電動汽車用感應電機調速系統

摘 要：隨著社會的發展，汽車產業也在不斷的發展進步，再加上當今社會越來越重視對資源和環境的保護，未來汽車發展的歸宿必將是電動汽車。文章以電動汽車的驅動系統為主要研究對象，選用感應電機作為驅動電機，以恒壓頻比作為感應電機的調速基礎，建立了以轉子磁場定向的矢量控制系統，結合電壓矢量脈沖調制（spwm）技術，實現了感應電機的調速。為以后生產和使用電動汽車驅動系統打下了堅實的基礎。

關鍵詞：電動汽車；感應電機；spwm

21世紀以來，能源問題成為當今世界最為突出的問題之一，為了節約能源保護環境，世界各大汽車制造企業都在積極研發屬于自己的電動汽車。

電動汽車的驅動系統采用電機驅動，把電能轉換為機械能使汽車行駛在道路上。可用于電動汽車驅動電機的類型有很多，其中包括開關磁阻電機，它具有結構簡單調速范圍廣的特點，還有永磁同步電機和交流異步電機。其中永磁同步電機和交流異步電機是電動汽車普遍應用的電機類型。我國比亞迪公司生產的E6純電動汽車采用的是永磁同步電機，德國寶馬公司生產的寶馬mini e電動汽車采用的交流異步電動機。無論采用哪種電機，最終目的還是實現能量轉換，帶動汽車行駛，汽車在行駛過程中不能總是保持一個速度運行，要控制汽車的速度就要對電機的轉速進行調節，才能實現對汽車速度的控制。文章主要研究的是電動汽車驅動電機中三相異步電機的調速。大家普遍知道，直流電機比三相交流電機轉速容易控制和調節，而三相異步電機速度不容易調節，因為交流電機的轉矩電流和勵磁電流是耦合的，不能直接實現單獨控制，從而給交流電機的調速帶來了很大的困難。文章采用矢量控制的方法來實現對交流電動機的調速。異步電機的電樞電流是定子電流，因此交流異步電動機只能對定子電流進行測量和控制，而定子電流is與勵磁電流im及轉矩電流ir存在著強耦合關系，而且交流電機的定子繞組提供了勵磁電流和轉矩電流。兩個量存在強耦合關系，由于這種關系想單獨控制其中一個量必將引起另一個量的變化，容易造成系統的不穩定。矢量控制就是在交流電動機外部，通過矢量變換，解除勵磁電流和轉矩電流的耦合，把勵磁電流分量im、轉矩電流分量ir作為控制量，通過旋轉變換得到ia、ib，再通過CLARKE反變換得到iA、iB、iC來控制交流電動機的運行，這樣就能夠使交流異步電動機電磁轉矩實現瞬時控制。

1 逆變部分

隨著大規模集成功率器件的發展，更有助于實現交流電動機的變頻調速系統。形成的電壓脈沖序列是通過利用全控型電力電子器件（絕緣柵雙極型晶體管）的導通和關斷實現的，通過控制IGBT的導通和關斷實現變壓、變頻控制。采用電壓SPWM技術通過調節脈沖寬度（脈沖占空比）來調節平均電壓。SPWM變頻器的主電路，變頻器電路由6個功率開關器件，這里用的是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT），其中每個IGBT都要反并聯一個二極管，反并聯的原因是因為對于感性負載而言，由于感生電壓的存在，在IGBT的S或D極結點上，總會有流入和流出的電流存在。那個二極管就負責流出電流通路的。從IGBT的結構原理可知，它只能單向導通。另一個方向就要借助和它并聯的二極管實現。通過控制PWM波來調節頻率。其中生產PWM波采用的是不對稱規則采樣法，其原理是在一周期的三角波，正弦函數與三角波的第二個峰值的交點所對應的值與三角波的峰值點不對稱，而采用對稱規則采樣法所形成的SPMW波不能很好的逼近正弦函數，諧波分量要比不對稱規則采樣大，因此選用不對稱規則采樣，能夠有效的抑制諧波，增強系統的穩定性。

2 硬件設計

交流電動機控制系統的控制核心采用DSP-TMS320F2812，DSP作為一種高速專用的數字信號處理芯片，具有超強的運算能力，能夠使數據得到高速的傳輸。DSP在交流電機控制中完成復雜的信號處理和控制算法，控制電力電子外圍設備。整個控制系統由電源模塊、光耦隔離電路、檢測電路、智能功率模塊和通信接口等部分組成。由于電動汽車采用電池供電提供的是直流電源，而在實驗室采用的是交流電，因此還需要整流濾波模塊。檢測電路中包括電流、電壓和轉速的檢測，其中對電流和電壓進行采樣，DSP的ADC只能完成對正半周期進行采樣，要完成對全周期的采樣，就要提高基準電壓值，使采樣周期都在0V以上，這樣需要使得ADC參考電壓為3.3v，才能實現完整的采樣。光耦隔離模塊使CPU和智能功率模塊之間沒有了電的聯系，增加了系統的穩定效果，使干擾信號得以消除。還由于DSP的驅動電壓在3.3v左右而智能功率模塊需要15V的電壓來驅動。因此CPU與智能功率模塊之間加光耦隔離電路。整個控制系統通過檢測系統檢測定子電流、電壓以及電動機轉速實現磁鏈閉環系統和轉速閉環系統，具有優良的靜動態調速特性，矢量控制系統。

3 PID控制

控制策略的好壞直接決定了控制系統的靜態、動態特性，采用傳統的開環控制不能滿足控制系統對系統的精度和穩定性的要求，另外電動汽車電機控制系統對控制精度、響應速度的要求都比較高，為了提高系統的控制精度和響應速度采用了電流閉環控制和轉速閉環來控制。對于本控制系統來說，為了滿足系統無超調、抗負載擾動能力強、快速響應性能符合實時性的要求系統采用電流閉環控制和轉速閉環控制。對于電流閉環的作用就是保證定子電流在動態過程中不超過允許范圍，所以電流閉環能夠起到對超調量的抑制作用。引入了積分環節造成系統響應不及時導致滯后現象的發生。而引入微分調節（D）能夠使動作正比于偏差的變化速度。越要變大越阻礙變大，越要變小越阻礙變小，提前調節要變化的量。使滯后的系統得到明顯的改善，但是微分時間太長也會引起振蕩，所以要合理使用微分環節達到滯后和震蕩都控制在最佳范圍。綜合這三種調節方式的利弊，來合理選擇比例系數積分時間和微分時間，也就是PID參數的選擇。PID控制的現實效果表現中，如何合理的選擇參數變得尤為重要。PID參數的確定可以通過計算來確定，就是把已知的數學模型，根據各項質量指標，PID參數可以通過計算來確定。但是這種方法需要計算的數據比較多，而且計算的復雜程度也比較大，以至于不能夠達到較高的可靠性。還有一種方法叫工程整定法，文章采用就是這種方法里面的試湊法，先通過傳統經驗對參數進行預確定，然后通過不斷改變閉合控制系統中給定值的方法來進行擾亂，從而輸出波形形狀開始變化，直到找到想要的曲線這時的參數就是理想的參數。這種方法要進行大量的試驗，才能實現最佳的控制效果。

4 結束語

純電動汽車的調速系統是電動汽車的關鍵技術，直接決定了電動汽車性能的好壞。文章根據感應電機的特點，選擇了感應電機作為電動汽車的驅動電；然后根據感應電機的特點提出了電機的調速策略以及控制系統的控制策略。其中PID參數的選擇可以加入RBF神經網絡得以實現，來實現最優控制。對電機轉速的檢測文章采用的是霍爾傳感器，由于感應器與電機是機械連接不但測量存在誤差，也可能影響到電機的性能，對于電機的轉速可用無速度傳感器的方式得以實現，來提高系統的穩定性。還有就是電機能量回饋，沒有能將電動汽車制動時的動能轉換為電能，實現電能的回收利用，如果實現這一功能不但能大大提高電動車的續航里程，還能夠大大的節約能源，這將是未來電動汽車的發展方向。

作者簡介：于小翔（1991-），男，漢族，籍貫：河北省唐山市，學歷：研究生在讀，畢業于（院校）：燕京理工學院，就職于（學院）：石家莊鐵道大學，研究方向：電氣工程。