電動車輛控制器系統(tǒng)設(shè)計及控制策略的研究

鐘過方

摘 要：隨著近些年來，井下深部開采延伸到1000米以下，通風(fēng)條件越來越差，電動車憑借著自身的巨大優(yōu)勢，獲得了越來越多礦山工作者的喜愛。其自身較為便捷的操作特性，使其在多個場景下都能被靈活使用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，電控系統(tǒng)產(chǎn)品也將迎來新的基數(shù)變革時期，其產(chǎn)品性能將會變得越來越穩(wěn)定，功能性和復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性將會變得越來越強。通過計算機控制技術(shù)和電力電子技術(shù)在內(nèi)的多種技術(shù)綜合運用，設(shè)計一款大功率井下電動車用他勵牽引控制器，是本課題的主要研究內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：牽引控制器;模糊控制;電動車;DSP

1電動車控制器新技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代化電控技術(shù)有著非常明顯的技術(shù)特點，無論是其靈敏度還是自我故障分析功能都可以在顯示面板上進行準(zhǔn)確顯示。其強大的儲存功能可以對每次的故障原因和發(fā)生時間進行精準(zhǔn)記錄，并供人們進行查閱和分析。除此之外，還可以對包括輸入電源、電量剩余、電機電壓等一系列重要參數(shù)進行精準(zhǔn)顯示，確保機器自身的狀態(tài)是否穩(wěn)定。觸點無弧斷開，斬波器內(nèi)部有接觸器線圈放電回路，高頻使電機和電瓶的效率提高，對最大速度有優(yōu)先考慮。

其中再生制動技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣，根據(jù)加速踏板和剎車踏板的實際狀態(tài)，牽引電機可在電機和發(fā)電機之間進行自由切換，實現(xiàn)能量的及時充能，避免資源的浪費。這種制動方式可以有效縮短充電時間，進一步減少因為制動帶來的經(jīng)濟損耗，使得使用成本能夠有所控制。

2電機調(diào)速控制裝置

電機系統(tǒng)是電動汽車的重要核心系統(tǒng)組成部分，也是與內(nèi)燃機存在明顯不同的重要特征。對于以內(nèi)燃機為動力構(gòu)成的汽車來說，速度的控制主要和離合器有著密切的關(guān)聯(lián)，主要以機械手段完成。電動汽車在這一方面的要求相對較高，因為其只能通過加速器和方向開關(guān)能夠做到實際操控，對控制系統(tǒng)的要求也就更高。

早期的電動車上，直流電動機的調(diào)速采用串聯(lián)電阻或改變電動機磁場線圈的匝數(shù)來實現(xiàn)。因其調(diào)速是有級的，且會產(chǎn)生附加的能量消耗或使用電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在已很少采用。最初電動車上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過對電壓的靈活調(diào)整實現(xiàn)電動機的速度切換。而隨著電子技術(shù)的持續(xù)進步，調(diào)速裝置也變的越來越多，過于傳統(tǒng)的調(diào)速控制裝置已經(jīng)不再被使用。

3硬件總體設(shè)計

3.1存儲模塊

存儲模塊用來存儲控制器的型號、編程參數(shù)以及歷史故障等信息;通信接口用于與其配套的編程器連接，通過編程器來設(shè)定電動車的工作性能.（如最大速度）、查看工作狀態(tài)（如控制器內(nèi)部溫度，PWM占空比）以及查看控制器的故障歷史等;狀態(tài)顯示模塊告訴操縱者控制器是否正常工作以及發(fā)生了何種故障;2個PWM模塊分別控制電機勵磁電流和電樞電流并可以獨立調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對速度和負(fù)載的要求，脈寬調(diào)制波經(jīng)電機驅(qū)動模塊即功率MOSFET放大后給電樞和勵磁提供電流;電樞和勵磁電流檢測用于實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)及過流保護功能;溫度檢測和電壓檢測（包括電池電壓和加在電機兩端的電壓）主要用于對控制器及電機的保護，保證欠溫、高溫自動減流，過壓、欠壓自動保護，提高行駛的安全性，延長控制器及電機的使用壽命。

3.2 CPU模塊

根據(jù)控制方案的分析及車輛駕駛的需要，本控制器的CPU需要有較強的計算能力和事件處理能力，以及兩路PWM輸出，6個模擬輸入通道，14路數(shù)字輸出，10路數(shù)字輸入，另外還需要SCI模塊和SPI模塊。因此該控制器的中央處理器采用了TI公司的定點DSP TMS320LF2407A芯片，這是一款性價比較高的芯片。

TMS320LF2407A是定點DSP C2000平臺系列中的一員，專門為電機控制與運動控制而設(shè)計。其最大工作頻率為40MHz，片上集成了32KX16的Flash存儲器，2KX16的單口RAM，544X16的雙口RAM，以及大量的片上外設(shè)，具有較強的計算能力和豐富的外設(shè)資源，足以滿足大計算量的控制任務(wù)需要。

3.3電源模塊

該控制器的供電電源為24V的蓄電池，系統(tǒng)需要的工作電壓從大到小有15V（模擬部分）、5V（TTL）、3.3V（DSP），所以要經(jīng)過多級轉(zhuǎn)換。

從蓄電池過來的24V電壓首先經(jīng)過達林頓功率管TIP112和穩(wěn)壓管1N4745將電壓穩(wěn)到15V左右，然后經(jīng)LM7805轉(zhuǎn)換成5V電壓，最后經(jīng)過帶集成延時復(fù)位功能的低壓差穩(wěn)壓器TPS7301Q得到DSP使用的3.3V電源。

4基于模糊控制的軟件設(shè)計

4.1主程序設(shè)計

主體軟件是整個控制器軟件的框架，它從結(jié)構(gòu)上安排控制器的功能任務(wù)，對控制器任務(wù)要求的實現(xiàn)至關(guān)重要。DSP復(fù)位后經(jīng)初始化和內(nèi)存檢查后，開始系統(tǒng)的初始化，包括I0口和各個控制模塊的初始化，并對對各個控制寄存器置初值，對運算過程中使用的各個變量分配地址，并設(shè)置相應(yīng)的初值。

其中，電機調(diào)速模塊（包括電樞調(diào)整、勵磁調(diào)整）以及車輛狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)最主要的兩個模塊，控制器的主要功能都在其中實現(xiàn)。

4.2中斷服務(wù)程序

中斷模塊是程序中最重要的部分，處理實時性要求較高的事件。中斷服務(wù)程序有定時器中斷、串口收發(fā)中斷和過電流中斷。中斷模塊中的定時器中斷服務(wù)子程序用來做-些需要定時完成的任務(wù)，如于模擬通道采樣，開關(guān)采樣，故障顯示等。另外，定時器中斷還用于各個任務(wù)處理的計時作用，用以判斷任務(wù)處理是否超時以便及時報錯。

4.3電機調(diào)速策略研究

在車輛駕駛過程中，道路上的交通情況和駕駛員的目的性是無法定量描述的，駕駛員通過觀察后做出判斷，然后再操縱“加速器踏板”和“方向開關(guān)”來駕駛車輛。因而，這兩個輸入信號就是駕駛員的決策。在控制中如實地反映出駕駛員的意圖，將相應(yīng)的控制指令傳送給車輛是正確進行車輛駕駛的先決條件。

傳統(tǒng)的控制算法幾乎無法對人的思維及決策進行判斷。智能控制為仿人控制提供了可能，特別是模糊控制是能夠利用專家經(jīng)驗的控制。駕駛員對車輛的駕駛及其想要實施的操作，可以提供用語言描述的信息，并將其具體化在兩個指令踏板上。在這種情況下，采用模糊控制器是最為適合的。

4.4勵磁調(diào)整策略

通過調(diào)節(jié)勵磁電流的方向和大小，輔助電樞電流，實現(xiàn)系統(tǒng)的換向，制動，超速限制，負(fù)載補償?shù)裙δ?。系統(tǒng)在以下三種情況下需要勵磁調(diào)整：

4.4.1調(diào)速

在電樞電流-定的情況下，在最小和最大勵磁電流之間，增大勵磁電流會減小電機轉(zhuǎn)速，相反減小勵磁電流可以增大電機轉(zhuǎn)速。

4.4.2換向

在系統(tǒng)有換向請求時，改變勵磁電流的極性，獲得反向轉(zhuǎn)矩。

4.4.3調(diào)轉(zhuǎn)矩

當(dāng)負(fù)載變化時，需要電機輸出新的轉(zhuǎn)矩，用于當(dāng)車輛負(fù)載變化時，保持車輛恒定的行駛速度。增大勵磁電流可以增加電機輸出轉(zhuǎn)矩，相反減小勵磁電流可以減少電機輸出轉(zhuǎn)矩。在直流電機的控制中，勵磁對電機和控制器以及人身安全起著至關(guān)重要的作用。

4.5下坡能量回收

主要是采用復(fù)合制動方式來實現(xiàn)下坡能量的回收，這種制動方式在制動踏板踩下時電制動力會發(fā)生變化，在某些情況下可以完全靠電制動。但是，這種構(gòu)型對ESP要求較高，且需要考慮更多的功能安全問題，比如由于某種原因電制動失效后如何保持制動力，以及電制動和機械制動之間的協(xié)調(diào)。

參考文獻：

[1]徐新國，陳軍峰.電動車無刷直流電機控制器系統(tǒng)研究[J].電子世界，2016（10）：85.

[2]崔幸.電動汽車驅(qū)動電機控制系統(tǒng)制作實訓(xùn)臺方案的實施[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2015（24）：68.

（招遠(yuǎn)旭日礦山機械有限公司，山東 煙臺 265400）