【正文】 車用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器，它們用的是永磁無(wú)刷直流電機(jī)。 值得指出的是，交流感應(yīng)電機(jī)它是一個(gè)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(lái)提高控制系統(tǒng)的實(shí)用性和 可靠性。 可見(jiàn)，各種電機(jī)要想在未來(lái)的電動(dòng)車中占有一席之地，除了要對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外，還需要使電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)趨于智能化和全數(shù)字化。電動(dòng)汽車運(yùn)行于較寬的負(fù)載和速度范圍及不同的路況下，其驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工況非常惡劣，更重要的是由于混合動(dòng)力電動(dòng)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(shí)的實(shí)際容量受到極大的限制，上述因素嚴(yán)重影響著電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的整體性能。電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，具有較強(qiáng)的瞬時(shí)過(guò)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(dòng)和剎車等復(fù)雜運(yùn)行工況，才能具有良好的起動(dòng)性能和加速性能。直流有刷電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是機(jī)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(shí)現(xiàn)易于平滑調(diào)速控制簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟成本低具有交流電動(dòng)機(jī)所不可比擬的優(yōu)良控制特性。 感應(yīng)電機(jī)（ IM）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣在市場(chǎng)上所有的中小型電機(jī)中約占 75％。 Volkswagen 公司的 GolflV 采用額定功率為 的 IM 等。在電動(dòng)汽車特別是高檔電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值，受到國(guó)內(nèi)外電動(dòng)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(dòng)汽車大都采用 PMSM 驅(qū)動(dòng)。且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大運(yùn)行噪聲大，必須使用位置傳感器、按照定子的凸極數(shù)來(lái)確定逆變器和電機(jī)的引出線等，所以應(yīng)用還受到一定限制。 就交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較而言，交流電動(dòng)機(jī)本身比直流電動(dòng)機(jī)成本低，而逆變器比直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)成本高。 表 1各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能比較 感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī) 直流電動(dòng)機(jī) 開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī) 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?jī)?nèi)容 本文 主要是設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車用的交流感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)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(duì)不同的 電路接到相對(duì)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(dòng)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(yàn)，保證駕駛?cè)藛T的安全及舒適。為達(dá)到對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力及在復(fù)雜工況下安全 運(yùn)行的要求，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)上交流化、專用化已成為趨勢(shì)。 電動(dòng)汽車在運(yùn)行過(guò)程中頻繁起動(dòng)和加減速操作，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是很高 的。在恒功率區(qū)，要求低 轉(zhuǎn)矩時(shí)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(jī)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(dòng)發(fā)展趨勢(shì)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(diǎn) 隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置 (如交流傳動(dòng)、 UPS、無(wú)功補(bǔ)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(lái)越深入的研究。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)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(diǎn)，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(hào)，以控制功率器件的開(kāi)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(shí)時(shí)在線 PWM 信號(hào)輸出，基本實(shí)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(dòng)最小的特點(diǎn)，盡管計(jì)算復(fù)雜、實(shí)時(shí)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(kāi)關(guān)次數(shù)少、可以實(shí)現(xiàn)特定優(yōu)化目標(biāo)等突出優(yōu)點(diǎn)，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(shí)用化階段。 不同交流調(diào)速控制策略比較 感應(yīng)電機(jī)是較早用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)的一種電機(jī)。因此不適合頻繁起動(dòng)、加減速的電動(dòng)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(guò)控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對(duì)于轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而達(dá)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(chǎng)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(cè)出來(lái)，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(wèn)題。它們基于不同的控制思路，有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，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(jī)控制系統(tǒng)。然而低速時(shí)，由于定子電阻壓降占端電壓的大部分，致使反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量誤差較大，導(dǎo)致定子磁通觀測(cè)不準(zhǔn)，影響系統(tǒng)性能。所以本設(shè)計(jì) 采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制。這些先進(jìn)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(yùn)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(gè)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(jì)為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，它們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可以通過(guò)人機(jī)對(duì)話的方式由軟件來(lái)設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過(guò)通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計(jì)算機(jī)加以修改，應(yīng)用起來(lái)十分方便；其次，它們都具有故障自診斷與分析功能，無(wú)論什么時(shí)候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會(huì)將故障的類型以及可能引起故障的原因通過(guò)用戶界面清楚地顯示出來(lái)，這就簡(jiǎn)化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性。對(duì)于使用伺服單元的用戶來(lái)說(shuō)，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點(diǎn)之一。也可以通過(guò)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(kāi)通與關(guān)斷時(shí)動(dòng)態(tài)波形圖 開(kāi)通過(guò)程 IGBT導(dǎo)通需要在柵極加適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)電壓，如上圖所示在 t0時(shí)刻觸發(fā)脈沖 Ui由柵極電阻提供導(dǎo)通需要的驅(qū)動(dòng)電壓 UGE，收內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響， UGE并不能馬上達(dá)到導(dǎo)通最大值，而是當(dāng) t1時(shí)刻達(dá)到柵極閾值電壓。 通過(guò)上述分析可以看出， IGBT的 LE、 CGC和驅(qū)動(dòng)電路電阻都將影響 IGBT的開(kāi)通速度，為此應(yīng)盡量選擇 LE、 CGC小的 IGBT，同時(shí)也應(yīng)采用內(nèi)阻小的驅(qū)動(dòng)電路。而在 t2′時(shí)刻 UGE達(dá)到動(dòng)態(tài)峰值時(shí)， iC按一定斜率下降至 0，同時(shí) CGE+CGC的放電 作用消失， UGC自 t2′下降至 t3′時(shí)為 0值； UGE進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，至此關(guān)斷過(guò)程結(jié)束。汽車對(duì)功率模塊的需求可大致劃分為兩大類。因此，如果能擴(kuò)大模塊運(yùn)行的溫度范圍 (40oC 至 125oC)，就會(huì)減輕設(shè)計(jì)者為模塊提供單獨(dú)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(wú)需更換，對(duì) 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(dòng)系統(tǒng)，從而使功率變換 器獲得盡可能高的效率，這是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。 下圖 表述了制約 IGBT 功率模塊參數(shù)的主要條件。 對(duì)于此 Y 接法的電機(jī)，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(jī)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(huì)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(lái)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)間的 PWM 時(shí)序圖 UgVT1， UgVT2 未加死區(qū)時(shí)間上下開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)電壓； UgVT1Td， UgVT2Td 加入死區(qū)時(shí)間上下開(kāi)關(guān)管的觸發(fā)電壓； Ua實(shí)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(shí)間的存在拉伸（或縮短）了當(dāng)前 導(dǎo)通矢量的作用時(shí)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(dòng)汽車上，一個(gè)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(chǔ)存在電動(dòng)汽車中。它是因帶電動(dòng)機(jī)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(guò) RBSOA 或 VCES時(shí)即導(dǎo)致破壞。如果超過(guò) IGBT 的 RBSOA 區(qū)域，就會(huì)使 IGBT 損壞。因此我們?cè)谶x擇功率模塊的時(shí)候需考慮這方面的因素。 IGBT 工作導(dǎo)通時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)因溫度過(guò)熱帶來(lái)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(huì)下降。以上幾方面均會(huì)導(dǎo)致 IGBT 結(jié)溫超過(guò)器件最大允許 Cj， (150℃ )值。強(qiáng)電部分為弱電控制板提供電源，同時(shí)由矢量控制算法產(chǎn)生 PWM 信號(hào)傳送到 IPM 功率模塊觸發(fā)端。當(dāng)電動(dòng)汽車上電 機(jī) 起動(dòng)以后， DSP 通過(guò)檢測(cè)電路實(shí)時(shí)獲取驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓和電流信號(hào)，并通過(guò)八段式數(shù)碼管顯示采樣出的電機(jī)速度。開(kāi)關(guān)電源為整個(gè)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(dòng)機(jī)控制的定點(diǎn) DSP 芯片。 DSP 的特點(diǎn)和資源 DSP 芯片及數(shù)字信號(hào)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，通常可以通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊芯片中同時(shí)訪問(wèn)。 (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(shí)器模塊。 (10)16 位串行外部 設(shè)備接口 (SPI)。 LF240A7 上有 4 個(gè)通用定時(shí)器，每個(gè)通用定時(shí)器可通過(guò)定時(shí)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(dòng)保護(hù)中斷。兩個(gè)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(gè)觸發(fā)源啟動(dòng)，基準(zhǔn)電壓 (+)由外部提供。 控制電路設(shè)計(jì) 檔位、油門給定輸入電路 在普通汽車駕駛中，駕駛員通過(guò)控制檔位來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的前進(jìn)、倒退、空轉(zhuǎn)和停車等動(dòng)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(gè)FO 口通過(guò)或門后送至 LF2407A 的外部中斷引腳 XINTI。此時(shí) OUT 引腳連接的外部中斷引腳 XINTI 捕獲上升沿脈沖進(jìn)入外部中斷，在中斷程序中通過(guò)查詢 SW1～ SW6 等 I/O 口的狀態(tài)，確定輸入的檔位， 從而進(jìn)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(hào)給定的電路原理圖 檢測(cè)電路 檢測(cè)電路的目的就是為了將要檢測(cè)的各種信號(hào)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換變成 DSP可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。 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(dòng) 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(jì) 數(shù)MXX 檢測(cè)電路 對(duì)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)質(zhì)上是對(duì)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制，更進(jìn)一步說(shuō)，是對(duì)定子電流的控