車用異步電機(jī)矢量控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究

林立,胡江林,林敏之

(1.多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 邵陽(yáng),422000;2.邵陽(yáng)學(xué)院 電氣工程學(xué)院,湖南 邵陽(yáng),422000;3.邵陽(yáng)資水科技有限公司,湖南 邵陽(yáng),422000)

隨著國(guó)家發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》以來(lái),發(fā)展新能源汽車是我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路,也是應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[1]。如今,新能源汽車憑借零排放、低噪聲、高效率的特點(diǎn)正在逐漸占據(jù)全球汽車市場(chǎng),汽車企業(yè)開(kāi)始對(duì)新能源汽車加大研發(fā)投入、完善產(chǎn)業(yè)布局。而新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)與電機(jī)控制策略有著密不可分的關(guān)系。高效控制策略能夠使得電機(jī)效率達(dá)到最優(yōu),從而有效提高電動(dòng)汽車對(duì)能量的利用效率,保障汽車在各種環(huán)境中平穩(wěn)運(yùn)行。但由于電機(jī)控制策略開(kāi)發(fā)流程難度較大,代碼編譯效率低,導(dǎo)致企業(yè)需大量的人力與時(shí)間。為了解決這一難題,本文以DSP控制板為核心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了逆變、檢測(cè)和通信等硬件系統(tǒng)模塊,運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件搭建車用異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型和矢量控制策略的仿真模型。通過(guò)CCS6.2軟件將生成的代碼移植入數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processing,DSP)中,并借助上位機(jī)Labview對(duì)車用異步電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并在線修改,實(shí)現(xiàn)對(duì)車用異步電機(jī)的實(shí)時(shí)控制并驗(yàn)證策略高效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),總體控制性能良好,可滿足實(shí)際應(yīng)用要求,有效縮短異步電機(jī)控制器的開(kāi)發(fā)周期,提高了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)效率,節(jié)省了研制成本。為企業(yè)人員提供車用異步電機(jī)控制算法策略的研究提供參考。

1 異步電機(jī)矢量控制

1.1 d-q坐標(biāo)軸下異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

建立異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí),假設(shè):

1)不計(jì)電機(jī)渦流損耗和磁滯損耗;2)忽略電機(jī)磁路飽和; 3)忽略溫度對(duì)電機(jī)造成的影響;4)電機(jī)定子繞組對(duì)稱分布。

則在d-q坐標(biāo)軸系下,其數(shù)學(xué)模型為

磁鏈方程:

(1)

電壓方程:

(2)

轉(zhuǎn)矩方程:

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

運(yùn)動(dòng)方程:

(4)

式中:usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq、φsd、φsq、φrd、φrd分別為d-q坐標(biāo)下定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈分量;Ls、Lm、Lr分別為定子繞組的電感、定子與轉(zhuǎn)子互感及轉(zhuǎn)子繞組電感;Rs、Rr分別為定子和轉(zhuǎn)子繞組電阻;ω為電角速度;Te為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩;J為機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;np為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

1.2 矢量控制基本原理

與變壓變頻控制方式相比,矢量控制具有更好的速度范圍和動(dòng)態(tài)性能,有效提高電動(dòng)汽車穩(wěn)定性[2]?？刂品绞绞菍?fù)雜異步電機(jī)三相靜止坐標(biāo)系中的定子交流電等效坐標(biāo)變換成兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系直流電的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制。根據(jù)磁場(chǎng)定向原理分別對(duì)異步電機(jī)的勵(lì)磁電流isd和轉(zhuǎn)矩電流isq進(jìn)行控制,以便簡(jiǎn)單和精準(zhǔn)地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖1為矢量控制結(jié)構(gòu)圖,矢量控制系統(tǒng)由空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation,SVPWM)模塊、AFR轉(zhuǎn)子磁鏈調(diào)節(jié)器模塊、ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊、ACMR定子電流勵(lì)磁分量調(diào)節(jié)器模塊、ACTR定子電流轉(zhuǎn)矩分量調(diào)節(jié)器模塊、FBS轉(zhuǎn)速傳感器模塊、Clark變換、Park變換、Park 逆變換、轉(zhuǎn)子磁鏈計(jì)算以及異步電機(jī)等模塊組成。

圖1 矢量控制結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Vector control structure

1.3 矢量控制系統(tǒng)建模

根據(jù)圖1搭建的車用異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真模型見(jiàn)圖2。

圖2 矢量控制模塊Fig.2 Vector control module

2 硬件設(shè)計(jì)

車用異步電機(jī)矢量控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖3。整個(gè)系統(tǒng)由主電路、控制器、傳感器和上位機(jī)4個(gè)部分組成[3]。

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware system structure

2.1 主電路

主電路主要由蓄電池、三相逆變橋和異步電機(jī)(induction motor,IM)3部分組成。本實(shí)驗(yàn)車用異步電動(dòng)機(jī)參數(shù):額定功率為15 W,額定電壓UN為220 V,額定電流IN為0.27 A,額定頻率為50 Hz,額定轉(zhuǎn)速為1 400 r/min,極對(duì)數(shù)np為2。

2.2 傳感器模塊

光電編碼器采用M/T法計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速,M法測(cè)量速度對(duì)于適用于高速場(chǎng)合,T法適用于低速度場(chǎng)合。M/T測(cè)速誤差較小。在計(jì)數(shù)過(guò)程中,定時(shí)器指定檢測(cè)時(shí)間為T,固定測(cè)量時(shí)間為T0,當(dāng)編碼器的脈沖上升沿到來(lái)時(shí),計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。輸出脈沖編碼個(gè)數(shù)為M1和高頻時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)為M2。當(dāng)T0結(jié)束時(shí),M1停止計(jì)數(shù),M2繼續(xù)計(jì)數(shù)。當(dāng)下一個(gè)脈沖的下一個(gè)上升沿到來(lái)時(shí),M2停止計(jì)數(shù),可得出此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為

(5)

式中:Z為脈沖數(shù):f0為時(shí)鐘脈沖頻率。

2.3 控制器模塊

實(shí)驗(yàn)采用程序和數(shù)據(jù)分離的哈佛結(jié)構(gòu)DSP控制器,具有特殊硬件以及豐富的外設(shè),可以簡(jiǎn)化軟件開(kāi)發(fā)的周期,其獨(dú)立的函數(shù)庫(kù)也可以提高數(shù)據(jù)處理的效率和速度?？刂朴布ˋ/D檢測(cè)模塊,編碼器模塊(quadrature encoder pulse,QEP)和驅(qū)動(dòng)模塊。DSP的EPWM(enhanced pulse width modulator,EPWM)模塊用于生成高精度的空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation,SVPWM)。其中,控制器中的SCI串口通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的參數(shù)信息交互、ePWM 脈沖發(fā)生模塊發(fā)出矢量控制脈沖信號(hào)控制主電路中IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷、QEP測(cè)速模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量、AD模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)電機(jī)當(dāng)前電流和電壓信號(hào)實(shí)時(shí)采樣。

2.4 上位機(jī)模塊

上位機(jī)通過(guò)CH430轉(zhuǎn)換芯片將USB 轉(zhuǎn)串口,實(shí)現(xiàn)與控制器之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸,電機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)將采集后的光電信號(hào)進(jìn)行解調(diào)、恢復(fù)與顯示,實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)在工作中轉(zhuǎn)矩、相電流、電壓和轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

3 軟件設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件主要由上位機(jī)監(jiān)控界面系統(tǒng)和代碼生成程序組成。

3.1 代碼生成程序設(shè)計(jì)

異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)控制程序見(jiàn)圖4。代碼生成程序通過(guò)MATLAB/Simulink代碼生成得到車用異步電機(jī)矢量控制C語(yǔ)言代碼程序?？刂瞥绦蛴芍袛嘞蛄勘?、脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)中斷服務(wù)函數(shù)、QEP中斷服務(wù)函數(shù)、串口接收模塊和串口發(fā)送模塊組成[4]。

3.2 代碼生成實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

程序利用Simulink模塊中的“Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors”支持包中C2833x相關(guān)的代碼生成模塊來(lái)搭建算法程序。實(shí)驗(yàn)流程圖見(jiàn)圖5。

建立Simulink仿真模型:首先配置代碼生成環(huán)境,通過(guò)MATLAB/Simulink與CCS6.2進(jìn)行無(wú)縫銜接功能,將基于模型的仿真程序生成可在CCS6.2軟件中對(duì)代碼進(jìn)行編譯調(diào)試編譯的C語(yǔ)言代碼程序;然后將程序通過(guò)仿真器移植入TMS320F28335開(kāi)發(fā)板;再進(jìn)行各項(xiàng)寄存器的初始化及CPU定時(shí)器設(shè)置;完成所有的初始化工作后,最后,調(diào)出Labview上位機(jī)控制器進(jìn)運(yùn)行系統(tǒng)程序,實(shí)現(xiàn)車用異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的測(cè)試。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控界面系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控界面系統(tǒng)是基于LabVIEW軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),通過(guò)SCI總線連接上位機(jī)與下位機(jī),使其具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)并修改的功能[5]。監(jiān)控界面見(jiàn)圖6。上位機(jī)界面主要由通信設(shè)置、參數(shù)調(diào)節(jié)、啟停開(kāi)關(guān)和波形顯示等4部分組成?？筛鶕?jù)實(shí)驗(yàn)需求,對(duì)電壓參數(shù)幅值和轉(zhuǎn)速環(huán)Kp、Ki值等變量進(jìn)行修改,實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的各種給定量的在線設(shè)定,有效適應(yīng)不同參數(shù)的電機(jī)控制,并優(yōu)化控制性能[6]。

圖6 PC機(jī)端監(jiān)控Labview界面Fig.6 PC side monitoring labview interface

4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹及結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

如圖7所示,本實(shí)驗(yàn)搭建的異步電機(jī)矢量控制硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),該平臺(tái)由A、B、C、D、E、F 6部分組成。其中,A為車用異步電機(jī),B為主電路,C為TMS320F28335芯片,D為主電源,E為電腦端上位機(jī),F為仿真器。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

軟件設(shè)計(jì)完成后,將程序植入到以TI公司的TMS320F28335核心控制器的DSP芯片上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。啟動(dòng)時(shí)給定轉(zhuǎn)速為400 r/min,轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定,總體控制性能良好。

圖8 PC機(jī)端監(jiān)控Labview界面Fig.8 PC side monitoring labview interface

5 結(jié)論

本文分析了車用異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及矢量控制原理,并結(jié)合TMS320F28335和MATLAB開(kāi)發(fā)了一種能夠適應(yīng)不同參數(shù)車用異步電機(jī)的硬件控制平臺(tái),運(yùn)用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行控制算法系統(tǒng)仿真,并設(shè)計(jì)適用于TI系列DSP開(kāi)發(fā)板的控制代碼,驗(yàn)證的異步電機(jī)矢量控制實(shí)驗(yàn)可行性。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以通過(guò)SCI總線連接到上位機(jī)Labview軟件,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能,實(shí)時(shí)監(jiān)控并在線修改參數(shù),有效適應(yīng)不同參數(shù)電機(jī)的控制,并優(yōu)化控制性能,提升了控制器的通用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),總體控制性能良好,可滿足實(shí)際應(yīng)用要求,為企業(yè)人員提供車用異步電機(jī)控制算法策略的研究提供參考。對(duì)于中小企業(yè)用戶,有效地節(jié)省了開(kāi)發(fā)周期和成本。