陳 慶，魏麗君，熊 異

(1.中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001)

基于DSP和弱磁控制算法的純電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)

陳 慶1，2，魏麗君2，熊 異2

(1.中南大學(xué)，長(zhǎng)沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001)

以TMS320F28035作為控制核心，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用額定電壓僅為48 V的低壓電機(jī)，設(shè)計(jì)了一套純電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)控制器及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制系算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高了電動(dòng)汽車安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中能提供盡可能大的轉(zhuǎn)矩和達(dá)到比較高的效率。

純電動(dòng)汽車；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；弱磁控制算法；效率優(yōu)化策略

0 引 言

能源問題是21世紀(jì)最主要的問題之一，電動(dòng)汽車作為一種新型能源汽車，是解決能源危機(jī)的一種有效途徑，因此，近年來，對(duì)電動(dòng)汽車的研究日趨增多。但總體來說，我國電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的研究還比較落后，自身研發(fā)能力不強(qiáng)。目前，大多數(shù)電動(dòng)汽車控制器的電機(jī)驅(qū)動(dòng)都是采用高壓加IGBT的形式，雖然增加了轉(zhuǎn)矩，但一旦漏電，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生致命危害。

針對(duì)此問題，本文以TMS320F28035作為控制核心，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用額定電壓僅為48 V的低壓電機(jī)，設(shè)計(jì)了一套純電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器及轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制系算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高了電動(dòng)汽車安全性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車在運(yùn)行過程中能提供盡可能大的轉(zhuǎn)矩和達(dá)到比較高的效率。

1 總體方案

整體設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。它主要包括異步電動(dòng)機(jī)控制器、三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、固定速比變速器、電池管理系統(tǒng)等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)與電池能量管理緊密相聯(lián)，而電池管理系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供可靠的供電保障。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分與電源管理部分通過CAN總線通訊。

圖1 車輛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文中，采用基于弱磁控制算法的電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的電機(jī)矢量控制算法，同時(shí)利用DSP實(shí)現(xiàn)基于電機(jī)弱磁控制算法，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖如圖2所示。首先通過對(duì)TMS320F2808的PWM模塊進(jìn)行配置，輸出6路可單獨(dú)控制PWM。得到改進(jìn)的弱磁控制算法，最后由帶直通的PWM來驅(qū)動(dòng)逆變器的功率管。

圖2 基于弱磁控制算法的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車電機(jī)控制器總體框圖和實(shí)物圖如圖3所示。本系統(tǒng)采用48 V電池作為控制器母線電壓輸入，主驅(qū)電機(jī)為鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，采用TMS320F28035作為控制器主控芯片，功率逆變橋部分采用大電流MOSFET并聯(lián)，電流采樣采用新型的電流采樣芯片MLX91205。整個(gè)控制器狀態(tài)的檢測(cè)采用上位機(jī)來監(jiān)測(cè)，控制器與上位機(jī)之間通過CAN通信來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 電動(dòng)汽車電機(jī)控制器框圖

電流檢測(cè)電路的連接圖如圖4所示。電路采用磁集極霍爾傳感器MLX91205。

磁集極霍爾傳感器具有和磁阻傳感器相當(dāng)?shù)臋z測(cè)靈敏度，但在非線性和磁滯現(xiàn)象方面得到了明顯改善，而且比一般的霍爾傳感器在靈敏度、非線性和磁滯現(xiàn)象方面都要好。它的典型響應(yīng)時(shí)間只有3 μs，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在PWM 控制以及過載保護(hù)中檢測(cè)電流信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)。

(a)未加導(dǎo)電條(b)加上導(dǎo)電條

圖4 MLX91205的實(shí)物連接圖

通過試驗(yàn)比較了距離與電流的關(guān)系，部分試驗(yàn)波形如圖5所示。由電磁學(xué)理論可知，距離r增大，磁場(chǎng)強(qiáng)度B減小。因此，傳感器和導(dǎo)線之間的距離越小，傳感器的輸出電壓就越大。

(a)r=9．2mm，I=52．7A，Umax=0．76V(b)r=16．2mm，I=52．8A，Umax=0．52V

(c)r=9．2mm，I=300A，Umax=3．4V(d)r=16．2mm，I=300A，Umax=2．6V

圖5 測(cè)試所得波形

3 高速時(shí)電機(jī)的弱磁控制

電機(jī)高速運(yùn)行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)需要在電機(jī)轉(zhuǎn)速提升時(shí)下降，即弱磁運(yùn)行。電動(dòng)汽車對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的弱磁運(yùn)行性能有較高要求，當(dāng)供電的電壓一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高后，轉(zhuǎn)子反電勢(shì)不斷升高，供電電壓無法滿足，所以弱磁控制方法的選擇非常重要。在滿足電機(jī)及逆變器的電壓和電流限制條件下，得到盡可能大的電機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出、功率輸出及良好的系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)特性。

電動(dòng)汽車電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和電池特性直接會(huì)影響電機(jī)逆變器的母線電壓，會(huì)使母線電壓產(chǎn)生波動(dòng),因此，為了可以在高速弱磁運(yùn)行狀態(tài)或其他全速度范圍內(nèi)保持電機(jī)轉(zhuǎn)矩可控性，電壓必須保持一定余量。因此，本文中首先假定母線電壓不變，按照磁鏈與速度成反比的關(guān)系進(jìn)行高速弱磁控制，這也是最常見的弱磁控制方法。

在以轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制下時(shí)有：

高速時(shí)電阻壓降可以忽略，從以上兩式可得：

采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向后，有：

電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，ωr≈ωs則：

從上式可以得出，在空載時(shí)可以保證U恒定不變，U隨電機(jī)負(fù)載增加而增加；另外逆變器母線電壓是波動(dòng)的，這給電機(jī)弱磁控制增加了難度。由此可得，傳統(tǒng)弱磁方法并不能在整個(gè)電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的弱磁控制算法，其控制框圖如圖6所示。同過判斷d軸和q軸電壓來判斷系統(tǒng)是否進(jìn)入弱磁區(qū)，在進(jìn)入弱磁區(qū)后，通過PI調(diào)節(jié)器來自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的分配。

(1)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，電機(jī)運(yùn)行在基速以下，在這個(gè)區(qū)域電機(jī)所需電壓矢量的幅值沒有超過usmax，電機(jī)運(yùn)行可以保證isd，isq達(dá)到其額定值，從而能夠產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。其電機(jī)電流分配方程如下：

圖6 本文采用的弱磁控制原理框圖

(2)恒功率區(qū)，弱磁區(qū)1，隨著轉(zhuǎn)速的增加，電動(dòng)機(jī)所需要的電壓矢量越來越大，當(dāng)ωs=ωbased時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行所需要的電壓矢量將達(dá)到usmax。隨著轉(zhuǎn)速的再增加，電壓矢量不可能超過usmax，因此調(diào)節(jié)器PI(e)將自動(dòng)調(diào)節(jié)減小勵(lì)磁電流isd，isd減小后，usq減小，isq將增加，usd同樣將增加，進(jìn)入電機(jī)弱磁控制狀態(tài)。依次反復(fù)，由PI調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)isd。而isq可表示：

(3)電機(jī)速度再增加后，將進(jìn)入恒電壓區(qū)。該區(qū)域的電流分配策略：

通過以上的三點(diǎn)設(shè)計(jì)分析，整個(gè)電機(jī)運(yùn)行過程中可以得到最大的轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)不需要查表，參數(shù)依賴性小，系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序主要進(jìn)行系統(tǒng)初始化和各個(gè)功能模塊的初始化，主要完成速度給定和轉(zhuǎn)矩給定控制，主程序下位機(jī)通過CAN總線與上位機(jī)進(jìn)行通信，主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4.1PWM定時(shí)器中斷程序設(shè)計(jì)

主中斷程序流程圖如圖8所示。中斷程序中主要執(zhí)行ADC模塊，進(jìn)行電壓采樣，同時(shí)依次完成Clarke變換，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，然后Park變換以及SVPWM計(jì)算、磁場(chǎng)角度計(jì)算等。

圖8 主中斷程序流程圖

4.2TZ故障保護(hù)程序設(shè)計(jì)

TMS320F28035有專門的故障保護(hù)端口，可以對(duì)故障信號(hào)進(jìn)行中斷保護(hù)。本文采用TZ2作為故障保護(hù)端口，當(dāng)有故障信號(hào)時(shí)，TZ引腳變成低電平，DSP立即關(guān)斷所有的PWM輸出，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4.3SVPWM的軟件設(shè)計(jì)

SVPWM程序的編寫流程圖如圖9和圖10所示。它是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，如果產(chǎn)生的SVPWM波形不正確，系統(tǒng)將無法正常工作。

圖9 SVPWM流程圖

圖10 ADC程序流程圖

圖10中PWM初始化主要完成PWM的產(chǎn)生方式的設(shè)置、PWM周期和占空比及PWM死區(qū)時(shí)間的設(shè)置等。

式中：TTBCLK為系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期，本文中設(shè)計(jì)值為0.01μs；TBPRD為周期寄存器。由于本文的MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR21363S在驅(qū)動(dòng)時(shí)自帶700ns的死區(qū)時(shí)間，因此本文在PWM模塊中將死區(qū)時(shí)間設(shè)為0。

5 試 驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的控制器與電機(jī)連接，加載器采用磁粉加載器(型號(hào)CZ100)，測(cè)試臺(tái)如圖11所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，加速踏板踩到最大，輸出到控制器為最大電壓5V。實(shí)驗(yàn)由三人協(xié)作完成，一人調(diào)恒流源給負(fù)載加載，一人負(fù)責(zé)用鉗形表測(cè)交流電流以及直流母線電流，一人負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)波形以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，加速踏板踩到最大，控制器一直為最大加載狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)加速到空載轉(zhuǎn)速最高值，此時(shí)電動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(型號(hào)NJ1)和磁粉加載器旋轉(zhuǎn)，此時(shí)存在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(有少量的剩磁，估計(jì)3～6N·m的轉(zhuǎn)矩)。磁粉加載器加載電流為零。得到空載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。再次實(shí)驗(yàn)時(shí)，加速踏板踩到極大值，保持控制器處于最大加載狀態(tài)，增加磁粉加載器的加載電流，增加磁粉加載器的加載轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)速拉低，測(cè)試不同轉(zhuǎn)速時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出。測(cè)得轉(zhuǎn)矩曲線如圖12所示，實(shí)際測(cè)得的電流波形如圖13所示。

圖11 系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

圖12 實(shí)際測(cè)得的轉(zhuǎn)矩曲線

(a) f=1.7 Hz

(b) f=82 Hz

(c) f=105 Hz

6 結(jié) 語

從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文的控制器轉(zhuǎn)矩輸出良好，具有穩(wěn)定的調(diào)速性能，可以實(shí)現(xiàn)在電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中提供盡可能大的轉(zhuǎn)矩和達(dá)到比較高的效率。符合電動(dòng)汽車的控制需求。

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Motor Control System of Pure Electric Vehicles Based on DSP and the Flux Weakening Control Algorithm

CHENQin1，2,WEILi-jun2,XIONGYi2

(1.Central South University, Changsha 410083, China;2.Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001,China)

A set of controller of pure electric vehicle motor and the rotor field oriented vector control system were designed. TMS320F28035 was taken as the system control core, and the low voltage motor with 48 V rated voltage was used for driving. In addition, the control algorithm of the whole system was improved, to improve the safety of the electric vehicle and electric vehicle in the running process can provide as large torque as possible and achieve high efficiency.

pure electric vehicle; motor; flux weakening control algorithm; efficiency optimization strategy

2015-11-04

湖南省教育廳科學(xué)研究青年項(xiàng)目(15B156)

TM343

A

1004-7018(2016)05-0048-04

陳慶(1980-)，男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化、自動(dòng)化控制。