純電動汽車三相異步電動機矢量控制

萬曉鳳，朱俊裕，肖 京

(南昌大學，江西南昌330031)

0 引 言

隨著汽車數(shù)量的急劇增加，能源和環(huán)境問題日益嚴峻，迫切需求一種低碳和節(jié)能的交通工具。電動車是一種安全、經(jīng)濟、清潔的綠色交通工具，在能源、環(huán)保、節(jié)能和降噪方面有其獨特的優(yōu)越性和競爭力，必將逐漸取代現(xiàn)在的燃油車輛而成為新的主要交通工具。

電動汽車由車體、電驅(qū)動裝置(電動機)、可充電電池、充電器和控制系統(tǒng)五大部分組成。其中控制系統(tǒng)是電動車的重要組成部分，決定著整車的性能。異步電動機具有價格低、維護容易、體積小的優(yōu)點，已經(jīng)成為多數(shù)交流驅(qū)動電動汽車的首選。本文基于交流異步電動機的上述優(yōu)點，選用三相交流異步電動機，運用矢量控制原理，對電動汽車控制系統(tǒng)進行研究分析。

1 系統(tǒng)工作原理

1.1 交流異步電動機的矢量控制原理

矢量控制的基本原理是將交流異步電動機經(jīng)模型轉(zhuǎn)換模擬成直流電動機，再用類似于直流電動機的控制方法來對它進行控制。通過坐標變換，將三相靜止軸ABC坐標系轉(zhuǎn)換成兩相同步旋轉(zhuǎn)軸MT坐標系。在MT坐標系下，將定子電流矢量分解為控制勵磁電流分量的im和控制轉(zhuǎn)矩電流分量的it。這樣就實現(xiàn)了像直流電動機的控制方式和效果。

定子電流信號經(jīng)“Clarke變換”和“Park變換”，并反饋到控制端，對給定的控制信號的勵磁分量im和轉(zhuǎn)矩分量it進行修正，從而達到類似于直流電動機的工作狀況。其中由三相坐標系(ABC)到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標系(MT)的變換方程式:

式中:N2、N3分別為兩相系統(tǒng)和三相系統(tǒng)每相繞組的有效匝數(shù);θ為轉(zhuǎn)子磁鏈位置。

1.2 電機控制芯片及空間矢量PWM波形的生成

TMS320LF2407A是TI公司生產(chǎn)的16位定點數(shù)字信號處理器，有兩個專為電動機控制而設計的事件管理器EVA和EVB。它們都是由兩個16位通用定時器、1個可快速封鎖輸出的外部引腳和8個16位的脈寬調(diào)制(PWM)輸出口組成;具有可編程死區(qū)功能，用于防止上、下橋臂直通;另有3個捕捉單元和1個光電位置編程器接口。

PWM波是一種脈寬可調(diào)的脈沖波，用于交流電動機的電壓控制，它保持脈沖波的頻率或周期不變，通過調(diào)整脈沖的寬度來調(diào)整電壓。PWM波是由TMS320LF2407A通過設定定時器周期寄存器的周期值和比較器的比較值來產(chǎn)生。其中周期值用于控制PWM波的頻率(或周期)，比較值控制PWM波的脈寬。因此，比較值必須小于或等于周期值。由于使用比較器的不同，產(chǎn)生PWM波有使用定時器比較寄存器和使用比較單元兩種方法。后者可產(chǎn)生加死區(qū)的PWM波。

使用定時器比較寄存器產(chǎn)生PWM波，占空比的計算公式:

使用比較單元產(chǎn)生PWM波，占空比的計算公式:

通過式子，確定占空比，就能得到所需要的波形。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)控制電路

硬件系統(tǒng)的控制電路由TMS320LF2407A為核心構(gòu)成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)框圖

圖1中系統(tǒng)利用SCI串口與顯示模塊相連，定時向SCI上發(fā)送電機信息(電流、電壓、轉(zhuǎn)速、故障代碼等)，便于電機的調(diào)試和檢測。

TMS320LF2407A事件管理模塊EVB產(chǎn)生六路互補的觸發(fā)脈沖，脈沖通過PWM7－12通道，進入驅(qū)動電路和三相逆變電路得到所需要的波形，使得三相異步電動機穩(wěn)定工作。驅(qū)動電路反饋的電機運行信號，經(jīng)過PDPINTB通道回到TMS320LF2407A并進行分析處理。例如反饋回電機運行故障的信號，TMS320LF2407A將對六路互補的觸發(fā)脈沖進行關斷。

TMS320LF2407A內(nèi)置采樣、保持的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC，16個模擬輸入通道。電流、電壓、溫度、電子油門等信號經(jīng)過信號處理電路，通過AD通道進入TMS320LF2407A，TMS320LF2407A進行分析處理。例如當溫度高于45℃時，TMS320LF2407A輸出高電平信號，經(jīng)過GPIO通道，開啟冷卻風扇，低于40℃時，則輸出低電平信號，關閉冷卻風扇。

TMS320LF2407A通過正交編碼通道CAP，對電動機的角位移和轉(zhuǎn)速等信息進行檢測。

2.2 采樣電路的設計

由于DSP只能處理數(shù)字量，所以必須經(jīng)過采樣電路將要檢測的各種信號，通過轉(zhuǎn)換，變成DSP可識別的信號。采樣電路由電流采樣、溫度采樣、油門采樣、轉(zhuǎn)速和電機位置采樣組成。

2.2.1 電流采樣電路

電流采樣電路如圖2所示。圖2采用的是LEM傳感器，型號為HAS400－S/SP50，工作電壓為±5 V。傳感器檢測A、B兩相電流，電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。電壓信號經(jīng)過低通濾波電路、集成運放的電壓偏置電路，變?yōu)?～3.3 V之間，最后通過電壓跟隨器進入TMS320LF2407A，AD模塊把它變成相應的數(shù)值，再對其進行分析處理。

圖2 電流采樣電路圖

2.2.2 溫度采樣電路

溫度采樣電路圖如圖3所示，溫度采樣是通過一個固定在控制器散熱片上的熱電耦測溫。溫度信號通過溫度采樣電路進入到TMS320LF2407A，再對其進行分析處理。當溫度值超過 45℃時，TMS320LF2407A通過I/O輸出高電平信號開啟冷卻風扇;當溫度值低于40℃時，則輸出低電平信號，關閉冷卻風扇。

圖3 溫度采樣電路圖

2.2.3 油門采樣電路

油門采樣是通過油門踏板即一個滑動變阻器對+5 V電壓進行分壓，向控制器輸入正值的電壓信號，經(jīng)過濾波通過電壓跟隨器進入到TMS320LF2407A的AD采樣通道。其電路圖與溫度采樣電路相似。

2.3 過壓和欠壓保護電路設計

圖4 過壓欠壓保護電路圖

過壓和久壓保護電路圖如圖4所示。Ua、Ub為二相采樣電壓，分別與Uw1(0～1.65 V之間)和Uw2(1.65～3.3 V 之間)相比較，輸出高(低)電平。當Ua大于Uw1，小于Uw2時，U0為高電平，并將此信號送給PDPINTB，事件管理模塊正常工作;當Ua小于Uw1或者Ua大于Uw2時，U0為低電平信號，PDPINTB接受到低電平信號后立即通知事件管理模塊關閉PWM輸出通道，停止工作。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 矢量控制軟件實現(xiàn)

圖5為矢量控制軟件結(jié)構(gòu)圖，定子電流的iA、iB由電流傳感器測量檢測，經(jīng)過DSP的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由iC=－(iA+iB)計算出iC。通過“3/2變換”和“交/直變換”將電流 iA、iB、iC轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標系MT中的直流分量im、it，并反饋給電流控制環(huán)。電動機的機械角位移由編碼器測得，并將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速n后反饋給速度控制環(huán)，作為速度控制環(huán)的負反饋量。在得到用于Park變換和Park逆變換計算的磁鏈位置時，由于異步電動機的轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子磁鏈存在轉(zhuǎn)速差，必須通過電流－磁鏈位置計算求出。轉(zhuǎn)矩控制的電流T軸給定值由轉(zhuǎn)速給定值與實際轉(zhuǎn)速的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所得。T軸及M軸電流給定值與電流反饋值的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，分別得到旋轉(zhuǎn)坐標系(M/T)下的相電壓分量，再經(jīng)過直/交變換轉(zhuǎn)換成靜止坐標系統(tǒng)的定制相電壓分量，并利用SVPWM技術，產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器。

圖5 矢量控制軟件結(jié)構(gòu)圖

3.2 程序流程圖

系統(tǒng)程序流程圖主要包括主程序、PWM中斷、故障中斷等。PWM中斷流程圖如圖6所示，詳細地講訴了PWM波形的產(chǎn)生步驟，及每個變化的過程。

圖6 PWM中斷流程圖

4 系統(tǒng)仿真

仿真模型如圖7所示。

圖7 矢量控制總仿真模型

仿真用的異步電動機主要參數(shù)如下:額定功率Pn=15 kVA，額定電壓Un=460 V，額定頻率fn=60 Hz，額定轉(zhuǎn)速 N=3 000 r/min，定子電阻 Rs=0.087 Ω，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.228 Ω，定子漏感 Ls=0.8 mH，轉(zhuǎn)子漏感 Lr=0.8 mH，定轉(zhuǎn)子互感 Lm=34.7 mH，機械轉(zhuǎn)動慣量J=1.662 kg·m2，極對數(shù) p=2，PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)為 P=20，I=2，D=0。

仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。圖8表明磁鏈運行為圓形軌跡，且幅值穩(wěn)定，圖9表明電流具有很好的正弦特性，轉(zhuǎn)矩具有瞬時響應特性，電機轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應快并且穩(wěn)定波動較小。實驗及仿真驗證了該系統(tǒng)在調(diào)速控制中的可行性，并且該系統(tǒng)在昌河ideal車上進行測試，到達了穩(wěn)定運行的要求。

圖8 定子磁鏈運行區(qū)域及軌跡

圖9 電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、速度仿真結(jié)果圖

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