低速電動車用電機控制器的設計與實現

王艷 許燁 王世國 李素雙

摘 要：文章針對低速電動汽車，設計了一款基于DSP芯片的交流異步電機控制器。根據低速電動車運行環境、使用便捷性及安全性的要求，給出電機控制器的整體設計方案和詳細的電路實現方法。實踐證明，該款控制器對電機適用性強，效率高，各種保護功能齊全。

關鍵詞：新能源；交流異步電機；電機控制器；DSP

引言

隨著新能源產業的興起，電動汽車以低成本運營，綠色環保等優勢進入到人們的生活中。低速電動車作為一種新型的代步工具，在農村占據了很大的市場。但是低速電動車目前使用的電機及控制器大多為直流有刷控制系統。直流有刷控制系統的缺點是電機維護費用高，最高轉速低，爬坡能力有限，這些因素一直制約著低速電動車的推廣。交流異步電機控制系統可以有效克服直流有刷控制系統的缺點，但是價格偏高。本設計在電路設計及器件選型上做了大量的分析及試驗驗證，提供了一種操作簡單，價格低廉的低速電動車用交流異步電機控制器。

1 電機控制器系統設計

電動汽車電機控制器主要工作方式為扭矩控制方式。工作原理為：采集車輛油門踏板的信號和電機速度傳感器信號作為輸入，根據檢測到的電機U、V、W的相電流做閉環反饋，得到電機驅動需要的PWM波形。同時，電機控制器需要實時監測電機的溫度信號、電流大小、控制器的溫度信號、電壓信號等，保障控制系統的安全及行車的安全。為了方便實現對電機參數的匹配設置及整車特性的設置，專門設計了CAN總線通信電路，提高了控制器使用的方便性及故障定位的便捷性。本設計共由三部分組成，控制板、功率板及電容。基于上述功能，本設計的系統框圖如圖1所示。

控制器的主芯片采用TI公司的TMS320LF2406，該款芯片將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，為控制系統應用提供了一個理想的解決方案。控制器的外圍電路主要包括：模擬量檢測電路、開關量檢測電路、電流檢測電路、電壓檢測電路、溫度檢測電路、轉速采集電路及CAN通信電路、參數存電路。

1.1 模擬量檢測電路

模擬量檢測電路通過運放完成對輸入油門踏板信號的采集功能。如圖2所示。

圖2 模擬量檢測電路原理圖

1.2 電流檢測電路

電流檢測電路是電機控制器系統的重要組成部分，電路如圖3所示。電流采樣的準確性影響電機相電壓矢量三角形的閉合性，即影響電機的效率及運行的平穩性。但是由于集成的電流傳感器價格比較貴，本設計采用Allegro公司的A1326芯片，配合磁環進行電流的檢測，通過改變磁環的磁場氣隙，可以調整電流的檢測范圍。實踐證明，使用該電路可以實現對電流的準確采集。

1.3 電壓檢測電路

電壓檢測電路可以通過檢測電池的端電壓，實現對電池的過欠壓報警，如圖4所示。由于蓄電池的工作電壓范圍比較寬，為了準確檢測到最高電壓和最低電壓，本設計采用了雙運放分段采集的方式。其中，低電壓由U8A檢測，高電壓由U8B部分電路檢測。低電壓段輸出：V0=（R58*（1/（R57+R45）+1/R58+1/R56）*Vi+）-R58/R56*VREF。高電壓段輸出：V1=（R49*（1/R52+1/R49+1/R50）*Vi+）-R49/R50*VREF。其中，Vi+=R48/（R37+R48）*Udc，VREF=3.0Vdc。此種檢測方法大大提高了電壓的采集精度，而且電路簡單，器件便宜。

圖4 電壓檢測電路原理圖

1.4 溫度檢測電路

圖5為電機溫度檢測電路。將電機溫度傳感器信號從motor_temp信號端引入。通過更改R2、R3電阻的值，可以實現匹配不同型號的溫度傳感器，如PT100，KTY84等。

圖5 溫度檢測電路原理圖

1.5 轉速采集電路

本設計所應用的場合是低速電動車，所以電機使用的轉速傳感器大多數為編碼器。采集電路如圖6所示。通過設置電阻R172、R62、R66和R67，以及R173、R61、R64和R65的值，實現對不同電壓類型編碼器的信號采集。

圖6 轉速采集電路原理圖

1.6 CAN通信電路

CAN通信電路采用CAN收發電路82C250實現，如圖7所示。在CAN的輸出端增加共模濾波電感L10，增強了CAN總線的抗干擾性。

1.7 參數存儲電路

參數存儲功能使用EEPROM芯片ST93C66，如圖8所示。通過CAN總線傳入的設置參數，存儲在非易失性EEPROM中，以適應對不同電機參數的匹配。同時，電機及控制器如果出現故障，也可以將故障代碼存儲在該EEPROM中，然后通過CAN總線發送出去，方便用戶對設備的故障定位及檢修。

圖8 參數存儲電路原理圖

2 結束語

文章詳細論述了采用 TMS320LF2406 DSP為核心的低速車交流異步電機控制器的硬件設計，給出了模擬量采集、電流采集、電壓采集、CAN通信等電路的設計方法及器件選型。本電機控制器通過臺架測試及實際車輛道路測試，證明硬件電路工作可靠，控制器效率達到95%以上，各種保護功能完善。通過CAN總線進行電機匹配設置及故障讀取，增強了控制器的可操作性，方便了用戶使用。圖9為該款控制器安裝圖。

圖9 控制器實車安裝圖

參考文獻

[1]王曉明.電動機的DSP控制：TI公司DSP應用（第2版）[M].北京航天大學出版社，2009.

[2]"Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor using TMS320F240"Texas Instrument 1998，3.

作者簡介：王艷（1978-），黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，研究方向：電動驅動及控制。