純電動汽車用低壓異步電機矢量調速系統

梅建偉，羅　敏，田艷芳，劉　杰，魏海波（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北十堰　442002）

?

純電動汽車用低壓異步電機矢量調速系統

梅建偉，羅敏，田艷芳，劉杰，魏海波
（湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北十堰442002）

摘要：根據異步電動機矢量控制理論，建立了以TMS320LF2812作為系統的控制核心，開發了一套純電動汽車用三相異步電動機矢量控制系統，并用Matlab對控制系統進行了仿真分析。測試結果表明，該矢量控制系統轉矩脈動小，能夠滿足車載控制系統的要求。

關鍵詞：純電動汽車；三相異步電動機；矢量控制；DSP

矢量控制理論及應用技術的普遍應用，使交流調速系統達到直流傳動系統的靜、動態性能。本文在分析異步電機矢量控制原理的基礎上，選用TMS320F2812作為主控芯片，設計了異步電機矢量控制調速系統，并詳細介紹該控制系統的整體結構、主電路、部分控制電路和軟件算法。試驗結果表明：該調速系統啟動時間短，轉矩脈動較小，穩態時轉速平穩，獲得了高品質動態性能，適用于電動高爾夫球車、觀光旅游區載客電動車、電動巡邏車等。

1　異步電機矢量控制調速系統原理圖

異步電機矢量控制調速系統原理圖見圖1。其技術要求、電路原理分析如下。

圖1　異步電機矢量控制調速系統原理圖

1.1技術要求

1）蓄電池額定電壓為48 V，異步電動機的型號為XYQ-3-4AH，電機額定電壓34 V，額定功率為3kW，額定線電流為72 A，額定頻率為83 Hz，額定轉速為2400r/min。

2）回饋制動功能、駐坡功能以及跛行功能。

1.2主電路原理

該主電路包括預充電電路、電容組以及由并聯MOSFET組成的三相電壓型逆變器。其中，RS及可控開關KS組成預充電電路，減小主回路上電時對直流母線的沖擊電流；C1至Cn是由11個1 000 μF/63 V電容組成的電容組，主要用來彌補電池組瞬時功率，組成低通濾波器將整流輸出的脈動直流電壓轉換成恒定直流電壓；Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6組成三相逆變橋驅動三相異步電動機，其中Q1～Q6均是由7個120 A/100 V的MOSFET并聯而成。

1.3異步電機矢量控制原理

矢量控制系統結構圖見圖2。給定信號分解為兩個互相垂直而且獨立的信號ism和ist，然后通過“2r/2s”變換成兩個交流信號iα和iβ，又經過“2/3變換”得到三相交流的控制信號iA、iB和iC，來控制逆變電路：電流反饋信號經“3/2變換”和“交/直變換”傳送到控制端，對直流控制信號進行修正，從而模擬出類似直流電動機的工作狀況［1-4］。

圖2　矢量控制系統結構圖

2　控制系統設計

2.1控制電路設計

本文所設計的異步電機控制系統，以高性能的DSP（TMS320LF2812）作為控制核心，實現電機的軟啟動、加速、減速、回饋制動、駐坡以及Bloader等功能。本控制系統分為以下幾個部分［5-7］。

基于TMS320F2812最小控制系統。

A/D轉換部分：信號前端處理，分別采集電機兩相電流、電池電壓、電機溫度、控制器溫度以及加速踏板信號。

轉速測量部分：根據正交編碼脈沖輸出的正交脈沖信號，計算電機轉速。

輸入輸出部分：產生一些輸入和輸出信號，主要是PWM、開關量、過熱信號處理以及繼電器器驅動。

SCI通信部分：數據上傳以及程序燒寫等。

控制電路框圖如圖3所示。

圖3　系統控制結構框圖

2.1.1PWM互鎖電路

TMS320F2812的事件管理器發出的脈沖信號，由于硬件延時以及干擾等原因，容易造成脈沖信號的畸變，從而使得電力電子器件的驅動信號異常，導致擊穿或者燒壞電力電子器件。項目中將DSP發出的脈沖信號，經過整形和脈沖互鎖電路以后，極大地增強了PWM控制信號的抗干擾性。同一橋臂上兩個開關管的脈沖信號互鎖邏輯如表1所示，PWM互鎖電路如圖4所示。

表1　脈沖互鎖邏輯表

圖4　PWM互鎖電路原理圖

2.1.2加速踏板信號檢測電路

霍爾傳感器輸出的電信號，首先經過一階濾波電路，能夠延遲駕駛人員踩油門時的響應速度，濾波后的電壓經過分壓、電壓跟隨器后，進入DSP的模擬量輸入口。具體電路如圖5所示。

2.1.3電流檢測電路

霍爾芯片輸出的電壓波形為在交流信號的基礎上疊加了一個直流分量，該電壓信號經過一個隔直電容后，通過電壓有效值芯片取出該信號的有效值，該直流電壓信號經過一階濾波電路和電壓跟隨器后，進入DSP的模擬量輸入口。詳細電路如圖6所示。

2.1.4速度檢測前端處理電路

光電編碼器的正交編碼脈沖輸出，經過共模電感電路削弱共模干擾信號后，輸入到電壓比較器的同相輸入端，該電壓比較器能夠減小幅值低于6 V的電壓信號的干擾。比較器輸出的脈沖信號，經過高速光電耦合器和施密特觸發器以后，輸入到DSP的CAP1、CAP2引腳。電路如圖7所示。

圖5　加速踏板信號輸出預處理電路原理圖

圖6　電流檢測原理圖

圖7　速度檢測電路預處理電路原理圖

2.2軟件設計

軟件系統的功能主要完成啟動前的診斷，判斷電機開始工作前的各項指標是否符合要求。符合技術要求后，軟件系統控制各個模塊進入啟動子程序，啟動完成后，控制系統根據檢測到的加速踏板信號、電壓、電流和轉速等信號控制電機的運行狀態，同時對電機的運行狀態進行檢測，決定系統的工作模式。軟件系統的結構框圖如圖8所示。

圖8　軟件結構框圖

2.2.1矢量控制算法設計

圖9給出了異步電機矢量控制算法軟件流程圖［8-9］。

圖9　軟件流程圖

2.2.2速度檢測算法軟件設計

將光電編碼器的A相、B相差分信號經預處理電路后，同時接入DSP的事件管理器1的QEP的CAP1和CAP2引腳，利用定時器T2作為時基，在T3周期中設置采樣窗口的大小。轉速較低時計數窗口大，轉速較高時計數窗口小，采用M/T法計算轉子轉速。程序流程圖如圖9b所示［10］。

3　仿真以及實驗結果

利用Matlab建立低壓異步電機矢量控制系統的仿真模型，同時結合樣機在電力測功機實驗臺架上進行測試，部分測試波形以及測試數據如下。

3.1車載測試及實驗波形（圖10）

圖10　車載測試及波形圖

3.2電力測功機臺架試驗測試數據（表2，圖11）

表2　控制系統測試數據

圖11　實際轉速與對應最大轉矩曲線圖

3.3結果分析

1）如圖10b所示，定子磁鏈軌跡近似圓形，在轉速達到穩態之前，磁鏈產生了一定的畸變。

2）如圖10c所示，定子線電壓波形的電壓尖峰很小，在超過額定電壓的20%以內。因此按照額定電壓兩倍的裕量，來選擇MOEFET的耐壓等級，可以滿足設計要求。

3）如圖10d所示，定子電流波形基本呈正弦波形，諧波小。

4）如表2所示，低速時轉矩大，電機控制系統輸出功率小，系統效率低，隨著轉速的升高，電機逐步進入恒功率區。當定子電壓達到額定值，此時繼續增加轉速，系統進入弱磁調速區，功率減小。

4　結　論

運用矢量控制并結合SVPWM技術，開發了以TMS320F2812為核心的低成本、調速性能好的矢量調速系統。臺架以及車試過程中，駕駛員可以通過加速踏板信號來控制電動機的轉矩，實現電動汽車的起步、加速、減速、制動、駐坡等一系列操作。該矢量調速系統運行穩定、性能良好、抗干擾能力強，達到了電動汽車用控制系統的技術要求。

參考文獻：

［1］陳伯時.電力拖動自動控制系統——運動控制系統［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［2］王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2001.

［3］林立，黃聲華.矢量控制高性能異步電機速度控制器設計［J］.微電機，2005，38（6）：45-49.

［4］王立新，周順榮.一種改進的異步電機矢量控制方法［J］.中小型電機，2005，32（6）：15-17.

［5］呂華林，宋仲康.基于DSP的異步電機矢量控制系統［J］.儀表技術，2010（7）：35-39.

［6］陳國金，姚寨榮，孫宏.交流電動機矢量控制的DSP實現們［J］.機電工程，2004，21（6）：27-30.

［7］陳順中，談龍成，王秋良.基于TMS320F2812的異步電機矢量控制系統［J］.微電機，2010，43（3）：60-64.

［8］張志剮，陳穎.三相異步電機空間矢量脈寬調制矢量控制系統仿真［J］.電機與控制應用，2006（1）：37-40.

［9］周衛平，吳正國，唐勁松，等.SVPWM的等效算法及SVPWM與SPWM的本質聯系［J］.中國電機工程學報，2006（21）：133-137.

［10］陳爽，殷佳琳，段國艷.基于DSP/QEP電路的電機位置檢測和轉速測量研究［J］.電子技術，2009（2）：78-80.

（編輯心翔）

Vector Speed Control System of Low Voltage Asynchronous Motor for Pure Electric Car

MEI Jian-wei，LUO Min，TIAN Yan-fang，LIU Jie，WEI Hai-bo
（College of Electrical and Information Engineering，Hubei University of Automotive Technology，Shiyan 442002，China）

Abstract：According to vector control theory of asynchronous motor，asynchronous motor vector control system simulation models of the electric car is built up，and Matlab is used to conduct simulation analysis on the control system.The test result shows that the ripple torque of vector control system is small enough to meet the requirement of onboard control system.

Key words：pure electric vehicles；three-phase asynchronous motor；vector control；DSP

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

文章編號：1003-8639（2016）06-0007-04

收稿日期：2015-12-15；修回日期：2016-02-23

基金項目：湖北省重點實驗室（籌）開放基金項目資助。

作者簡介：梅建偉（1978-），男，副教授，主要從事電力電子變換技術以及電機控制技術方面的研究。