純電動(dòng)汽車用低壓異步電機(jī)矢量調(diào)速系統(tǒng)

梅建偉，羅　敏，田艷芳，劉　杰，魏海波（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰　442002）

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純電動(dòng)汽車用低壓異步電機(jī)矢量調(diào)速系統(tǒng)

梅建偉，羅敏，田艷芳，劉杰，魏海波
（湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002）

摘要：根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)矢量控制理論，建立了以TMS320LF2812作為系統(tǒng)的控制核心，開(kāi)發(fā)了一套純電動(dòng)汽車用三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)，并用Matlab對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。測(cè)試結(jié)果表明，該矢量控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小，能夠滿足車載控制系統(tǒng)的要求。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；三相異步電動(dòng)機(jī)；矢量控制；DSP

矢量控制理論及應(yīng)用技術(shù)的普遍應(yīng)用，使交流調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到直流傳動(dòng)系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能。本文在分析異步電機(jī)矢量控制原理的基礎(chǔ)上，選用TMS320F2812作為主控芯片，設(shè)計(jì)了異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹該控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、主電路、部分控制電路和軟件算法。試驗(yàn)結(jié)果表明：該調(diào)速系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間短，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較小，穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，獲得了高品質(zhì)動(dòng)態(tài)性能，適用于電動(dòng)高爾夫球車、觀光旅游區(qū)載客電動(dòng)車、電動(dòng)巡邏車等。

1　異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖

異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖1。其技術(shù)要求、電路原理分析如下。

圖1　異步電機(jī)矢量控制調(diào)速系統(tǒng)原理圖

1.1技術(shù)要求

1）蓄電池額定電壓為48 V，異步電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為XYQ-3-4AH，電機(jī)額定電壓34 V，額定功率為3kW，額定線電流為72 A，額定頻率為83 Hz，額定轉(zhuǎn)速為2400r/min。

2）回饋制動(dòng)功能、駐坡功能以及跛行功能。

1.2主電路原理

該主電路包括預(yù)充電電路、電容組以及由并聯(lián)MOSFET組成的三相電壓型逆變器。其中，RS及可控開(kāi)關(guān)KS組成預(yù)充電電路，減小主回路上電時(shí)對(duì)直流母線的沖擊電流；C1至Cn是由11個(gè)1 000 μF/63 V電容組成的電容組，主要用來(lái)彌補(bǔ)電池組瞬時(shí)功率，組成低通濾波器將整流輸出的脈動(dòng)直流電壓轉(zhuǎn)換成恒定直流電壓；Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6組成三相逆變橋驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，其中Q1～Q6均是由7個(gè)120 A/100 V的MOSFET并聯(lián)而成。

1.3異步電機(jī)矢量控制原理

矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。給定信號(hào)分解為兩個(gè)互相垂直而且獨(dú)立的信號(hào)ism和ist，然后通過(guò)“2r/2s”變換成兩個(gè)交流信號(hào)iα和iβ，又經(jīng)過(guò)“2/3變換”得到三相交流的控制信號(hào)iA、iB和iC，來(lái)控制逆變電路：電流反饋信號(hào)經(jīng)“3/2變換”和“交/直變換”傳送到控制端，對(duì)直流控制信號(hào)進(jìn)行修正，從而模擬出類似直流電動(dòng)機(jī)的工作狀況［1-4］。

圖2　矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1控制電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的異步電機(jī)控制系統(tǒng)，以高性能的DSP（TMS320LF2812）作為控制核心，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)、加速、減速、回饋制動(dòng)、駐坡以及Bloader等功能。本控制系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分［5-7］。

基于TMS320F2812最小控制系統(tǒng)。

A/D轉(zhuǎn)換部分：信號(hào)前端處理，分別采集電機(jī)兩相電流、電池電壓、電機(jī)溫度、控制器溫度以及加速踏板信號(hào)。

轉(zhuǎn)速測(cè)量部分：根據(jù)正交編碼脈沖輸出的正交脈沖信號(hào)，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速。

輸入輸出部分：產(chǎn)生一些輸入和輸出信號(hào)，主要是PWM、開(kāi)關(guān)量、過(guò)熱信號(hào)處理以及繼電器器驅(qū)動(dòng)。

SCI通信部分：數(shù)據(jù)上傳以及程序燒寫(xiě)等。

控制電路框圖如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1PWM互鎖電路

TMS320F2812的事件管理器發(fā)出的脈沖信號(hào)，由于硬件延時(shí)以及干擾等原因，容易造成脈沖信號(hào)的畸變，從而使得電力電子器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)異常，導(dǎo)致?lián)舸┗蛘邿龎碾娏﹄娮悠骷?。?xiàng)目中將DSP發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形和脈沖互鎖電路以后，極大地增強(qiáng)了PWM控制信號(hào)的抗干擾性。同一橋臂上兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的脈沖信號(hào)互鎖邏輯如表1所示，PWM互鎖電路如圖4所示。

表1　脈沖互鎖邏輯表

圖4　PWM互鎖電路原理圖

2.1.2加速踏板信號(hào)檢測(cè)電路

霍爾傳感器輸出的電信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)一階濾波電路，能夠延遲駕駛?cè)藛T踩油門時(shí)的響應(yīng)速度，濾波后的電壓經(jīng)過(guò)分壓、電壓跟隨器后，進(jìn)入DSP的模擬量輸入口。具體電路如圖5所示。

2.1.3電流檢測(cè)電路

霍爾芯片輸出的電壓波形為在交流信號(hào)的基礎(chǔ)上疊加了一個(gè)直流分量，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)隔直電容后，通過(guò)電壓有效值芯片取出該信號(hào)的有效值，該直流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一階濾波電路和電壓跟隨器后，進(jìn)入DSP的模擬量輸入口。詳細(xì)電路如圖6所示。

2.1.4速度檢測(cè)前端處理電路

光電編碼器的正交編碼脈沖輸出，經(jīng)過(guò)共模電感電路削弱共模干擾信號(hào)后，輸入到電壓比較器的同相輸入端，該電壓比較器能夠減小幅值低于6 V的電壓信號(hào)的干擾。比較器輸出的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)高速光電耦合器和施密特觸發(fā)器以后，輸入到DSP的CAP1、CAP2引腳。電路如圖7所示。

圖5　加速踏板信號(hào)輸出預(yù)處理電路原理圖

圖6　電流檢測(cè)原理圖

圖7　速度檢測(cè)電路預(yù)處理電路原理圖

2.2軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的功能主要完成啟動(dòng)前的診斷，判斷電機(jī)開(kāi)始工作前的各項(xiàng)指標(biāo)是否符合要求。符合技術(shù)要求后，軟件系統(tǒng)控制各個(gè)模塊進(jìn)入啟動(dòng)子程序，啟動(dòng)完成后，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的加速踏板信號(hào)、電壓、電流和轉(zhuǎn)速等信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，決定系統(tǒng)的工作模式。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

圖8　軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.2.1矢量控制算法設(shè)計(jì)

圖9給出了異步電機(jī)矢量控制算法軟件流程圖［8-9］。

圖9　軟件流程圖

2.2.2速度檢測(cè)算法軟件設(shè)計(jì)

將光電編碼器的A相、B相差分信號(hào)經(jīng)預(yù)處理電路后，同時(shí)接入DSP的事件管理器1的QEP的CAP1和CAP2引腳，利用定時(shí)器T2作為時(shí)基，在T3周期中設(shè)置采樣窗口的大小。轉(zhuǎn)速較低時(shí)計(jì)數(shù)窗口大，轉(zhuǎn)速較高時(shí)計(jì)數(shù)窗口小，采用M/T法計(jì)算轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。程序流程圖如圖9b所示［10］。

3　仿真以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Matlab建立低壓異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的仿真模型，同時(shí)結(jié)合樣機(jī)在電力測(cè)功機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行測(cè)試，部分測(cè)試波形以及測(cè)試數(shù)據(jù)如下。

3.1車載測(cè)試及實(shí)驗(yàn)波形（圖10）

圖10　車載測(cè)試及波形圖

3.2電力測(cè)功機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)（表2，圖11）

表2　控制系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)

圖11　實(shí)際轉(zhuǎn)速與對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)矩曲線圖

3.3結(jié)果分析

1）如圖10b所示，定子磁鏈軌跡近似圓形，在轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)態(tài)之前，磁鏈產(chǎn)生了一定的畸變。

2）如圖10c所示，定子線電壓波形的電壓尖峰很小，在超過(guò)額定電壓的20%以內(nèi)。因此按照額定電壓兩倍的裕量，來(lái)選擇MOEFET的耐壓等級(jí)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

3）如圖10d所示，定子電流波形基本呈正弦波形，諧波小。

4）如表2所示，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)控制系統(tǒng)輸出功率小，系統(tǒng)效率低，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)逐步進(jìn)入恒功率區(qū)。當(dāng)定子電壓達(dá)到額定值，此時(shí)繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)進(jìn)入弱磁調(diào)速區(qū)，功率減小。

4　結(jié)　論

運(yùn)用矢量控制并結(jié)合SVPWM技術(shù)，開(kāi)發(fā)了以TMS320F2812為核心的低成本、調(diào)速性能好的矢量調(diào)速系統(tǒng)。臺(tái)架以及車試過(guò)程中，駕駛員可以通過(guò)加速踏板信號(hào)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的起步、加速、減速、制動(dòng)、駐坡等一系列操作。該矢量調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、性能良好、抗干擾能力強(qiáng)，達(dá)到了電動(dòng)汽車用控制系統(tǒng)的技術(shù)要求。

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（編輯心翔）

Vector Speed Control System of Low Voltage Asynchronous Motor for Pure Electric Car

MEI Jian-wei，LUO Min，TIAN Yan-fang，LIU Jie，WEI Hai-bo
（College of Electrical and Information Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China）

Abstract：According to vector control theory of asynchronous motor，asynchronous motor vector control system simulation models of the electric car is built up，and Matlab is used to conduct simulation analysis on the control system.The test result shows that the ripple torque of vector control system is small enough to meet the requirement of onboard control system.

Key words：pure electric vehicles；three-phase asynchronous motor；vector control；DSP

中圖分類號(hào)：U469.72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-8639（2016）06-0007-04

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-02-23

基金項(xiàng)目：湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（籌）開(kāi)放基金項(xiàng)目資助。

作者簡(jiǎn)介：梅建偉（1978-），男，副教授，主要從事電力電子變換技術(shù)以及電機(jī)控制技術(shù)方面的研究。