòng)前要配置和調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)的，如PI參數(shù)、電機(jī)參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)以及AD參數(shù)等。本次實(shí)驗(yàn)以PI參數(shù)為例，在設(shè)定時(shí)可以根據(jù)自己的喜好將0作為屏蔽對(duì)應(yīng)故障，而1表示為不屏蔽對(duì)應(yīng)故障，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真平臺(tái)的自動(dòng)故障的檢測(cè)操作了。優(yōu)化后的PI值可以達(dá)到實(shí)際控制的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的故障控制。可以顯示出各個(gè)模擬量的區(qū)域轉(zhuǎn)速、母線電壓以及相電流的實(shí)際值和實(shí)際功率。其信息顯示如圖5。

圖5 電機(jī)控制信息顯示

4 結(jié)語

電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)研究，對(duì)未來電動(dòng)汽車的發(fā)展研究有著重大的意義。在本次研究中設(shè)計(jì)仿真平臺(tái)時(shí)主要從硬件設(shè)施方面和軟件方面進(jìn)行研究，來保證仿真平臺(tái)的實(shí)用性和可操作性，同時(shí)保證了設(shè)計(jì)平臺(tái)和實(shí)際電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)相符合。在進(jìn)行研究中充分利用現(xiàn)代高科技實(shí)現(xiàn)了整個(gè)平臺(tái)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，為以后的電機(jī)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是未來科研技術(shù)發(fā)展的方向。

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Jing Yili,Li Lingjie
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

Abstract：The design and implementation of the electric vehicle's motor control system simulation platform is studied through an experiment.The overall design scheme,software implementation,simulation and experimental results of the simulation platform of the electric vehicle motor control system are introduced.The software simulation and hardware structure design of the concrete platform are completed,the framework of the CPLD and DSP dual core is realized.The actual operation of the communication and data acquisition module is completed and the simulation platform of the electric vehicle's motor control system is realized.

Keywords:electric car; motor control system; simulation platform

作者簡(jiǎn)介：敬一立（1983-），男，工程師，研究方向：電氣工程。

收稿日期：2015-09-30

中圖分類號(hào)：TM301.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）02-0030-05