新能源汽車電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

明 波，高建偉

（滕州市中等職業(yè)教育中心學(xué)校，山東棗莊 277000）

0 引言

節(jié)能、環(huán)保是新能源開發(fā)的戰(zhàn)略思想，也是可持續(xù)發(fā)展的基本要求。近年來，在國(guó)家的大力支持下，新能源汽車出現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015—2017 年，新能源汽車的銷量每年以超過20%的速率增長(zhǎng)。目前，新能源汽車技術(shù)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)化階段進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段[1]，這對(duì)國(guó)家的綠色能源開發(fā)和應(yīng)用起到顯著的促進(jìn)作用，但新能源汽車發(fā)展最大的難題仍是電池技術(shù)。在現(xiàn)有的電池技術(shù)條件下，設(shè)計(jì)有效的電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)于新能源汽車的節(jié)能作用有著良好效果。通過對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但能夠提升車輛在特定電能條件下的續(xù)航里程，而且利于電池和電機(jī)壽命的提升。

1 系統(tǒng)控制原理和總體設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)控制原理

電機(jī)工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)性能由駕駛需求和車輛狀態(tài)綜合控制。通過對(duì)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)不同工作模式的切換。對(duì)于一般的新能源汽車而言，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用永磁同步電機(jī)，其主要的工作模式包括純電動(dòng)模式、混合動(dòng)力模式、充電模式和再生制動(dòng)模式等。如何根據(jù)電源工作狀態(tài)調(diào)節(jié)合理分配和管理電能是電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

永磁同步電機(jī)是最主要的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其關(guān)鍵部件包括轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸和永磁體。對(duì)于該類型的電機(jī)，永磁材料采用貼附方式定位于轉(zhuǎn)子鐵芯，這種設(shè)計(jì)方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于磁化，成本較低，已得到廣泛應(yīng)用。電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩主要來源于定子繞組線圈內(nèi)電流與永磁鐵芯磁場(chǎng)之間的相互作用。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，在軸向方向?qū)⒋嬖谥绷鞯拇艌?chǎng)，此時(shí)，定子繞組內(nèi)根據(jù)相應(yīng)的電流控制同樣可以產(chǎn)生一個(gè)直流磁場(chǎng)。這兩個(gè)直流磁場(chǎng)之間將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，由于定子是固定不動(dòng)的，使得轉(zhuǎn)子本身具有旋轉(zhuǎn)趨勢(shì)。在電機(jī)控制系統(tǒng)中，腳踏板的位移信號(hào)將轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩控制信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果，通過能量回饋模塊對(duì)轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)力矩進(jìn)行智能分配，整個(gè)過程中要參考車輛行駛工況、電池能量狀態(tài)等，在不影響正常行駛條件下，降低電能消耗。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)于新能源汽車而言，控制器的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，要求具有較強(qiáng)的可控性、穩(wěn)定性和抗干擾能力[2]。為此，文中選用PIC16F72 系列微處理器，該處理器為典型的8 位控制器，安全性能顯著，工作電壓范圍9～16 V。由于車輛的工況條件不同，為了提升車輛的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力，設(shè)定系統(tǒng)的工作溫度范圍為-40～90 ℃，供電系統(tǒng)關(guān)閉后，整個(gè)控制器的漏電流不超過1 mA。此外，系統(tǒng)采用雙層電路板樣式，具備防水性能，安全防護(hù)級(jí)別超過IP65。系統(tǒng)的信號(hào)傳輸功能基于CAN 總線來實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)內(nèi)的供電模塊可提供5 V 和12 V 電壓，傳感器能夠?qū)崟r(shí)接收壓力、溫度等模擬信號(hào)。當(dāng)信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，可根據(jù)實(shí)際狀況預(yù)警。

為了確保系統(tǒng)的高效性，由控制器直接識(shí)別開關(guān)量信號(hào)，根據(jù)16 路信號(hào)確定指令性質(zhì)。系統(tǒng)可以將PWM 信號(hào)高效輸入和輸出，具備低功耗特點(diǎn)。根據(jù)電機(jī)工作原理和設(shè)計(jì)要求，可將控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化，主要包括：核心處理器模塊、信號(hào)采集模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、供電模塊等。各個(gè)子模塊之間協(xié)同工作，共同完成信號(hào)的識(shí)別以及電機(jī)的智能控制。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中核心處理器模塊所采用的中央處理器為單片機(jī)，型號(hào)為PIC16F72 系列。在該單片機(jī)的控制下，能夠有效地實(shí)施相關(guān)的控制算法和運(yùn)行策略。同時(shí)，該單片機(jī)性能良好，抗干擾能力強(qiáng)，作為控制系統(tǒng)的載體，在車輛控制中有著良好的應(yīng)用效果。

2.2 供電模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)控制系統(tǒng)中的供電模塊是獨(dú)立的單元，也是非常重要的子模塊。供電模塊的穩(wěn)定性直接決定了控制系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境的適用能力，特別是較強(qiáng)電信號(hào)沖擊條件下的工作性能。在供電模塊的控制下，其性能指標(biāo)為：可提供9～16 V 的穩(wěn)壓直流電；具備反壓保護(hù)和掉電保護(hù)功能；可實(shí)現(xiàn)充放電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；具有溫度傳感性能。對(duì)于供電模塊的傳感器，系統(tǒng)選用TLE4250G 系列，可對(duì)斷路和短路實(shí)現(xiàn)良好的保護(hù)。在傳感器中，引腳3 為輸入端，引腳1 為校對(duì)端，即使輸入電壓有明顯波動(dòng)，輸出電壓仍能保持穩(wěn)定。

2.3 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊是決定系統(tǒng)輸入/輸出的關(guān)鍵[3]，其主要的接口主要包括模擬信號(hào)端、數(shù)字信號(hào)端和PWM 信號(hào)端等。信號(hào)采集模塊在整個(gè)系統(tǒng)中處于底層，若沒有良好的信號(hào)采集能力，將無法得出理想的控制效果。此外，信號(hào)采集模塊配制有保護(hù)和診斷功能。

2.4 功率驅(qū)動(dòng)模塊

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，功率驅(qū)動(dòng)的主要器件包括繼電器、控制器燈等，具有的基本功能：過壓和過流保護(hù)，過溫監(jiān)測(cè)。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)功率驅(qū)動(dòng)接線，不但可以確保整個(gè)電機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還能配合其他模塊更好運(yùn)行。

3 結(jié)語

文中所設(shè)計(jì)的新能源汽車電機(jī)控制系統(tǒng)可有效提升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作效率，通過相關(guān)的指令控制優(yōu)化分配能源利用，這對(duì)于節(jié)能降耗有著重要的意義。系統(tǒng)具有較高的強(qiáng)度和抗干擾能力，通過對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，充分實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。