【正文】 車用的驅(qū)動電機及其控制器，它們用的是永磁無刷直流電機。 值得指出的是，交流感應(yīng)電機它是一個多學(xué)科集于一體的綜合應(yīng)用，如電力電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)等。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。 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(jié)構(gòu)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。電動汽車運行于較寬的負(fù)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(dāng)電壓降至臨界時的實際容量受到極大的限制，上述因素嚴(yán)重影響著電動汽車用電動機系統(tǒng)的整體性能。電動機應(yīng)具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，具有較強的瞬時過載能力轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，在滿足安全性要求的基礎(chǔ)上可控性、穩(wěn)態(tài)精度要求高，能夠適應(yīng)路面變化及頻繁起動和剎車等復(fù)雜運行工況，才能具有良好的起動性能和加速性能。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(shù)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。 感應(yīng)電機（ IM）驅(qū)動系統(tǒng) 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)與電機控制技術(shù)的快速發(fā)展，感應(yīng)電機應(yīng)用越來越廣在市場上所有的中小型電機中約占 75％。 Volkswagen 公司的 GolflV 采用額定功率為 的 IM 等。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(yīng)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(yīng)用，日本新研制的電動汽車大都采用 PMSM 驅(qū)動。且轉(zhuǎn)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(yīng)用還受到一定限制。 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。 表 1各種驅(qū)動電機性能比較 感應(yīng)電動機 永磁無刷電動機 直流電動機 開關(guān)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(shè)計電動汽車用的交流感應(yīng)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。針對不同的 電路接到相對應(yīng)的 DSP 功能模塊引腳上，具體的接法，本文也有談到。由于信息技術(shù)和控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電動汽車的安全性和可靠性大幅提高。不 但要適應(yīng)雪天、雨天、盛夏、嚴(yán)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?cè)藛T的安全及舒適。為達到對電動汽車?yán)m(xù)航能力及在復(fù)雜工況下安全 運行的要求，電動汽車驅(qū)動電機的設(shè)計上交流化、專用化已成為趨勢。 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。在恒功率區(qū)，要求低 轉(zhuǎn)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 。 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(shù)和微處理器技術(shù)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。 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。 脈寬調(diào)制技術(shù)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(yīng)用，脈寬調(diào)制技術(shù) (PWM 技術(shù) )作為其共同的核心技術(shù)，引起人們的高度關(guān)注，并得到越來越深入的研究。從實際應(yīng)用來看， SPWM 在各種產(chǎn)品中仍占主導(dǎo)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(guān)，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。而最近幾年研究很多的優(yōu)化 PWM 技術(shù)具有電流諧波畸 變率最小、效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動最小的特點，盡管計算復(fù)雜、實時控制較難，但由于與其它 PWM 技術(shù)相比，具有電壓利用率最高、開關(guān)次數(shù)少、可以實現(xiàn)特定優(yōu)化目標(biāo)等突出優(yōu)點，隨著微處理器速度的不斷提高，這種 PWM 技術(shù)也逐漸走入實用化階段。 不同交流調(diào)速控制策略比較 感應(yīng)電機是較早用于電動汽車驅(qū)動的一種電機。因此不適合頻繁起動、加減速的電動汽車。直接轉(zhuǎn)矩控制克服了矢量控制中解耦 的思想，把轉(zhuǎn)子磁通定向變換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對于轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而達到控制轉(zhuǎn)矩的目的。 與矢量控制方式比較，直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓空間矢量和六邊形磁鏈空間矢量概念，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。它們基于不同的控制思路，有著各自的優(yōu)缺點，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。這種控制方法不適合高性能的電機控制系統(tǒng)。然而低速時，由于定子電阻壓降占端電壓的大部分，致使反電動勢測量誤差較大，導(dǎo)致定子磁通觀測不準(zhǔn)，影響系統(tǒng)性能。所以本設(shè)計 采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制。這些先進器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的損耗，提高 了系統(tǒng)的響 應(yīng)速度，降低了運行噪聲。 3．高度集成化 新的交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服 系統(tǒng)化分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成多功能的控制單元。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，它們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運行參數(shù)都可以通過人機對話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運行途中由上位計算機加以修改，應(yīng)用起來十分方便；其次，它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點之一。也可以通過串行接口，與可編程控制器 (PLC)的數(shù)控模塊相連 MJ。 tttt0t1t2t3t0t1t2t3UiU iiCUC EUG E觸 發(fā) 脈 沖 圖 IGBT 開通與關(guān)斷時動態(tài)波形圖 開通過程 IGBT導(dǎo)通需要在柵極加適當(dāng)?shù)尿?qū)動電壓，如上圖所示在 t0時刻觸發(fā)脈沖 Ui由柵極電阻提供導(dǎo)通需要的驅(qū)動電壓 UGE，收內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響， UGE并不能馬上達到導(dǎo)通最大值，而是當(dāng) t1時刻達到柵極閾值電壓。 通過上述分析可以看出， IGBT的 LE、 CGC和驅(qū)動電路電阻都將影響 IGBT的開通速度，為此應(yīng)盡量選擇 LE、 CGC小的 IGBT，同時也應(yīng)采用內(nèi)阻小的驅(qū)動電路。而在 t2′時刻 UGE達到動態(tài)峰值時， iC按一定斜率下降至 0，同時 CGE+CGC的放電 作用消失， UGC自 t2′下降至 t3′時為 0值； UGE進入穩(wěn)定狀態(tài)，至此關(guān)斷過程結(jié)束。汽車對功率模塊的需求可大致劃分為兩大類。因此，如果能擴大模塊運行的溫度范圍 (40oC 至 125oC)，就會減輕設(shè)計者為模塊提供單獨制冷回路的負(fù)擔(dān)。汽車生產(chǎn)廠家需要 IGBT 模塊在 HEV 全壽命周期中 無需更換，對 IGBT 的耐久性提出了更高要求，通常功率模塊的非工作狀態(tài)壽命為 15 年；工作壽命為 10,000hrs 或者 150,000 miles。如何選擇合適的器件以適應(yīng)不同的電氣驅(qū)動系統(tǒng)，從而使功率變換 器獲得盡可能高的效率，這是一個值得研究的問題。 下圖 表述了制約 IGBT 功率模塊參數(shù)的主要條件。 對于此 Y 接法的電機，線、相之間電壓電流有如下關(guān)系： 線電流 = 相電流； 線電壓 =√3相電壓； 其中，相電壓為電機繞組電壓，線電壓為導(dǎo)線電壓。以下的數(shù)據(jù)都是由此數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)之上得出的。由于電流大，電流會使繞組迅速升溫。 安全工作區(qū)的確定是根據(jù)最大集電極電流如 ICM，最大集射極電壓 UCEM和最大集電極功耗 PCM，來確定 IGBT 在導(dǎo)通工作狀態(tài)下的參數(shù)極限范圍的。 I MVD C/ 2C1C2VD C VD C/ 20T1D1T3D3T5D5T4D4T6D6T2D2abc圖 電機驅(qū)動接線 圖 Ua, iaUaiat圖 正弦波脈寬調(diào)制 ttttttUgV T 1UgV T 2UgV T 1 T dUgV T 2 T dUaΔ u 圖 加入死區(qū)時間的 PWM 時序圖 UgVT1， UgVT2 未加死區(qū)時間上下開關(guān)管的觸發(fā)電壓； UgVT1Td， UgVT2Td 加入死區(qū)時間上下開關(guān)管的觸發(fā)電壓； Ua實際輸出電壓； △ u誤差電壓。 死區(qū)效應(yīng)存在最根本的原因在于死區(qū)時間的存在拉伸（或縮短）了當(dāng)前 導(dǎo)通矢量的作用時間。C)S I N G L E C E L LV O L T A G EB A T T E R YT E M P E R A T U R EC U R R E N TC H A R G E2 A1 AT O P O F F圖 充電電流、電池溫度和電池電壓的典型快速充電模式 在電動汽車上，一個關(guān)鍵的參數(shù)是電池的荷電狀態(tài) SOC (State of Charge)，它表明了還有多少電能儲存在電動汽車中。它是因帶電動機感性負(fù)載 L 及電路中漏電感 Lp，將在 IGBT 的 c、 e 兩端產(chǎn)生很高的浪涌尖峰電壓。 VCESP超過 RBSOA 或 VCES時即導(dǎo)致破壞。如果超過 IGBT 的 RBSOA 區(qū)域，就會使 IGBT 損壞。因此我們在選擇功率模塊的時候需考慮這方面的因素。 IGBT 工作導(dǎo)通時間過長，會因溫度過熱帶來結(jié)溫效應(yīng)。通常隨著器件殼體溫度上升，器件標(biāo)稱電流就會下降。以上幾方面均會導(dǎo)致 IGBT 結(jié)溫超過器件最大允許 Cj， (150℃ )值。強電部分為弱電控制板提供電源，同時由矢量控制算法產(chǎn)生 PWM 信號傳送到 IPM 功率模塊觸發(fā)端。當(dāng)電動汽車上電 機 起動以后， DSP 通過檢測電路實時獲取驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速、電壓和電流信號，并通過八段式數(shù)碼管顯示采樣出的電機速度。開關(guān)電源為整個控制系統(tǒng)提供電源。 TMS320LF2407A 是 TI 公司推出的一種適合于工業(yè)控制，尤其適合于電動機控制的定點 DSP 芯片。 DSP 的特點和資源 DSP 芯片及數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。 (3)片內(nèi)具有快速 RAM，通?？梢酝ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊芯片中同時訪問。 (7)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 (2)基于 TMS320C320 的內(nèi)核，保證了 TMS320LF24O7A 系列 DSP 代碼和TMS320F24X 系列 DSP 代碼兼容。ZK 的單口 RAM(SARAM)。 (6)看門狗 (WD)定時器模塊。 (10)16 位串行外部 設(shè)備接口 (SPI)。 LF240A7 上有 4 個通用定時器，每個通用定時器可通過定時器控制寄存器配置，有下溢、上溢、周期、比較四種中斷資源?？身憫?yīng)功率驅(qū)動保護中斷。兩個捕獲輸入端 CAP1/2 可用于正交編碼器脈沖的 QEP 電路接口。模數(shù)轉(zhuǎn)換可由多個觸發(fā)源啟動，基準(zhǔn)電壓 (+)由外部提供。 控制電路設(shè)計 檔位、油門給定輸入電路 在普通汽車駕駛中，駕駛員通過控制檔位來實現(xiàn)汽車的前進、倒退、空轉(zhuǎn)和停車等動作。 如圖 所示， SW1 模擬低速檔位， SW2 模擬中速檔位， SW3 模擬高速檔位 SW4 模擬反轉(zhuǎn)檔位， SW5 模擬空轉(zhuǎn)檔位， SW6 模擬停車檔位，而且六個FO 口通過或門后送至 LF2407A 的外部中斷引腳 XINTI。此時 OUT 引腳連接的外部中斷引腳 XINTI 捕獲上升沿脈沖進入外部中斷，在中斷程序中通過查詢 SW1～ SW6 等 I/O 口的狀態(tài)，確定輸入的檔位， 從而進行相應(yīng)的操作。 圖 模擬汽車檔位輸入的電路圖 圖 油門、剎車信號給定的電路原理圖 檢測電路 檢測電路的目的就是為了將要檢測的各種信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成 DSP可以識別的數(shù)字信號。 給 定 值++速 度 調(diào) 節(jié)器電 流 調(diào) 節(jié) 器 P W M 控 制隔 離 驅(qū) 動 電 路C A P 模 塊A / D 轉(zhuǎn) 換采 樣 周 期 5 0 μ s電 流 采 樣逆 變 器編 碼 器可 逆 計 數(shù)MXX 檢測電路 對轉(zhuǎn)速的控制實質(zhì)上是對電機輸出轉(zhuǎn)矩的控制，更進一步說，是對定子電流的控