【正文】 動力電動汽車的發(fā)展主要集中于雙軸驅(qū)動混合動力系統(tǒng)。該復(fù)合式 HEV 主要有前軸混合驅(qū)動后軸電驅(qū)動和前軸電驅(qū)動后軸混合驅(qū)動兩種驅(qū)動方式。并聯(lián)式混合動力電動汽車主要依賴于發(fā)動機(jī)提供動力，能量傳遞損失較小，但是排放污染最大，發(fā)動機(jī)的燃燒效率不高[5]。從燃油經(jīng)濟(jì)性來看，混聯(lián)式電動車燃油經(jīng)濟(jì)性最好。經(jīng)過綜合比較分析后，本文采用的是混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的混合動力電動汽車，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。然后對這四種類型的混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)分別進(jìn)行了介紹，并做了綜合比較，最后通過比較分析，選定了混聯(lián)式結(jié)構(gòu)的混合動力電動汽車的電機(jī)驅(qū)動控制進(jìn)行研究。針對現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)過程越來越復(fù)雜，對自動控制的要求已經(jīng)不僅僅是實(shí)現(xiàn)個別變量的穩(wěn)定，而是要求實(shí)現(xiàn)多個變量的最優(yōu)控制[6]。而且如果當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時，將影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行，甚至導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。本文將采用的是分布式控制系統(tǒng)方案。它是以微處理機(jī)為基礎(chǔ)，以危險分散控制，操作和管理集中為特性，集先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、CRT 技術(shù)和控制技術(shù)即 4C 技術(shù)于一體的新型控制系統(tǒng)?？蓪?shí)現(xiàn)串級、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。分布式控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)必須是一個實(shí)時性很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)現(xiàn)場通信實(shí)時性的要求將數(shù)據(jù)上傳或下載。其中的動力總成單元用來確定電動機(jī)和發(fā)動機(jī)輸出功率的比例，以此來滿足汽車的動力性能、排放性等性能指標(biāo)。在通信過程中，DSP 控制芯片作為總的控制器核心，處理各個控制器部件之間的通信運(yùn)作問題，并且每個控制器本身也有獨(dú)立的控制芯片來完成自身的控制任務(wù)。 多能源動力總成系統(tǒng)分布式控制方案 CAN 總線多能源動力總成系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 多能源動力總成系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)工況的優(yōu)化運(yùn)行。通過 CAN 總線實(shí)現(xiàn)了各個控制器模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信，達(dá)到了資源信息共享的目的[6]。下面簡單的介紹下動力總成系統(tǒng)中，各個控制器模塊之間的連接情況。因此從圖中我們可以看出，CAN 總線節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)一般分為兩類：一類采用 DSP 芯片直接與 CAN 總線發(fā)送接收器相連；另一類則是由單片機(jī)、CAN 控制器（一般選 SJA1000）及 CAN 總線發(fā)送接收器相連。隨著電動汽車各功能的進(jìn)一步發(fā)展，還可以不斷地在 CAN 總線上連接新的電氣節(jié)點(diǎn)。其主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的 CAN 通信，把電機(jī)的采集信號和狀態(tài)信號發(fā)送到 CAN 總線上，同時接收通過 CAN 總線傳送過來的控制信號。圖 DSP 與 CAN 總線接口電路圖中，在信息寫入和讀出 DSP 時都經(jīng)過了兩個史密斯反相器—74LVX14。在 74LVX14 和 PCA82C250 之間連接了兩個隔離器件 6N137 構(gòu)成隔離電路，主要是考慮車載環(huán)境惡劣，為進(jìn)一步提高抗干擾措施而設(shè)置的。使用它也是為了增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線?？偩€的兩端連接的 120Ω電阻是總線匹配阻抗，增加總線傳輸穩(wěn)定性和抗干擾能力，消除反射信號，起著相當(dāng)大的作用。在汽車低速行駛時,驅(qū)動系統(tǒng)主要以串聯(lián)方式工作，即發(fā)動機(jī)作為原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)，發(fā)動機(jī)輸出的動能首先通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)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(jīng)由電動機(jī)和傳動裝置驅(qū)動車輪；當(dāng)汽車高速穩(wěn)定行駛時,則以并聯(lián)工作方式為主，即在起步加速階段時，電動機(jī)單獨(dú)工作，當(dāng)汽車達(dá)到一定速度時，發(fā)動機(jī)開始運(yùn)行，此時電動機(jī)則根據(jù)運(yùn)行工況來決定其工作狀態(tài)，當(dāng)汽車由正常行駛狀態(tài)突然加速時，電動機(jī)將輔助發(fā)動機(jī)共同工作。 選用兩片 DSP 芯片分別對電動機(jī)和發(fā)動機(jī)進(jìn)行控制，他們之間采用雙機(jī)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。因此我們需要檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機(jī)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速才開啟，然后需要檢測發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使之和電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)最佳的轉(zhuǎn)矩分配。混聯(lián)式驅(qū)動總體控制方案如圖 所示。我們知道電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)是電動汽車的心臟，它的任務(wù)是在駕駛員的控制下，通過電機(jī)控制器驅(qū)動電機(jī)，電機(jī)將蓄電池的電能轉(zhuǎn)換為車輪的動能來驅(qū)動汽車，或者將車輪上的動能反饋到蓄電池中。在驅(qū)動控制系統(tǒng)中，對驅(qū)動電機(jī)通常要求能夠頻繁地啟動/停車、加速/減速，調(diào)速范圍要求很寬，過載系數(shù)高，具有高的功率密度，充分利用蓄電池能量，力求盡可能的延長續(xù)駛里程。 本章小結(jié) 本章首先介紹了基于 CAN 總線的混合動力電動汽車多能源動力總成系統(tǒng)研究方案，然后對混聯(lián)式驅(qū)動方式進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。4 混合動力電動汽車電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 混合電動汽車電機(jī)控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu) 本文采用永磁同步電機(jī)作為混合動力電動汽車的驅(qū)動電機(jī)，其控制系統(tǒng)的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能。硬件部分電路主要包括驅(qū)動控制系統(tǒng)的主電路、逆變器及其驅(qū)動電路、電流采樣電路、位置信號采集電路、功率驅(qū)動保護(hù)電路、保護(hù)電路以及通信電路等。圖 電機(jī)控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)圖本課題設(shè)計(jì)的混合動力電動汽車永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)用的是永磁同步電機(jī)(PMSM)和 DSP 為核心的控制器，直接轉(zhuǎn)矩控制算法由 TI 公司生產(chǎn)的定點(diǎn) DSPTMS320LF2407A 實(shí)現(xiàn)。逆變器的控制部分以 TI 公司推出的 DSP 芯片 TMS320LF2407A 為核心，該芯片為電機(jī)專用控制器芯片。同時，DSP 可以根據(jù)油門、檔位的輸入，通過直接轉(zhuǎn)矩控制算法產(chǎn)生空間電壓矢量信號傳送 到智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)功率模塊觸發(fā)端，在觸發(fā)器的控制下，磁同步電機(jī)(PMSM)按給定運(yùn)行。用于驅(qū)動IPM的6路PWM信號由DSP產(chǎn)生六路PWM波經(jīng)過光耦驅(qū)動隔離后輸送給IPM的6個控制輸入端PPPNNN、WVUWVU?？刂葡到y(tǒng)只測量兩相電流ai 和ci ，均由電流傳感器LA108P 來測得，兩路信號通過低通濾波處理后送到 DSP 的 ADC 模塊。為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，本文還專門設(shè)置了鍵盤顯示等電路。本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了故障保護(hù)電路，為整個驅(qū)動控制系統(tǒng)準(zhǔn)確、安全的工作提供了保障。該芯片有以下一些特點(diǎn)： ●該芯片有 144 個引腳，是該系列芯片的一個超集。 ●存儲器包括 32K 字節(jié) Flash 程序閃存，片內(nèi) ROM，和 2K 字的單存取 RAM（SARAM）,和 54416 位字的雙存取 RAM（DARAM）。 ●具有 192K 字的可尋址存儲器空間：64K 字程序空間、64K 字?jǐn)?shù)據(jù)空間和 64K字的 I/O 空間。 ●兩個事件管理模塊 EVA、EVB，用于運(yùn)動控制和電機(jī)控制。 ●看門狗定時器模塊（WD）。 ●串行通信模塊（SCI）。 ●10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，同時 A/D 轉(zhuǎn)換時間也縮短了。SCI 支持 DSP 與其他異步串口采用標(biāo)準(zhǔn)不歸零（NRZ）模式進(jìn)行異步串行數(shù)字通信[13]。串行外設(shè)接口（SPI）是一個高速的同步串口，可以和其他具有標(biāo)準(zhǔn) SPI 口的器件直接通信。CAN 最初出現(xiàn)在 20 世紀(jì) 80 年代末的汽車工業(yè)中，由德國 Bosch 公司最先提出的，最初是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通信，減少不斷增加的信號線而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線。由于 CAN 總線具有很高的實(shí)時性能，因此，它已經(jīng)在汽車工業(yè)、工業(yè)控制、航空工業(yè)等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。 另外高性能的 DSP 控制器能有效提高控制算法的實(shí)時性，因此 DSP 與電機(jī)二者的結(jié)合，一方面可以減少整個系統(tǒng)的組成部分，另一方面也可以優(yōu)化設(shè)計(jì)以減少系統(tǒng)的造價[14]。由此看來芯片 TMS320LF2407A 如此齊全的外設(shè)單元使得電機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路的構(gòu)建十分方便，使該電機(jī)控制系統(tǒng)精度高、造價低、抗干擾能力強(qiáng)。但是目前仍有許多 5V 電源的數(shù)字器件和邏輯器件可用，因此在許多設(shè)計(jì)中將有 5V 邏輯器件和 邏輯器件共存，而且不同的電源電壓在同一電路板中混用。而整個系統(tǒng)的數(shù)字電路等的電壓為 5V，故在整個控制板上有 5V 電源和 電源并存，所以在 DSP 設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，必須設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路。 主電路設(shè)計(jì) HEV 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主電路如圖 所示，主要是電源、逆變器、電機(jī)三部分。IPM 是先進(jìn)的混合集成功率器件，由高速，低耗的 IGBT 芯片和優(yōu)化的門極驅(qū)動及保護(hù)電路構(gòu)成[13]。R1 為充電限流電阻，主要是用于防止主電路上電時由于電容充電而引起瞬間過大的電流沖擊，因?yàn)楫?dāng)主電路通電時，蓄電池首先給電容 C1 充電，如果沒有限流電阻 Rl，充電電流會非常大，可能損壞電容。主電路上并聯(lián)的電解電容 C1 為濾波電容，它使 IPM 模塊獲得平滑的直流電壓，同時為逆變器負(fù)載和直流電源之間的無功功率提供緩沖。 K2 為開關(guān)接觸器，其通斷由軟件程序控制。限流電阻如果長期在電路中 ， 會影響直流電壓，產(chǎn)生不必要的直流損耗，因此控制器TMS320LF2407A 在電容充電期間對電容兩端電壓實(shí)時采樣，一旦電壓達(dá)到蓄電池電壓的 90%，便合上開關(guān) K2，使電阻 Rl 從主回路中切除。主電路工作時，因?yàn)橹悄芄β誓K IPM 的開關(guān)頻率很高，開關(guān)的通斷會在直流母線上疊加一些高頻干擾，出現(xiàn)高頻的尖峰電壓毛刺，影響逆變橋的工作，因此需要在電解電容器旁邊并聯(lián)一個無感電容 C2 作為吸收緩沖電路，其作用就是為了高頻干擾的濾波。逆變器在工作過程中，如果發(fā)生過流或者短路，不但將損壞 IPM，而且可能造成蓄電池的大電流放電，時間長的話，甚至?xí)鹦铍姵乇?。同時在每個 IGBT 旁邊并聯(lián)一個 RCD 緩沖電路(或稱為吸收電路)可以抑制過電壓[15]。 （1）逆變器的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)選用了三菱公司 IPMPM75CLA060，其額定電壓和額定電流分別為 600V 和75A。 另外 IPM 內(nèi)部還具有異常情況檢測保護(hù)電路，如 SC（短路）、OC（過流）、UV（欠壓）、OT（過熱）。由于 IPM 集 IGBT、驅(qū)動電路和自身保護(hù)電路于一體，但是沒有隔離電路，外圍驅(qū)動信號加進(jìn)來之后需要進(jìn)行電氣隔離。圖 PWM 輸出及驅(qū)動隔離電路如圖 所示，DSP 的脈寬調(diào)制單元輸出的 PWM 信號經(jīng)過施密特觸發(fā)器整形后，通過高速光耦 HCPL4504 對 PWM 進(jìn)行隔離后再輸入給 IPM 進(jìn)行驅(qū)動。圖中的 VCC 為控制板電源+，Un、Vn、Wn、Up、Vp、Wp、分別是 6 個 IGBT 的基極驅(qū)動輸入信號，他們都是低電平有效的電平信號。 主要參量的檢測及接口電路 檢測電路目的主要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。這些信號都是通過外圍的電路接口接入 DSP 的外圍電路接口，然后根據(jù)相應(yīng)的設(shè)置，讀出檢測到的具體數(shù)值。根據(jù)瞬態(tài)時間空間矢量理論，在不考慮逆變器死區(qū)效應(yīng)的情況下，三相交流電壓的檢測可以由直流母線電壓和開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算來得到。由于輸出電流諧波大，要有濾波環(huán)節(jié)，還要考慮到 DSP 的接口特點(diǎn)，因此，電流檢測通道設(shè)計(jì)如圖 。電機(jī)控制板上有兩路這樣的電流檢測通道，分別用來檢測 A、C 相電流。15V，頻率帶寬為 0～100k Hz）。 電阻 R1 是電流傳感器的測量電阻，它的作用是將電流傳感器輸出的電流變換成電壓信號，經(jīng)跟隨器后送往濾波電路。這個低通濾波器把交流信號轉(zhuǎn)換成 03V 的直流信號，提供了一個直流偏置,以此來適應(yīng) DSP 芯片的 ADC 模塊的輸入電壓要求。圖中的穩(wěn)壓管 D1 是為了防止送入 DSP 的信號超過 ，而損壞 DSP。由于 LF24O7A 的 A/D 轉(zhuǎn)換是單極性的，但相電流信號有正有負(fù)，為了讓 TMS320LF2407A 的 ADC 模塊既能轉(zhuǎn)換正信號，又能轉(zhuǎn)換負(fù)信號，所以在電流信號送人 ADC 模塊之前必須進(jìn)行處理，本文采用對輸入電壓進(jìn)行提升的方法，OFFSET 即為提升用的偏置電壓，使得 ADCIN00 電壓范圍在 0～。直流電壓Udc 與αβ坐標(biāo)系下的電壓Uα、Uβ與開關(guān)狀態(tài)量之間的關(guān)系表示如下[19]：因此，通過檢測到的母線電壓和該時刻的逆變器開關(guān)狀態(tài)就可以得到αβ坐標(biāo)系下的電壓Uα、Uβ 。本系統(tǒng)直流電壓檢測電路由霍爾電壓傳感器 LV28P 來檢測直流母線電壓，對于電壓測量,原邊電流與被測電壓的比一定要通過一個由用戶選擇的外部電阻確定，并串聯(lián)在傳感器原邊回路上。副邊電流精確地反映原邊電壓。 電壓檢測電路如圖 。計(jì)算公式： 圖 電壓檢測電路 位置及轉(zhuǎn)速檢測與接口電路 盡管從直接轉(zhuǎn)矩控制原理上來看，不需要知道轉(zhuǎn)子的具體位置，但是永磁同步電動機(jī)不同于感應(yīng)電機(jī)的一點(diǎn)是電機(jī)在起動的那一刻，轉(zhuǎn)子永磁體磁場就已經(jīng)賦予定子磁場一個初始值[13]。從精確獲知轉(zhuǎn)子初始位置這一點(diǎn)來說，位置傳感器是必要的。一般情況下，永磁同步電動機(jī)控制中常用的位置速度傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器和光電編碼器。又由于DSP 控制器選用的是 TMS320LF2407A，其本身就含有正交編碼脈沖電路和捕獲單元，再配合光電編碼傳感器輸出的脈沖檢測出電機(jī)運(yùn)動方向及速度。其工作原理主要是通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的幾何位移量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量或脈沖，通常對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量是通過測量與電機(jī)同軸安裝的編碼器轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)的。碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，經(jīng)檢測裝置檢測（一般由發(fā)光二極管等電子元件組成）輸出脈沖信號。同時也可以利用光電編碼器輸出脈沖信號配合定時器/計(jì)數(shù)器，通過計(jì)算光電編碼器每秒輸出脈沖的個數(shù)來得出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。它將角度信息轉(zhuǎn)變成一列脈沖串，通過測量脈沖串的頻率，達(dá)到對轉(zhuǎn)速測量的目的。脈沖發(fā)生器與被測軸相接，轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器就輸出一個固定的脈沖數(shù)，所以其脈沖輸出的頻率與轉(zhuǎn)速是成正比的。的正交脈沖 A、B，由于光電編碼器輸出脈沖的頻率較高,為提高系統(tǒng)的抗干擾能力,光電編碼器輸出的信號須經(jīng)光電隔離后才能輸入到控制系統(tǒng)中[8,20]。兩路正交脈沖經(jīng)過光電耦合隔離和施密特非門整型后輸入到DSP 中的 CAP1/QEP1 和 CAP2/QEP2 接口，光電編碼器與 DSP 的接口如圖 所示。QEP_CLK 信號是用來作為通用定時器的時鐘信號，QEP_DIR 信號是用來控制定時器的計(jì)數(shù)方向。在此模式下，QEP 電路不僅為 T2 提供計(jì)數(shù)脈沖，而且還決定了其計(jì)數(shù)方向。此時邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號 QEP_DIR，T2 增計(jì)數(shù)。此時邏輯電路處理后的方向信號 QEP_DIR 為低電平，T2減計(jì)數(shù)。（2）轉(zhuǎn)速的計(jì)算方法常用的測速方法有三種：M法、T法和M/T 法[14]