王進(jìn)升,鄭詩程,余暢舟,王慶龍
(1.安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243032;2.合肥學(xué)院自動化系,安徽 合肥 230601)
汽車作為現(xiàn)代科技的產(chǎn)物賦予了人們生活極大的便利,伴隨著環(huán)境污染、溫室效應(yīng)、不可再生能源的日益枯竭、全球能源危機(jī)等問題的不斷加劇,百年后今天電動汽車再次成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。電動汽車是以車載電源為動力配合電機(jī)以驅(qū)動車輪行駛,符合國家道路交通、安全法規(guī)要求的車輛。相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車,電動汽車因具有少污染、節(jié)能、低噪音、能源形式多樣化等優(yōu)勢,而獲得廣泛關(guān)注[2,3]。當(dāng)前電動汽車主要有3種類型:純電動汽車(Battery Electric Vehicle,BEV)、混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle,HEV)和燃料電池汽車(Fuel Cell Vehicle,F(xiàn)CEV)[4]。其主要由電驅(qū)動及其控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)、實現(xiàn)有關(guān)功能的輔助系統(tǒng)組成[5]。擬針對其核心電驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計。
電動汽車的電驅(qū)動系統(tǒng)又由電源、驅(qū)動控制器、驅(qū)動電機(jī)等三部分組成。電動汽車用驅(qū)動電機(jī)主要有直流有刷電動機(jī)(DCM)、異步電機(jī)(IM)、永磁無刷電機(jī)(PMBLM)和開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM)四種。其中,異步電機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低、體積小、高可靠性、低轉(zhuǎn)矩脈動、低噪聲、維護(hù)方便等眾多優(yōu)點(diǎn)使得其在電動汽車上獲得廣泛應(yīng)用[6]。
驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)包括軟硬件兩部分。其中,硬件電路主要由驅(qū)動單位及其控制器組成。驅(qū)動單元將電池中儲存的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榭沈?qū)動電機(jī)使用的電能,常見的驅(qū)動單元拓?fù)錇殡妷涸葱腿嘧儞Q橋;控制器則實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)的多種控制策略的實現(xiàn),如矢量控制、V/F控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、模型預(yù)測控制等。硬件電路對于整個電機(jī)及電動車系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)行、良好的動態(tài)性能有至關(guān)重要的作用[7]。
以電動汽車用異步電機(jī)作為對象,給出了控制系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu),設(shè)計了功率電路和控制電路的參考電路,分析了交直流電壓采樣電路及交流電流采樣電路的采樣信號低頻段輸入輸出關(guān)系,對設(shè)計的電路進(jìn)行了實驗驗證,給出了實驗結(jié)果。
電動汽車驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)電路采用數(shù)字化結(jié)構(gòu),由功率電路和控制電路兩部分組成。其中,功率電路由主電路、IGBT驅(qū)動電路組成;控制電路由DSP控制器,電壓、電流及位置等信號采樣及調(diào)理電路及故障與保護(hù)電路等組成,其電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
電動汽車功率電路器件可選用IGBT、MOSFET及集成功率模塊IPM。其中,IPM模塊集成有緩沖、保護(hù)等電路,可實現(xiàn)對欠壓、過流、短路、過熱等故障的保護(hù)。為簡化主電路設(shè)計,選用三菱公司的PM150CLA120模塊,其主電路拓?fù)錇槿鄡呻娖綐颍~定電壓1200V,電流150A。所設(shè)計的功率電路如圖2所示。
圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖
圖2 主電路原理圖
TMS320F28335輸出的PWM信號經(jīng)74HC245的緩沖與電平轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生6路驅(qū)動信號HU、HV、HW、LU、LV、LW,各路驅(qū)動選用上升延時tpLH和下降延時tpHL為0.8us,并具有較高的共模抑制比CMR的芯片HCPL4504作為IPM的高速驅(qū)動光耦進(jìn)行電氣隔離。以U相為例,HCPL4504的驅(qū)動電路原理圖如圖3所示。DSP控制器生成的上管PWM信號經(jīng)HU接入HCPL4504的3腳,當(dāng)其為低電平,輸出端6腳UP為驅(qū)動電壓VU,以驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)器件導(dǎo)通;反之,當(dāng)HU為低電平時,輸出驅(qū)動電壓為GNDU,可關(guān)斷開關(guān)管。
IPM輸出的保護(hù)信號xFO需經(jīng)光耦隔離送往控制器,為保證保護(hù)信號良好有效傳送,這里選用電流傳輸比CTR大于100%的TLP-521如圖3所示。U相上橋臂UFO信號或下橋臂FO低電平時光耦副邊導(dǎo)通,保護(hù)信號F輸出高電平。
圖3 U相驅(qū)動電路原理圖
電動汽車的驅(qū)動控制需要對輸出電流采樣,采用基于霍爾效應(yīng)的LEM傳感器LA58-P,其原副邊變比為1000:1(見圖2)。所設(shè)計的電流信號調(diào)理電路如圖4所示。變換器輸出電流經(jīng)LA58-P縮小1000倍經(jīng)排線接入J18端口后通過R13轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?,再?jīng)由R14和C33構(gòu)成RC濾波電路濾除高頻噪聲。濾波后的電壓信號由運(yùn)放LM258構(gòu)成的跟隨器,提供高輸入阻抗和低輸出阻抗以緩沖信號,輸出通過被R24和R25分壓并且疊加上1.65V的直流電壓,再通過R30與C17組成的RC濾波后,最終送入DSP的AD端口。U相電壓iu與進(jìn)入DSP的電壓信號Iuin幅值關(guān)系如式1。
(1)
為增強(qiáng)系統(tǒng)抗直流電壓擾動特性,使得直流電壓與輸出電壓解耦,電動汽車控制還需對直流電壓進(jìn)行采樣,設(shè)計的直流電壓采樣電路如圖5所示,其原理與交流電流采樣類似。
由R76~R79回路將直流電壓轉(zhuǎn)換為電流信號,并通過電壓傳感器LV25-P將電流變比為2.5:1并隔離輸出,輸出電流由R80將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?,再?jīng)由R82和C64構(gòu)成RC低通濾波電路濾除高頻噪聲。濾波后的電壓信號由運(yùn)放LM258構(gòu)成的跟隨器,提供高輸入阻抗和低輸出阻抗以緩沖信號,輸出再通過R67與C53組成的RC濾波后,最終送入DSP的AD端口。直流電壓Vdc與進(jìn)入DSP的電壓信號Vdcin幅值關(guān)系如式2。
圖4 U相交流電流采樣電路
(2)
圖5 直流電壓采樣電路
角位置利用光電編碼盤對電動汽車的驅(qū)動電機(jī)的位置與轉(zhuǎn)速進(jìn)行檢測,編碼盤輸出的6路脈沖信號經(jīng)AM26LS32轉(zhuǎn)換成3態(tài)門信號并通過6N137隔離送入DSP的EQEP外設(shè),根據(jù)測速時間與脈沖數(shù)的關(guān)系,可計算出電機(jī)的機(jī)械角位置與轉(zhuǎn)速。
實驗在一臺15KW電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)平臺上進(jìn)行,如圖7所示,直流側(cè)采用可回饋電源,其參數(shù)如表1所示。
圖6 光電編碼盤測速電路原理圖
圖7 實驗測試平臺
圖8 驅(qū)動信號測試波形
圖9 直流電壓采樣測試
表1 15kW電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)平臺參數(shù)
半周期PWM調(diào)制的驅(qū)動信號如圖8(a)所示,其中圖8(b)和圖8(c)分別為高占空比和低占空比時的驅(qū)動信號??梢娝O(shè)計的驅(qū)動電路能使得驅(qū)動信號能較好跟隨DSP輸出的PWM信號,并對IPM模塊進(jìn)行有效控制。
穩(wěn)態(tài)下,通過直流電源給定0-400V,測試輸入直流電壓與DSP的AD模塊結(jié)果寄存器中的數(shù)值如圖9所示。擬合出的數(shù)值y=164.3x-1120,與所設(shè)計的調(diào)理電路放大比例基本一致(式2),所設(shè)計的采樣電路線性度較好。
圖10為帶電機(jī)負(fù)載的測試波形。圖10(a)為電壓電流波形,至上而下分別為相電流ia、濾波后的線電壓uAB及線電壓uAB,表明電流電壓采樣信號正常。圖10(b)為轉(zhuǎn)速波形。轉(zhuǎn)速變化時,電流頻率跟隨變化。表明轉(zhuǎn)速檢測電路正常,電流動態(tài)響應(yīng)較好,反映電路設(shè)計的正確性。
(a) 相電流及線電壓
(b) 突加轉(zhuǎn)速時A相電流
電動汽車驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路對于控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行、良好的動態(tài)適應(yīng)性及整車性能指標(biāo)的穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。在介紹控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,對其功率電路、驅(qū)動電路、電壓電流檢測電路和測速電路進(jìn)行了設(shè)計,并分析了直流電壓采樣電路及交流電流采樣電路的輸入輸出信號關(guān)系。最后,通過15kW的電動汽車平臺對所設(shè)計的電路進(jìn)行了實驗驗證。通過實驗表明所設(shè)計的電壓、電流及位置檢測電路能較好還原實際信號,電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)能較好地工作。