【正文】 其中一種）廣泛用于速度閉環(huán)控制和位置增量控制系統(tǒng)中。正是由于光電碼盤和電動機同軸，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動時，碼盤會隨電機同軸轉(zhuǎn)動，才使得編碼器的轉(zhuǎn)速與電機的轉(zhuǎn)速相同，進而達(dá)到對編碼器轉(zhuǎn)速的測量即是對電機轉(zhuǎn)速測量的目的。與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，光電編碼器的信號處理較簡單、噪聲容限大、易于實現(xiàn)高分辨率。由于永磁同步電動機定子磁場是在這個初始值的基礎(chǔ)上對定子電壓進行積分的結(jié)果，所以準(zhǔn)確的測出這個初始值的幅值和位置對永磁同步電動機直接轉(zhuǎn)矩控制性能的影響至關(guān)重要。其優(yōu)點在于：出色的精度，良好的線性度，低溫漂，最佳的反應(yīng)時間，寬頻帶，無插入損壞，抗干擾能力強。所以在直接轉(zhuǎn)矩中可以通過采樣直流母線電壓計算得到電機的端電壓。電流反饋通道低通濾波器的截止頻率設(shè)計為 10k Hz，直流增益為1。電阻 RRRCC2 和運算放大器MCP604 一起構(gòu)成了一個 Bessel 有源低通濾波器。圖 本系統(tǒng)電流傳感器采用的是 LEM 公司生產(chǎn)的電流傳感器 LA108P（供電電壓為177。而相電流的檢測，可以通過電流傳感器對其中的兩相進行檢測，因為三相電流的和為零，只要知道兩相就可以通過計算得到另一相。為實現(xiàn)系統(tǒng)的需要本文設(shè)計了電流檢測、電壓檢測和位置速度檢測電路。該款光耦是安捷倫公司專為 IPM 等功率器件設(shè)計的高速光電隔離接口芯片。當(dāng)其中任一個發(fā)生故障時，IPM 中 6 個 IGBT 會馬上切斷，同時 IPM 會輸出一個對應(yīng)的故障信號給 DSP，并通過一個故障保護綜合電路將 4 路信號綜合輸出給 DSP 的 PDPINTA腳，以便故障時及時封鎖 DSP 的 PWM 信號[16]。因直接并聯(lián)在 IGBT 的 C、E 兩端，IGBT 關(guān)斷時吸收電容上的電壓從零開始上升，因而有較好的過電壓吸收效果。 F 為熔斷器。當(dāng)主回路上電之前，先把開關(guān) K2打開，逆變橋所有橋臂全部封鎖，然后主回路合閘給濾波電容充電。因此，需要在蓄電池和濾波電容之間串入一個限流電阻。其中混合動力電動汽車采用的是永磁同步電機作為驅(qū)動電機，電源采用鋰電池組，總電壓 280V，逆變器采用智能功率模塊(IPM 模塊)。 TMS32OLF24Ox A 等新一代 DSP 芯片采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 ，減小了控制器的功耗。具體說來，一個高性能的 DSP 控制器的性能主要有:，進而減少振動并延長系統(tǒng)壽命；，從而無需使用速度與位置傳感器； PWM 輸出；。數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 1Mbit/s,數(shù)據(jù)傳輸距離可達(dá) 10km，有效地支持分布式控制和實時控制的串行通信系統(tǒng)。它支持半雙工和全雙工操作，發(fā)送器和接收器的操作可以通過中斷或轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志來完成。 ●局域網(wǎng)控制器模塊（CAN）。每個事件管理器模塊包括通用定時器（GP）、比較單元、捕獲單元、正交編碼（QEP）單元以及 8 個 16 位脈寬調(diào)制（PWM）通道等。 ●包括兩個配置寄存器：系統(tǒng)控制與狀態(tài)寄存器 SCSR1 和 SCSR2；兩個狀態(tài)寄存器：狀態(tài)寄存器 ST0 和 ST1。 主控制器 DSP TMS320LF2407A 簡述及外圍電路設(shè)計 （1）DSP TMS320LF2407A 簡述 本系統(tǒng)選用的 DSP 芯片是 TI 公司的 TMS320LF2407A，TI 公司已成為世界上最大的 DSP 芯片供應(yīng)商，常用的 DSP 芯片分為三大系列： ● TMS320C2000 系列：包括 TMS320C2XX/C24X/C28X 等； ● TMS320C5000 系列：包括 TMS320C54X/C55X/OMAP 等； ● TMS320C6000 系列：包括 TMS320C62X/C67X/C64X 等 本系統(tǒng)采用的 TMS320LF2407A 是 TMS320C2000 系列 TMS320C24X 系列中的功能較強，低功耗的，供電電壓為 ,最高運算速度為 40MIPS 的 DSP 芯片[12]。電機的轉(zhuǎn)速和位置信號的采集由光電編碼器來完成，經(jīng)電平轉(zhuǎn)換后送入 DSP 的 QEP 正交編碼電路。 本系統(tǒng)的直流電源由蓄電池提供，功率模塊采用的是三菱公司的IPMPM75CLA060。能源由蓄電池提供，經(jīng)過逆變器把直流電逆變成交流電給永磁電機供電，逆變器的主電路主要由中間濾波電路和逆變電路組成。永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件電路介紹是本系統(tǒng)研究的重點之一，硬件研究要求整個硬件電路安全可靠、功能強大、靈活方便，有利于調(diào)試和監(jiān)控?；旌蟿恿﹄妱悠噷︱?qū)動控制系統(tǒng)的要求有其特殊性：要有優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，以滿足混合動力電動汽車快速啟動、加速、爬坡、頻繁啟/停的要求,通常電機的過載系數(shù)應(yīng)達(dá) 34；再生制動時的能量回收率高；具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,在不同的工作條件下能可靠地工作；快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性,在各種車速范圍內(nèi)能快速而柔和地控制驅(qū)動和制動轉(zhuǎn)矩。圖 混聯(lián)式驅(qū)動總體控制方案本文著重介紹電機驅(qū)動控制系統(tǒng)這部分。只有當(dāng)發(fā)動機工作在一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，才能使汽車的工作效率達(dá)到最佳。 混聯(lián)式電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)控制策略 本文研究的是混聯(lián)式混合動力汽車驅(qū)動控制，有兩種動力裝置：發(fā)動機和電機。82C250 是 CAN 控制器和物理總線的接口，此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對 CAN 控制器提供差動接收能力，符合“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)。電機驅(qū)動系統(tǒng) DSP 芯片與 CAN BUS 的接口如圖 。圖中，由于 DSP 芯片內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)嵌了 CAN 總線模塊，所以 DSP 在與 CAN總線相連時就無需再使用 CAN 控制器，可直接與總線相連。由于本系統(tǒng)采用的是分布式控制方式，即使當(dāng) CAN 總線發(fā)生故障，每個控制器模塊也能單獨完成自身的操作任務(wù)，不會造成整個系統(tǒng)癱瘓的嚴(yán)重后果。其分布式控制方案如圖 所示。 該系統(tǒng)主要包括動力總成控制單元、發(fā)動機電控單元、電機控制器、AMT 控制器及動力電池管理系統(tǒng)[10]。其基本思想是分散控制、分級管理、集中操作、組態(tài)方便。在這種情況下，分布式控制系統(tǒng)以高可靠性、高靈活性和操控簡便得到廣大工業(yè)用戶的青睞，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、造紙和石油等工業(yè)領(lǐng)域。3 基于 CAN 總線的混合動力電動汽車多能源動力總成控制系統(tǒng) 引言 對于混合動力電動汽車來說，多能源動力總成系統(tǒng)設(shè)計是關(guān)系車輛性能的重要因素，為了節(jié)約能源，還需要設(shè)計合理的控制策略來保證電源的最佳利用率。因此混聯(lián)方式是相對完善的混合動力驅(qū)動方式，能夠有效地彌補串聯(lián)式和并聯(lián)式的不足，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。 混合動力電動汽車各驅(qū)動類型的比較 各類驅(qū)動類型都有其各自的特點，串聯(lián)式混合動力電動汽車完全依靠電動機提供動力，發(fā)動機、發(fā)電機和電動機的功率都很大；而且它對電池的要求較高，電池的重量、體積、成本相對較高，價格性能比較低。雙向流動有更多的控制模式，現(xiàn)在有些新型的電動汽車采用這種復(fù)合式系統(tǒng)。通常用行星齒輪機構(gòu)將一部分功率用于驅(qū)動車輛，一部分用來驅(qū)動發(fā)電機；車輛減速或制動時，電動機工作在發(fā)電機模式并通過功率轉(zhuǎn)換器給蓄電池充電；停車時，發(fā)動機也可以通過發(fā)電機給蓄電池充電，豐田的 Prius 混合動力電動汽車就采用了這種控制方式。 混聯(lián)式混合動力電動汽車的控制模式 混聯(lián)兼有串并聯(lián)的特點，因此它有很多控制模式。從而保證了在更復(fù)雜的工況下同樣使系統(tǒng)工作在最優(yōu)狀態(tài)下,更容易實現(xiàn)排放和油耗的控制目標(biāo),因此是最具影響力的。發(fā)電機發(fā)出的電能傳送給電動機或蓄電池,電動機產(chǎn)生的驅(qū)動力通過傳動裝置傳送給驅(qū)動橋來驅(qū)動車輪。目前，本田的 Insight 混合電動汽車采用的就是類似的驅(qū)動控制方式。兩套動力裝置要根據(jù)汽車狀態(tài)進行切換。當(dāng)發(fā)動機提供的功率大于電動車所需的功率或再生制動時，電動機工作在發(fā)電機狀態(tài)，將多余的能量傳送給蓄電池進行續(xù)駛里程充電。并聯(lián)式混合動力電動汽車采用發(fā)動機和電動機兩套獨立的驅(qū)動系統(tǒng)分別通過不同的離合器來驅(qū)動車輪。車輛啟動、正常行駛或加速行駛時，發(fā)動機與發(fā)電機直接相連和蓄電池一起產(chǎn)生電能傳遞給功率轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動電動機，然后通過機械傳動裝置來驅(qū)動車輪；當(dāng)車輛輕載時，發(fā)動機發(fā)出的功率大于車輛所需要的功率，剩余的能量則通過發(fā)電機輸送給蓄電池進行充電；當(dāng)車輛制動或減速時，電動機把驅(qū)動輪的動能轉(zhuǎn)化為電能，通過功率轉(zhuǎn)換器傳給蓄電池進行充電；當(dāng)車輛停車時，發(fā)動機也可以通過發(fā)電機和功率變換器給蓄電池充電。但是發(fā)動機的輸出需全部轉(zhuǎn)化為電能再變?yōu)轵?qū)動汽車的機械能,由于機電能量轉(zhuǎn)換和電池充放電的效率較低,使得燃油能量的利用率比較低。和燃油車相比較，它是一種發(fā)動機輔助性的電動汽車，主要是為了增加車輛的行駛里程。 串聯(lián)混合動力電動汽車 串聯(lián)混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)與特點 串聯(lián)式混合動力電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)是混合動力電動汽車最簡單的一種，主要由發(fā)動機、發(fā)電機、功率轉(zhuǎn)換器、蓄電池、電動機和傳動裝置等組成。電機驅(qū)動控制器是電機驅(qū)動控制的核心，主要功能是采集與電機運行相關(guān)的輸入信號，采用合理的算法來處理這些信號，各種對電機操作的指令都是通過電機控制器來實現(xiàn)的。其整體結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。一般認(rèn)為混合動力電動汽車就是采用燃油發(fā)動機的動力進行發(fā)電并驅(qū)動電動機的電動車。 6)第六章主要是在第五章的基礎(chǔ)上介紹了一種動態(tài)性能更好的經(jīng)過蟻群優(yōu)化的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，并對其仿真，與原始的直接轉(zhuǎn)矩控制進行了仿真對比分析。2)第二章論述了混合動力電動汽車的分類及各類型的結(jié)構(gòu)特點，并將各類型進行比較分析，本文最終選擇混聯(lián)式驅(qū)動。在串聯(lián) HEV 中，驅(qū)動車輪的全部扭矩都由電動機提供，發(fā)動機則帶動發(fā)電機產(chǎn)生電能，用于車用蓄電池充電。采用定子磁場定向的方法，借助離散的兩點式調(diào)節(jié) (Band—Band 控制)產(chǎn)生 PWM 信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，來獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(tài)性能，動態(tài)性能更好，是一種具有高靜動態(tài)性能的交流調(diào)速方法。1971 和美國學(xué)者 等人提出交流電機磁場定向控制理論和定子電壓坐標(biāo)變換原理，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的矢量控制是交流調(diào)速史上的一次質(zhì)的飛躍。日本豐田公司的 Prius 混合動力車中的兩臺永磁同步電機轉(zhuǎn)子采用內(nèi)置徑向式結(jié)構(gòu)。因此，研究基于永磁電機的混合動力電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，將在保證汽車行駛里程的前提下，緩解傳統(tǒng)汽車排放對環(huán)境的危害以及對石油資源的過度消耗，這一研究將有深遠(yuǎn)的意義。但由于其運行時噪聲大，轉(zhuǎn)矩紋波大，難于控制等缺點，特別是功率變換器的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，電流波動和電磁干擾噪聲等嚴(yán)重的影響了它的運用性能，加上其控制方法還不夠成熟，因此目前的電動汽車很少應(yīng)用該類電機；無刷直流電動機 (BDCM)具有功率密度大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩密度高，易冷卻的優(yōu)點，但由于無刷直流電動機采用方波驅(qū)動，所以存在一定程度的振動，其控制精度不高；永磁同步電機(PMSM)結(jié)構(gòu)上與無刷直流電動機基本相似，不同之處在于 PMSM 采用的是正弦波驅(qū)動，所以在具備 BDCM 優(yōu)點的同時，還具有低噪聲，體積小，功率密度大，轉(zhuǎn)動慣量小，脈動轉(zhuǎn)矩小，高控制精度等獨有的特點，特別適用于混合動力電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)，以此達(dá)到減小系統(tǒng)體積，改善汽車加速性能和加強行駛平穩(wěn)等目的。 國內(nèi)外電動汽車電機的使用情況：第一汽車集團公司的混合動力轎車—CA7180AE 采用的是直流電機；三菱的串聯(lián) Canter 混合動力車采用的是交流感應(yīng)電機；豐田的 Coaster 混合動力車采用的也是交流感應(yīng)電機，但豐田 Prius 采用的則是永磁同步交流電動機；東風(fēng)電動車輛股份有限公司的混合動力客車—EQ6110HEV采用的是開關(guān)磁阻電機；戴姆勒—克萊斯勒的 ESX3 采用的是直流永磁無刷電機。電機驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動電動機和驅(qū)動控制系統(tǒng)，能量存儲系統(tǒng)包括蓄電池和能量智能管理系統(tǒng)，動力總成系統(tǒng)包括動力源之間的工作協(xié)調(diào)和能量流的管理。純電動汽車適合于特定的市場如交通、電價便宜和零排放管制的城市；而混合電動汽車適合于長途運輸。 混合動力電動汽車的發(fā)展趨勢 雖然在未來的20年中燃料電池車的商業(yè)化速度也會加快，因為只有燃料電池車在續(xù)駛里程和性能方面能與燃油車進行媲美。長安汽車公司采用的同軸 ISG 輕度混合方案，在國內(nèi)率先開展了混合動力專用發(fā)動機開發(fā)，并成功開發(fā)了第二輪功能樣車和第三輪性能樣車。天津清源電動車輛有限公司等單位研發(fā)的純電動轎車，其整車指標(biāo)已超過法國雪鐵龍公司贈送的純電動轎車，初步形成了關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)能力。我國也是研制電動汽車技術(shù)較早的國家之一。德國寶馬公司于 1989年推出 E30E，1991 年研制出第二代電動汽車E36E，奔馳公司1997年 9 月，在法蘭克福汽車展覽會上推 出一款燃料電池電動汽車。迄今為止已經(jīng)研發(fā)出多款混合動力電動汽車，如克菜斯勒的 ESX福特的 Prodigy 2000、Escape 通用的Precept 和 Ben Z 等。除了豐田以外，日本的本田、日產(chǎn)等汽車公司也不甘落后，分別研制了屬于自己的混合動力汽車，并取得了驕人的成績。目前，世界上能夠批量產(chǎn)銷混合動力汽車的企業(yè)，只有日本的豐田和本田兩家汽車公司[2]。到 70 年代后期由于能源危機和石油短缺問題不是很嚴(yán)重，電動汽車的發(fā)展緩慢。據(jù)統(tǒng)計，到 1890 年在全世界 4200 輛汽車中，有 38%為電動汽車，40%為蒸汽車，22%為內(nèi)燃機汽車。日本豐田汽車公司宣稱到 2010 年，混合動力汽車的生產(chǎn)量達(dá)到 150 萬輛?；旌蟿恿﹄妱悠囀菍⑿吕霞夹g(shù)結(jié)合的最佳產(chǎn)物，它既具有純電動汽車的高效率和低排放的性能，還具有傳統(tǒng)汽車行駛里程長和快速補充燃料的性能。鑒于電動汽車的關(guān)鍵問題是一次充電續(xù)駛里程有限，在蓄電池技術(shù)未能突破之前，發(fā)展混合動力電動汽車，研究高效節(jié)能的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是實現(xiàn)電動汽車基本性能和解決這一關(guān)鍵問題的重要因素。但是，由于純電動汽車對電池的要求很高，而目前蓄電池的發(fā)展技術(shù)受限，不能滿足遠(yuǎn)距離行駛的需要，這些都限制了純電動汽車的發(fā)展。人們不得不考慮未來汽車的動力問題，因此我們開發(fā)清潔、低油耗、高效智能的環(huán)保型汽車已成為必要的選擇之一，電動汽車被認(rèn)為是符合零排放標(biāo)準(zhǔn)的唯一可用技術(shù)，所以電動汽車迅速發(fā)展起來。 然而，汽車在推動世界經(jīng)濟發(fā)展、給人民生活帶來便利的同時，也帶來一系列的負(fù)面效應(yīng)。 關(guān)鍵詞：混合動力電動汽車；永磁同步電機；直接轉(zhuǎn)矩；模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；蟻群算法目 錄 摘要Abstract