李 浩，黃文新，邱 鑫，卜飛飛

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 210016)

0 引 言

近幾年，我國低速電動(dòng)汽車(速度低于70 km/h的簡易四輪純電動(dòng)汽車)市場擴(kuò)張迅速，市場潛力十分巨大，僅山東省2012年就銷售了近10萬輛的低速電動(dòng)汽車。但是，目前市場上在售的低速電動(dòng)汽車駕駛及安全性能普遍較低，同時(shí)為了降低成本，大多采用傳統(tǒng)的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，控制器以簡單模擬電路或初級電路為主[1]。雖然串勵(lì)電動(dòng)機(jī)控制簡單，但是其整體效率不高，而且電刷的存在增加了維護(hù)成本。因此，為了在未來的低速電動(dòng)汽車市場上獲得有利的競爭優(yōu)勢，有必要研制一款成本相當(dāng)?shù)哂袃?yōu)良性能的低速電動(dòng)汽車控制器。

由于永磁同步電動(dòng)機(jī)的功率密度和效率都比較高，因此在電池容量受到限制的情況下，比串勵(lì)電動(dòng)機(jī)更加適合作為低速電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)[2-3]。目前，永磁同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一般都采用矢量控制，但是矢量控制對電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化敏感，它的控制性能可能被電動(dòng)汽車復(fù)雜的運(yùn)行工況影響。與矢量控制通過d，q軸電流解耦以完成對電磁轉(zhuǎn)矩的間接控制相比，直接轉(zhuǎn)矩控制可以直接對定子磁鏈幅值以及轉(zhuǎn)矩角進(jìn)行控制以達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的，它對電動(dòng)機(jī)參數(shù)變化不敏感，魯棒性較強(qiáng)，更加適用于電動(dòng)汽車控制[4-5]。另外，為了盡可能地降低成本，電動(dòng)汽車的控制系統(tǒng)采用多個(gè)功率MOSFET并聯(lián)方式組成系統(tǒng)的主功率電路，以代替價(jià)格昂貴的IPM智能功率模塊或者IGBT模塊。同時(shí)，分別使用廉價(jià)的開口磁環(huán)及磁編碼器來代替電流霍爾傳感器及旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的相電流和位置檢測。

1 IPMSM-DTC策略

凸極永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡稱IPMSM)的轉(zhuǎn)矩方程可以表示:

Te=3pψs4LdLq[2ψfLqsinδ+ψs(Ld-Lq)sin(2δ)]

(1)

式中：p為電動(dòng)機(jī)極對數(shù)；ψs為定子磁鏈；ψf為轉(zhuǎn)子磁鏈；Ld，Lq分別為電動(dòng)機(jī)直交軸電感(Ld>Lq)；δ為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩角，即定轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角。

IPMSM的直接轉(zhuǎn)矩控制可以通過保持定轉(zhuǎn)子磁鏈幅值恒定、增大轉(zhuǎn)矩角δ,以獲得更大的輸出轉(zhuǎn)矩，如式(1)所示。但是當(dāng)δ>δm時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩角增加，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩不升反降，最后造成系統(tǒng)的失控和崩潰[6-9]，因此矩角δ必須小于最大轉(zhuǎn)矩角δm。最大轉(zhuǎn)矩角δm的表達(dá)式可以表示：

式中：α=(ψfLd)/(Lq-Lq)。

如圖1所示，本文對電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)矩角δ的關(guān)系在α，β坐標(biāo)系下進(jìn)行分析。當(dāng)需要將轉(zhuǎn)矩角從δ調(diào)節(jié)為δ′時(shí)，大于電動(dòng)機(jī)反電勢的電壓矢量u，u′，u″都能滿足要求，但是各電壓矢量對定子磁鏈幅值的影響卻是不同的。與磁鏈ψs0垂直的u保持磁鏈幅值不變，u′在增加轉(zhuǎn)矩角的同時(shí)，還可以使磁鏈幅值減小，而u″將能夠同時(shí)令磁鏈幅值增加。因此，改變電壓矢量的發(fā)出角度將能夠起到同時(shí)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩角和定子磁鏈幅值的效果。

圖1IPMSM-DTC控制原理矢量圖

假設(shè)保持發(fā)出電壓矢量的幅值不變，但是其相對垂直于定子磁鏈ψs0的方向偏離一定角度，則投影到垂直磁鏈方向的電壓矢量分量會(huì)相應(yīng)減小，進(jìn)而引起轉(zhuǎn)矩角的瞬時(shí)減小。但實(shí)際發(fā)出的電壓矢量大部分情況下都與當(dāng)前磁鏈ψs0近似垂直，根據(jù)三角函數(shù)原理，投影到垂直磁鏈方向的電壓矢量分量變化還是比較小的。因此，發(fā)出電壓矢量的角度主要會(huì)對定子磁鏈幅值產(chǎn)生影響，其對轉(zhuǎn)矩角的影響基本可以忽略，從而通過分別控制發(fā)出的電壓矢幅值和角度對轉(zhuǎn)矩角和磁鏈幅值進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁鏈的近似解耦控制。

圖2IPMSM-DTC策略總體框圖

根據(jù)上文的分析，得到了一種低速電動(dòng)汽車用IPMSM-DTC控制策略，如圖2所示。通過該控制策略，直接通過轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的PI控制器得到電壓矢量幅值。至于電壓矢量的角度變化量Δδ則由定子磁鏈幅值閉環(huán)得到，將Δδ和實(shí)時(shí)觀測的轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)矩角進(jìn)行結(jié)合，綜合得到在靜止α-β坐標(biāo)系的電壓矢量，最后經(jīng)過SVPWM調(diào)制獲得主功率電路的驅(qū)動(dòng)信號。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用飛思卡爾(Freescale)公司的DSP MC56F8037作為控制核心，該DSP不僅具備12位高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊和PWM發(fā)生器，還集成了SCI串行通信模塊，以便與上位機(jī)進(jìn)行通信。整個(gè)系統(tǒng)主要由永磁同步電動(dòng)機(jī)、72 V鉛酸電池組、并聯(lián)功率MOSFET主功率電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、DSP核心控制電路、信號檢測與保護(hù)電路等相關(guān)電路構(gòu)成，圖3為整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

圖3系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 主功率電路設(shè)計(jì)

綜合考慮成本及低壓大電流情況下功率MOSFET遠(yuǎn)比IGBT通態(tài)損耗低等因素[10-11]，采用功率MOSFET場效應(yīng)管并聯(lián)組成系統(tǒng)的三相全橋主功率電路。圖4為系統(tǒng)主功率電路結(jié)構(gòu)圖，其中功率MOSFET選擇英飛凌公司的MOSFET管IPP048N12N3G，漏極電流為100 A，耐壓值120 V，通態(tài)電阻為4.8 mΩ。在MOSFET并聯(lián)情況下，由于器件參數(shù)及驅(qū)動(dòng)參數(shù)等因素的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)并聯(lián)的MOSFET產(chǎn)生嚴(yán)重的不均流現(xiàn)象，導(dǎo)致功率MOSFET過流損壞，因此最好選用同一型號、同一批次的功率MOSFET進(jìn)行并聯(lián)，以獲得好的均流效果。

圖4三相全橋主功率電路結(jié)構(gòu)圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率MOSFET在頻繁的開通、關(guān)斷過程中的損耗主要有通態(tài)損耗和開關(guān)損耗，其開關(guān)損耗方程如下：

PS=USIM2(ton+toff)f

(3)

式中：US為斷態(tài)電壓值；IM為通態(tài)電流值；f為PWM開關(guān)頻率；ton，toff為器件開通和關(guān)斷時(shí)間值。假設(shè)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流I為恒定值，則功率MOSFET的開通和關(guān)斷時(shí)間如下：

dT=Q/I

(4)

式中：Q為柵極總電荷。若以驅(qū)動(dòng)電路的峰值驅(qū)動(dòng)電流IPeak代替I進(jìn)行計(jì)算，則能獲得近似的開通和關(guān)斷時(shí)間。所以，較大的驅(qū)動(dòng)電流將使功率MOSFET具有更快的開通和關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)而獲得更小的開關(guān)損耗。

IR2110是一款雙通道、高壓高速的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，它成本低、響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。特別是其上管驅(qū)動(dòng)采用外部自舉電容供電，使其只需要共用一路10～20 V電源就可以驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變電路，減低了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成本和體積，提高了系統(tǒng)可靠性。但是，IR2110的峰值驅(qū)動(dòng)電流只有2 A，考慮到增加驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到降低開關(guān)損耗目的，系統(tǒng)采用兩片IR2110并聯(lián)方式組成功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路，以獲得4 A的峰值驅(qū)動(dòng)電流。圖5為U相功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，其中UP_B為U相上管驅(qū)動(dòng)信號，UN_B為U相下管驅(qū)動(dòng)信號，UP_S與上管源級相連。

圖5基于IR2110的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

2.3 電流檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用霍爾元件和開口磁環(huán)相配合來采樣與檢測電動(dòng)機(jī)相電流。在一定匝數(shù)的導(dǎo)線通過開口的磁環(huán)時(shí)，開口磁環(huán)氣隙處的磁感強(qiáng)度正比于導(dǎo)線電流，將霍爾元件SS496放在氣隙處來檢測氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度以獲得導(dǎo)線電流值[12-13]，其工作原理如圖6所示。

圖6基于SS496的開口磁環(huán)電流采樣原理圖

霍爾元件SS496的有效輸出范圍為0.5～4.5V，而DSP56F8037的A/D采樣口允許輸入電壓范圍為0～3.3 V，因此需要一個(gè)電流調(diào)理電路對霍爾元件輸出信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，電路圖如圖7所示。另外，系統(tǒng)只對三相電動(dòng)機(jī)的兩相電流進(jìn)行采樣調(diào)理，第三相根據(jù)電動(dòng)機(jī)三相電流之和為零計(jì)算得出。

圖7電流調(diào)理電路

2.4 轉(zhuǎn)子位置檢測模塊

與感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制不同，永磁同步電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子磁鏈的存在，起動(dòng)時(shí)定子的α軸及β軸磁鏈與該時(shí)刻轉(zhuǎn)子位置有關(guān)，因此需要確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置[4]。另外從實(shí)時(shí)監(jiān)控轉(zhuǎn)矩角以防止系統(tǒng)崩潰角度出發(fā)，也需要使用轉(zhuǎn)子位置傳感器。目前，正弦波驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測器件主要為光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器，但是光電碼盤對使用環(huán)境要求比較苛刻，旋轉(zhuǎn)變壓器的解碼芯片比較昂貴。針對上述問題，系統(tǒng)采用了廉價(jià)的非接觸磁編碼器AS5134作為轉(zhuǎn)子位置檢測器件。

AS5134是奧地利微電子公司推出的一款非接觸的8.5位磁旋轉(zhuǎn)變壓器芯片。該磁編碼器完全符合車用AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，從磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度信號輸入到芯片信號輸出延時(shí)只有22 μs左右，能夠以SPI方式輸出絕對位置信息，且最高測量轉(zhuǎn)速可達(dá)76 875 r/min。它通過芯片內(nèi)部的磁霍爾元件檢測安裝在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上感應(yīng)磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度，并利用芯片內(nèi)部的A/D模塊、數(shù)字信號處理模塊獲得轉(zhuǎn)子的絕對位置信息，圖8、圖9分別為AS5134的安裝示意圖及內(nèi)部原理圖。

圖8AS5134安裝示意圖

圖9AS5134內(nèi)部原理圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文的DTC控制策略的正確性和系統(tǒng)硬件的可靠性，在一拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行了模擬電動(dòng)汽車運(yùn)行的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。平臺的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為一臺4 kW的IPMSM，極對數(shù)為4，轉(zhuǎn)子磁鏈為0.021 2 Wb。拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)為5.5 kW的異步電動(dòng)機(jī)，由一臺西門子440系列變頻器進(jìn)行控制。以轉(zhuǎn)速控制模式運(yùn)行拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)矩控制模式運(yùn)行實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。同時(shí)，利用DSP自帶的SCI通信接口，在上位機(jī)使用串行監(jiān)控軟件Freemaster實(shí)時(shí)觀察和采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及波形。

圖10為磁編碼器AS5134采集的轉(zhuǎn)子位置信號。電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，編碼器輸出360°機(jī)械角度步進(jìn)絕對位置信號。

圖10基于磁編碼器AS5134的轉(zhuǎn)子位置信號

由圖11可知，在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下，定子磁鏈在靜止α，β坐標(biāo)系的分量ψsα，ψsβ均具有較好的正弦度，定子磁鏈幅值的誤差在1%以內(nèi)，電磁轉(zhuǎn)矩誤差在5%以內(nèi)，電動(dòng)機(jī)相電流比較平滑，說明該控制策略在穩(wěn)態(tài)條件下有比較好的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制精度。

(a) 定子磁鏈

(b) 定子磁鏈的誤差

(c) 電磁轉(zhuǎn)矩

(d) A相電流

圖11負(fù)載10 N·m,轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

圖12為拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)突加10N·m轉(zhuǎn)矩的實(shí)驗(yàn)波形。通過實(shí)驗(yàn)波形可知，轉(zhuǎn)矩相應(yīng)時(shí)間只需要6 ms左右，系統(tǒng)有較快的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。

(a) 電磁轉(zhuǎn)矩

(b)A相電流

圖121 000 r/min時(shí)突加10 N·m負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 語

本文對基于IPMSM-DTC的低速電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和控制策略做了簡單的敘述，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)采用的控制策略有效、可靠，硬件設(shè)計(jì)簡單、可行，比較適合成本壓力大但要求較高的轉(zhuǎn)矩控制與安全性能的低速電動(dòng)汽車等應(yīng)用場合。

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