電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 2015/06/09 中國西部科技雜志2015年第五期1電動汽車控制系統(tǒng)中矢量控制技術(shù)電動汽車系統(tǒng)控制電路中系統(tǒng)功率部分采用直-交電壓型電路，功率回路有蓄電池、濾波電路和智能功能模塊IPM逆變電路組成。系統(tǒng)控制器采用TI公司推出的TMS320LF2812-DSP作為控制主芯片，用它來完成電子差速算法、及高階控制器離散化的魯棒控制器，它們的實現(xiàn)需要記憶大量的歷史數(shù)據(jù)，且完成電動機矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制器、電流控制器的算法、以及電壓空間矢量PWM的產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換以及坐標(biāo)變換等。輔助電路由速度檢測電路、電流檢測電路以及故障檢測電路等組成。實現(xiàn)異步電機的轉(zhuǎn)速檢測、電流檢測以及轉(zhuǎn)速和電流的雙閉環(huán)控制。DSP控制器負責(zé)將電動汽車駕駛員根據(jù)自己的意圖與行車線路給定目標(biāo)車速Vc、方向盤轉(zhuǎn)角信號、剎車信號、電機轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、電容儲能狀態(tài)等進行A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)用電子差速算法計算電機的轉(zhuǎn)速和位置，最后應(yīng)用矢量控制算法和魯棒控制算法，得到電壓空間矢量PWM的控制信號，經(jīng)過光電隔離電路后，驅(qū)動IPM功率開關(guān)器件。DSP控制器還負責(zé)整個系統(tǒng)的保護和監(jiān)控，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)過壓、過電流、欠壓等故障，DSP將封鎖SVPWM輸出信號，以保護IPM模塊。異步電動機矢量控制基本思想就是把異步電機的電子電流分解為直軸電流分量ids和交軸電流分量iqs。矢量控制策略是當(dāng)轉(zhuǎn)子磁通恒定時，電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的q軸分量成正比，通過控制定子電流的q軸分量就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩。這樣由定子電流d軸分量控制轉(zhuǎn)子磁通，q軸分量控制轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)了系統(tǒng)的完全解耦控制，形成經(jīng)過SVPWM逆變調(diào)制信號，將期望電壓矢量值供給逆變器，對異步電機進行供電，一旦控制器的參數(shù)設(shè)定好后，在電機的運行條件不發(fā)生改變的前提下，這個控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應(yīng)性能。但由于電動汽車在行駛過程中道路工況復(fù)雜，且駕駛模式多變，那么電機的自身參數(shù)也隨之改變，如果不對速度控制器的參數(shù)和輸出不進行校正，駕駛性能會變差，所以利用通過脈沖編碼盤獲得的電機速度n反饋值，與經(jīng)過電子差速算法輸入的速度參考量refn和轉(zhuǎn)向信號形成閉環(huán)。同時編碼盤的另一個作用是獲得轉(zhuǎn)子的絕對位置，從而通過磁通觀測環(huán)節(jié)，輸出正確的磁通角以實現(xiàn)精確的PARK逆變換，這樣對輸出進行及時的校正，使真?zhèn)€系統(tǒng)在運行條件發(fā)生變化時，加快動態(tài)響應(yīng)過程。為了抑制干擾對控制誤差的影響，使得閉環(huán)控制系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)中的速度調(diào)節(jié)器采用H魯棒標(biāo)準控制問題的混合靈敏度設(shè)計算法以加強內(nèi)部穩(wěn)定性。采用矢量控制方案的交流異步電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2控制器硬件電路設(shè)計控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)駕駛員根據(jù)由方向盤、驅(qū)動踏板和制動踏板設(shè)定的指令信號，以及車輛當(dāng)前的運行狀態(tài)，即電機轉(zhuǎn)速、蓄電池電壓、電容儲能狀態(tài)等。首先調(diào)節(jié)主回路使其工作于某一特定的狀態(tài)，然后調(diào)節(jié)相應(yīng)功率器件的占空比，使電機電樞電流或者儲能器件的充電功率滿足驅(qū)動或制動踏板設(shè)定的指令值?？刂葡到y(tǒng)硬件部分為以美國德州儀器（TI）公司的TMS320F2812型DSP（數(shù)字信號處理器）芯片為核心的控制電路板和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成，如圖2所示。系統(tǒng)主回路的電壓、電流信號及驅(qū)動和制動踏板位置信號經(jīng)傳感器采集后，通過信號調(diào)理電路由DSP的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換?？刂葡到y(tǒng)的輸出為多路SVPWM信號，電路中采用Avago公司的HCPL-316J門驅(qū)動光電耦合器對SVPWM信號進行處理，經(jīng)光耦隔離處理后接入IGBT的門極。IGBT的故障信號經(jīng)光耦隔離后接入DSP的功率驅(qū)動保護中斷引腳。在主回路進行相應(yīng)的調(diào)整后可用于電機的驅(qū)動和再生制動控制，霍爾傳感器檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置信號經(jīng)信號調(diào)理電路接入DSP的捕獲單元。制動系統(tǒng)由電機和能量儲存器件，即超級電容或者高速飛輪組成。車輛制動時，電機在驅(qū)動控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下工作于發(fā)電機工況，將車輛的部分動能或重力勢能轉(zhuǎn)化為電能經(jīng)過控制儲存在超級電容或飛輪中。這部分能量在車輛加速和爬坡時釋放出來，協(xié)助電池向電機供電，使回收的能量得到再利用。超級電容通過雙向DC/DC連接到直流母線，和電池并聯(lián)通過電機控制器向電機供電。電機控制器在剎車踏板被踩下后，使電機工作于發(fā)電機工況，將回饋能量送至直流母線；雙向DC/DC作為超級電容充放電控制器使用。車輛制動時將直流母線上的電機回饋能量進行電壓變換后向超級電容充電；車輛起動或加速時使電容放電，電容儲存能量經(jīng)電壓變換后送至直流母線，和電池并聯(lián)向電機供電，一方面改善車輛加速性能，另外還可以避免電池大電流放電，延長電池壽命?？刂葡到y(tǒng)外圍電路主要包括PWM輸出與IGBT故障信號輸入光耦隔離電路，主回路電壓、電流信號調(diào)理電路，以及電機轉(zhuǎn)子位置檢測信號調(diào)理電路。3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)軟件設(shè)計采用基于空間磁場定向控制策略，即在速度控制器采用H魯棒標(biāo)準控制問題的混合靈敏度設(shè)計算法，系統(tǒng)q軸、d軸電流環(huán)采用PI控制器。利用TMS320F2812強大的實時算術(shù)運算能力，對異步電機的速度、轉(zhuǎn)矩進行實時控制。系統(tǒng)控制軟件先完成系統(tǒng)的初始化工作，包括DSP的內(nèi)核初始化，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）子模塊的初始化，以及PWM輸出子模塊的初始化和數(shù)字輸入輸出（DIO）子模塊的初始化。系統(tǒng)初始化完成后進入等待定時器周期中斷循環(huán)狀態(tài)?？刂栖浖鞒绦蛉鐖D3所示。圖3控制器主程序流程圖主回路的電壓、電流和車輛的驅(qū)動、制動指令經(jīng)濾波電路輸入到DSP中，在定時器周期中斷服務(wù)子程序中，首先對這些信號進A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波，在控制系統(tǒng)對車輛的運行狀態(tài)做出判斷后，運行相應(yīng)的控制算法，并用控制量，即IGBT的占空比設(shè)置相應(yīng)的PWM模塊及PWM引腳的輸出。中斷處理模塊程序流程圖如圖4所示。4實驗結(jié)果以7.5KW電動汽車用交流異步電機為控制對象，其最大功率15KW、額定電壓72V、額定扭矩為32N.m、最大轉(zhuǎn)速為5600rpm、效率95%，根據(jù)異步電機的技術(shù)指標(biāo)得到在MTS-II電機測試臺架上的測試結(jié)果如表1，電機及其控制器外特性曲線如圖5。將給定目標(biāo)車速cV、方向盤轉(zhuǎn)角信號、剎車信號、電機轉(zhuǎn)速檢測信號、蓄電池電壓、電容儲能狀態(tài)等進行A/D轉(zhuǎn)換的信號輸入到上述設(shè)計的驅(qū)動控制系統(tǒng)中，相應(yīng)交流電機側(cè)得的技術(shù)參數(shù)如電壓為72V、輸入功率為6.6KW，轉(zhuǎn)矩得到11.9N.m、轉(zhuǎn)速為4609rpm、輸出功率為5.7KW、均低于額定值。根據(jù)實驗結(jié)果表明，電動汽車異步電機驅(qū)動控制器具有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定運行性能，較快的轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度、達到預(yù)期的設(shè)計效果。5結(jié)論選擇合適的電動機是提高各類電動汽車性價比的重要因素，因此研發(fā)或完善能同時滿足車輛行駛過程中的各項性能要求，并具有堅固耐用、造價低、效能高等特點的電動機驅(qū)動方式顯得極其重要。本文從選擇合適的交流選擇異步電機，設(shè)計基于矢量控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，采用H魯棒標(biāo)準控制問題的混合靈敏度設(shè)計算法，解決復(fù)雜系統(tǒng)在不確定條件下維持系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性；采用的新型的PWM調(diào)制方式空間電壓矢量（SVPWM）脈寬調(diào)制原理與實現(xiàn)直-交PWM電流源型異步電機變頻器控制器，提高了能量的利用效率；同時采用電子差速控制技術(shù)，解決電動汽車發(fā)展瓶頸中的電機及其控制系統(tǒng)中需要協(xié)調(diào)控制電機差速，實現(xiàn)倒退，轉(zhuǎn)彎等功能。通過以上技術(shù)應(yīng)用與傳統(tǒng)PID控制器相比，非線性方法具有更好的控制效果，改善了電動車運行的穩(wěn)定性和可靠性，而且在制動過程中可以回收更多的能量，提高了整車的能量利用效率，并且再生能源方便地回饋到電動汽車的蓄電池中，實現(xiàn)了能量回收。