電動汽車用開關磁阻電機控制系統(tǒng)

文/袁莉 容旭巍 張俊彥 晉剛

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車數(shù)量越來越多。與此同時，汽車尾氣帶來的環(huán)境污染問題日益嚴重，因此，近年來環(huán)保的電動汽車受到了全世界的重視，而作為電動汽車關鍵技術之一的電機驅(qū)動技術也成為了研究熱點。開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor,SRM）與以往的電動汽車驅(qū)動電機直流電機、異步電機和永磁同步電機相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制簡單和性能優(yōu)異等優(yōu)點，所以它是一種值得推廣的電動汽車用驅(qū)動電機。

電動汽車的高速性決定了電機控制的實時性和快速性。TMS320F283355型數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是TI公司生產(chǎn)的目前工業(yè)控制領域最先進的數(shù)字信號處理器之一，它是32位浮點、主頻高達150MHz，與以往的定點DSP相比，數(shù)據(jù)處理速度有了很大提高，集成的功能也增加許多，開發(fā)更加簡便，而成本卻大幅下降。本文選用TMS320F28335作為SRM系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)了開關磁阻電機速度位置的精確控制。

1 SRM調(diào)速系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

SRM調(diào)速系統(tǒng)主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器、電流檢測和位置檢測組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。SRM選用三相6/4極。功率變換器是系統(tǒng)實現(xiàn)電機控制和能量傳輸?shù)年P鍵環(huán)節(jié)，采用不對稱半橋型功率電路，每相采用兩個IGBT開關器件和兩個續(xù)流二極管。電流檢測采用霍爾電流傳感器，位置檢測采用光電編碼器。

2 TMS320F28335外圍系統(tǒng)設計

DSP外圍系統(tǒng)設計必須在控制器最小系統(tǒng)的基礎上進行，TMS320F28335是高集成度的單片機，最小系統(tǒng)的設計與單片機系統(tǒng)設計類似。最小系統(tǒng)主要包括電源電路、時鐘設計、復位電路和外部存儲器擴展設計。

根據(jù)電動汽車的性能指標和功能要求， TMS320F28335外圍系統(tǒng)須包括：PWM信號的驅(qū)動電路、對電流采樣并進行A/D轉(zhuǎn)換反饋、位置轉(zhuǎn)速信號的處理、驅(qū)動液晶顯示的單片機與處理器之間的通信，外圍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 SRM控制策略

電動汽車對電機驅(qū)動系統(tǒng)要求不僅能夠滿足基本的動力性和經(jīng)濟性，還要求整車具有較高的舒適性，所以克服轉(zhuǎn)矩脈動并提高效率是SRM控制策略設計的根本宗旨。本文結(jié)合電動汽車的實際行駛概況和穩(wěn)態(tài)動態(tài)性能要求，對電機瞬時轉(zhuǎn)矩和電流進行實時雙閉環(huán)控制，設計了基于轉(zhuǎn)矩分配函數(shù)的直接瞬時轉(zhuǎn)矩控制策略，實現(xiàn)電動汽車的平穩(wěn)運行。

控制模塊的設計主要包括轉(zhuǎn)速控制單元、轉(zhuǎn)矩估算單元和轉(zhuǎn)矩分配單元。轉(zhuǎn)速控制單元實時采樣電機轉(zhuǎn)速，根據(jù)給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值，采用PI調(diào)節(jié)，進一步計算出電機需求增速或減速的轉(zhuǎn)矩值，作為下一步控制的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)矩估算單元提供瞬時轉(zhuǎn)矩的實時值，它是實現(xiàn)控制系統(tǒng)功能和保證控制精度的關鍵，在建立SRM精確的數(shù)學模型的基礎上，按照已有公式離線計算出一系列相電流和瞬時轉(zhuǎn)矩的對應值，建立表格，運行時通過檢測相電流值，通過查表法獲得實時的瞬時轉(zhuǎn)矩值。轉(zhuǎn)矩分配單元根據(jù)轉(zhuǎn)速控制單元輸出的總參考轉(zhuǎn)矩和實時轉(zhuǎn)子位置信號，按預先設定的分配比例把總參考轉(zhuǎn)矩分配給電機的三相繞組，分配給每相繞組的參考轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)據(jù)估算單元提供的實時瞬時轉(zhuǎn)矩作比較，經(jīng)轉(zhuǎn)矩滯環(huán)單元處理后，傳遞給開關信號生成單元。此種方法可使每相的瞬時轉(zhuǎn)矩都能按照分配函數(shù)描述的軌跡變化，從而使各相輸出轉(zhuǎn)矩之和與總參考轉(zhuǎn)矩無限接近，達到減小轉(zhuǎn)矩脈動的目的。

圖1：SRM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：TMS320F28335外圍系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 控制軟件設計

SRM控制系統(tǒng)的軟件設計是基于TMS320F28335的控制核心而進行的，軟件開發(fā)平臺是基于CCS的集成開發(fā)環(huán)境，語言采用C/C++語言，按照功能模塊，采用模塊化編程。編寫的程序主要包括主程序、各功能子程序和中斷程序等。

主程序是程序的總指揮，它主要負責安排各子程序的出場次序。在程序起始階段，它安排初始化子程序出場，完成系統(tǒng)的初始化。然后，鍵盤監(jiān)視子程序運行，檢測有無控制命令從鍵盤輸入，如有輸入指令，則根據(jù)不同指令調(diào)用啟動程序、計算轉(zhuǎn)速程序或者是轉(zhuǎn)速顯示程序等。初始化子程序主要包括看門狗設置、片內(nèi)存儲器空間初始化、事件管理器初始化、片內(nèi)功能寄存器設置和電機位置信號初始化設置等。鍵盤監(jiān)視子程序主要檢測鍵盤的隨機輸入電機控制命令。相邏輯判斷子程序是實現(xiàn)控制功能的很重要的一個環(huán)節(jié)，通過該子程序給功率變換器各種驅(qū)動信號。

5 仿真及結(jié)果

在軟硬件設計完成后，利用MATLAB軟件進行系統(tǒng)的建模仿真，得到不同工況下的轉(zhuǎn)矩、電流、電壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化波形，如圖3所示。通過分析仿真結(jié)果，可證明本文采用的控制方法有效可行，電機的瞬時輸出轉(zhuǎn)矩波動很小，轉(zhuǎn)矩脈動得到了很大程度的改善，增強了電動汽車的舒適度。

圖3：啟動加載階段運行結(jié)果