輕型電動汽車無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的研制

黃清鋒

研制了一種運用于輕型電動汽車的無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，它包括控制單元及電機驅(qū)動模塊兩大部分。相較于傳統(tǒng)式電動汽車，本設(shè)計將驅(qū)動電路、無刷直流電機及電動車輪子整合成一個驅(qū)動模塊，電動機動力直接驅(qū)動電動汽車，而無需傳動系統(tǒng)?？刂茊卧且詳?shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）為控制基礎(chǔ)，并通過控制局域網(wǎng)絡(luò)總線（Controller Area Network Bus，CAN Bus）接收檢測信號及傳送指令驅(qū)動無刷直流電機，每一模塊可根據(jù)不同駕駛模式獨立運作。通過軟件的設(shè)定，電機驅(qū)動模塊可搭配在不同形式的電動汽車上，不需要更改電路設(shè)計。

隨著能源問題和環(huán)境惡化的日益嚴(yán)重，開發(fā)一種新型的無油耗、無大氣污染、無噪音的交通工具正被世界交通業(yè)認為是大勢所趨。輕型電動汽車是一種由電力驅(qū)動的、無污染的、節(jié)能的、新型的交通工具，發(fā)展電動汽車是解決燃油汽車所帶來的大氣環(huán)境惡化和能源消耗問題的最有希望的方案之一。

現(xiàn)今，在輕型電動汽車研發(fā)的眾多技術(shù)中，輪轂驅(qū)動式電動汽車作為一種新型的電動汽車的選型方向，受到業(yè)界的高度關(guān)注，相對國內(nèi)的相關(guān)研究來說，目前尚處于剛剛起步階段，但是由于輪式驅(qū)動特有的優(yōu)點，令其具有廣闊的應(yīng)用前景。電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)是車輛行駛的核心，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，電動汽車的電機驅(qū)動控制響應(yīng)速度快、精度高，特別是對于輪式驅(qū)動的電動汽車，每個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)矩可以獨立控制，這樣可通過軟件實現(xiàn)電動車的行駛功能，其控制裝置凸現(xiàn)低成本、高性能的獨特優(yōu)勢。本文以此為切入點，進行了輕型電動汽車無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的研制。

輕型電動車架構(gòu)與控制策略

輕型電動車基本架構(gòu)的確定

圖1 為傳統(tǒng)式電動汽車的整體架構(gòu)，由圖中可看出整個電動車構(gòu)造復(fù)雜，電動機動力通過傳動系統(tǒng)傳至驅(qū)動輪，系統(tǒng)架構(gòu)不但笨重且能量流失嚴(yán)重，同時使用制動系統(tǒng)來減速或剎車，能量無法回收利用。

圖2 為本次設(shè)計所提出的輕型電動汽車的整體架構(gòu)，相較于傳統(tǒng)式電動汽車，其架構(gòu)已大幅簡化，將驅(qū)動器、電動機、傳動系統(tǒng)、制動系統(tǒng)與驅(qū)動輪全部整合成電機驅(qū)動模塊，直接接受控制單元的控制。電動汽車運轉(zhuǎn)時控制電路根據(jù)駕駛模式控制無刷直流電機操作于不同象限，可以命令電動車前進或后退。當(dāng)需要減速或剎車時，無刷直流電機轉(zhuǎn)變成發(fā)電機狀態(tài)，將電動車的動能經(jīng)由電機驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)換成電能回充于電池。

輪圈式無刷直流電機

圖1 傳統(tǒng)式電動車整體架構(gòu)

圖2 輕型電動車整體架構(gòu)

電機系統(tǒng)是電動汽車運行的心臟，是電動汽車研究需解決的首要問題。針對目前電動汽車常用的電動機進行了比較，得出直流無刷電動機是比較適合于電動車的。它既具有交流電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等一系列優(yōu)點，又具備直流電機運行效率高、調(diào)速性能好的特點，同時無勵磁損耗。本系統(tǒng)所使用的無刷直流電機為輪圈式電機，其驅(qū)動模塊可將電動機動力直接輸出，不必通過中間的齒輪、鏈條或皮帶的傳輸，因此有較高的傳動效率。圖3 為輪圈式電機結(jié)構(gòu)，可以看出外轉(zhuǎn)子式電機構(gòu)造，永磁式磁鐵鑲嵌于轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)，固定在外殼上以轉(zhuǎn)軸為圓心轉(zhuǎn)動。定子部分包括硅鋼片及定子電樞繞組，固定于無刷直流電機骨架上，整個無刷直流電機轉(zhuǎn)子與定子之間只有通過轉(zhuǎn)軸上的軸承連接，可以將無刷直流電機整體機械損耗降至最低。

圖3 輪圈式電機結(jié)構(gòu)

輕型電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制策略

輕型電動車的駕駛模式

電動汽車駕駛模式如圖4 所示，包括從靜止?fàn)顟B(tài)起步加速，固定轉(zhuǎn)速定速行駛及最后階段的減速或剎車等模式，且電動車行進方向可為前進或后退。電動汽車的駕駛模式除了直線前進外，也包括轉(zhuǎn)向，如圖5 所示。由于電動汽車轉(zhuǎn)向時各車輪所走的距離不同，轉(zhuǎn)速各不相同。若無差速器吸收內(nèi)外側(cè)輪間的轉(zhuǎn)速差，則內(nèi)側(cè)輪與地面產(chǎn)生的阻力會讓電動車轉(zhuǎn)向時的行進軌跡難以有效掌握，所以差速器是車輛傳動系統(tǒng)的必要裝置。本設(shè)計借由控制電路輸出不同速度的命令給電動車左右兩邊的電機驅(qū)動模組，所形成的轉(zhuǎn)速差，便具有差速器的效果，不必再依靠機械結(jié)構(gòu)。

輕型電動汽車電機電壓控制策略

文獻指出，轉(zhuǎn)矩控制策略、功率控制策略及轉(zhuǎn)速控制策略下，駕駛感覺與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相異，不適合輕型電動汽車無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)，故本文采用電壓控制策略。通常采用線性電流調(diào)節(jié)系數(shù)的電流負反饋控制系統(tǒng)和調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)都屬于電壓控制策略。

輕型電動汽車直行控制策略

輕型電動車由兩個輪圈式電機單獨驅(qū)動，因取消了機械差速系統(tǒng)，再加上驅(qū)動模組內(nèi)部參數(shù)和外部路況等因素，即使兩驅(qū)動模組的輸入信號一致，也不可能絕對保證左右電機轉(zhuǎn)速相同，繼而影響電動汽車直行時的穩(wěn)定性。保證電動汽車能夠正常直行的核心是要盡可能地減小直行時的跑偏量，如圖6 所示，我們引入一個補償減小兩驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差，補償?shù)倪^程是將左電機的速度與右電機的速度比較，將其差值回饋到右電機的速度給定環(huán)節(jié)，從而減小左右驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速差。

圖4 電動汽車駕駛模式

圖5 電動汽車的轉(zhuǎn)向

圖6 輕型電動車直行控制策略

輕型電動汽車轉(zhuǎn)彎控制策略

輕型電動汽車轉(zhuǎn)向的簡化模型如圖7 所示，我們分析驅(qū)動輪3 和4 的速度可知，v3和 v4是關(guān)于車速v 和轉(zhuǎn)向角θ 的變量，改變 v3和 v4，電動車的行進方向會往轉(zhuǎn)速較慢的那邊轉(zhuǎn)向。但由于此方式存在一定的安全隱患，同時對驅(qū)動輪的要求較高，所以需要對轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角進行限制。本系統(tǒng)中將轉(zhuǎn)角限制在45°，轉(zhuǎn)角信號超過45°仍然按照45°計算。

輕型電動車調(diào)速控制策略

圖7 輕型電動汽車轉(zhuǎn)彎簡化模型

圖8 輕型電動車雙閉環(huán)調(diào)速控制策略

圖9 輕型電動車無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件總體框圖

在工業(yè)控制領(lǐng)域中直流無刷電機得到廣泛應(yīng)用，先進的調(diào)速控制策略也得到廣泛采用，如PID 控制、模糊控制、自適應(yīng)PID 控制等。由于輕型電動汽車對調(diào)速特性的要求并不是很高，故本系統(tǒng)采取轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，它能完全利用無刷直流電機的過載能力，在啟動過程中保持電流為允許的最大值，使系統(tǒng)以最大的加速度啟動，等轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，立即讓電流降下來，使轉(zhuǎn)矩與負載平衡，使系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)運行。輕型電動汽車雙閉環(huán)調(diào)速控制策略如圖8所示。

通過檢測無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置信號的變化，我們可以估算出無刷直流電機轉(zhuǎn)速，其目的就是為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)計算出電流環(huán)的指令值。同時通過檢測轉(zhuǎn)子位置信號可以確定定子繞組的導(dǎo)通順序，從而根據(jù)電樞繞組的電流確定定子繞組導(dǎo)通所需的電壓平均值，即PWM 的占空比。電流環(huán)的作用就是為確定并更新電壓平均值即PWM 的占空比。

輕型電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計

硬件設(shè)計

輕型電動汽車無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖9 所示，整個驅(qū)動系統(tǒng)主要由功率主電路即換流器、驅(qū)動電路、轉(zhuǎn)子位置檢測、電流檢測電路、保護電路、開關(guān)輸入電路、腳踏板輸入電路、CAN 通信電路、電源模塊等組成。其中，保護電路包括欠壓、過壓以及過流保護等；開關(guān)輸入電路包括鑰匙，前進后退轉(zhuǎn)向等信號輸入；轉(zhuǎn)子位置檢測電路檢測無刷直流電動機轉(zhuǎn)子的位置信息，為電動機的準(zhǔn)確換相以及速度檢測提供依據(jù)。

系統(tǒng)的控制單元以DSP TMS320LF2407A 作為控制核心，其特點是利用DSP 強大的數(shù)學(xué)運算，實現(xiàn)模擬電路所無法完成的控制流程，并充分利用DSP 內(nèi)建功能如模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器、PWM 產(chǎn)生器、通訊接口等，降低系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度。

圖10 系統(tǒng)程序流程圖

控制電路和電機驅(qū)動模塊以CAN 總線作為命令傳送接口?？刂齐娐返姆较蚺c速度控制器信號經(jīng)由CAN 總線傳送給遠端的電機驅(qū)動模塊，控制電池與直流無刷電機間的功率流向，速度與電流信號亦經(jīng)由 CAN 總線傳回給控制電路。

軟件設(shè)計

輕型電動汽車無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)能否正常工作，只有硬件系統(tǒng)是不夠的，還必須軟件的配合才能正常工作。硬件電路滿足了驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)的基本要求，且提供了硬件保護，軟件則使驅(qū)動電動機獲得優(yōu)異的調(diào)速性能，并且提供了軟件保護。

系統(tǒng)程序流程如圖10所示，（a）為系統(tǒng)主程序流程，（b）為轉(zhuǎn)子位置捕捉中斷程序流程，（c）為A/D 中斷程序流程。系統(tǒng)上電時，將進行初始化，之后對外部輸入信號進行采樣，發(fā)現(xiàn)速度信號或方向信號后，系統(tǒng)將按設(shè)定的控制策略對直流無刷電動機進行協(xié)調(diào)控制。DSP 在間隔時間內(nèi)對外部輸入的信號進行采集，實時更新PWM 值，如此循環(huán)。轉(zhuǎn)子位置捕捉中斷服務(wù)子程序的主要作用是根據(jù)I/O 腳中斷信號捕捉到的轉(zhuǎn)子位置信號進行換相與速度計算。A/D中斷服務(wù)子程序的主要作用是讀取電流轉(zhuǎn)換值，給調(diào)解速度環(huán)和電流環(huán)，實現(xiàn)PWM 參數(shù)的更新提供依據(jù)。

結(jié)語

經(jīng)實機測量，輕型電動汽車可達到前進、后退、轉(zhuǎn)彎及原地轉(zhuǎn)向等駕駛模式，通過電流限制功能可控制電動機輸出轉(zhuǎn)矩，使電動車運轉(zhuǎn)于省電模式；輕型電動汽車具有能量回饋功能，通過無刷直流電機不同象限的控制，剎車時的動能可轉(zhuǎn)為電能回充于電池，測試得到，驅(qū)動系統(tǒng)效率最高可達80 %。