基于DSP和弱磁控制算法的純電動汽車電機控制系統(tǒng)

陳 慶，魏麗君，熊 異

(1.中南大學(xué)，長沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001)

基于DSP和弱磁控制算法的純電動汽車電機控制系統(tǒng)

陳 慶1，2，魏麗君2，熊 異2

(1.中南大學(xué)，長沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，株洲 412001)

以TMS320F28035作為控制核心，驅(qū)動電動機采用額定電壓僅為48 V的低壓電機，設(shè)計了一套純電動汽車的電動機控制器及轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)。對整個系統(tǒng)的控制系算法進行優(yōu)化改進，提高了電動汽車安全性的同時，實現(xiàn)電動汽車在運行過程中能提供盡可能大的轉(zhuǎn)矩和達到比較高的效率。

純電動汽車；電機驅(qū)動；弱磁控制算法；效率優(yōu)化策略

0 引 言

能源問題是21世紀(jì)最主要的問題之一，電動汽車作為一種新型能源汽車，是解決能源危機的一種有效途徑，因此，近年來，對電動汽車的研究日趨增多。但總體來說，我國電動汽車電機驅(qū)動控制器的研究還比較落后，自身研發(fā)能力不強。目前，大多數(shù)電動汽車控制器的電機驅(qū)動都是采用高壓加IGBT的形式，雖然增加了轉(zhuǎn)矩，但一旦漏電，就會對人體產(chǎn)生致命危害。

針對此問題，本文以TMS320F28035作為控制核心，驅(qū)動電動機采用額定電壓僅為48 V的低壓電機，設(shè)計了一套純電動汽車的電機控制器及轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制系統(tǒng)。對整個系統(tǒng)的控制系算法進行優(yōu)化改進，提高了電動汽車安全性的同時，實現(xiàn)電動汽車在運行過程中能提供盡可能大的轉(zhuǎn)矩和達到比較高的效率。

1 總體方案

整體設(shè)計的系統(tǒng)框圖如圖1所示。它主要包括異步電動機控制器、三相感應(yīng)電動機、固定速比變速器、電池管理系統(tǒng)等。電機驅(qū)動與電池能量管理緊密相聯(lián)，而電池管理系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供可靠的供電保障。電機驅(qū)動部分與電源管理部分通過CAN總線通訊。

圖1 車輛控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本文中，采用基于弱磁控制算法的電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)改變傳統(tǒng)的電機矢量控制算法，同時利用DSP實現(xiàn)基于電機弱磁控制算法，其驅(qū)動系統(tǒng)框圖如圖2所示。首先通過對TMS320F2808的PWM模塊進行配置，輸出6路可單獨控制PWM。得到改進的弱磁控制算法，最后由帶直通的PWM來驅(qū)動逆變器的功率管。

圖2 基于弱磁控制算法的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的電動汽車電機控制器總體框圖和實物圖如圖3所示。本系統(tǒng)采用48 V電池作為控制器母線電壓輸入，主驅(qū)電機為鼠籠式異步電動機，采用TMS320F28035作為控制器主控芯片，功率逆變橋部分采用大電流MOSFET并聯(lián)，電流采樣采用新型的電流采樣芯片MLX91205。整個控制器狀態(tài)的檢測采用上位機來監(jiān)測，控制器與上位機之間通過CAN通信來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 電動汽車電機控制器框圖

電流檢測電路的連接圖如圖4所示。電路采用磁集極霍爾傳感器MLX91205。

磁集極霍爾傳感器具有和磁阻傳感器相當(dāng)?shù)臋z測靈敏度，但在非線性和磁滯現(xiàn)象方面得到了明顯改善，而且比一般的霍爾傳感器在靈敏度、非線性和磁滯現(xiàn)象方面都要好。它的典型響應(yīng)時間只有3 μs，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在PWM 控制以及過載保護中檢測電流信號，可以實現(xiàn)快速保護。

(a)未加導(dǎo)電條(b)加上導(dǎo)電條

圖4 MLX91205的實物連接圖

通過試驗比較了距離與電流的關(guān)系，部分試驗波形如圖5所示。由電磁學(xué)理論可知，距離r增大，磁場強度B減小。因此，傳感器和導(dǎo)線之間的距離越小，傳感器的輸出電壓就越大。

(a)r=9．2mm，I=52．7A，Umax=0．76V(b)r=16．2mm，I=52．8A，Umax=0．52V

(c)r=9．2mm，I=300A，Umax=3．4V(d)r=16．2mm，I=300A，Umax=2．6V

圖5 測試所得波形

3 高速時電機的弱磁控制

電機高速運行狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子磁場需要在電機轉(zhuǎn)速提升時下降，即弱磁運行。電動汽車對電機驅(qū)動系統(tǒng)的弱磁運行性能有較高要求，當(dāng)供電的電壓一定時，電機轉(zhuǎn)速升高后，轉(zhuǎn)子反電勢不斷升高，供電電壓無法滿足，所以弱磁控制方法的選擇非常重要。在滿足電機及逆變器的電壓和電流限制條件下，得到盡可能大的電機轉(zhuǎn)矩輸出、功率輸出及良好的系統(tǒng)動靜態(tài)特性。

電動汽車電機運行狀態(tài)和電池特性直接會影響電機逆變器的母線電壓，會使母線電壓產(chǎn)生波動,因此，為了可以在高速弱磁運行狀態(tài)或其他全速度范圍內(nèi)保持電機轉(zhuǎn)矩可控性，電壓必須保持一定余量。因此，本文中首先假定母線電壓不變，按照磁鏈與速度成反比的關(guān)系進行高速弱磁控制，這也是最常見的弱磁控制方法。

在以轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制下時有：

高速時電阻壓降可以忽略，從以上兩式可得：

采用轉(zhuǎn)子磁場定向后，有：

電機高速運行時，ωr≈ωs則：

從上式可以得出，在空載時可以保證U恒定不變，U隨電機負(fù)載增加而增加；另外逆變器母線電壓是波動的，這給電機弱磁控制增加了難度。由此可得，傳統(tǒng)弱磁方法并不能在整個電動汽車運行過程中產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，本系統(tǒng)設(shè)計采用先進的弱磁控制算法，其控制框圖如圖6所示。同過判斷d軸和q軸電壓來判斷系統(tǒng)是否進入弱磁區(qū)，在進入弱磁區(qū)后，通過PI調(diào)節(jié)器來自動調(diào)節(jié)勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的分配。

(1)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，電機運行在基速以下，在這個區(qū)域電機所需電壓矢量的幅值沒有超過usmax，電機運行可以保證isd，isq達到其額定值，從而能夠產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩。其電機電流分配方程如下：

圖6 本文采用的弱磁控制原理框圖

(2)恒功率區(qū)，弱磁區(qū)1，隨著轉(zhuǎn)速的增加，電動機所需要的電壓矢量越來越大，當(dāng)ωs=ωbased時，電動機運行所需要的電壓矢量將達到usmax。隨著轉(zhuǎn)速的再增加，電壓矢量不可能超過usmax，因此調(diào)節(jié)器PI(e)將自動調(diào)節(jié)減小勵磁電流isd，isd減小后，usq減小，isq將增加，usd同樣將增加，進入電機弱磁控制狀態(tài)。依次反復(fù)，由PI調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)isd。而isq可表示：

(3)電機速度再增加后，將進入恒電壓區(qū)。該區(qū)域的電流分配策略：

通過以上的三點設(shè)計分析，整個電機運行過程中可以得到最大的轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)不需要查表，參數(shù)依賴性小，系統(tǒng)魯棒性強。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序主要進行系統(tǒng)初始化和各個功能模塊的初始化，主要完成速度給定和轉(zhuǎn)矩給定控制，主程序下位機通過CAN總線與上位機進行通信，主程序流程圖如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4.1PWM定時器中斷程序設(shè)計

主中斷程序流程圖如圖8所示。中斷程序中主要執(zhí)行ADC模塊，進行電壓采樣，同時依次完成Clarke變換，根據(jù)電機運行進行PID調(diào)節(jié)，然后Park變換以及SVPWM計算、磁場角度計算等。

圖8 主中斷程序流程圖

4.2TZ故障保護程序設(shè)計

TMS320F28035有專門的故障保護端口，可以對故障信號進行中斷保護。本文采用TZ2作為故障保護端口，當(dāng)有故障信號時，TZ引腳變成低電平，DSP立即關(guān)斷所有的PWM輸出，同時發(fā)出報警信號。

4.3SVPWM的軟件設(shè)計

SVPWM程序的編寫流程圖如圖9和圖10所示。它是整個軟件設(shè)計的重點，如果產(chǎn)生的SVPWM波形不正確，系統(tǒng)將無法正常工作。

圖9 SVPWM流程圖

圖10 ADC程序流程圖

圖10中PWM初始化主要完成PWM的產(chǎn)生方式的設(shè)置、PWM周期和占空比及PWM死區(qū)時間的設(shè)置等。

式中：TTBCLK為系統(tǒng)基準(zhǔn)時鐘周期，本文中設(shè)計值為0.01μs；TBPRD為周期寄存器。由于本文的MOSFET驅(qū)動芯片IR21363S在驅(qū)動時自帶700ns的死區(qū)時間，因此本文在PWM模塊中將死區(qū)時間設(shè)為0。

5 試 驗

本文設(shè)計的控制器與電機連接，加載器采用磁粉加載器(型號CZ100)，測試臺如圖11所示。實驗時，加速踏板踩到最大，輸出到控制器為最大電壓5V。實驗由三人協(xié)作完成，一人調(diào)恒流源給負(fù)載加載，一人負(fù)責(zé)用鉗形表測交流電流以及直流母線電流，一人負(fù)責(zé)實驗波形以及實驗數(shù)據(jù)的記錄。進行實驗時，加速踏板踩到最大，控制器一直為最大加載狀態(tài)，電動機加速到空載轉(zhuǎn)速最高值，此時電動機帶轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(型號NJ1)和磁粉加載器旋轉(zhuǎn)，此時存在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(有少量的剩磁，估計3～6N·m的轉(zhuǎn)矩)。磁粉加載器加載電流為零。得到空載實驗數(shù)據(jù)。再次實驗時，加速踏板踩到極大值，保持控制器處于最大加載狀態(tài)，增加磁粉加載器的加載電流，增加磁粉加載器的加載轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)速拉低，測試不同轉(zhuǎn)速時電機的轉(zhuǎn)矩輸出。測得轉(zhuǎn)矩曲線如圖12所示，實際測得的電流波形如圖13所示。

圖11 系統(tǒng)試驗臺實物圖

圖12 實際測得的轉(zhuǎn)矩曲線

(a) f=1.7 Hz

(b) f=82 Hz

(c) f=105 Hz

6 結(jié) 語

從上面的實驗結(jié)果可以看出，本文的控制器轉(zhuǎn)矩輸出良好，具有穩(wěn)定的調(diào)速性能，可以實現(xiàn)在電動汽車運行過程中提供盡可能大的轉(zhuǎn)矩和達到比較高的效率。符合電動汽車的控制需求。

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Motor Control System of Pure Electric Vehicles Based on DSP and the Flux Weakening Control Algorithm

CHENQin1，2,WEILi-jun2,XIONGYi2

(1.Central South University, Changsha 410083, China;2.Hunan Railway Professional Technology College, Zhuzhou 412001,China)

A set of controller of pure electric vehicle motor and the rotor field oriented vector control system were designed. TMS320F28035 was taken as the system control core, and the low voltage motor with 48 V rated voltage was used for driving. In addition, the control algorithm of the whole system was improved, to improve the safety of the electric vehicle and electric vehicle in the running process can provide as large torque as possible and achieve high efficiency.

pure electric vehicle; motor; flux weakening control algorithm; efficiency optimization strategy

2015-11-04

湖南省教育廳科學(xué)研究青年項目(15B156)

TM343

A

1004-7018(2016)05-0048-04

陳慶(1980-)，男，碩士，講師，主要研究方向為電氣自動化、自動化控制。