電動汽車電機控制系統(tǒng)仿真平臺的設計及實現(xiàn)

敬一立，李凌杰

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

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電動汽車電機控制系統(tǒng)仿真平臺的設計及實現(xiàn)

敬一立，李凌杰

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064）

摘 要：通過試驗研究了電動汽車的電機控制系統(tǒng)仿真平臺的設計以及實現(xiàn)過程。介紹了電動汽車電機控制系統(tǒng)的仿真平臺總體設計方案、軟件實現(xiàn)、仿真與實驗結果分析，本次研究為以后的電動汽車電機控制找到了一定的研究方向和數(shù)據(jù)支持，在具體的平臺中完成了軟件模擬以及硬件的具體結構設計，實現(xiàn)了CPLD和DSP雙核工作的框架要求，完成了通信及數(shù)據(jù)采集模塊的實際運行，最終實現(xiàn)了電動汽車電機控制系統(tǒng)的仿真平臺。

關鍵詞：電動汽車 電機控制系統(tǒng) 仿真平臺

0 引言

近些年來世界資源不斷減少，特別是石油趨于匱乏。與此同時我國的汽車保有量卻在逐年的增長，不僅增大了環(huán)境壓力同時對汽油的使用量也是增加巨大?；谶@種情況，電動汽車作為一種清潔節(jié)能型汽車有了很大的發(fā)展空間。在發(fā)展電動汽車中一個重要的環(huán)節(jié)就是電機驅動控制系統(tǒng)。汽車電機驅動系統(tǒng)被分為兩種：一種是交流驅動，一種是直流驅動。早期由于直流電機驅動系統(tǒng)技術比較成熟，其調速的范圍相對較廣，制動力矩比較大等優(yōu)點使得直流驅動器在汽車電機中得到了廣泛的應用。但是技術的革新使得交流電機不在需要換向器而且體積更小，結構更簡單易于維護，這些優(yōu)點使得目前交流電機驅動成為電車驅動的主流。電機驅動系統(tǒng)控制的好壞直接關系到電車的產業(yè)進化和發(fā)展，所以進行電動車電機驅動系統(tǒng)的仿真設計對整個體統(tǒng)非常重要。下面就具體介紹一下電動汽車電機控制系統(tǒng)仿真平臺的設計以及實現(xiàn)。

1 平臺總體方案設計

1.1目標定位與設計思想

此次設計的最終目的是提供一個開放性較好工作環(huán)境，實現(xiàn)數(shù)值化、智能化以及網(wǎng)絡化的仿真平臺，具體的設計圖如圖1。

這個平臺不僅可以實現(xiàn)電機控制的仿真，還能完成電機控制實驗，實現(xiàn)兩者結果的分析和對比。整個系統(tǒng)有電機驅動控制器、PC機、交流感應電機、直流電源以及LabVIEW系統(tǒng)組成。PC機可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的仿真功能、控制算法、參數(shù)整定，PC機還可以與電機驅動控制器直接聯(lián)系和通信實現(xiàn)對電機的控制。

圖 1 平臺整體結構圖

1.2平臺硬件結構設計

PC機的PXI系統(tǒng)：這種系統(tǒng)包含了通信數(shù)據(jù)采集需要的高速卡板以及微型計算機。實現(xiàn)驅動控制信息的通信完成電機控制，其中高速采集板可以采集到電池組、電機、驅動器的實際電流/電壓、驅動器工作中的溫度等信息。微型計算機是整個控制的核心部位，可以起到電機的實驗和仿真作用；電機驅動控制器：交流電動機的特點是耦合性和變性強，在控制中要具有很強的實時性，在芯片的選擇上需要有較快的計算速度，其處理器主要是DSP+CPLD的雙CPU結構?？刂破鞯墓β什糠种饕侨鄻蚴侥阕冸娐?，將336V的直流電池變?yōu)榻涣麟妬韺﹄姍C進行驅動?？刂撇糠钟赏ㄐ拍K、信號采集模塊以及控制輸出模塊組成，其原理是實現(xiàn)外部信號的采集，進行數(shù)據(jù)分析檢測故障，來實現(xiàn)電機的正常工作，上層軟件LabVIEW實現(xiàn)電機驅動的控制通信，進行參數(shù)配置；直流電源，其目的是提供高壓直流電，但是這樣的直流電要經(jīng)過逆變橋堆的轉換變頻和變壓變成三相交流電，用DC/CD轉換器變成24 V的低壓驅動供電。

1.3系統(tǒng)底層軟件設計

為了滿足底層系統(tǒng)要求控制器采用了CPLD 和DSP雙核工作的框架。其中CPLD主要實現(xiàn)故障的診斷和保護進行數(shù)據(jù)量的采集處理，是對外部執(zhí)行機構的控制；DSP實現(xiàn)電機的數(shù)字控制，產生PWM信號，采集模擬信號以及編碼脈沖實現(xiàn)上層軟件的通信。底層模塊設計主要包括了：流程控制模塊，實現(xiàn)程序的初始化、啟動和故障處理以及真?zhèn)€運行和停止；故障處理和保障模塊，這部分是由CPLD與DSP共同協(xié)調完成；控制算法模塊，針對的是脈沖調制算法和轉矩控制算法；數(shù)據(jù)通信模塊，是上層軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換以及其他控制部位的數(shù)據(jù)整理；數(shù)字采集和處理模塊，采取的是數(shù)字濾波和信號采集；數(shù)據(jù)儲存模塊，將驅動控制的參數(shù)進行設定后保存。

1.4系統(tǒng)上層軟件設計

實現(xiàn)系統(tǒng)的上層軟件設計就是整個軟件平臺的操作環(huán)境設計，上層也是實驗和仿真的平臺入口。其性能好壞關系到以上系統(tǒng)的便捷和可操作性，在上層軟件開發(fā)中要跟上后續(xù)平臺的使用還要進行及時的維護和升級。

1.4.1設計思想與遵循原則

上層軟件平臺的實現(xiàn)要體現(xiàn)出實用性、可操作性、安全性、可維護性以及先進性和開放性，同時讓平臺的使用得到功能保護，可以判斷使用條件，設定使用限制，同時要保證符合時代發(fā)展的要求，具有一定科技含量，只有這樣才能保證以上平臺使用時達到最終的目的，滿足客戶需求。

1.4.2系統(tǒng)上層軟件功能模塊設計

此次系統(tǒng)上層軟件功能模塊設計原理是實行總—分原則。即在幾個大的模塊下進行很多個小模塊的設計。例如在電機控制仿真模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機控制實驗模塊下再次分出更多個小的模塊，將各個模塊封裝起來可以實現(xiàn)各個層次的模塊獨立完成各項任務實現(xiàn)功能獨立化 。將整個大系統(tǒng)化整為零，實現(xiàn)模塊管理的井然有序，防止出現(xiàn)重復性工作。對上層軟件的設計主要被分為幾個大模塊：1）通信及數(shù)據(jù)采集模塊，可以實現(xiàn)卡板數(shù)據(jù)收集和CANopen通信，用CANopen通信模塊的內部讀取和寫入功能不僅可以發(fā)送電機驅動控制器的協(xié)議還可以接受外部協(xié)議，用卡板數(shù)據(jù)來收集電機的電壓、電流以及轉速等信號；2）電機控制仿真模塊，可以進行PI參數(shù)設定和算法仿真，進行PI參數(shù)的整定實現(xiàn)電機的算法仿真還可以進行控制改善；3）電機控制實驗模塊，其中包括了電機控制、工況配置、參數(shù)配置，其控制電機的轉速、轉矩、轉向以及電機的啟動和停止等，還能夠顯示出實際驅動的狀態(tài)和溫度變化等；4）工程更新模塊，可以進行DSP的工程重新編寫工作；5）對比模塊，用于各個實驗進行中的數(shù)據(jù)對比，可以實現(xiàn)實驗中的指標對比同時顯示出數(shù)據(jù)之間的差異起到分析和驗證的作用；6）遠程實驗模塊，主要采取網(wǎng)絡訪問形式，對所有在線用戶，進行合理分配操作權限，控制實驗內容，實現(xiàn)遠程控制；7）數(shù)據(jù)管理模塊，主要有數(shù)據(jù)庫管理和用戶管理兩個模塊組成，用戶管理由個人信息管理和用戶權限管理兩部分組成，數(shù)據(jù)庫管理可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)檢驗還可以進行相關的歷史數(shù)據(jù)查詢，進行數(shù)據(jù)的下載和上傳等。

2 平臺軟件實現(xiàn)

2.1電機控制仿真模塊的實現(xiàn)

要想實現(xiàn)電機控制仿真模塊，就要進行混合編程、電機算法控制以及PI參數(shù)的整定。首先要導入電機實際控制的算法，PI參數(shù)整定可以將繁雜的系統(tǒng)參數(shù)變得簡化，這樣混合式的編程使得系統(tǒng)在使用中變得更加方便。

2.1.1混合編程的實現(xiàn)

利用SIT工具包來調用simulink模型，現(xiàn)將simulink模型導入到LabVIEW的環(huán)境中，實現(xiàn)兩者的混合編程，實際上他們共同用一個模型接口，使用中兩者都處于運行狀態(tài)，具體操作方法是:在simulink環(huán)境下建立一個仿真模型然后輸入相關變量，在LabVIEW中建立起一個控制頁面，通過SIT將以上兩者的控制連接起來，在實際的使用中就可以進行兩者的共同調用。具體的simulink 結構圖如下：

2.1.2電機控制算法模塊的實現(xiàn)

1） 矢量控制模型

矢量控制也叫做磁場定向控制，其原理是通過解耦操作，來控制交流電機，也就是在內部磁場上做好定向坐標，將矢量通過解耦的辦法變成電流分量和轉矩分量，實現(xiàn)電機調節(jié)控制。將三相電流通過三相靜止坐標系分別分解到兩相坐標垂直系上，將轉軸的方向朝著磁鏈方向，分成電流分量和轉矩分量，來控制直流電機。按照這種思想，將坐標進行向量變化，可以求得控制量坐標，可以實現(xiàn)三相交流電機的控制，根據(jù)磁鏈上的觀測器可以得出轉子的磁鏈實際位置，進行坐標轉化得到定子的電路分量和勵磁分量，這些量的反饋信息會被PI控制器捕捉到，最終實現(xiàn)對交流電機的數(shù)據(jù)控制。

2） 直流轉矩控制模塊

直流轉矩控制方法是離散型的兩點式調節(jié)方法，可以避免復雜的坐標變化和繁雜計算，直接根據(jù)電機的定子坐標來計算轉矩的大小和磁鏈的幅值，這樣可以達到快速響應電機轉矩的目的，來彌補矢量控制的不足。其原理是：將檢查到的定子上三相電流，分解成坐標矢量，通過轉矩觀測器和磁鏈觀測器得出轉矩和磁鏈的實際值，將兩者的實際值和期望值之間的差值放入到模型當中，通過模型調整差值，實現(xiàn)轉矩的自動控制。選擇一個合適的開關狀態(tài)來控制逆變器輸出，這時的PI 輸出實際上就是電機的轉矩期望值。

2.2電機控制實驗模塊的實現(xiàn)

2.2.1通信及數(shù)據(jù)采集模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集和通信是在CAN總線的前提下實現(xiàn)的，采用0B的擴展格式，同時也參考了SAEJ1939的控制協(xié)議，整個協(xié)議的長度為16個字節(jié)，分為校驗碼、數(shù)據(jù)區(qū)和幀頭等協(xié)議數(shù)據(jù)格式如表1。其中的D0表示的是功能碼，有著不同的功能操作；D1是數(shù)據(jù)幀的編號，可以進行排序將D2-D13上相應數(shù)據(jù)進行排序，D14-D15 可以進行CRC的數(shù)據(jù)校驗然后生成校驗碼的高位符合地位。在實際應用中可以設定電動汽車的實際工況，采取16進制來表示電機的控制數(shù)據(jù)，對16進制數(shù)據(jù)進行校驗，可以起到屏蔽故障的功能。在驅動控制中收集到的電機參數(shù)可以通過數(shù)字IO口以及報警協(xié)議發(fā)送至上層或者是下層的協(xié)議模塊，變成相關的波形或者是表格，顯示在實驗者的面前。其實驗工作原理如圖3。

表1 通信協(xié)議數(shù)據(jù)格式

圖3 工作原理圖

圖4 電機控制系統(tǒng)仿真圖

2.3對比分析模塊的實現(xiàn)

本次實驗的對比分析模塊包括了導入模塊、對比模塊以及數(shù)據(jù)分析模塊。導入模塊采用自動制動導入數(shù)據(jù)的形勢，從數(shù)據(jù)庫中直接將實驗或者是模擬得到的數(shù)據(jù)上傳進去，檢測數(shù)據(jù)以后導入模塊被激活，就可以進行選擇性比較，這里的數(shù)據(jù)分析模塊可以實現(xiàn)性能指標數(shù)據(jù)分析，進行上升時間以及穩(wěn)態(tài)誤差等最小值和最大值的計算處理，同時動用相關函數(shù)進行超量計算，把計算結果進行合理分析，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的選擇性現(xiàn)實，得到我們想要的數(shù)據(jù)模型。

3 仿真與實驗及其結果分析

3.2異步電機矢量控制仿真

對于仿真前要做好參數(shù)的設定實現(xiàn)對電機的參數(shù)控制，在PI區(qū)進行參數(shù)整定優(yōu)化實驗。調用MATLAB軟件工具，進行調整，得出Kp、Ki的初始值，進行參數(shù)設定完成后，可以進行仿真實驗。經(jīng)過仿真后得到的初值是Kp=0.552、Ki=0.082得到的系統(tǒng)轉速為42.8 rad/s。通過仿真發(fā)現(xiàn)實際情況中有較大的超調量，所以需要再次對以上兩個數(shù)據(jù)進行調整。經(jīng)過優(yōu)化后得到的Kp、Ki值分別為0.053和0.108，比較符合實際工作狀態(tài)。仿真圖如圖4。

3.3異步電機矢量控制實驗

實驗中，電機啟動前要配置和調節(jié)相關參數(shù)的，如PI參數(shù)、電機參數(shù)、標準參數(shù)以及AD參數(shù)等。本次實驗以PI參數(shù)為例，在設定時可以根據(jù)自己的喜好將0作為屏蔽對應故障，而1表示為不屏蔽對應故障，這樣就可以實現(xiàn)對仿真平臺的自動故障的檢測操作了。優(yōu)化后的PI值可以達到實際控制的效果，實現(xiàn)對系統(tǒng)的故障控制。可以顯示出各個模擬量的區(qū)域轉速、母線電壓以及相電流的實際值和實際功率。其信息顯示如圖5。

圖5 電機控制信息顯示

4 結語

電動汽車電機控制系統(tǒng)仿真平臺的設計及實現(xiàn)研究，對未來電動汽車的發(fā)展研究有著重大的意義。在本次研究中設計仿真平臺時主要從硬件設施方面和軟件方面進行研究，來保證仿真平臺的實用性和可操作性，同時保證了設計平臺和實際電動汽車電機控制系統(tǒng)相符合。在進行研究中充分利用現(xiàn)代高科技實現(xiàn)了整個平臺的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化，為以后的電機研究打下堅實的基礎，同時也是未來科研技術發(fā)展的方向。

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Design and Realization of the Control System’s Simulation Platform for the Electric Car Motor

Jing Yili,Li Lingjie
(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China)

Abstract：The design and implementation of the electric vehicle's motor control system simulation platform is studied through an experiment.The overall design scheme,software implementation,simulation and experimental results of the simulation platform of the electric vehicle motor control system are introduced.The software simulation and hardware structure design of the concrete platform are completed,the framework of the CPLD and DSP dual core is realized.The actual operation of the communication and data acquisition module is completed and the simulation platform of the electric vehicle's motor control system is realized.

Keywords:electric car; motor control system; simulation platform

作者簡介：敬一立（1983-），男，工程師，研究方向：電氣工程。

收稿日期：2015-09-30

中圖分類號：TM301.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0030-05