基于永磁同步電機(jī)的新能源汽車控制系統(tǒng)研究

朝陽(yáng)工程技術(shù)學(xué)校 遼寧 朝陽(yáng) 122000

引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)本身有著諸多優(yōu)勢(shì),包括能量密度高、體積小、能耗低以及動(dòng)力性強(qiáng)等,所以在各種領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。然而車輛在實(shí)際使用方面存在一定的特殊性,所以其對(duì)于電機(jī)運(yùn)行的質(zhì)量有了更高的要求,與此同時(shí),也在永磁同步電機(jī)控制以及性能的設(shè)計(jì)方面有了全新的要求。

1 新能源汽車永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)步驟

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在正式開(kāi)展永磁同步驅(qū)動(dòng)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,相關(guān)人員要從電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況出發(fā)進(jìn)行具體的設(shè)定工作,磁路結(jié)構(gòu)之間的差異性直接影響著其實(shí)際性能,所以要綜合考慮汽車驅(qū)動(dòng)的要求與特點(diǎn),再結(jié)合相應(yīng)的制造成本等多方面影響因素,進(jìn)而科學(xué)合理地對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行選擇。

1.2 尺寸設(shè)計(jì) 同步電機(jī)設(shè)計(jì)有著一定的特殊性,其實(shí)際工作比較復(fù)雜,很難一次便完全使其滿足需求,所以相關(guān)人員需要多次開(kāi)展對(duì)與電機(jī)方案的優(yōu)化以及調(diào)整工作,其主要尺寸應(yīng)當(dāng)采用“路”的形式,在此基礎(chǔ)上展開(kāi)解析計(jì)算工作,唯有如此才能夠同相關(guān)要求相符合,而在線路以及繞組參數(shù)方面可以參照傳統(tǒng)的永磁電機(jī)。

1.3 額外性能設(shè)計(jì) 從其實(shí)際情況來(lái)看,電機(jī)額外使用性能是至關(guān)重要的組成部分,其主要指的是在永磁同步電機(jī)中實(shí)現(xiàn)對(duì)于其他相關(guān)功能的融合,可以將額外的性能設(shè)計(jì)加入到電機(jī)控制方式當(dāng)中,進(jìn)而在電機(jī)正式進(jìn)行運(yùn)行的過(guò)程中對(duì)其本身的真實(shí)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量,以此保證能夠同電機(jī)外設(shè)計(jì)方案的額定性能標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)[1]。

1.4 磁爐、繞組、參數(shù)計(jì)算和優(yōu)化 電機(jī)在最終成型之前需要經(jīng)歷多次的測(cè)試以及調(diào)整,在實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中,永磁同步電機(jī)與同步電機(jī)的電路設(shè)計(jì)是分開(kāi)的,在新能源汽車上也要對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)展開(kāi)分開(kāi)的設(shè)計(jì)工作,此舉能夠有效提升解析計(jì)算方法的精確程度,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效率以及性能的增強(qiáng)。

1.5 制定樣機(jī)、核實(shí)電機(jī)實(shí)際性能 若想在最大限度上提升設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性,在電機(jī)各種運(yùn)行狀態(tài)下,設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)反復(fù)進(jìn)行計(jì)算以及測(cè)試,并對(duì)比分析相應(yīng)的仿真結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在此基礎(chǔ)為形成更優(yōu)設(shè)計(jì)方案指標(biāo)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 基于永磁同步電機(jī)的新能源汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 對(duì)于新能源驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)說(shuō),其硬件電路有著較為復(fù)雜的構(gòu)成,包含汽車外部通信電路、駕駛端信號(hào)接收電路、信號(hào)檢測(cè)電路以及控制芯片等等,各部分電路之間展開(kāi)高效協(xié)同,進(jìn)而落實(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的效果,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其控制系統(tǒng)硬件電路控制芯片選用的是STM32F407VET6型號(hào)的控制器,該型號(hào)的控制器本身在計(jì)算能力方面有著較強(qiáng)的性能,可以高質(zhì)量并迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)于較大計(jì)算量的計(jì)算,蓄電池作為供電電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的供電電源?？刂葡到y(tǒng)的主要工作原理為,控制系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的兩相電流展開(kāi)檢測(cè)工作,并對(duì)第三相電流進(jìn)行計(jì)算,然后在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器中進(jìn)行所得出三相電路的輸入。與此同時(shí),還要在控制器中輸入相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào),通過(guò)采用控制器的算法計(jì)算,然后便由SVPWM輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。此外,駕駛員信號(hào)檢測(cè)電路則需要對(duì)檔位、油門以及剎車等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),利用CAN通訊向控制器進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的輸送,然后展開(kāi)計(jì)算工作。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件電路 對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件電路來(lái)說(shuō),主控電路設(shè)計(jì)是較為重要的組成部分。新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)有著較為復(fù)雜和繁瑣的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu),與此同時(shí),控制器能夠?qū)Ω鞣N類型的信號(hào)進(jìn)行接收,當(dāng)完成相應(yīng)的處理工作之后還要開(kāi)展大量的計(jì)算。執(zhí)行的精確度以及速度對(duì)于新能源汽車是非常重要的,所以這便對(duì)芯片的實(shí)際性能有了相對(duì)較高的要求,應(yīng)當(dāng)確保其有著良好的數(shù)據(jù)處理以及計(jì)算能力。驅(qū)動(dòng)電路對(duì)于外部接口有著一定的需求,所以針對(duì)控制器來(lái)說(shuō),其本身應(yīng)存在較多的內(nèi)部可利用資源。因此,筆者在驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路主控器的應(yīng)用上選擇了STM32單片機(jī)系列的控制器,該類型的控制器在實(shí)際應(yīng)用上存在較多的優(yōu)勢(shì),包括與其它控制器相比抗干擾能力較強(qiáng)、效率高、成本較低以及計(jì)算能力強(qiáng)等,能夠充分同永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的計(jì)算要求相符合。

除了主控電路設(shè)計(jì)以外,相關(guān)人員還要加強(qiáng)對(duì)于信號(hào)接收電路設(shè)計(jì)的重視。在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電機(jī)的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)隨時(shí)對(duì)電機(jī)返回的信號(hào)進(jìn)行接收以及處理,所以開(kāi)展了信號(hào)接收電路的設(shè)計(jì)工作。信號(hào)接收電路主要便是增量式光電編碼器,在差分信號(hào)的基礎(chǔ)上對(duì)三相脈沖信號(hào)進(jìn)行輸出以及輸入。將隔離電路使之與信號(hào)接收電路當(dāng)中,此舉能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制芯片與光電編碼器的隔離,避免二者之間出現(xiàn)相互干擾的問(wèn)題,切實(shí)保障電路整體具有良好的抗干擾能力[2]。

電流采樣電路設(shè)計(jì)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件電路的重要組成部分。為了能夠高效實(shí)現(xiàn)在電機(jī)電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中對(duì)于電流反饋值的采樣工作,所以便開(kāi)展對(duì)于電流采樣電路的設(shè)計(jì)工作。當(dāng)實(shí)際進(jìn)行控制系統(tǒng)電流采樣的時(shí)候,因?yàn)槠渌杉碾娏鲗儆谀M量,所以其在采樣器件本身檢測(cè)精度方面有著相對(duì)較高的要求。

2.2 新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 軟件系統(tǒng)主程序 對(duì)于永磁同步電機(jī)軟件控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其程序的科學(xué)性以及可靠性有著至關(guān)重要的作用,若是其程序在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤便有極大的可能性會(huì)造成車輛失控等現(xiàn)象,并產(chǎn)生難以挽回的后果,所以相關(guān)人員要加強(qiáng)對(duì)于軟件架構(gòu)的重視,確保其合理性。若想高效實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng),則需要保障好硬件部分以及軟件部分之間的相互協(xié)調(diào)合作,盡管在硬件部分的電路設(shè)計(jì)中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于抗干擾模塊的加入,但是對(duì)于復(fù)雜的電路來(lái)說(shuō)很難估計(jì)電壓電流的信號(hào)干擾,所以使得控制系統(tǒng)在正常運(yùn)行的過(guò)程中面臨著一定程度的阻礙。由此可見(jiàn),對(duì)于軟件部分來(lái)說(shuō)同樣應(yīng)該適當(dāng)加入相應(yīng)的抗干擾模塊,有效將抗干擾硬件與軟件部分結(jié)合起來(lái)便能在極大程度上促進(jìn)控制系統(tǒng)的持續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。在控制系統(tǒng)的軟件部分中,其設(shè)計(jì)主要使用的是結(jié)構(gòu)化編程的方法,程序結(jié)構(gòu)比較嚴(yán)謹(jǐn),為了能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)于開(kāi)發(fā)周期的縮短,所以筆者通過(guò)應(yīng)用模塊式的編程方式,讓各個(gè)模塊能夠各司其職,此種編程模式的應(yīng)用能夠在程序出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候及時(shí)找到問(wèn)題模塊,并在原有的基礎(chǔ)上降低調(diào)試工作開(kāi)展的難度。當(dāng)汽車面臨著相對(duì)較為復(fù)雜的行駛工況時(shí)候,有必要切實(shí)提升其實(shí)際的駕駛體驗(yàn),靈活應(yīng)用STM32控制器可以通過(guò)對(duì)于自身定時(shí)器的使用實(shí)現(xiàn)對(duì)于控制器的復(fù)位操作,一旦程序出現(xiàn)問(wèn)題,便能夠?qū)⑵浼皶r(shí)復(fù)位,并重新運(yùn)行程序,主控制程序流程如圖2所示。

圖2 主控制程序流程

在正式運(yùn)行控制系統(tǒng)的過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)先將程序初始化,同時(shí)進(jìn)入自檢模式,對(duì)系統(tǒng)的各方面情況展開(kāi)檢查工作,判斷其是否存在異常現(xiàn)象,一旦發(fā)現(xiàn)異常便啟動(dòng)報(bào)警子程序,同時(shí)將程序返回,再次開(kāi)展相應(yīng)的系統(tǒng)自查工作。若是控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行,程序便可以開(kāi)展相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集工作,向控制器傳送驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù),然后狀態(tài)檢查程序則需要分析其參數(shù),若是故障便要進(jìn)行報(bào)警。

2.2.2 工況判斷子程序 工況判斷程序的設(shè)計(jì)能夠有效保障新能源汽車對(duì)于各種環(huán)境的應(yīng)對(duì)能力,并實(shí)現(xiàn)其實(shí)際行駛性能的提升,針對(duì)工況類型的不同展開(kāi)相應(yīng)的分級(jí)控制工作。首先控制器需要先有效處理以及判斷搜采集到的信號(hào),并針對(duì)預(yù)設(shè)工況下的參數(shù)以及當(dāng)前的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,若是能夠符合便可以進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制,若是不符合則應(yīng)當(dāng)重新進(jìn)行采集與判斷,進(jìn)而保障汽車具有良好的驅(qū)動(dòng)性能[3]。

結(jié)論

綜上所述,優(yōu)化開(kāi)展對(duì)于基于永磁同步電機(jī)的新能源汽車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作能夠有效保障其應(yīng)用質(zhì)量,對(duì)于新能源汽車領(lǐng)域的整體發(fā)展有著積極的促進(jìn)作用。因此,相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)該方面的重視,在推動(dòng)新能源汽車行業(yè)迅速發(fā)展的同時(shí),提升其整體的可持續(xù)發(fā)展水平。