電動汽車用感應(yīng)電機調(diào)速系統(tǒng)

摘 要：隨著社會的發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)也在不斷的發(fā)展進步，再加上當(dāng)今社會越來越重視對資源和環(huán)境的保護，未來汽車發(fā)展的歸宿必將是電動汽車。文章以電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)為主要研究對象，選用感應(yīng)電機作為驅(qū)動電機，以恒壓頻比作為感應(yīng)電機的調(diào)速基礎(chǔ)，建立了以轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)，結(jié)合電壓矢量脈沖調(diào)制（spwm）技術(shù)，實現(xiàn)了感應(yīng)電機的調(diào)速。為以后生產(chǎn)和使用電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)打下了堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：電動汽車；感應(yīng)電機；spwm

21世紀(jì)以來，能源問題成為當(dāng)今世界最為突出的問題之一，為了節(jié)約能源保護環(huán)境，世界各大汽車制造企業(yè)都在積極研發(fā)屬于自己的電動汽車。

電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)采用電機驅(qū)動，把電能轉(zhuǎn)換為機械能使汽車行駛在道路上?？捎糜陔妱悠囼?qū)動電機的類型有很多，其中包括開關(guān)磁阻電機，它具有結(jié)構(gòu)簡單調(diào)速范圍廣的特點，還有永磁同步電機和交流異步電機。其中永磁同步電機和交流異步電機是電動汽車普遍應(yīng)用的電機類型。我國比亞迪公司生產(chǎn)的E6純電動汽車采用的是永磁同步電機，德國寶馬公司生產(chǎn)的寶馬mini e電動汽車采用的交流異步電動機。無論采用哪種電機，最終目的還是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，帶動汽車行駛，汽車在行駛過程中不能總是保持一個速度運行，要控制汽車的速度就要對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，才能實現(xiàn)對汽車速度的控制。文章主要研究的是電動汽車驅(qū)動電機中三相異步電機的調(diào)速。大家普遍知道，直流電機比三相交流電機轉(zhuǎn)速容易控制和調(diào)節(jié)，而三相異步電機速度不容易調(diào)節(jié)，因為交流電機的轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流是耦合的，不能直接實現(xiàn)單獨控制，從而給交流電機的調(diào)速帶來了很大的困難。文章采用矢量控制的方法來實現(xiàn)對交流電動機的調(diào)速。異步電機的電樞電流是定子電流，因此交流異步電動機只能對定子電流進行測量和控制，而定子電流is與勵磁電流im及轉(zhuǎn)矩電流ir存在著強耦合關(guān)系，而且交流電機的定子繞組提供了勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流。兩個量存在強耦合關(guān)系，由于這種關(guān)系想單獨控制其中一個量必將引起另一個量的變化，容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。矢量控制就是在交流電動機外部，通過矢量變換，解除勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流的耦合，把勵磁電流分量im、轉(zhuǎn)矩電流分量ir作為控制量，通過旋轉(zhuǎn)變換得到ia、ib，再通過CLARKE反變換得到iA、iB、iC來控制交流電動機的運行，這樣就能夠使交流異步電動機電磁轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)瞬時控制。

1 逆變部分

隨著大規(guī)模集成功率器件的發(fā)展，更有助于實現(xiàn)交流電動機的變頻調(diào)速系統(tǒng)。形成的電壓脈沖序列是通過利用全控型電力電子器件（絕緣柵雙極型晶體管）的導(dǎo)通和關(guān)斷實現(xiàn)的，通過控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷實現(xiàn)變壓、變頻控制。采用電壓SPWM技術(shù)通過調(diào)節(jié)脈沖寬度（脈沖占空比）來調(diào)節(jié)平均電壓。SPWM變頻器的主電路，變頻器電路由6個功率開關(guān)器件，這里用的是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其中每個IGBT都要反并聯(lián)一個二極管，反并聯(lián)的原因是因為對于感性負載而言，由于感生電壓的存在，在IGBT的S或D極結(jié)點上，總會有流入和流出的電流存在。那個二極管就負責(zé)流出電流通路的。從IGBT的結(jié)構(gòu)原理可知，它只能單向?qū)?。另一個方向就要借助和它并聯(lián)的二極管實現(xiàn)。通過控制PWM波來調(diào)節(jié)頻率。其中生產(chǎn)PWM波采用的是不對稱規(guī)則采樣法，其原理是在一周期的三角波，正弦函數(shù)與三角波的第二個峰值的交點所對應(yīng)的值與三角波的峰值點不對稱，而采用對稱規(guī)則采樣法所形成的SPMW波不能很好的逼近正弦函數(shù)，諧波分量要比不對稱規(guī)則采樣大，因此選用不對稱規(guī)則采樣，能夠有效的抑制諧波，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 硬件設(shè)計

交流電動機控制系統(tǒng)的控制核心采用DSP-TMS320F2812，DSP作為一種高速專用的數(shù)字信號處理芯片，具有超強的運算能力，能夠使數(shù)據(jù)得到高速的傳輸。DSP在交流電機控制中完成復(fù)雜的信號處理和控制算法，控制電力電子外圍設(shè)備。整個控制系統(tǒng)由電源模塊、光耦隔離電路、檢測電路、智能功率模塊和通信接口等部分組成。由于電動汽車采用電池供電提供的是直流電源，而在實驗室采用的是交流電，因此還需要整流濾波模塊。檢測電路中包括電流、電壓和轉(zhuǎn)速的檢測，其中對電流和電壓進行采樣，DSP的ADC只能完成對正半周期進行采樣，要完成對全周期的采樣，就要提高基準(zhǔn)電壓值，使采樣周期都在0V以上，這樣需要使得ADC參考電壓為3.3v，才能實現(xiàn)完整的采樣。光耦隔離模塊使CPU和智能功率模塊之間沒有了電的聯(lián)系，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定效果，使干擾信號得以消除。還由于DSP的驅(qū)動電壓在3.3v左右而智能功率模塊需要15V的電壓來驅(qū)動。因此CPU與智能功率模塊之間加光耦隔離電路。整個控制系統(tǒng)通過檢測系統(tǒng)檢測定子電流、電壓以及電動機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)磁鏈閉環(huán)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)，具有優(yōu)良的靜動態(tài)調(diào)速特性，矢量控制系統(tǒng)。

3 PID控制

控制策略的好壞直接決定了控制系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性，采用傳統(tǒng)的開環(huán)控制不能滿足控制系統(tǒng)對系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性的要求，另外電動汽車電機控制系統(tǒng)對控制精度、響應(yīng)速度的要求都比較高，為了提高系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度采用了電流閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)來控制。對于本控制系統(tǒng)來說，為了滿足系統(tǒng)無超調(diào)、抗負載擾動能力強、快速響應(yīng)性能符合實時性的要求系統(tǒng)采用電流閉環(huán)控制和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。對于電流閉環(huán)的作用就是保證定子電流在動態(tài)過程中不超過允許范圍，所以電流閉環(huán)能夠起到對超調(diào)量的抑制作用。引入了積分環(huán)節(jié)造成系統(tǒng)響應(yīng)不及時導(dǎo)致滯后現(xiàn)象的發(fā)生。而引入微分調(diào)節(jié)（D）能夠使動作正比于偏差的變化速度。越要變大越阻礙變大，越要變小越阻礙變小，提前調(diào)節(jié)要變化的量。使滯后的系統(tǒng)得到明顯的改善，但是微分時間太長也會引起振蕩，所以要合理使用微分環(huán)節(jié)達到滯后和震蕩都控制在最佳范圍。綜合這三種調(diào)節(jié)方式的利弊，來合理選擇比例系數(shù)積分時間和微分時間，也就是PID參數(shù)的選擇。PID控制的現(xiàn)實效果表現(xiàn)中，如何合理的選擇參數(shù)變得尤為重要。PID參數(shù)的確定可以通過計算來確定，就是把已知的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)各項質(zhì)量指標(biāo)，PID參數(shù)可以通過計算來確定。但是這種方法需要計算的數(shù)據(jù)比較多，而且計算的復(fù)雜程度也比較大，以至于不能夠達到較高的可靠性。還有一種方法叫工程整定法，文章采用就是這種方法里面的試湊法，先通過傳統(tǒng)經(jīng)驗對參數(shù)進行預(yù)確定，然后通過不斷改變閉合控制系統(tǒng)中給定值的方法來進行擾亂，從而輸出波形形狀開始變化，直到找到想要的曲線這時的參數(shù)就是理想的參數(shù)。這種方法要進行大量的試驗，才能實現(xiàn)最佳的控制效果。

4 結(jié)束語

純電動汽車的調(diào)速系統(tǒng)是電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)，直接決定了電動汽車性能的好壞。文章根據(jù)感應(yīng)電機的特點，選擇了感應(yīng)電機作為電動汽車的驅(qū)動電；然后根據(jù)感應(yīng)電機的特點提出了電機的調(diào)速策略以及控制系統(tǒng)的控制策略。其中PID參數(shù)的選擇可以加入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以實現(xiàn)，來實現(xiàn)最優(yōu)控制。對電機轉(zhuǎn)速的檢測文章采用的是霍爾傳感器，由于感應(yīng)器與電機是機械連接不但測量存在誤差，也可能影響到電機的性能，對于電機的轉(zhuǎn)速可用無速度傳感器的方式得以實現(xiàn)，來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。還有就是電機能量回饋，沒有能將電動汽車制動時的動能轉(zhuǎn)換為電能，實現(xiàn)電能的回收利用，如果實現(xiàn)這一功能不但能大大提高電動車的續(xù)航里程，還能夠大大的節(jié)約能源，這將是未來電動汽車的發(fā)展方向。

作者簡介：于小翔（1991-），男，漢族，籍貫：河北省唐山市，學(xué)歷：研究生在讀，畢業(yè)于（院校）：燕京理工學(xué)院，就職于（學(xué)院）：石家莊鐵道大學(xué)，研究方向：電氣工程。