電動車驅動電機的控制系統設計

張關兵

摘 要：本文從分析電動車驅動電機的技術特點及發展前景出發，對自平衡電動車電機驅動控制系統的安全性、硬件和軟件設計進行了研究，在對其進行科學論證的基礎上，最后運用直流無刷電機等相關器材進行了實驗，結果證明自平衡電動車電機驅動控制系統運轉平穩，效果良好。

關鍵詞：電動車;驅動電機;控制系統;設計

電機驅動系統可堪稱電動車的心臟。把驅動電機的控制系統設計完善，是把控電動車質量的關鍵所在。然而，由于電動車輛的類型不同，對驅動電機的控制系統的設計要求也會不盡相同。本文研究的是兩輪自平衡電動車，主對驅動電機的控制系統設計進行探討。

1 電動車驅動電機的技術特點及發展前景

用于自平衡電動車的中小功率電機主要有四種類型：即永磁同步電機、有刷直流電機、直流無刷電機、交流三相感應電機。

有刷直流電機具有技術成熟、控制簡單的特點，但由于電刷和換向器需要經常維修，而且散熱困難，目前已較少使用;交流三相感應電機具有運行可靠、功率大、轉速快、結構簡單等特點，相比有刷直流電機具有一定優勢;直流無刷電機具有散熱快、速度快、功率小等特點，一般多用于電動自行車;永磁同步電機屬于永磁電機，具有效率高、體積小和動態響應特性好等優點[1]。

以上四種電機除有刷直流電機外，其它均需要配逆變器才能給予供電。隨著電子數字技術在我國的快速發展，這些年，我國在逆變器供電技術方面也得到了迅速發展，并使其逐步融入到了電動車電機的控制系統之中;在電機方面也由常用的三相發展到了六相永磁電機，使電機優勢性能得到了充分發揮。主要體現在：一是由于繞組排布合理，使轉矩諧波減小;二是與三相電機體積相同的情況下，功率的輸出卻比三相電機大;三是在使用的可靠性方面比普通電機強。通過對以上各種性能電動機的比較和對六相永磁電機的功能特性的了解，使該電機在電動車驅動控制系統中得到了廣泛的應用，其應用前景極為可觀。

2 自平衡電動車電機驅動控制系統的安全性設計

自平衡電動車是一種兩個輪子同軸排布，在沒有動力作用下不能保持自身平衡，只有在作動力作用時，才能保持平衡和直立姿態的電動車。這種電動車設計，綜合應用了電機控制、機械力學等各個方面的知識。其中，機械力學主要用于電動車機械部分的設計;電機控制系統是電動車的執行單元，在經過電機控制算法之后，才能控制電機做出反應。要滿足驅動這一要求，必須要安裝兩臺電機才能保證正常行駛和安全。這是因為，假設電動車在行駛過程中，能夠實現一邊輪子不能轉動，而另一邊照常，那么，電動車零半徑轉向就可以實現。再從自平衡電動車驅動控制系統的安全性、可靠性考慮，六相永磁電機具備這種性能[2]。假如在六相電機中的一個三相繞組發生故障，電機不會突然失去動力。因為另一個三相繞組會保持正常的工作狀態，直至電動車能夠順利平穩地實施減速并安全停車為止。由此可見，我們在設計驅動電機的控制系統時，應充分考慮安全性和可靠性因素。因此本文在設計中是這樣考慮的：

（1）對驅動控制系統進行冗余性設計。根據設計原理，一般講，電機中安裝的兩個三相繞組要受兩套三相整流裝置的驅動，而三相整流裝置又要同時受到驅動控制器的控制，這樣一來，一旦控制器出現問題，發生故障，驅動的正確信號不能及時發出，就會導致整個控制系統不能保持正常運轉。為了使電動車的安全性和可靠性能確保萬無一失，那么，對驅動控制的整個系統進行冗余性設計就成了必不可缺的要求;

（2）設計兩套控制裝置。自平衡電動車的兩臺六相永磁電機是受驅動控制系統控制，為了保證整個驅動控制系統達到安全性和可靠性的萬無一失，本文設計了兩套控制裝置分別控制每臺電機的三相繞組，從而形成了“一保一”的管控架勢。

3 自平衡電動車驅動控制系統的硬件設計

3.1 驅動控制系統的硬件框架

自平衡電動車的驅動控制系統是一個相對獨立的閉環控制系統，其中硬件部分是該系統的基礎。為了保障驅動控制系統的正常運行，一方面要通過實時性的確保來滿足安全性要求，另一方面通過安裝兩套控制器來保障安全控制的對稱性。為了實現自平衡電動車驅動控制系統的數據交換，在整車設計時還需考慮安裝以DSP為核心驅動控制系統和以PIC單片機為核心的傳感檢測器，并留置數據通信接口[3]。

3.2 選擇運算處理核心

為了保證電機控制系統和接受指令的實時性、精確性，正確選擇一個運算處理核心，是做好自平衡電動車驅動控制系統設計的關鍵。從目前情況看有兩種選擇：一是8或16位單片機;二是16位DSP。本設計從自平衡電動車驅動控制系統的適應性要求出發，選擇了美國德州儀器公司的DSP——TMS320LF2407A芯片。

3.3 驅動電路設計

為了實現電機輸入信號的放大，按照設計和電機參數的要求，本設計選取了開關速度較快的 POWER MOSFET組成三相整流橋，然后在 DSP發出的PWM信號控制下進行有序地導通，給電機提供足夠驅動的電能。在實際電路中，往往采用的驅動芯片是 I R2136。由于該I R2136在芯片上集成了三對高低電壓的輸出通道;因此，在應用方式上，I R2136只要一塊就可以驅動永磁同步電機中的一個三相繞組。此外I R2136還可以自舉的方式解決高側MOSFET（VT1、VT3、VT5）的導通問題。

此外，為了實現六相永磁電機的轉速和電流雙閉環控制，在電路設計上，還必須對電機的轉速信號和電流信號分別設計反饋通路。

3.4 數據通訊

在自平衡電動車實際應用中，存在著各種數據交流。因此，在進行驅動控制系統的設計時，就必須考慮相應數據通訊的接口問題。主要有：（1）驅動控制器之間、檢測傳感器之間數據交換通訊接口;（2）電動車控制系統與檢測傳感部分的通訊接口;（3）兩組驅動控制系統之間的串行通信接口;（4）兩組檢測傳感系統之間的串行通信接口;（5）TMS320LF2407A的SPI及SCI接口等等。

3.5 DC-DC電源轉換

在自平衡電動車的驅動控制系統中，給電機供電的是72V直流電源。為了滿足電力驅動部分和電子控制部分的供電，需要將其分別轉化為3.3V、5V和15V的直流電使用，而在驅動控制系統中加入DC-DC電源轉換模塊就可實現這一轉換，甚至開關電源的轉換。開關電源控制模式有電壓型PWM和電流型 PWM兩種控制模式。電壓型PWM只有一個電壓反饋閉環;電流型PWM是雙閉環控制系統，外環是電壓閉環，內環是電流閉環，內環受制于外環。

4 自平衡電動車驅動控制系統的軟件設計

4.1 系統架構

基于本驅動控制系統的運算處理核心硬件，采用的DSP——TMS320LF2407A是TI公司生產的。所以，本控制系統的軟件只能是TI 公司針對DSP——TMS320LF2407A硬件平臺編制的相應電機控制軟件—— CCS2. 2 平臺上用的 C語言和匯編語言。該軟件主要控制六相永磁電機以及控制六相永磁電機中兩個三項繞組的 DSP 芯片模塊，實現兩個控制模塊之間傳遞電機控制信息過程的SCI數據總線的完成。

4.2 電機控制系統子程序

根據圖四所示，電機A和電機B的控制程序可分別作為函數嵌入到電機控制子程序中，從而實現電動車驅動控制系統的靈活配置。對于A、B兩種電機的控制函數，可按六相永磁同步電機和六相直流無刷電機的控制原理分別進行編程，設計各個通用或專用的功能模塊。如 永磁同步電機控制子程序中的轉速控制模塊、電流坐標變換模塊、 電流調節模塊、電壓計算模塊、PWM輸出模塊等。 直流無刷電機控制子程序的設計方式同永磁同步電機控制子程序。

4.3 數據同步

由于A、B兩臺電機受制于兩塊 TMS320LF2407A的DSP芯片的控制，而且其拓撲結構又是相互交叉的，所以就出現了同一臺電機由兩塊DSP同時控制的問題，給電機的控制帶來了一定的困難。只有解決數據同步和協調的問題，這個困難才能解決（可見圖1）。

5 實驗

本文按照自平衡電動車驅動控制系統的硬件、軟件體系，建立了以硬件電路板、實驗電機、仿真用計算機、DSP仿真器、三相整流橋為主要器材實驗系統。在本實驗系統中，通過使用直流無刷電機進行實驗，電機能平穩轉動，電動車驅動控制效果良好。

參考文獻：

[1]鄭宏，張佳偉，徐文成.基于STM32的直流無刷電機正弦波控制系統[J].電子器件，2016（6）：1521-1526.

[2]吳雪松.電動汽車用六相永磁電動機SVPWM控制策略研究[D].

[3]張楠.基于DSP電動汽車永磁同步電機控制系統的研究[D].天津理工大學，2014.