電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張關(guān)兵

摘 要：本文從分析電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展前景出發(fā)，對(duì)自平衡電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，在對(duì)其進(jìn)行科學(xué)論證的基礎(chǔ)上，最后運(yùn)用直流無(wú)刷電機(jī)等相關(guān)器材進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明自平衡電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，效果良好。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車;驅(qū)動(dòng)電機(jī);控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可堪稱電動(dòng)車的心臟。把驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完善，是把控電動(dòng)車質(zhì)量的關(guān)鍵所在。然而，由于電動(dòng)車輛的類型不同，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也會(huì)不盡相同。本文研究的是兩輪自平衡電動(dòng)車，主對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展前景

用于自平衡電動(dòng)車的中小功率電機(jī)主要有四種類型：即永磁同步電機(jī)、有刷直流電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)、交流三相感應(yīng)電機(jī)。

有刷直流電機(jī)具有技術(shù)成熟、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但由于電刷和換向器需要經(jīng)常維修，而且散熱困難，目前已較少使用;交流三相感應(yīng)電機(jī)具有運(yùn)行可靠、功率大、轉(zhuǎn)速快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，相比有刷直流電機(jī)具有一定優(yōu)勢(shì);直流無(wú)刷電機(jī)具有散熱快、速度快、功率小等特點(diǎn)，一般多用于電動(dòng)自行車;永磁同步電機(jī)屬于永磁電機(jī)，具有效率高、體積小和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。

以上四種電機(jī)除有刷直流電機(jī)外，其它均需要配逆變器才能給予供電。隨著電子數(shù)字技術(shù)在我國(guó)的快速發(fā)展，這些年，我國(guó)在逆變器供電技術(shù)方面也得到了迅速發(fā)展，并使其逐步融入到了電動(dòng)車電機(jī)的控制系統(tǒng)之中;在電機(jī)方面也由常用的三相發(fā)展到了六相永磁電機(jī)，使電機(jī)優(yōu)勢(shì)性能得到了充分發(fā)揮。主要體現(xiàn)在：一是由于繞組排布合理，使轉(zhuǎn)矩諧波減小;二是與三相電機(jī)體積相同的情況下，功率的輸出卻比三相電機(jī)大;三是在使用的可靠性方面比普通電機(jī)強(qiáng)。通過(guò)對(duì)以上各種性能電動(dòng)機(jī)的比較和對(duì)六相永磁電機(jī)的功能特性的了解，使該電機(jī)在電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，其應(yīng)用前景極為可觀。

2 自平衡電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)

自平衡電動(dòng)車是一種兩個(gè)輪子同軸排布，在沒(méi)有動(dòng)力作用下不能保持自身平衡，只有在作動(dòng)力作用時(shí)，才能保持平衡和直立姿態(tài)的電動(dòng)車。這種電動(dòng)車設(shè)計(jì)，綜合應(yīng)用了電機(jī)控制、機(jī)械力學(xué)等各個(gè)方面的知識(shí)。其中，機(jī)械力學(xué)主要用于電動(dòng)車機(jī)械部分的設(shè)計(jì);電機(jī)控制系統(tǒng)是電動(dòng)車的執(zhí)行單元，在經(jīng)過(guò)電機(jī)控制算法之后，才能控制電機(jī)做出反應(yīng)。要滿足驅(qū)動(dòng)這一要求，必須要安裝兩臺(tái)電機(jī)才能保證正常行駛和安全。這是因?yàn)?，假設(shè)電動(dòng)車在行駛過(guò)程中，能夠?qū)崿F(xiàn)一邊輪子不能轉(zhuǎn)動(dòng)，而另一邊照常，那么，電動(dòng)車零半徑轉(zhuǎn)向就可以實(shí)現(xiàn)。再?gòu)淖云胶怆妱?dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的安全性、可靠性考慮，六相永磁電機(jī)具備這種性能[2]。假如在六相電機(jī)中的一個(gè)三相繞組發(fā)生故障，電機(jī)不會(huì)突然失去動(dòng)力。因?yàn)榱硪粋€(gè)三相繞組會(huì)保持正常的工作狀態(tài)，直至電動(dòng)車能夠順利平穩(wěn)地實(shí)施減速并安全停車為止。由此可見(jiàn)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮安全性和可靠性因素。因此本文在設(shè)計(jì)中是這樣考慮的：

（1）對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行冗余性設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)原理，一般講，電機(jī)中安裝的兩個(gè)三相繞組要受兩套三相整流裝置的驅(qū)動(dòng)，而三相整流裝置又要同時(shí)受到驅(qū)動(dòng)控制器的控制，這樣一來(lái)，一旦控制器出現(xiàn)問(wèn)題，發(fā)生故障，驅(qū)動(dòng)的正確信號(hào)不能及時(shí)發(fā)出，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)不能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了使電動(dòng)車的安全性和可靠性能確保萬(wàn)無(wú)一失，那么，對(duì)驅(qū)動(dòng)控制的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行冗余性設(shè)計(jì)就成了必不可缺的要求;

（2）設(shè)計(jì)兩套控制裝置。自平衡電動(dòng)車的兩臺(tái)六相永磁電機(jī)是受驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)控制，為了保證整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到安全性和可靠性的萬(wàn)無(wú)一失，本文設(shè)計(jì)了兩套控制裝置分別控制每臺(tái)電機(jī)的三相繞組，從而形成了“一保一”的管控架勢(shì)。

3 自平衡電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件框架

自平衡電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其中硬件部分是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為了保障驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，一方面要通過(guò)實(shí)時(shí)性的確保來(lái)滿足安全性要求，另一方面通過(guò)安裝兩套控制器來(lái)保障安全控制的對(duì)稱性。為了實(shí)現(xiàn)自平衡電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，在整車設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮安裝以DSP為核心驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和以PIC單片機(jī)為核心的傳感檢測(cè)器，并留置數(shù)據(jù)通信接口[3]。

3.2 選擇運(yùn)算處理核心

為了保證電機(jī)控制系統(tǒng)和接受指令的實(shí)時(shí)性、精確性，正確選擇一個(gè)運(yùn)算處理核心，是做好自平衡電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從目前情況看有兩種選擇：一是8或16位單片機(jī);二是16位DSP。本設(shè)計(jì)從自平衡電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性要求出發(fā)，選擇了美國(guó)德州儀器公司的DSP——TMS320LF2407A芯片。

3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸入信號(hào)的放大，按照設(shè)計(jì)和電機(jī)參數(shù)的要求，本設(shè)計(jì)選取了開(kāi)關(guān)速度較快的 POWER MOSFET組成三相整流橋，然后在 DSP發(fā)出的PWM信號(hào)控制下進(jìn)行有序地導(dǎo)通，給電機(jī)提供足夠驅(qū)動(dòng)的電能。在實(shí)際電路中，往往采用的驅(qū)動(dòng)芯片是 I R2136。由于該I R2136在芯片上集成了三對(duì)高低電壓的輸出通道;因此，在應(yīng)用方式上，I R2136只要一塊就可以驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)中的一個(gè)三相繞組。此外I R2136還可以自舉的方式解決高側(cè)MOSFET（VT1、VT3、VT5）的導(dǎo)通問(wèn)題。

此外，為了實(shí)現(xiàn)六相永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)控制，在電路設(shè)計(jì)上，還必須對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)和電流信號(hào)分別設(shè)計(jì)反饋通路。

3.4 數(shù)據(jù)通訊

在自平衡電動(dòng)車實(shí)際應(yīng)用中，存在著各種數(shù)據(jù)交流。因此，在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，就必須考慮相應(yīng)數(shù)據(jù)通訊的接口問(wèn)題。主要有：（1）驅(qū)動(dòng)控制器之間、檢測(cè)傳感器之間數(shù)據(jù)交換通訊接口;（2）電動(dòng)車控制系統(tǒng)與檢測(cè)傳感部分的通訊接口;（3）兩組驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)之間的串行通信接口;（4）兩組檢測(cè)傳感系統(tǒng)之間的串行通信接口;（5）TMS320LF2407A的SPI及SCI接口等等。

3.5 DC-DC電源轉(zhuǎn)換

在自平衡電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，給電機(jī)供電的是72V直流電源。為了滿足電力驅(qū)動(dòng)部分和電子控制部分的供電，需要將其分別轉(zhuǎn)化為3.3V、5V和15V的直流電使用，而在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中加入DC-DC電源轉(zhuǎn)換模塊就可實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，甚至開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換。開(kāi)關(guān)電源控制模式有電壓型PWM和電流型 PWM兩種控制模式。電壓型PWM只有一個(gè)電壓反饋閉環(huán);電流型PWM是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)是電壓閉環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流閉環(huán)，內(nèi)環(huán)受制于外環(huán)。

4 自平衡電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于本驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)算處理核心硬件，采用的DSP——TMS320LF2407A是TI公司生產(chǎn)的。所以，本控制系統(tǒng)的軟件只能是TI 公司針對(duì)DSP——TMS320LF2407A硬件平臺(tái)編制的相應(yīng)電機(jī)控制軟件—— CCS2. 2 平臺(tái)上用的 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。該軟件主要控制六相永磁電機(jī)以及控制六相永磁電機(jī)中兩個(gè)三項(xiàng)繞組的 DSP 芯片模塊，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)控制模塊之間傳遞電機(jī)控制信息過(guò)程的SCI數(shù)據(jù)總線的完成。

4.2 電機(jī)控制系統(tǒng)子程序

根據(jù)圖四所示，電機(jī)A和電機(jī)B的控制程序可分別作為函數(shù)嵌入到電機(jī)控制子程序中，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的靈活配置。對(duì)于A、B兩種電機(jī)的控制函數(shù)，可按六相永磁同步電機(jī)和六相直流無(wú)刷電機(jī)的控制原理分別進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)各個(gè)通用或?qū)Ｓ玫墓δ苣K。如 永磁同步電機(jī)控制子程序中的轉(zhuǎn)速控制模塊、電流坐標(biāo)變換模塊、 電流調(diào)節(jié)模塊、電壓計(jì)算模塊、PWM輸出模塊等。 直流無(wú)刷電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì)方式同永磁同步電機(jī)控制子程序。

4.3 數(shù)據(jù)同步

由于A、B兩臺(tái)電機(jī)受制于兩塊 TMS320LF2407A的DSP芯片的控制，而且其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)又是相互交叉的，所以就出現(xiàn)了同一臺(tái)電機(jī)由兩塊DSP同時(shí)控制的問(wèn)題，給電機(jī)的控制帶來(lái)了一定的困難。只有解決數(shù)據(jù)同步和協(xié)調(diào)的問(wèn)題，這個(gè)困難才能解決（可見(jiàn)圖1）。

5 實(shí)驗(yàn)

本文按照自平衡電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件、軟件體系，建立了以硬件電路板、實(shí)驗(yàn)電機(jī)、仿真用計(jì)算機(jī)、DSP仿真器、三相整流橋?yàn)橹饕鞑膶?shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，通過(guò)使用直流無(wú)刷電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電機(jī)能平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)控制效果良好。

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