1、基于 ! #的電動汽車輪轂電機控制器設計傅周興 ! 王秋妍 ! 蘆剛 (! #西安科技大學電控學院 $! %& #西北工業(yè)大學機電學院 $! %$ 摘要介紹了電動汽車用永磁無刷直流輪轂型電機的數(shù)字控制系統(tǒng),提出了一種基于 ( *的高效永磁輪轂電機控制器設計,其核心控制算法采用數(shù)字 *+運算。采用 ( *+, -%. /%! %,不 僅簡化了系統(tǒng)的外圍設備,降低了系統(tǒng)的功耗,而且提高了系統(tǒng)的準確性和實時性,具有較高的 應用價值。關鍵詞電動汽車 ( *控制器 01(, 2$引言隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展, 稱之為綠色環(huán)保汽 車的電動汽車,因其具有零排放污染、節(jié)約石油資 源等優(yōu)點,越來越受到重視,并成為

2、 ! 世紀的重 要交通工具。研究效率高、響應快、調速范圍廣、 安全可靠的電動汽車驅動系統(tǒng)已成為必然。電動汽 車的關鍵技術有四方面:電池技術、電機驅動及控制技術、電 動 汽 車 整 車 技 術、能 量 管 理 技 術 ! 。 電機驅動及控制系統(tǒng)作為電動汽車驅動系統(tǒng)的核心 部分,它的性能直接影響電動汽車的性能指標。本 文根據(jù)課題研究實踐,進行了電動汽車用輪轂電機 控制器的軟硬件設計。%控制方案控制系統(tǒng)主要由控制電路、霍爾位置傳感器、 電流傳感器、驅動電路、功率逆變電路、直流永磁 無刷電機以及 , 34總線通信接口組成,整個系統(tǒng) 具有體積小、結構簡單緊湊、效率高、響應快等特 點。其系統(tǒng)原理框圖如圖

3、! 所示。控制電路的核心采用 25678695:公司的 ! /位定 點電機調速專用 ( *芯片 ( *+, -%. /%! %。該芯片 采用 ! /位 (數(shù)據(jù)改良的哈佛結構,具有專門的 硬件乘法器,采用流水線操作,有卓越的數(shù)據(jù)處理 能力,可進行高速數(shù)字信號處理;支持 ; 路 *將檢 測到的電機霍爾位置傳感器信號,作為相導通的控 制信號,并由 , *解算出電機轉速。當 , *接收 到外部速度控制指令時, , *將根據(jù)輸入的給定 轉速和實際轉速,產生一系列占空比變化的 *2脈沖信號,控制功率開關的導通和關斷時間,實現(xiàn) 對直流無刷電機的速度閉環(huán)調節(jié),使系統(tǒng)具有較好 的動態(tài)和靜態(tài)性能。在系統(tǒng)的運行過程

4、中,過流保護電路,可防止 輪轂電機繞組電流過載而造成損壞。驅動保護電路 檢測系統(tǒng)的當前運行狀態(tài),如果系統(tǒng)中出現(xiàn)故障, 可通過故障保護電路,封鎖 *2的輸出。系統(tǒng)中 , 34總線通信接口模塊,更適合電動汽車的通信 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! #年第 ! $卷第 $期 電機技術 在系統(tǒng)設計時,還要合理進行軟硬件的分工, 以達到系統(tǒng)最優(yōu)性能 ! 。! 調速系統(tǒng)硬件設計! #$

5、%& (電機驅動電路原理圖驅動電路如圖 ! 所示。驅動芯片選用安捷倫公 司生產的門極驅動光耦合器 #$% & ( ,其內部 集成集電極 *發(fā)射極 !#+(對于 , -. /+0而言是 ! 1. 飽和壓降檢測電路及故障狀態(tài)反饋電路、兼 容 #, -. /00%電平、光隔離、耐高壓 (最大電壓 可達 ! 223 、 “ 軟”關斷等特點,同時還提供電 源欠電壓保護、過電流保護等保護功能。本設計采 用雙極性驅動方式,使電機在四個象限上工作,而 且雙極性驅動更適用于要求伺服性能好、頻繁并迅 速實現(xiàn)電機正反轉的場合 ( 如電動車 。圖 ! 驅動電路功 率 管 采 用 4$0公 司 的 功 率 開 關 管

6、4$0! 2, ! ! %35,它是一種新型高壓 6溝道增強 型 , -. /+0,具有開關響應迅速 (最長 (278 , 漏電流小 (9 2274等特點,關斷時耐壓 ! 1. . 為 ! 223,導通電流 1可達 224。電樞繞組與功率變換電路連接形式采用星形三相六狀態(tài)形式,功率 開關管由六個功率場效應晶體管組成, 5#吸收電 路,可避免電壓和電流浪涌,起到抑制干擾、防止 誤觸發(fā)等作用 &。! 電流檢測電路霍爾電流傳感器用于檢測主回路上的電流,其 輸出信號經(jīng)過 #$:的 41#轉換單元,變?yōu)閿?shù)字信 號。在 $;, 中斷程序中,讀入電流檢測值,并與 給定的電流參考電流值比較從而控制 $;, 斬

7、波寬 度。同時,當電流檢測值超過所允許的最大值時, 啟動過流保護程序,封鎖所有的驅動信號,直到故 障解除為止。 需要三個電流傳感器,本文采用一個電流霍爾傳感 器 (見圖 ,放置在直流側,檢測直流端電流, 也完成了控制要求 、 $#,且每隔 &2? 安裝一個。它有 兩個作用,一是用來控制電機換向,二是用來計算 電機轉過的角度,即電機轉速。霍爾位置傳感器的輸出直接與 1. $的電平變 化通知端口相連。電機在正常運轉的時候,傳感器 輸出 &個脈寬為 2? 電角度、依次滯后 ! 2? 電角 度、占空比為 A 2B 的高低電平波形,轉子位置信 號波形如圖 &所示。圖 &轉子位置信號波形由于霍爾位置傳感器

8、相差 ! 2? 電角度,對其 中任一位置傳感器而言,電機每轉能產生 #個方 波脈沖 (#為電機極對數(shù) ,方波脈沖的頻率正比 于電機轉速 A 。轉子每轉動半周從傳感器中可以 得到 (個換向信號,每兩個換相信號依次相差 &2? 機械角度。通過計算兩個檢測信號之間的時差就可 以計算出電機的速度 ($%&(2(&式中, $為電機轉速, F /G H 7; ! ! 為位置傳感器相鄰兩個跳沿間夾角 (? ; C D E為時鐘頻率, I ; 為兩個跳沿間的計數(shù)值。! * +, 總線接口電路#46總線接口電路如圖 所示。控制芯片有 * + 個 ! 位的外設模塊,片上 #$%控制器與 #$%物 理 總 線 的

9、接 口 采 用 &#$ (#( *驅 動 芯 片。 &#$ (#( *采用阻抗為 ! (*! 雙絞線作通信介質, 信號采用差動發(fā)送和差動接收,其最高通信速率可 以達到 ! +, -. /。為了增強抗干擾能力,在 01&與 &#$ (#( *之間加高速光電耦合器件。實踐證明 #$%總線通行可以提高通信的速率和準確性,從 而提高電動汽車驅動裝置的控制性能。 圖 2#$%總線接口電路 ! 軟件設計控制軟件分為兩部分:主程序和中斷服務程 序。主程序在完成初始化后進入循環(huán),等待中斷發(fā) 生。其中初始化程序主要完成 01&硬件及軟件變 量的初始化, 使能中斷的功能,初始化程序僅在系 統(tǒng)復位及程序開始時執(zhí)行一

10、次;中斷服務程序根據(jù) 控制對象的不同和算法的不同,由電流及轉速檢測 信號處理、 &3+信號產生及故障保護等多個功能 模塊構成。本設計中,故障保護中斷優(yōu)先級最高, &3+信號中斷程序優(yōu)先級次之,且為頻發(fā)中斷。控制軟件主程序和 &3+中斷子程序流程圖如 圖 所示。 實驗及測試結果實驗對象為一臺額定功率 4*3的輪轂電機, 其額定轉矩為 5 % 6,額定轉速為 *7/6-8,額 定電壓為 0#9 :,電機轉子磁極數(shù)是 對極。實 驗測試最高車速可達 9 ; 6/1? A 開通,母線電流和繞組 電流上升,且二者斜率一致; (階段 +1? A 關 斷,電 流 下 降,由 于 +1? A 續(xù) 流 二 極 管

11、 的 存 在,母線電流反向。圖 , 中,信號 ! 是 &3+波形,信號 (是 :01#$平時, ! #$%&導通, (#近似為零;當 *!為低電平時, ! #$%&關斷, (#的電壓為電池組供 電電壓。! 結束語該方案充分利用了 (# +, -. $/. 0. 芯片的高速 計算功能和豐富的片內外設單元,使伺服調速系統(tǒng) 結構簡單、可靠性高、調速性能良好。電動汽車驅 動系統(tǒng)要求滿足動態(tài)響應快、結構簡單、起動轉矩 大,從實驗結果可以看出此方案是可行的。同時, 該系統(tǒng)還可以通過 , 12總線通信接口組建一個局 域控制網(wǎng)絡,實現(xiàn)復雜的控制。參考文獻0湯雙清,廖道訓,吳正佳 3電動汽車的核心技術及發(fā) 展展

12、望 45機械科學與技術, 6. . -, 66(6 :078 96:36李永東 3交流電機數(shù)字控制系統(tǒng) ! 5北京:機械 工業(yè)出版社, 6. . 6, 0. 790063-梁克宇 3幾種大功率 ; & 吸收電路的比較 45電力電子技術, 088/(: :79/. 3:葛英輝,李春生,倪光正 3微型電動車用輪轂電機控 制系統(tǒng)的研究 45中小型電機, 6. . -, -. (6 3 張琛 3直流無刷電動機原理及應用 ! 5北京:機械 工業(yè)出版社, 6. . :3/尹衍晨,范瑜 3基于 (# 的永磁無刷直流電機控制 器設計 45微電機, 6. . ? AB A C D E F G H I J #K

13、D A K D A L&D K M A I N I O H 9:$, -*; , 1L O G N K I A G E I N F H F G D PI J Q D E P A D A G P O A D G R E S F M T N D F F (, D N D K G E I P I G I E A D N D K G E K C D M K N D F F A G E I L S K D L , G M D K I A T G E I N F H F G D PI JU V (, ! R F D LI A(# +, -. $/. 0. F Q E I Q I F D L 5 &M D

14、(# F S F D L A J D W D E D X G D E A N K I P Q I A D A G F A L N I W D E F H F G D P K I F G , A L P Q E I C D FC D E K G H A LE D N G P DI J(, P I G I E , A L D F H G I R D Q Q N D L 5(-7$D N D K G E K C D M K N D F (# K I A G E I N U V (, !收稿日期:! 6. . /. 807(上接第 D L G D K M A S D I J M E P I A K D

15、 N P A G I A A L C I N G O DK I A G E I NA G M H E F G I EA C D E G D E : Q E G 0T C I N G O D K I A G E I N G D K M A S D F 45+%T +1, 08:, 0. ( :/9/-36佟為明,陳向陽,等 3變頻電源特定消諧技術中非線 性方 程 組 解 法 的 研 究 45中 國 電 機 工 程 學 報, 0887, 07( :-9-/. 3-費萬民,呂征宇,姚文熙 3多電平逆變器特定諧波消 除脈寬調制方法的仿真研究 45中國電機工程學 報, 6. . :, 6:(0 :0.

16、690. /3:黃瀚,紀延超,張輝,等 3優(yōu)化特定消諧 *!技術 45中國電機工程學報, 088, 0( :-:9-:3胡永恒,佟為明,等 3特定消諧 *!技術中非線性 方程組解法的研究 45現(xiàn)代電源技術應用, 6. . 0, 8(0 :0-/90:03/張文義,楊樂民,佟為明,等 3特定消諧式變頻器的研 究 45電力電子技術, 6. . 6(7 :-9%, ; 39 &. #$ (-83#, * *+(U D A O %N D K G E K I W D E (D F O A +A F G G S G D 9:$, -*; , &M DP G M D P G K NP I L D N I J

17、 #Y %RF D L I A G M DP I F G O D A D E N G M E D D 9Q M F D M N J R E L O D C I N G O D F I S E K D A C D E G D E F F G S L T D L 5(S DG IG M DL J J K S N G H I JK N K S N G A O F W G K M A O A O N D F , P D G M I L G I#Y %KM I I F D A G N C N S D F Q E D F D A G D L 5&M D E D F S N G F C N L G D G M DP D G M I L K A E D N D J F G K I A C D E O D A K D A L F M I WG M D I C D EP I L S N G I A K M E K G D E I J #Y %5&M D F P S N G I A G I #Y %C D E T J D F G