【正文】 應用于電機驅(qū)動不再是一種想象。隨著軟件開發(fā)功能的強大，現(xiàn)在用軟件代替硬件，利用了它的控制功能以及它具有保護、自診斷和故障監(jiān)視等其它功能。除此之外，我們還可以改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型來提高控制系統(tǒng)的實用性和 可靠性?？梢娎萌珨?shù)字化的簡單易用性作為今后電動車控制乃至交流傳動系統(tǒng)一個重要的發(fā)展趨勢。其次目前智能化技術用在電動汽車控制系統(tǒng)中只是局部智能化的應用，如模糊控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡觀測器等。因此完全智能化的發(fā)展是未來電動汽車發(fā)展的一個重要方向。 可見，各種電機要想在未來的電動車中占有一席之地，除了要對電機結構進行優(yōu)化外，還需要使電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)趨于智能化和全數(shù)字化。 電動汽車用電機比較 目前 電動汽車 使用的電驅(qū)動系統(tǒng)主要有直流電機驅(qū)動系統(tǒng)和交流電機驅(qū)動系統(tǒng)。直流電機包括有刷和無刷永磁同步電機；交流電機主 要有異步電機、永磁電機、開關磁阻電機等幾種。通常電機驅(qū)動系統(tǒng)包括電機、變頻器和控制與保護電路。電動汽車運行于較寬的負載和速度范圍及不同的路況下，其驅(qū)動用電動機的運行工況非常惡劣，更重要的是由于混合動力電動汽車靠蓄電池這種有限能量電源供電，而蓄電池的電壓變化范圍大，特別是當電壓降至臨界時的實際容量受到極大的限制，上述因素嚴重影響著電動汽車用電動機系統(tǒng)的整體性能。電動汽車用電動機系統(tǒng)的開發(fā)必須綜合考慮上述因素，保證系統(tǒng)性能優(yōu)異、高效和可靠。通常，電動汽車對電機驅(qū)動主要要求是在允許的范圍內(nèi)，盡可能采用高電壓、高轉 速以減小體積 、 質(zhì)量，提高功率密度，節(jié)省空間降低成本。電機質(zhì)量較輕，有利于降低整車的裝備質(zhì)量。電動機應具有較大的起動轉矩和較大范圍的調(diào)速性能，具有較強的瞬時過載能力轉矩響應速度快，在滿足安全性要求的基礎上可控性、穩(wěn)態(tài)精度要求高，能夠適應路面變化及頻繁起動和剎車等復雜運行工況，才能具有良好的起動性能和加速性能。以獲得所需要的起動、加速、行駛、減速、制動等所需的功率與轉矩。實現(xiàn)制動能量再回收利用，而且應具有良好的可靠性和可維護性耐高溫和耐潮濕性能強，運行時噪聲低能夠在較惡劣的環(huán)境下長時期工作，結構簡單適合大批量生 產(chǎn)，使用維護方便價格便宜等。 直流電機（ DCM）驅(qū)動系統(tǒng) 直流電動機由于控制性能好最早在電動汽車中獲得應用，特別是在公共運輸汽車上。直流有刷電機的主要優(yōu)點是機械特性好，調(diào)速方便可采用晶體管斬波器脈沖調(diào)制方法實現(xiàn)易于平滑調(diào)速控制簡單，技術成熟成本低具有交流電動機所不可比擬的優(yōu)良控制特性。其缺點是在運行過程中需要電刷和機械換向器限制了電機轉速的進一步提高。另外，直流電機本身效率較低、結構相對復雜 ， 體積、重 量大、價格較高、使用維護性均受到限制。而晶體管功率半導體的發(fā)展使交流感應電動機和永磁電動機不斷得 到實踐并趨向成熟，在驅(qū)動領域有取代直流電動機的趨勢，所以在新研制的混合動力電動汽車上已經(jīng)基本不用直流電動機。 感應電機（ IM）驅(qū)動系統(tǒng) 隨著現(xiàn)代電子技術與電機控制技術的快速發(fā)展，感應電機應用越來越廣在市場上所有的中小型電機中約占 75％。這種電機結構簡單牢固可靠性高，對環(huán)境的適應性好，成本和維護費用低，轉速范圍可達 1202015000r／ min，效率較高，另外，其驅(qū)動技術也最成熟。因此，感應電動機被廣泛的用作混合動力驅(qū)動電機。例如：美國 GM 公司的 Evl 采用功率為 102kW 的 IM， Ford 公司生產(chǎn)的 P2020 采用額定功率為 67kW 的 IM。 Volkswagen 公司的 GolflV 采用額定功率為 的 IM 等。但是，感應電動機也有其缺點，例如損耗高，需要對電機不斷冷卻，功率因數(shù)也比永磁無刷電動機低，對于高速度大功率電機需要用大功率變換器，恒功率區(qū)域較小等，這都對感應電機在混合動力電動汽車中的應用有很大影響。 永磁同步電機（ PMSM）驅(qū)動系統(tǒng) 永磁同步電動機性能更加可靠，體積更小而且質(zhì)量更輕，響應快環(huán)境適應性好。在高速轉動時有良好的可靠性運轉平穩(wěn)， 工作時電流損耗小、工作噪聲低，發(fā)電控制簡單不需電磁激勵弱磁控制也容易實現(xiàn)。在電動汽車特別是高檔電動汽車驅(qū)動方面具有很高的應用價值，受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，并在日本得到較為普遍的應用，日本新研制的電動汽車大都采用 PMSM 驅(qū)動。著名的豐田 Prius 混聯(lián)式混合動力電動汽車采用了額定功率為 33kW 的 PMSM，日本Nissan 公司生產(chǎn)的 AltraEV 使用了額定功率為 62kW 的 PMSM， Honda 公司的混合動力電動汽車 Insight 采用了額定功率為 10kW 的 PMSM 等等。 開關磁阻電機（ SRM）驅(qū)動系統(tǒng) 開關磁阻電動機具有簡單可靠成本低，起動及調(diào)速性能好，在較寬轉速和轉矩范圍內(nèi)高效運行、控制靈活、響應速度快控制裝置比較簡單等優(yōu)點。但是，由于其磁極端部的磁路嚴重飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應，使其在設計和控制中要求十分精確。且轉矩脈動大運行噪聲大，必須使用位置傳感器、按照定子的凸極數(shù)來確定逆變器和電機的引出線等，所以應用還受到一定限制。 無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng) 永磁無刷直流電動機中所謂 “直流 ”并不指直流電動機，應用中這種電動機采用交流方波供電，因此也稱為永磁無刷方波電 動機。其優(yōu)點是去掉了電刷，從而也排除了由電刷引起的許多問題；此外因為它的方波電流和磁場是垂直的，能夠產(chǎn)生較大的輸出轉矩。 而且， 這種無刷結構使電樞繞組具有更 具 代表性的區(qū)域，由于通過整個結構的熱傳導有了改善，電負荷的增加可產(chǎn)生更高的功率密度，而提高整機運行效率。 就交流驅(qū)動系統(tǒng)和直流驅(qū)動系統(tǒng)比較而言，交流電動機本身比直流電動機成本低，而逆變器比直流電動機控制系統(tǒng)成本高。然而，隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，兩個系統(tǒng)的成本差距將日益趨近。從目前來看，交流驅(qū)動系統(tǒng)總成成本高于直流驅(qū)動系統(tǒng)的成本，但由于交流驅(qū)動系統(tǒng)效率高 、質(zhì)量輕、能更有效地實現(xiàn)再生制動等固有特點，因此交流驅(qū)動系統(tǒng)事實上已使其成為 EV 驅(qū)動系統(tǒng)方案的最佳選擇。 由表 1 也可確定交流感應電機是目前電機中性能最好的。 表 1各種驅(qū)動電機性能比較 感應電動機 永磁無刷電動機 直流電動機 開關磁阻電動機 成本 5 3 4 4 效率 5 可靠性 5 4 3 5 可控性 4 4 5 3 成熟性 5 4 5 4 功率密度 5 綜合 26 25 22 23 注：表中 5表示性能最好 論文主要研究內(nèi)容 本文 主要是設計電動汽車用的交流感應電機驅(qū)動系統(tǒng)，通過分析國內(nèi)外電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，選定 TI 公司生產(chǎn)的 TMS320LF2407A 芯片為控制核心。通過對比不同電機在電動汽車上的使用情況 ,選定了交流感應電機作為控制電機。 控制方式暫選為矢量控制 。設計的主要架構選定完后，接下來就是 功率模塊的選擇和 DSP 的外圍電路 的設計 ， 外圍電路 主要包括 ：檢測電路，保護電路，驅(qū)動電路，主電路等。針對不同的 電路接到相對應的 DSP 功能模塊引腳上，具體的接法，本文也有談到。 第二章 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng) 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)概述 電 動汽車實現(xiàn)零排放，能有效地避免空氣污染。電動汽車在車輛性能方面也具有優(yōu)勢 :電動汽車的轉矩響應迅速、加速快，比燃油汽車高出 2 個數(shù)量級 。電機可分散配置，可直接控制車輪轉速，易實現(xiàn)四輪獨立驅(qū)動和四輪轉向。由于信息技術和控制技術的廣泛應用，電動汽車的安全性和可靠性大幅提高。電動汽車顯示出的優(yōu)越性和強大的競爭力使之成為 21 世紀各國政府大力支持發(fā)展的交通工具。 電動汽車的基本結構如圖 2． 1 所示，主要由電力驅(qū)動子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)等組成 。 主 控 制 器P W M 功率 轉 換 器交 流 感 應電 機機 械 傳 動裝 置能 量 管 理系 統(tǒng)鋰 電 池輔 助 動 力源動 力 轉 向單 元蓄 電 池 充電溫 度 控 制單 元車 輪車 輪電 力 電 子 系 統(tǒng)加 速 踏 板制 動 踏 板交 流 電 源輔 助 子 系 統(tǒng)轉 向 盤能 源 子 系 統(tǒng)圖 2． 1 電動汽車的基本結構 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的基本性能要求 電動汽車是一種結構緊湊，工況復雜，具有一定運載能力的行走機械。不 但要適應雪天、雨天、盛夏、嚴冬、高原缺氧等惡劣天氣，還要求承受不同道 路狀況的安全考驗，保證駕駛人員的安全及舒適。更要求其具備燃油汽車基本 的行走及載運能力，在高速、低速、制動、上下坡、加速等工況下驅(qū)動系統(tǒng)能 提供安全可靠的動力。因而， 電動汽車的關鍵在于其驅(qū)動系統(tǒng)，高密度、高效 率、寬調(diào)速的車輛牽引電機及其控制系統(tǒng)既是電動汽車的心臟又是電動汽車研 制的關鍵技術之一。電動機是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心，其性能、效率、重量 等直接影響電動汽車的性能。為達到對電動汽車續(xù)航能力及在復雜工況下安全 運行的要求，電動汽車驅(qū)動電機的設計上交流化、專用化已成為趨勢。 電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，與一般的工業(yè)應用有很大的不同。由于電池電源功 率的限制，不但要求電機驅(qū)動系統(tǒng)具有盡可能寬廣的高效率區(qū)，具有高轉矩 /慣 量比和高可靠性，而且要求電機調(diào)速范圍寬以及良好的轉矩、速 度特性。由于 城市用電動汽車頻繁起停，工作區(qū)域?qū)?，?jīng)常運行于低速高轉矩或高速低轉矩 區(qū)域，要求電動汽車在低轉速時能提供高轉矩，在高速時又能具有寬廣范圍恒 功率運轉的驅(qū)動性能。 電動汽車在運行過程中頻繁起動和加減速操作，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高 的。具體有如下要求 : 、過載能力強 (過載 3 一 4 倍 )、加速 性能好，使用壽命長的特點 。 ，包括恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)。在 恒轉矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉矩，以滿足起動和爬坡的要求 。在恒功率區(qū)，要求低 轉矩時具有高的速度，以滿足汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求 。 ，將能量回收并反饋 回蓄電池，使得電動汽車具有最佳的能量利用率 。 ，具有高的效率，以提高一次充電 的續(xù)駛里程。另外還要求電動汽車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結構簡單適應大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。 交流電機控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和前景 隨著功率電子技術和微處理器技術的發(fā)展，交流驅(qū)動發(fā)展趨勢為數(shù)字化、模塊化、智能化 的方向。在功率電子技術方面，功率開關元件的發(fā)展己進入了第四階段。目前大多采用絕緣柵極晶體管 IGBT、 MOS 控制晶閘管和集成了驅(qū)動、自檢測、自保護功能的功率模塊 PIM。 在微處理器技術方面， DSP 開始在交流驅(qū)動系統(tǒng)中使用。 DSP 芯片品種主要有 TI 公司的 TMS3 加系列、 AD 公司的 ADSP2100 系列、 Motorola 公司的DSP56000 系列和 ATamp。T 公司的 DSP32 系列。其中性能比較突出是 TI 公司的TMS320LF2XXX 系列 DSP。它的高速運算能力可實現(xiàn)高效的控制算法，并且片 內(nèi)集成了用于電機控制的外圍電路 ，為采用新的控制策略提供了有效的硬件環(huán)境。 脈寬調(diào)制技術分類與特點 隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置 (如交流傳動、 UPS、無功補償器 )中的廣泛應用，脈寬調(diào)制技術 (PWM 技術 )作為其共同的核心技術，引起人們的高度關注，并得到越來越深入的研究。 PWM 技術最初是在 1964 年 和 發(fā)表文章把通信系統(tǒng)的調(diào)制技術應用到交流傳動中，從此產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制變頻變壓的思想，為現(xiàn)代交流調(diào)速技術的發(fā)展和實用化開辟了一新的道路。 PWM 技術的發(fā)展過程經(jīng)歷了從最初的追求電壓波形的正弦到 電流波形的正弦，再到異步電機磁通的正弦 。從效率最優(yōu)，轉矩脈動最小，到消除諧波噪聲等。從實際應用來看， SPWM 在各種產(chǎn)品中仍占主導地位，并一直是人們研究的熱點，從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波的比較，產(chǎn)生 PWM信號，以控制功率器件的開關，到八十年代末到九十年代初使用專門的正弦 PWM波產(chǎn)生芯片如 HEF4752 等，再到如今采用高速微處理器 80C196MC，80C196KC， TMS320C240， TMS320LF2407A 等實時在線 PWM 信號輸出，基本實現(xiàn)了全數(shù)字化的方案。從最初的自然采樣正弦脈寬調(diào)制開 始，人們不斷探索改進脈寬調(diào)制方法，對自然采樣的 SPWM 做簡單的近似，得到規(guī)則采樣算法，在此基礎上，又提出了準優(yōu)化 PWM 技術，其實質(zhì)為在一個基波上疊加一個幅值為基波 1/4 的三次諧波，以提高直流電壓利用率。而后出現(xiàn)的空間電壓矢量 PWM技術初始是以保持電機磁鏈幅值不變 (在平面坐標中軌跡為圓形 )為出發(fā)點得到的，后來被推廣成為當前最有效的工程應用方法。其等效的調(diào)制波仍然也含有一定的三次諧波，由于具有控制簡單、數(shù)字化實現(xiàn)極其方便的特點，目前也逐漸有取代傳統(tǒng) SPWM 的趨勢。而最近幾年研究很多的優(yōu)化 PWM 技術具有電流諧波畸 變率最小、效率最優(yōu)、轉矩脈動最小的特點，盡管計算復雜、實時控制較難，但由于與其它 PWM 技術相比，具有電壓利用率最高、開關次數(shù)少、可以實現(xiàn)特定優(yōu)化目標等突出優(yōu)點，隨著微處理器速度的不斷提高，這種 PWM 技術也逐漸走入實用化階段。而另外一種應用較多的 PWM 技術是電流滯環(huán)比較 PWM 以及在它基礎上發(fā)展起來的無差拍控制 PWM 均具有實現(xiàn)簡單的特點，當開關頻率足夠高的時候，可以得到非常接近理想正弦的電流波形。到八十年代中后期，人們出于對 PWM 逆變器產(chǎn)生的電磁噪聲給予的越