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1、電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2015/06/09 《中國西部科技雜志》2015年第五期 1電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)中矢量控制技術(shù) 電動(dòng)汽車系統(tǒng)控制電路中系統(tǒng)功率部分采用直-交電壓型電路，功率回路有蓄電池、濾波電路和智能功能模塊IPM逆變電路組成。系統(tǒng)控制器采用TI公司推出的TMS320LF2812-DSP作為控制主芯片，用它來完成電子差速算法、及高階控制器離散化的魯棒控制器，它們的實(shí)現(xiàn)需要記憶大量的歷史數(shù)據(jù)，且完成電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制器、電流控制器

2、的算法、以及電壓空間矢量PWM的產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換以及坐標(biāo)變換等。輔助電路由速度檢測電路、電流檢測電路以及故障檢測電路等組成。實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速檢測、電流檢測以及轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。DSP控制器負(fù)責(zé)將電動(dòng)汽車駕駛員根據(jù)自己的意圖與行車線路給定目標(biāo)車速Vc、方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、剎車信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、電容儲(chǔ)能狀態(tài)等進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)用電子差速算法計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置，最后應(yīng)用矢量控制算法和魯棒控制算法，得到電壓空間矢量PWM的控制信號(hào)，經(jīng)過光電隔離電路后，驅(qū)動(dòng)IPM功率開關(guān)器件。DSP控制器還負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)和監(jiān)控，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過電流、欠壓等故障，DSP將封鎖SVPWM輸出信號(hào)，以

3、保護(hù)IPM模塊。異步電動(dòng)機(jī)矢量控制基本思想就是把異步電機(jī)的電子電流分解為直軸電流分量ids和交軸電流分量iqs。矢量控制策略是當(dāng)轉(zhuǎn)子磁通恒定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制定子電流的q軸分量就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩。這樣由定子電流d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量控制轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的完全解耦控制，形成經(jīng)過SVPWM逆變調(diào)制信號(hào)，將期望電壓矢量值供給逆變器，對異步電機(jī)進(jìn)行供電，一旦控制器的參數(shù)設(shè)定好后，在電機(jī)的運(yùn)行條件不發(fā)生改變的前提下，這個(gè)控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。但由于電動(dòng)汽車在行駛過程中道路工況復(fù)雜，且駕駛模式多變，那么電機(jī)的自身參數(shù)也隨之改變，如果不對速度控制器的參數(shù)和輸出不

4、進(jìn)行校正，駕駛性能會(huì)變差，所以利用通過脈沖編碼盤獲得的電機(jī)速度n反饋值，與經(jīng)過電子差速算法輸入的速度參考量refn和轉(zhuǎn)向信號(hào)形成閉環(huán)。同時(shí)編碼盤的另一個(gè)作用是獲得轉(zhuǎn)子的絕對位置，從而通過磁通觀測環(huán)節(jié)，輸出正確的磁通角θ以實(shí)現(xiàn)精確的PARK逆變換，這樣對輸出進(jìn)行及時(shí)的校正，使真?zhèn)€系統(tǒng)在運(yùn)行條件發(fā)生變化時(shí)，加快動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。為了抑制干擾對控制誤差的影響，使得閉環(huán)控制系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)中的速度調(diào)節(jié)器采用H∞魯棒標(biāo)準(zhǔn)控制問題的混合靈敏度設(shè)計(jì)算法以加強(qiáng)內(nèi)部穩(wěn)定性。采用矢量控制方案的交流異步電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。 2控制器硬件電路設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)駕駛員根據(jù)由方向盤、驅(qū)動(dòng)踏板和制動(dòng)踏板設(shè)定

5、的指令信號(hào)，以及車輛當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，即電機(jī)轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、電容儲(chǔ)能狀態(tài)等。首先調(diào)節(jié)主回路使其工作于某一特定的狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)相應(yīng)功率器件的占空比，使電機(jī)電樞電流或者儲(chǔ)能器件的充電功率滿足驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)踏板設(shè)定的指令值?？刂葡到y(tǒng)硬件部分為以美國德州儀器（TI）公司的TMS320F2812型DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）芯片為核心的控制電路板和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成，如圖2所示。系統(tǒng)主回路的電壓、電流信號(hào)及驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)踏板位置信號(hào)經(jīng)傳感器采集后，通過信號(hào)調(diào)理電路由DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)的輸出為多路SVPWM信號(hào)，電路中采用Avago公司的HCPL-316J門驅(qū)動(dòng)光電耦合器對SVPWM信號(hào)進(jìn)行

6、處理，經(jīng)光耦隔離處理后接入IGBT的門極。IGBT的故障信號(hào)經(jīng)光耦隔離后接入DSP的功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷引腳。在主回路進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整后可用于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和再生制動(dòng)控制，霍爾傳感器檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路接入DSP的捕獲單元。制動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)和能量儲(chǔ)存器件，即超級(jí)電容或者高速飛輪組成。車輛制動(dòng)時(shí)，電機(jī)在驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下工作于發(fā)電機(jī)工況，將車輛的部分動(dòng)能或重力勢能轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)過控制儲(chǔ)存在超級(jí)電容或飛輪中。這部分能量在車輛加速和爬坡時(shí)釋放出來，協(xié)助電池向電機(jī)供電，使回收的能量得到再利用。超級(jí)電容通過雙向DC/DC連接到直流母線，和電池并聯(lián)通過電機(jī)控制器向電機(jī)供電。電機(jī)控制器在剎車踏板被踩下

7、后，使電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)工況，將回饋能量送至直流母線；雙向DC/DC作為超級(jí)電容充放電控制器使用。車輛制動(dòng)時(shí)將直流母線上的電機(jī)回饋能量進(jìn)行電壓變換后向超級(jí)電容充電；車輛起動(dòng)或加速時(shí)使電容放電，電容儲(chǔ)存能量經(jīng)電壓變換后送至直流母線，和電池并聯(lián)向電機(jī)供電，一方面改善車輛加速性能，另外還可以避免電池大電流放電，延長電池壽命?？刂葡到y(tǒng)外圍電路主要包括PWM輸出與IGBT故障信號(hào)輸入光耦隔離電路，主回路電壓、電流信號(hào)調(diào)理電路，以及電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測信號(hào)調(diào)理電路。 3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用基于空間磁場定向控制策略，即在速度控制器采用H∞魯棒標(biāo)準(zhǔn)控制問題的混合靈敏度設(shè)計(jì)算法，系統(tǒng)q軸、d軸電

8、流環(huán)采用PI控制器。利用TMS320F2812強(qiáng)大的實(shí)時(shí)算術(shù)運(yùn)算能力，對異步電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。系統(tǒng)控制軟件先完成系統(tǒng)的初始化工作，包括DSP的內(nèi)核初始化，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）子模塊的初始化，以及PWM輸出子模塊的初始化和數(shù)字輸入輸出（DIO）子模塊的初始化。系統(tǒng)初始化完成后進(jìn)入等待定時(shí)器周期中斷循環(huán)狀態(tài)?？刂栖浖鞒绦蛉鐖D3所示。圖3控制器主程序流程圖主回路的電壓、電流和車輛的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)指令經(jīng)濾波電路輸入到DSP中，在定時(shí)器周期中斷服務(wù)子程序中，首先對這些信號(hào)進(jìn)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，在控制系統(tǒng)對車輛的運(yùn)行狀態(tài)做出判斷后，運(yùn)行相應(yīng)的控制算法，并用控制量，即IGBT的占空比設(shè)置相應(yīng)的PW

9、M模塊及PWM引腳的輸出。中斷處理模塊程序流程圖如圖4所示。 4實(shí)驗(yàn)結(jié)果 以7.5KW電動(dòng)汽車用交流異步電機(jī)為控制對象，其最大功率15KW、額定電壓72V、額定扭矩為32N.m、最大轉(zhuǎn)速為5600rpm、效率95%，根據(jù)異步電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)得到在MTS-II電機(jī)測試臺(tái)架上的測試結(jié)果如表1，電機(jī)及其控制器外特性曲線如圖5。將給定目標(biāo)車速cV、方向盤轉(zhuǎn)角信號(hào)、剎車信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測信號(hào)、蓄電池電壓、電容儲(chǔ)能狀態(tài)等進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的信號(hào)輸入到上述設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中，相應(yīng)交流電機(jī)側(cè)得的技術(shù)參數(shù)如電壓為72V、輸入功率為6.6KW，轉(zhuǎn)矩得到11.9N.m、轉(zhuǎn)速為4609rpm、輸出功率為5.7KW、均

10、低于額定值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)汽車異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行性能，較快的轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度、達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)效果。 5結(jié)論 選擇合適的電動(dòng)機(jī)是提高各類電動(dòng)汽車性價(jià)比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時(shí)滿足車輛行駛過程中的各項(xiàng)性能要求，并具有堅(jiān)固耐用、造價(jià)低、效能高等特點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式顯得極其重要。本文從選擇合適的交流選擇異步電機(jī)，設(shè)計(jì)基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用H∞魯棒標(biāo)準(zhǔn)控制問題的混合靈敏度設(shè)計(jì)算法，解決復(fù)雜系統(tǒng)在不確定條件下維持系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性；采用的新型的PWM調(diào)制方式——空間電壓矢量（SVPWM）脈寬調(diào)制原理與實(shí)現(xiàn)直-交PWM電流源型異步電機(jī)變頻器控制器，提高了能量的利用效率；同時(shí)采用電子差速控制技術(shù)，解決電動(dòng)汽車發(fā)展瓶頸中的電機(jī)及其控制系統(tǒng)中需要協(xié)調(diào)控制電機(jī)差速，實(shí)現(xiàn)倒退，轉(zhuǎn)彎等功能。通過以上技術(shù)應(yīng)用與傳統(tǒng)PID控制器相比，非線性方法具有更好的控制效果，改善了電動(dòng)車運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，而且在制動(dòng)過程中可以回收更多的能量，提高了整車的能量利用效率，并且再生能源方便地回饋到電動(dòng)汽車的蓄電池中，實(shí)現(xiàn)了能量回收。