電動汽車運行模擬以及超級電容能量回收系統(tǒng)設(shè)計

閆文龍+付成偉

摘 要： 針對目前燃油汽車對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞并且引起能源緊缺的問題，而電動汽車將逐漸成為汽車發(fā)展主流的的現(xiàn)狀，給出了一種基于STM32103VE控制器和電壓空間矢量SVPWM技術(shù)的雙永磁同步電機拖動、采用超級電容組進行能量回收的電動汽車運行模擬硬件開發(fā)平臺。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、功能強大等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬電動汽車運行以及采用超級電容組進行能量回收的目的。

關(guān)鍵詞： 電動汽車； 超級電容； STM32103VE； 永磁同步電機； 能量回收

中圖分類號： TN91?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0142?03

Simulation of electric car and design of energy recovery system with super?capacitor

YAN Wen?long， FU Cheng?wei

（School of Physics， Jilin University， Changchun 130012， China）

Abstract： Considering the serious pollution to the environment and energy shortage caused by fuel cars， and electric car will become the mainstream of car industry development. A hardware development platform for running simulation of electric car with a super capacitor group for the energy recovery is given， which is dragged by double permanent magnet synchronous motor based onSTM32103VE controller and voltage space vector SVPWM technology. The experimental results show that this system is of simple structure and powerful function， and can simulate the electric car running and realize energy recovery by super capacitor group.

Keywords： electric car； super?capacitor； STM32103VE； permanent magnet synchronous motor； energy recovery

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，與有限能源的不斷消耗，環(huán)境問題與能源問題逐漸成為世界性關(guān)注的熱點。能源的高效率利用與使用過程中的能源的回收已經(jīng)成為大家所關(guān)注的焦點，尤其是在汽車上的應(yīng)用。所以未來汽車的發(fā)展方向注定是低碳、環(huán)保的電動汽車。因此，本文將介紹一種模擬電動汽車運行的效率監(jiān)控與超級電容能源回收系統(tǒng)，以此來研究電動汽車的電能利用效率與超級電容能量回收的情況，進而使電動汽車更高效、環(huán)保的運行，運行中多余能量更完全的被回收并且再利用。

1 系統(tǒng)的主要功能和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的電動汽車運行模擬以及超級電容組能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通信總線采用的是CAN通信方式，CAN通信方式作為多線路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，可在通信總線上掛多條支線，并且自動完成總線仲裁和檢錯。系統(tǒng)還包括電源供電、總控制臺監(jiān)控、主動永磁同步電機及電機控制器、測功機監(jiān)測、從動永磁同步電機發(fā)電及負載端的電子負載和超級電容組能量回收部分。組建系統(tǒng)的主要目的是模擬電動汽車在運行中的各種情況，主動永磁同步電機模擬電動汽車部分，從動永磁同步電機及后面的部分則模擬電動汽車在運行中的負載，通過改變負載端的參數(shù)，進而改變主動永磁同步電機運行時所加的負載。在系統(tǒng)運行中，總控制臺可以同時監(jiān)控輸入端的輸入功率、驅(qū)動端的主動永磁同步電機的功率和電能轉(zhuǎn)化成主動永磁同步電機運行機械能的效率，負載端的輸出功率、電子負載消耗的功率、超級電容組能量回收功率、對永磁同步電機運行的機械能進行回收的效率，還有回收的能量通過變壓電路儲存到超級電容內(nèi)的效率。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)意在模擬電動汽車運行、監(jiān)控能量走向及轉(zhuǎn)換效率，進而提高電動汽車的能源利用率。所以在用永磁同步電機模擬電動汽車的運行，而在另一端同樣放置一個永磁同步電機作為發(fā)電機用，并且可以通過改變其發(fā)電輸出端的負載來改變模擬電動汽車運行的電機上的負載，進而模擬不同工況。在這些基礎(chǔ)之上，采用超級電容組將原電動汽車運行中浪費的以及未能回收的能量進行有效地回收。這樣既增加了電動汽車的行駛距離，也對人們生存的環(huán)境減小了壓力，更加的低碳、環(huán)保。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)共分為四部分：

（1） 用主動永磁同步電機模擬的電動汽車運行部分。此部分包含電機驅(qū)動與控制部分和數(shù)據(jù)回采部分，可以模擬整車的啟動、運行與制動。此部分的主芯片采用的是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32103VE，時鐘最高頻率為72 MHz，IGBT控制模塊采用的是CONCEPT公司生產(chǎn)的2SD315AI模塊，IGBT模塊采用的是英飛凌生產(chǎn)的BSN75GB170DN2模塊，永磁同步電機采用的是交流伺服電機130ST?M15025，額定轉(zhuǎn)矩為15 N·m，額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。通過這一部分可以測試整車在不同工況下的電機運行情況以及電機運行的效率；

（2） 主動永磁同步電機的扭矩與轉(zhuǎn)速的測量部分。此部分采用的是JN338型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀。通過這一部分的測量可以直觀地觀測電機當(dāng)前的運行情況，更有助于第一部分的監(jiān)控與計算；

（3） 從動永磁同步電機發(fā)電和負載切換部分。此部分包含從動永磁同步電機，電機型號與第一部分的永磁同步電機相同，還包括三相整流橋和輸出切換部分。主動永磁同步電機在運行的情況下，拖動從動永磁同步電機，從動永磁同步電機當(dāng)做發(fā)電機使用，電機三相輸出端接到整流橋，整流橋的輸出端根據(jù)不同的要求接到不同的負載上，以改變主動永磁同步電機運行的負載，進而模擬不同的工況；

（4） 包含美爾諾電子有限公司生產(chǎn)的M9711電子負載和錦州凱美公司生產(chǎn)的400 V/20 F的超級電容組能量回收部分。此部分的電子負載各項參數(shù)可調(diào)，超級電容組的前端帶有可控的單向BUCK?BOOST電壓轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)主動永磁同步電機模擬整車運行時，不需要進行能量回收，整流橋輸出端接在電子負載端，以模擬不同的工況；當(dāng)需要進行能量回收時，如整車的減速和制動的過程中，整流橋的輸出端就接在電壓轉(zhuǎn)換模塊，為超級電容組充電。通過改變控制電壓轉(zhuǎn)換模塊控制信號的占空比來改變超級電容的充電電壓與電流，即可模擬不同的負載。

3 電動汽車運行模擬的控制機理

總控制臺是系統(tǒng)控制和監(jiān)測的核心，所有的輸入信息由總控制臺接收，所有的控制邏輯都是由總控制臺判斷，所有的反饋信息也是返回到總控制臺進行檢測和顯示?？偪刂婆_信息的輸入、反饋信號的接收以及控制信號的發(fā)出如圖2所示。

圖2 總控制臺結(jié)構(gòu)

輸入信息包括輸入模擬路況情況與電機的啟?？刂?；反饋信息包括電源輸入功率、主動電機運行功率、從動電機發(fā)電功率、電子負載消耗功率、逆變橋輸出電壓、超級電容充電功率和故障信號等；控制信號包括為電機控制器設(shè)置運行參數(shù)，切換整流橋輸出端的負載，設(shè)置電子負載的參數(shù)，調(diào)節(jié)超級電容組前端電壓轉(zhuǎn)換模塊的電壓等。

本系統(tǒng)主控臺的軟件控制機理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)上電初期，等待硬件上電完畢，軟件程序開始初始化。初始化結(jié)束后，程序開始讀取當(dāng)前系統(tǒng)的信息判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，如讀取電源電壓、主動電機轉(zhuǎn)子位置、超級電容組輸入端電壓、判斷當(dāng)前狀態(tài)有無錯誤、各部分間連接是否異常。當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束后，總控制臺將人工輸入當(dāng)前所要模擬的整車工況，然后程序開始設(shè)置下一步的參數(shù)。根據(jù)輸入的模擬工況開始初始化主動電機運行的參數(shù)，并且判斷系統(tǒng)是否要進行能量回收，如果需要能量回收，則將輸出負載端接到超級電容組的一端。如果不需要能量回收，則將輸出負載端接到電子負載端，并初步設(shè)置電子負載的參數(shù)。等待負載端配置完畢，主動電機將按照輸入的工況要求分步運行主動電機，與此同時，負載端根據(jù)實時信息調(diào)節(jié)超級電容前端的調(diào)壓模塊和電子負載的配置參數(shù)。電機運行的全程，總控制臺進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與顯示以及系統(tǒng)錯誤提示，操作者可以根據(jù)顯示的信息判斷當(dāng)前運行的狀態(tài)。當(dāng)整車工況模擬完畢后，由操作人決定是否繼續(xù)模擬下一工況，如果繼續(xù)，程序則返回人工輸入模擬工況階段，如果結(jié)束，程序?qū)⑼顺觥?/p>

圖3 主控臺軟件控制結(jié)構(gòu)流程

系統(tǒng)中電機控制器的內(nèi)部控制機理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)部控制機理結(jié)構(gòu)圖

永磁同步電機的控制采用的是電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，相比于SPWM算法，更高效、精準(zhǔn)。由圖4可以看出，首先由總控制臺給電機控制器發(fā)出指令，然后由電機控制器決定采用轉(zhuǎn)速控制模式還是扭矩控制模式。若采用轉(zhuǎn)速控制模式，則扭矩電流[isqref]由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)后的輸出值決定；若采用扭矩模式，則[isqref]由電機控制器的輸入值決定。電機控制器的整個控制邏輯采用的是雙閉環(huán)控制，反饋量包括電機的定子電流[ia]和[ib、]由位置傳感器輸出的電機機械轉(zhuǎn)角位移與轉(zhuǎn)速[n。]電機的定子電流[ia]和[ib]利用公式[ic=-（ia+ib）]計算出[ic，]通過Clarke變換和Park變換將電流[ia，][ib，][ic]變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量[isd，][isq。][isd，][isq]則作為電流環(huán)的負反饋量。根據(jù)機械轉(zhuǎn)角位移就可以計算出電角度[θe，]電角度[θe]用于參與Park變換和逆變換的計算，轉(zhuǎn)速[n]作為速度環(huán)的負反饋量。當(dāng)選擇轉(zhuǎn)速模式時，給定的轉(zhuǎn)速[nref]與轉(zhuǎn)速反饋量[n]的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流[q]軸參考量；當(dāng)選擇扭矩模式時，給定的[isqref]直接作用于電流[q]軸參考量。[isdref]由電機控制器給定，在必要時，此電流可以起到對電機內(nèi)部弱磁作用。[isqref]和[isdref]與電流反饋量[isd，][isq]的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出[dq]旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓[Vsqref]和[Vsdref。][Vsqref]和[Vsdref]再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成[αβ]直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量[Vsαref]和[Vsβref。]由此可確定其所在磁鏈軌跡的扇區(qū)，然后采用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器。

在主動電機運行的整個過程中，總控制臺與電機控制器持續(xù)地進行信息交互，總控制臺實時的顯示主動電機當(dāng)前的運行狀態(tài)。

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)的軟硬件以及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，在實驗室的條件下進行了全面的試驗和調(diào)試。系統(tǒng)由總控制臺進行監(jiān)控，實時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。主動電機可模擬電動汽車的運行工況，包括啟動工況、正常行駛工況、加速/爬坡行駛工況、制動/下坡行駛工況和剎車工況；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀實時地監(jiān)控主動電機的運行情況；從動電機在主動電機的拖動下，將轉(zhuǎn)換的電能加載到負載接口上，負載切換接口有效地根據(jù)需求切換輸出端負載；電子負載能夠按照要求配置相關(guān)的參數(shù)，并且穩(wěn)定的工作，超級電容組在前端調(diào)壓模塊的幫組下能夠高效快速地回收多余的能量。經(jīng)過實際測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，信息反饋及時準(zhǔn)確，執(zhí)行機構(gòu)反應(yīng)迅速，達到了模擬電動汽車運行、監(jiān)控能量走向及能量轉(zhuǎn)換效率，進而提高電動汽車的能源利用率的目的。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的模擬電動汽車運行以及超級電容組能量回收系統(tǒng)，采用雙永磁同步電機拖動的方式，加入超級電容能量回收部分，通過CAN通信方式發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了模擬電動汽車運行和超級電容組能量回收的功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、功能強大，達到了模擬電動汽車運行以及采用超級電容組進行能量回收的目的，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 王曉明.電動機的DSP控制[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2] 張慧妍.超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究[D].北京：中科院電工研究所，2006.

[3] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4] 楊光祥.STM32單片機原理與工程實踐[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

[5] 蔡貴方，李優(yōu)新，姚震，等.電動汽車快速充電機監(jiān)控終端的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（12）：167?170.

[6] 孫野，韓如成，智澤英.基于超級電容的靜止無功補償器的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（12）：139?142.

（2） 主動永磁同步電機的扭矩與轉(zhuǎn)速的測量部分。此部分采用的是JN338型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀。通過這一部分的測量可以直觀地觀測電機當(dāng)前的運行情況，更有助于第一部分的監(jiān)控與計算；

（3） 從動永磁同步電機發(fā)電和負載切換部分。此部分包含從動永磁同步電機，電機型號與第一部分的永磁同步電機相同，還包括三相整流橋和輸出切換部分。主動永磁同步電機在運行的情況下，拖動從動永磁同步電機，從動永磁同步電機當(dāng)做發(fā)電機使用，電機三相輸出端接到整流橋，整流橋的輸出端根據(jù)不同的要求接到不同的負載上，以改變主動永磁同步電機運行的負載，進而模擬不同的工況；

（4） 包含美爾諾電子有限公司生產(chǎn)的M9711電子負載和錦州凱美公司生產(chǎn)的400 V/20 F的超級電容組能量回收部分。此部分的電子負載各項參數(shù)可調(diào)，超級電容組的前端帶有可控的單向BUCK?BOOST電壓轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)主動永磁同步電機模擬整車運行時，不需要進行能量回收，整流橋輸出端接在電子負載端，以模擬不同的工況；當(dāng)需要進行能量回收時，如整車的減速和制動的過程中，整流橋的輸出端就接在電壓轉(zhuǎn)換模塊，為超級電容組充電。通過改變控制電壓轉(zhuǎn)換模塊控制信號的占空比來改變超級電容的充電電壓與電流，即可模擬不同的負載。

3 電動汽車運行模擬的控制機理

總控制臺是系統(tǒng)控制和監(jiān)測的核心，所有的輸入信息由總控制臺接收，所有的控制邏輯都是由總控制臺判斷，所有的反饋信息也是返回到總控制臺進行檢測和顯示?？偪刂婆_信息的輸入、反饋信號的接收以及控制信號的發(fā)出如圖2所示。

圖2 總控制臺結(jié)構(gòu)

輸入信息包括輸入模擬路況情況與電機的啟?？刂?；反饋信息包括電源輸入功率、主動電機運行功率、從動電機發(fā)電功率、電子負載消耗功率、逆變橋輸出電壓、超級電容充電功率和故障信號等；控制信號包括為電機控制器設(shè)置運行參數(shù)，切換整流橋輸出端的負載，設(shè)置電子負載的參數(shù)，調(diào)節(jié)超級電容組前端電壓轉(zhuǎn)換模塊的電壓等。

本系統(tǒng)主控臺的軟件控制機理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)上電初期，等待硬件上電完畢，軟件程序開始初始化。初始化結(jié)束后，程序開始讀取當(dāng)前系統(tǒng)的信息判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，如讀取電源電壓、主動電機轉(zhuǎn)子位置、超級電容組輸入端電壓、判斷當(dāng)前狀態(tài)有無錯誤、各部分間連接是否異常。當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束后，總控制臺將人工輸入當(dāng)前所要模擬的整車工況，然后程序開始設(shè)置下一步的參數(shù)。根據(jù)輸入的模擬工況開始初始化主動電機運行的參數(shù)，并且判斷系統(tǒng)是否要進行能量回收，如果需要能量回收，則將輸出負載端接到超級電容組的一端。如果不需要能量回收，則將輸出負載端接到電子負載端，并初步設(shè)置電子負載的參數(shù)。等待負載端配置完畢，主動電機將按照輸入的工況要求分步運行主動電機，與此同時，負載端根據(jù)實時信息調(diào)節(jié)超級電容前端的調(diào)壓模塊和電子負載的配置參數(shù)。電機運行的全程，總控制臺進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與顯示以及系統(tǒng)錯誤提示，操作者可以根據(jù)顯示的信息判斷當(dāng)前運行的狀態(tài)。當(dāng)整車工況模擬完畢后，由操作人決定是否繼續(xù)模擬下一工況，如果繼續(xù)，程序則返回人工輸入模擬工況階段，如果結(jié)束，程序?qū)⑼顺觥?/p>

圖3 主控臺軟件控制結(jié)構(gòu)流程

系統(tǒng)中電機控制器的內(nèi)部控制機理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)部控制機理結(jié)構(gòu)圖

永磁同步電機的控制采用的是電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，相比于SPWM算法，更高效、精準(zhǔn)。由圖4可以看出，首先由總控制臺給電機控制器發(fā)出指令，然后由電機控制器決定采用轉(zhuǎn)速控制模式還是扭矩控制模式。若采用轉(zhuǎn)速控制模式，則扭矩電流[isqref]由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)后的輸出值決定；若采用扭矩模式，則[isqref]由電機控制器的輸入值決定。電機控制器的整個控制邏輯采用的是雙閉環(huán)控制，反饋量包括電機的定子電流[ia]和[ib、]由位置傳感器輸出的電機機械轉(zhuǎn)角位移與轉(zhuǎn)速[n。]電機的定子電流[ia]和[ib]利用公式[ic=-（ia+ib）]計算出[ic，]通過Clarke變換和Park變換將電流[ia，][ib，][ic]變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量[isd，][isq。][isd，][isq]則作為電流環(huán)的負反饋量。根據(jù)機械轉(zhuǎn)角位移就可以計算出電角度[θe，]電角度[θe]用于參與Park變換和逆變換的計算，轉(zhuǎn)速[n]作為速度環(huán)的負反饋量。當(dāng)選擇轉(zhuǎn)速模式時，給定的轉(zhuǎn)速[nref]與轉(zhuǎn)速反饋量[n]的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流[q]軸參考量；當(dāng)選擇扭矩模式時，給定的[isqref]直接作用于電流[q]軸參考量。[isdref]由電機控制器給定，在必要時，此電流可以起到對電機內(nèi)部弱磁作用。[isqref]和[isdref]與電流反饋量[isd，][isq]的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出[dq]旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓[Vsqref]和[Vsdref。][Vsqref]和[Vsdref]再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成[αβ]直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量[Vsαref]和[Vsβref。]由此可確定其所在磁鏈軌跡的扇區(qū)，然后采用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器。

在主動電機運行的整個過程中，總控制臺與電機控制器持續(xù)地進行信息交互，總控制臺實時的顯示主動電機當(dāng)前的運行狀態(tài)。

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)的軟硬件以及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，在實驗室的條件下進行了全面的試驗和調(diào)試。系統(tǒng)由總控制臺進行監(jiān)控，實時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。主動電機可模擬電動汽車的運行工況，包括啟動工況、正常行駛工況、加速/爬坡行駛工況、制動/下坡行駛工況和剎車工況；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀實時地監(jiān)控主動電機的運行情況；從動電機在主動電機的拖動下，將轉(zhuǎn)換的電能加載到負載接口上，負載切換接口有效地根據(jù)需求切換輸出端負載；電子負載能夠按照要求配置相關(guān)的參數(shù)，并且穩(wěn)定的工作，超級電容組在前端調(diào)壓模塊的幫組下能夠高效快速地回收多余的能量。經(jīng)過實際測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，信息反饋及時準(zhǔn)確，執(zhí)行機構(gòu)反應(yīng)迅速，達到了模擬電動汽車運行、監(jiān)控能量走向及能量轉(zhuǎn)換效率，進而提高電動汽車的能源利用率的目的。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的模擬電動汽車運行以及超級電容組能量回收系統(tǒng)，采用雙永磁同步電機拖動的方式，加入超級電容能量回收部分，通過CAN通信方式發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了模擬電動汽車運行和超級電容組能量回收的功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、功能強大，達到了模擬電動汽車運行以及采用超級電容組進行能量回收的目的，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 王曉明.電動機的DSP控制[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2] 張慧妍.超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究[D].北京：中科院電工研究所，2006.

[3] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4] 楊光祥.STM32單片機原理與工程實踐[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

[5] 蔡貴方，李優(yōu)新，姚震，等.電動汽車快速充電機監(jiān)控終端的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（12）：167?170.

[6] 孫野，韓如成，智澤英.基于超級電容的靜止無功補償器的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（12）：139?142.

（2） 主動永磁同步電機的扭矩與轉(zhuǎn)速的測量部分。此部分采用的是JN338型智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀。通過這一部分的測量可以直觀地觀測電機當(dāng)前的運行情況，更有助于第一部分的監(jiān)控與計算；

（3） 從動永磁同步電機發(fā)電和負載切換部分。此部分包含從動永磁同步電機，電機型號與第一部分的永磁同步電機相同，還包括三相整流橋和輸出切換部分。主動永磁同步電機在運行的情況下，拖動從動永磁同步電機，從動永磁同步電機當(dāng)做發(fā)電機使用，電機三相輸出端接到整流橋，整流橋的輸出端根據(jù)不同的要求接到不同的負載上，以改變主動永磁同步電機運行的負載，進而模擬不同的工況；

（4） 包含美爾諾電子有限公司生產(chǎn)的M9711電子負載和錦州凱美公司生產(chǎn)的400 V/20 F的超級電容組能量回收部分。此部分的電子負載各項參數(shù)可調(diào)，超級電容組的前端帶有可控的單向BUCK?BOOST電壓轉(zhuǎn)換模塊。當(dāng)主動永磁同步電機模擬整車運行時，不需要進行能量回收，整流橋輸出端接在電子負載端，以模擬不同的工況；當(dāng)需要進行能量回收時，如整車的減速和制動的過程中，整流橋的輸出端就接在電壓轉(zhuǎn)換模塊，為超級電容組充電。通過改變控制電壓轉(zhuǎn)換模塊控制信號的占空比來改變超級電容的充電電壓與電流，即可模擬不同的負載。

3 電動汽車運行模擬的控制機理

總控制臺是系統(tǒng)控制和監(jiān)測的核心，所有的輸入信息由總控制臺接收，所有的控制邏輯都是由總控制臺判斷，所有的反饋信息也是返回到總控制臺進行檢測和顯示?？偪刂婆_信息的輸入、反饋信號的接收以及控制信號的發(fā)出如圖2所示。

圖2 總控制臺結(jié)構(gòu)

輸入信息包括輸入模擬路況情況與電機的啟停控制；反饋信息包括電源輸入功率、主動電機運行功率、從動電機發(fā)電功率、電子負載消耗功率、逆變橋輸出電壓、超級電容充電功率和故障信號等；控制信號包括為電機控制器設(shè)置運行參數(shù)，切換整流橋輸出端的負載，設(shè)置電子負載的參數(shù)，調(diào)節(jié)超級電容組前端電壓轉(zhuǎn)換模塊的電壓等。

本系統(tǒng)主控臺的軟件控制機理結(jié)構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)上電初期，等待硬件上電完畢，軟件程序開始初始化。初始化結(jié)束后，程序開始讀取當(dāng)前系統(tǒng)的信息判斷系統(tǒng)當(dāng)前所處的狀態(tài)，如讀取電源電壓、主動電機轉(zhuǎn)子位置、超級電容組輸入端電壓、判斷當(dāng)前狀態(tài)有無錯誤、各部分間連接是否異常。當(dāng)準(zhǔn)備工作結(jié)束后，總控制臺將人工輸入當(dāng)前所要模擬的整車工況，然后程序開始設(shè)置下一步的參數(shù)。根據(jù)輸入的模擬工況開始初始化主動電機運行的參數(shù)，并且判斷系統(tǒng)是否要進行能量回收，如果需要能量回收，則將輸出負載端接到超級電容組的一端。如果不需要能量回收，則將輸出負載端接到電子負載端，并初步設(shè)置電子負載的參數(shù)。等待負載端配置完畢，主動電機將按照輸入的工況要求分步運行主動電機，與此同時，負載端根據(jù)實時信息調(diào)節(jié)超級電容前端的調(diào)壓模塊和電子負載的配置參數(shù)。電機運行的全程，總控制臺進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測與顯示以及系統(tǒng)錯誤提示，操作者可以根據(jù)顯示的信息判斷當(dāng)前運行的狀態(tài)。當(dāng)整車工況模擬完畢后，由操作人決定是否繼續(xù)模擬下一工況，如果繼續(xù)，程序則返回人工輸入模擬工況階段，如果結(jié)束，程序?qū)⑼顺觥?/p>

圖3 主控臺軟件控制結(jié)構(gòu)流程

系統(tǒng)中電機控制器的內(nèi)部控制機理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 內(nèi)部控制機理結(jié)構(gòu)圖

永磁同步電機的控制采用的是電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，相比于SPWM算法，更高效、精準(zhǔn)。由圖4可以看出，首先由總控制臺給電機控制器發(fā)出指令，然后由電機控制器決定采用轉(zhuǎn)速控制模式還是扭矩控制模式。若采用轉(zhuǎn)速控制模式，則扭矩電流[isqref]由轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)后的輸出值決定；若采用扭矩模式，則[isqref]由電機控制器的輸入值決定。電機控制器的整個控制邏輯采用的是雙閉環(huán)控制，反饋量包括電機的定子電流[ia]和[ib、]由位置傳感器輸出的電機機械轉(zhuǎn)角位移與轉(zhuǎn)速[n。]電機的定子電流[ia]和[ib]利用公式[ic=-（ia+ib）]計算出[ic，]通過Clarke變換和Park變換將電流[ia，][ib，][ic]變換成旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流分量[isd，][isq。][isd，][isq]則作為電流環(huán)的負反饋量。根據(jù)機械轉(zhuǎn)角位移就可以計算出電角度[θe，]電角度[θe]用于參與Park變換和逆變換的計算，轉(zhuǎn)速[n]作為速度環(huán)的負反饋量。當(dāng)選擇轉(zhuǎn)速模式時，給定的轉(zhuǎn)速[nref]與轉(zhuǎn)速反饋量[n]的偏差經(jīng)過速度PI調(diào)節(jié)器，其輸出作為用于轉(zhuǎn)矩控制的電流[q]軸參考量；當(dāng)選擇扭矩模式時，給定的[isqref]直接作用于電流[q]軸參考量。[isdref]由電機控制器給定，在必要時，此電流可以起到對電機內(nèi)部弱磁作用。[isqref]和[isdref]與電流反饋量[isd，][isq]的偏差經(jīng)過電流PI調(diào)節(jié)器，分別輸出[dq]旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的相電壓[Vsqref]和[Vsdref。][Vsqref]和[Vsdref]再通過Park逆變換轉(zhuǎn)換成[αβ]直角坐標(biāo)系的定子相電壓矢量的分量[Vsαref]和[Vsβref。]由此可確定其所在磁鏈軌跡的扇區(qū)，然后采用電壓空間矢量SVPWM技術(shù)，產(chǎn)生PWM控制信號來控制逆變器。

在主動電機運行的整個過程中，總控制臺與電機控制器持續(xù)地進行信息交互，總控制臺實時的顯示主動電機當(dāng)前的運行狀態(tài)。

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)的軟硬件以及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，在實驗室的條件下進行了全面的試驗和調(diào)試。系統(tǒng)由總控制臺進行監(jiān)控，實時顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)。主動電機可模擬電動汽車的運行工況，包括啟動工況、正常行駛工況、加速/爬坡行駛工況、制動/下坡行駛工況和剎車工況；轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀實時地監(jiān)控主動電機的運行情況；從動電機在主動電機的拖動下，將轉(zhuǎn)換的電能加載到負載接口上，負載切換接口有效地根據(jù)需求切換輸出端負載；電子負載能夠按照要求配置相關(guān)的參數(shù)，并且穩(wěn)定的工作，超級電容組在前端調(diào)壓模塊的幫組下能夠高效快速地回收多余的能量。經(jīng)過實際測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，信息反饋及時準(zhǔn)確，執(zhí)行機構(gòu)反應(yīng)迅速，達到了模擬電動汽車運行、監(jiān)控能量走向及能量轉(zhuǎn)換效率，進而提高電動汽車的能源利用率的目的。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的模擬電動汽車運行以及超級電容組能量回收系統(tǒng)，采用雙永磁同步電機拖動的方式，加入超級電容能量回收部分，通過CAN通信方式發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了模擬電動汽車運行和超級電容組能量回收的功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、功能強大，達到了模擬電動汽車運行以及采用超級電容組進行能量回收的目的，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1] 王曉明.電動機的DSP控制[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[2] 張慧妍.超級電容器直流儲能系統(tǒng)分析與控制技術(shù)的研究[D].北京：中科院電工研究所，2006.

[3] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4] 楊光祥.STM32單片機原理與工程實踐[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013.

[5] 蔡貴方，李優(yōu)新，姚震，等.電動汽車快速充電機監(jiān)控終端的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（12）：167?170.

[6] 孫野，韓如成，智澤英.基于超級電容的靜止無功補償器的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（12）：139?142.