【正文】 為一項嶄新的技術，20 世紀 90 年代初以來，混合動力電動汽車的開發(fā)得到了美國、日本和歐洲等許多發(fā)達國家的高度重視，國外知名的汽車公司投入巨資開始進行研制和開發(fā)，發(fā)展相當迅速，而國內目前還處于探索的初級階段。并在 1997 年成功開發(fā)了實用的混合電動汽車 Prius,它是世界上第一種大批量生產的混合動力汽車，它的創(chuàng)新性得到了全世界的高度好評，目前累計銷量已突破了 40 萬輛，在混合動力汽車領域已經走在了世界的最前列，并帶動了汽車行業(yè)綠色環(huán)保技術的發(fā)展。 美國：美國是世界上最早關注并研制電動汽車的國家之一。 歐洲：歐洲一直以來都很重視電動汽車的研究和推廣，取得了很大的成就。德國西門子和博世（Bosch）等著名零部件公司也積極與汽車公司聯手研制混合動力汽車。進入 20 世紀 80 年代，隨著國民經濟突飛猛進的發(fā)展，逐步意識到內燃汽車給人類帶來的環(huán)境污染的嚴重性和能源危機的緊迫性，我國的電動汽車研究便開始起步。但所開發(fā)的混合動力電動汽車形式大部分都是串聯式的，只是兩種動力源簡單的結合，缺乏統一協調，這與真正意義上的混合動力汽車還有很大差距。它除了具有基本功能外，還實現了怠速起停、動力助力、制動能量回收等標志性功能。基于以上分析，混合動力電動汽車的產業(yè)化發(fā)展是必然的趨勢。 混合動力電動汽車用電機驅動系統的發(fā)展現狀 混合動力電動汽車的發(fā)展關鍵技術包括汽車技術、電氣技術、電子技術、信息技術和化學技術等等。但蓄電池技術始終沒有取得突破的進展，因此，在蓄電池取得突破進展之前，電機驅動系統技術的研究就顯得十分重要，開發(fā)性能優(yōu)良的電動機、高效的驅動控制系統和合理的動力總成系統直接影響了汽車的行駛性能、尾氣排放量以及續(xù)駛里程。 直流電動機（DCM）技術成熟、速度控制簡單，但由于其有換向器和電刷，直流電機驅動系統體積大，效率低，可靠性低且需要定期維護，存在著較大的問題，另外隨著電子器件的發(fā)展，交流感應電機和永磁電動機將有取代直流電機的趨勢；感應電機是應用最廣的電動機，結構簡單，牢固，可靠性高，成本和維護費用也不高，其驅動技術最成熟，因此，混合動力驅動電機廣泛采用感應電動機作為驅動電機。著名的豐田 Prius 混聯式混合動力電動汽車采用了額定功率為 33kw 的 PMSM，日本 Nissan 公司的 Altra EV 使用了額定功率為 62kw的 PMSM，混合動力電動汽車 Insight 采用了額定功率為 10kw 的 PMSM 等。 電動汽車用永磁同步電動機屬于調速電機，供電電源是變頻器。電動汽車中電力電子器件主要采用智能功率模塊(IntelligentPower Module—IPM)。1985 年德國魯爾大學教授 Penbrock 和日本教授 分別提出了直接轉矩控制 (DTC)方法，其中 Penbrock 教授提出的 DTC 是基于六邊形磁鏈軌跡的，而 DTC 則是基于圓形磁鏈軌跡的。把直接轉矩控制應用于電動汽車用永磁同步電動機的控制中，一定可以進一步提高電動汽車的動力性能,但是永磁同步電機的直接轉矩技術卻還不是很成熟。由此可見，電機驅動系統是混合動力汽車的關鍵部件，混合動力電動汽車對電機驅動系統要求較高，即它在高速、低速、加速、制動、上下坡等工況下都要能提供安全可靠的所需動力。 4)第四章對基于 DSP 的混合動力汽車電機驅動系統進行了硬件的設計。2 混合動力電動汽車的分類及特點 混合動力電動汽車有關定義 混合動力電動汽車是指汽車驅動系統由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系統聯合組成的汽車[57]。 混合動力電動汽車結構系統由機械子系統、電力電子子系統、以及信息子系統等組成[8]。本文研究的電機驅動控制系統則是混合動力電動汽車的心臟，它的任務是在駕駛員的控制下，高效率地將蓄電池的能量轉化為車輪的動能，或者將車輪的動能反饋到蓄電池中。 混合動力汽車的分類 傳統的混合動力車分為串聯式和并聯式，近年來根據驅動系統各部件在汽車上的位置及功能可以分為以下四種類型:串聯式、并聯式、混聯式和復合式[2,6]。系統中發(fā)動機作為原動機拖動發(fā)電機，發(fā)動機輸出的機械能首先通過發(fā)電機轉化為電能，轉化后的電能一部分用來給蓄電池充電以此來延長混合動力電動汽車的行駛里程，另一部分經由電動機和傳動裝置驅動車輪。圖 串聯式混合動力汽車示意圖串聯式混合動力汽車的主要特點是在純電動模式下，內燃機和發(fā)電機一起工作來產生汽車運行所需要的電能，結構比較簡單，是一種能量源的混合。動力傳遞過程中，由于在能量轉換中存在損失，因此降低了能量的利用率，其綜合效率低于燃油汽車。 并聯混合動力電動汽車 并聯混合動力電動汽車的結構與特點 與串聯式相比，它只需要兩個驅動裝置：發(fā)動機和電動機。由于發(fā)動機與驅動車輪直接連接，所以發(fā)動機的運轉情況受驅動工況的影響，該系統不需要發(fā)電機，因此提高了能量轉化率。 圖 并聯式混合動力汽車示意圖并聯混合型的主要特點是內燃機和電動機通過各自的驅動軸驅動車輪。 并聯式混合動力電動汽車的控制模式 當車輛啟動時，發(fā)動機和電動機一起工作，共同提供車輛所需要的驅動能量；車輛正常行駛時，電動機關閉，僅由發(fā)動機工作提供車輛行駛需要的動力；車輛制動或減速時，電動機工作在發(fā)電機模式，通過功率轉換器給蓄電池充電。 混聯式混合動力電動汽車 混聯式混合動力電動汽車的結構與特點 混聯式混合電動汽車在結構上綜合了串并聯式的特點。圖 混聯式混合動力汽車示意圖混聯式驅動系統充分發(fā)揮了串聯式和并聯式的優(yōu)點,能夠使發(fā)動機、發(fā)電機、電動機等部件進行更好的優(yōu)化匹配, 可以使發(fā)動機經常保持在高效率，低排放的平穩(wěn)工況下工作[9]。由于它有多種驅動模式，對控制系統的功能和精度等要求很高，也增加了制造成本。在市區(qū)運行時發(fā)動機直接帶動電動/發(fā)電機發(fā)電，主要以電力驅動模式來驅動，使得更加接近“電動汽車”的運行狀態(tài)，在郊外或高速公路上行駛時又可以充分發(fā)揮發(fā)動機驅動模式的效能。當汽車在城市里行駛時，要求低排放，此時可以斷開離合器，系統工作在串聯模式；而當高速行駛時，有較高的負載要求，串聯系統由于發(fā)動機的高功率輸出而不能有效工作，于是結合離合器，轉變?yōu)椴⒙撓到y模式。該系統，前軸和后軸之間沒有轉換器或驅動軸相連，這樣可以大大減輕驅動系統的重量，增強車輛裝配的靈活性，而且同時回收 4 個車輪的制動動能，可以大大提高車輛的燃油利用率[2]。從低尾氣排放角度來看，串聯式電動車的性能要優(yōu)于其他的驅動類型；從動力總成和驅動模式來看，串聯結構簡單，并聯結構較復雜，而混聯式結構最復雜，他們都能回收制動能量，混聯式的傳動功率最高。 本章小結 本章主要論述了混合動力電動汽車的四種驅動方式:串聯式、并聯式、混聯式和復合式。在生產自動化控制領域，集中式控制系統得到了廣泛的應用，但是由于各種功能集中在一臺計算機上，因此需要龐大而復雜的軟件系統，使系統的軟件可靠性下降，計算運行速度下降。 相對于集中式控制系統而言，分布式控制系統是一種新型計算機控制系統。隨著現代工業(yè)的發(fā)展，實現分布控制是現代控制技術中的一個重要發(fā)展方向。在這個總成系統中，本文采用的是分布式控制，多能源控制器的主控單元選用的 DSP TMS320LF24O7A，通過 CAN 總線與電機控制器、電池控制器、機械式自動變速器、發(fā)動機控制器、人機界面等系統進行信息通信與控制。在正常行使的情況下，發(fā)動機的能量分為兩路，一路傳遞給車輛傳動與推進系統，驅動車輛正常行駛，另一路則帶動電機工作，向蓄電池供電。 CAN BUS 系統的硬件結構圖目前 CAN 控制器有集成在微處理器內的，也有獨立的。 本文主要介紹電機驅動控制系統的 CAN 總線通信情況[10,11,47]。這是因為 DSPTMS320LF2407 用 供電，而 PCA82C250 用 5V 供電,而 74LVX14 兼容 5V 電平，通過它可順利完成電平轉換，同時對防止來自 CAN 總線的干擾有很好的效果。該芯片的 RS 端連接的電阻是用來控制 82C250 工作的模式（高速模式，斜率控制模式和準備模式）。在該模式下，發(fā)動機是驅動系統的核心，是最主要的動力來源，而電動機則提供輔助轉矩，使發(fā)動機效率最高，污染排放最低。電機我們則主要檢測轉子的位置轉速、電流和電壓等參量。電機驅動控制系統是指電動汽車驅動系統的電氣部分，電機控制器是電機驅動控制系統的核心，控制器設計直接影響電動汽車電機驅動控制系統的性能。簡單的介紹了混聯式的控制策略，為接下來的電機驅動控制系統的設計工作做好了總體方案的設計。其硬件結構框圖如圖 所示。DSP 通過檢測電路實時地獲取驅動電機的轉速、電壓和電流信號，并可以通過顯示部件將采樣到的電機轉速和車速顯示出來。在 IPM 的輸出端 U、V、W 輸出三相相差 1200的 PWM 波來驅動永磁電機[8]，由于 IPM 具有過(欠)壓、過流和過熱探測及保護電路，當發(fā)生以上任何一種故障時，將封鎖內部 6 只 IGBT，同時送出故障信號通過光耦作用輸出給邏輯故障綜合電路，再輸出給 DSP 請求中斷，DSP 將立即停止 PWM 波的輸出。此外本文通過 CAN 總線完成與其他功能模塊的數據通信，通過 DSP 內部的 AD 通道采集電子油門信號，通過 I/O 口來輸入電子檔位等。I/O 引腳多達 41 條。 ●5 個外部中斷（電機驅動保護、復用和兩個可屏蔽中斷）。 ●串行外設模塊（SPI）。 本文采用 TMS320LF2407 芯片作為電機驅動系統的另一個原因主要是由于該芯片有多種類型的通訊接口：串行通信接口 SCI 是一個標準的通用異步串行口（UART），可以和 RS232 格式的設備接口。另外芯片內還有用于外部器件或其他控制器件通信的 CAN 模塊。本文通過 TMS32OLF24O7 內置的 CAN 總線模塊，實現了電機驅動系統和動力總成系統之間的數據通訊：動力總成系統向電驅動系統傳輸常規(guī)狀態(tài)查詢指令和速度指令，電驅動系統向動力總成系統報告常規(guī)狀態(tài)和發(fā)出緊急情況處理請求。 （2）外圍電路的設計—電平轉換電路 隨著便捷式數字電子產品，數字式移動電話等迅速發(fā)展，要求使用體積小、功耗低、耗電小的器件，從而使得集成電路的工作電壓從 5V 降到 甚至更低。本文采用 LM317 為電源轉換芯片，通過選擇合適的電容電阻參數，可將 5V轉換為 。圖 驅動控制系統主電路結構圖Kl 為主電源刀閘，通過汽車鑰匙來控制強電的通斷。電容值越大，直流電壓越平穩(wěn)。 C2 為無感電容。在逆變器的直流母線中串聯熔斷器，使逆變器在發(fā)生短路和過流時及時斷開，減少損失。它將輸出功率器件 IGBT 和驅動電路、多種保護電路集成在同一模塊內，所以在使用時可將 DSP 輸出的 PWM 信號經光耦隔離之后直接輸入給 IPM。下面介紹一下 PWM 輸出及驅動隔離電路，如圖 所示。由于 IPM 是低電平有效，只有當驅動 PWM 信號為低電平，VCC 提供上拉電流時，進入 IPM 的 PWM 信號才有效。 電流檢測與接口電路 在電機直接轉矩控制中，電機磁鏈和轉矩都是由三相相電流、相電壓經過一系列運算后得到的[17]。本系統以 A 相電流的測量為例來介紹電流檢測電路。由于 TMS320LF2407A DSP 集成的 A/D 轉換器只能接受幅值在一定范圍內（0～）變化的電壓信號，因此電流檢測通道的設計應考慮電流/電壓變換、濾除干擾、極性變換和幅值變換等多個因素，然后把得到的電壓信號送入 A/D 轉換器，以便 DSP 采樣處理。該電流測量信號經過濾波后，直接送到 DSP 相應的 AD 采樣通道。 電壓檢測與接口電路永磁同步電動機的直接轉矩控制采用電壓矢量方式控制，任一時刻的逆變器的開關狀態(tài)都是確定的[18]，那么可以先測得直流電壓，再根據開關狀態(tài)進行計算得到αβ 坐標系下的電壓Ua 、Ub 。它的原理是原邊電壓通過原邊電阻轉換為原邊電流，該電流產生的磁通量與霍爾電壓經放大產生的副邊電流通過副邊線圈所產生的磁通量相平衡。如圖正向直流電流INI 從 LV28P 的正端（+）到負端（）方向流動時獲得Iout 正向輸出，經RL 轉換為U0 。由于控制的需要還應該準確的獲得轉速值。 （1） 光電編碼器與 DSP 的接口光電編碼器，是一種主要由光柵盤和光電檢測裝置組成的傳感器。然后根據位置變化的方向用計數器對脈沖進行加/減計數，以此來檢測位置。本系統選用的是增量式光電編碼器，它實際上是由脈沖發(fā)生器及其相應電路組成的測角傳感器。本文采用高速光電耦合器 4N25,來實現對于高頻率脈沖信號的光電隔離，同時由于 4N25輸出為與非門電路,因而還具有對于脈沖信號整形的功能,十分適用于光電編碼器輸出信號隔離電路。要使 QEP 電路正常工作，必須使T2 工作在定向增/減模式。當電機反轉時，脈沖信號 A的相位滯后 B 的相位90176。本文采用的是 M 法測速(又叫定時測角法)，該測速方法即在規(guī)定的時間間隔Ts 內，測量所產生的脈沖數來獲得被測速度值，設脈沖發(fā)生器每轉一圈發(fā)出的脈沖數為 N，且在規(guī)定的時間Ts（S）內，測得的脈沖數為 M，則電機每分鐘轉速為： 圖 DSP 與光電編碼器接口電路圖 光電編碼器脈沖信號時序圖 （3）電機位置測量方法 由上式知電機每分鐘轉速為： 假定電機在。正交編碼脈沖、定時器計數脈沖及計數方向時序邏輯如圖 所示。QEP 電路對輸入的正交編碼脈沖的上升沿和下降沿都進行計數，因此對輸入的正交編碼脈沖進行 4 倍頻后作為 T2 的計數脈沖，并通過 QEP 電路的方向檢測邏輯確定哪個脈沖序列相位超前，然后產生一個方向信號作為 T2 的方向輸入，當電機正轉時，脈沖信號 A 的相位超前脈沖信號 B 的相位90176。通常選擇通用定時器 T2(EVA)對輸入的正交脈沖 A、B 進行解碼和計數，并產生兩個內部信號：QEP_CLK 和 QEP_DIR。旋轉時光電編碼器產生兩路互差90176。光電編碼器可以分為絕對式、增量式及混合式光電編碼器三類，增量式光電編碼器（光電脈沖發(fā)生器為