王進(jìn)升，鄭詩程，余暢舟，王慶龍

(1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032；2.合肥學(xué)院自動(dòng)化系，安徽 合肥 230601)

0 引 言

汽車作為現(xiàn)代科技的產(chǎn)物賦予了人們生活極大的便利，伴隨著環(huán)境污染、溫室效應(yīng)、不可再生能源的日益枯竭、全球能源危機(jī)等問題的不斷加劇，百年后今天電動(dòng)汽車再次成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。電動(dòng)汽車是以車載電源為動(dòng)力配合電機(jī)以驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合國家道路交通、安全法規(guī)要求的車輛。相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，電動(dòng)汽車因具有少污染、節(jié)能、低噪音、能源形式多樣化等優(yōu)勢(shì)，而獲得廣泛關(guān)注[2,3]。當(dāng)前電動(dòng)汽車主要有3種類型：純電動(dòng)汽車(Battery Electric Vehicle，BEV)、混合動(dòng)力汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)和燃料電池汽車(Fuel Cell Vehicle，F(xiàn)CEV)[4]。其主要由電驅(qū)動(dòng)及其控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)有關(guān)功能的輔助系統(tǒng)組成[5]。擬針對(duì)其核心電驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

電動(dòng)汽車的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又由電源、驅(qū)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等三部分組成。電動(dòng)汽車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要有直流有刷電動(dòng)機(jī)(DCM)、異步電機(jī)(IM)、永磁無刷電機(jī)(PMBLM)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM)四種。其中，異步電機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低、體積小、高可靠性、低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、低噪聲、維護(hù)方便等眾多優(yōu)點(diǎn)使得其在電動(dòng)汽車上獲得廣泛應(yīng)用[6]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)包括軟硬件兩部分。其中，硬件電路主要由驅(qū)動(dòng)單位及其控制器組成。驅(qū)動(dòng)單元將電池中儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榭沈?qū)動(dòng)電機(jī)使用的電能，常見的驅(qū)動(dòng)單元拓?fù)錇殡妷涸葱腿嘧儞Q橋；控制器則實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的多種控制策略的實(shí)現(xiàn)，如矢量控制、V/F控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模型預(yù)測(cè)控制等。硬件電路對(duì)于整個(gè)電機(jī)及電動(dòng)車系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)行、良好的動(dòng)態(tài)性能有至關(guān)重要的作用[7]。

以電動(dòng)汽車用異步電機(jī)作為對(duì)象，給出了控制系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了功率電路和控制電路的參考電路，分析了交直流電壓采樣電路及交流電流采樣電路的采樣信號(hào)低頻段輸入輸出關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)電路采用數(shù)字化結(jié)構(gòu)，由功率電路和控制電路兩部分組成。其中，功率電路由主電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路組成；控制電路由DSP控制器，電壓、電流及位置等信號(hào)采樣及調(diào)理電路及故障與保護(hù)電路等組成，其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 功率主電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車功率電路器件可選用IGBT、MOSFET及集成功率模塊IPM。其中，IPM模塊集成有緩沖、保護(hù)等電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)欠壓、過流、短路、過熱等故障的保護(hù)。為簡化主電路設(shè)計(jì)，選用三菱公司的PM150CLA120模塊，其主電路拓?fù)錇槿鄡呻娖綐?，額定電壓1200V，電流150A。所設(shè)計(jì)的功率電路如圖2所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖

圖2 主電路原理圖

3 IPM驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)

3.1 IPM驅(qū)動(dòng)電路

TMS320F28335輸出的PWM信號(hào)經(jīng)74HC245的緩沖與電平轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)HU、HV、HW、LU、LV、LW，各路驅(qū)動(dòng)選用上升延時(shí)tpLH和下降延時(shí)tpHL為0.8us，并具有較高的共模抑制比CMR的芯片HCPL4504作為IPM的高速驅(qū)動(dòng)光耦進(jìn)行電氣隔離。以U相為例，HCPL4504的驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。DSP控制器生成的上管PWM信號(hào)經(jīng)HU接入HCPL4504的3腳，當(dāng)其為低電平，輸出端6腳UP為驅(qū)動(dòng)電壓VU，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)開關(guān)器件導(dǎo)通；反之，當(dāng)HU為低電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電壓為GNDU，可關(guān)斷開關(guān)管。

3.2 IPM保護(hù)電路

IPM輸出的保護(hù)信號(hào)xFO需經(jīng)光耦隔離送往控制器，為保證保護(hù)信號(hào)良好有效傳送，這里選用電流傳輸比CTR大于100%的TLP-521如圖3所示。U相上橋臂UFO信號(hào)或下橋臂FO低電平時(shí)光耦副邊導(dǎo)通，保護(hù)信號(hào)F輸出高電平。

圖3 U相驅(qū)動(dòng)電路原理圖

4 采樣調(diào)理電路設(shè)計(jì)

4.1 交流電流采樣電路

電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)控制需要對(duì)輸出電流采樣，采用基于霍爾效應(yīng)的LEM傳感器LA58-P，其原副邊變比為1000:1(見圖2)。所設(shè)計(jì)的電流信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示。變換器輸出電流經(jīng)LA58-P縮小1000倍經(jīng)排線接入J18端口后通過R13轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)由R14和C33構(gòu)成RC濾波電路濾除高頻噪聲。濾波后的電壓信號(hào)由運(yùn)放LM258構(gòu)成的跟隨器，提供高輸入阻抗和低輸出阻抗以緩沖信號(hào)，輸出通過被R24和R25分壓并且疊加上1.65V的直流電壓，再通過R30與C17組成的RC濾波后，最終送入DSP的AD端口。U相電壓iu與進(jìn)入DSP的電壓信號(hào)Iuin幅值關(guān)系如式1。

(1)

4.2 直流電壓采樣

為增強(qiáng)系統(tǒng)抗直流電壓擾動(dòng)特性，使得直流電壓與輸出電壓解耦，電動(dòng)汽車控制還需對(duì)直流電壓進(jìn)行采樣，設(shè)計(jì)的直流電壓采樣電路如圖5所示，其原理與交流電流采樣類似。

由R76～R79回路將直流電壓轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，并通過電壓傳感器LV25-P將電流變比為2.5：1并隔離輸出，輸出電流由R80將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再經(jīng)由R82和C64構(gòu)成RC低通濾波電路濾除高頻噪聲。濾波后的電壓信號(hào)由運(yùn)放LM258構(gòu)成的跟隨器，提供高輸入阻抗和低輸出阻抗以緩沖信號(hào)，輸出再通過R67與C53組成的RC濾波后，最終送入DSP的AD端口。直流電壓Vdc與進(jìn)入DSP的電壓信號(hào)Vdcin幅值關(guān)系如式2。

圖4 U相交流電流采樣電路

(2)

圖5 直流電壓采樣電路

4.3 角位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

角位置利用光電編碼盤對(duì)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的位置與轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測(cè)，編碼盤輸出的6路脈沖信號(hào)經(jīng)AM26LS32轉(zhuǎn)換成3態(tài)門信號(hào)并通過6N137隔離送入DSP的EQEP外設(shè)，根據(jù)測(cè)速時(shí)間與脈沖數(shù)的關(guān)系，可計(jì)算出電機(jī)的機(jī)械角位置與轉(zhuǎn)速。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)15KW電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行，如圖7所示，直流側(cè)采用可回饋電源，其參數(shù)如表1所示。

圖6 光電編碼盤測(cè)速電路原理圖

圖7 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

圖8 驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試波形

圖9 直流電壓采樣測(cè)試

表1 15kW電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)參數(shù)

5.1 驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓波形

半周期PWM調(diào)制的驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖8(a)所示，其中圖8(b)和圖8(c)分別為高占空比和低占空比時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)?？梢娝O(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路能使得驅(qū)動(dòng)信號(hào)能較好跟隨DSP輸出的PWM信號(hào)，并對(duì)IPM模塊進(jìn)行有效控制。

5.2 采樣電路輸出電壓波形

穩(wěn)態(tài)下，通過直流電源給定0-400V，測(cè)試輸入直流電壓與DSP的AD模塊結(jié)果寄存器中的數(shù)值如圖9所示。擬合出的數(shù)值y=164.3x-1120,與所設(shè)計(jì)的調(diào)理電路放大比例基本一致(式2)，所設(shè)計(jì)的采樣電路線性度較好。

5.3 穩(wěn)態(tài)輸出電流波形

圖10為帶電機(jī)負(fù)載的測(cè)試波形。圖10(a)為電壓電流波形，至上而下分別為相電流ia、濾波后的線電壓uAB及線電壓uAB，表明電流電壓采樣信號(hào)正常。圖10(b)為轉(zhuǎn)速波形。轉(zhuǎn)速變化時(shí)，電流頻率跟隨變化。表明轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路正常，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，反映電路設(shè)計(jì)的正確性。

(a) 相電流及線電壓

(b) 突加轉(zhuǎn)速時(shí)A相電流

6 結(jié) 論

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路對(duì)于控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行、良好的動(dòng)態(tài)適應(yīng)性及整車性能指標(biāo)的穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。在介紹控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)其功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、電壓電流檢測(cè)電路和測(cè)速電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并分析了直流電壓采樣電路及交流電流采樣電路的輸入輸出信號(hào)關(guān)系。最后，通過15kW的電動(dòng)汽車平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的電壓、電流及位置檢測(cè)電路能較好還原實(shí)際信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)能較好地工作。