基于DSP的電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)樂樂

1、控制與應(yīng)用技術(shù)em ca2007 , 34 ( 12)基于dsp的電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)姚 鵬 , 劉憬奇 , 吳艷紅(上海電器科學(xué)研究所(集團 )有限公司,上海 200063 )摘 要:基于直接轉(zhuǎn)矩控制的方法,研究了電動汽車用永磁同步電機( p msm )直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc )系統(tǒng)中電壓空間矢量選擇原則。提出了控制系統(tǒng)中引入零電壓矢量的方法,同時針對磁鏈處于邊界區(qū)引起的起動困難的問題對開關(guān)表進行了修正。開發(fā)了基于數(shù)字信號處理器(dsp)的電動汽車用pmsm的dtc系統(tǒng),并進行了低速下的試驗研究,取得了較好的控制效果。關(guān)鍵詞:永磁同步電機;電動汽車;直接轉(zhuǎn)矩控制;電壓空間矢量中圖分類號:

2、 u469. 72; tm301 . 2tm341文獻標(biāo)識碼: a文章編號: 167326540 (2007) 1220014204research on d r ive con trol system of electr ic veh icle based on d spyao peng,l iu jing2qi,wu yan2hong(shanghaielectric apparatus research institute(group)co . , l td. , shanghai200063, china)abstract:study on the selecting principl

3、e of space voltage vector based on pmsm directtorque control(dtc)and amethod which use zero voltage vector in steady state are introduced.furthermore, modifyingthe s witch table top revent the startup difficult when the flux is at the rangeof the sect or ispresented . a dtc drive syste m for ev base

4、don dsp is developed .the experimental result of thedtc syste m at low s peed was presented and p roves that the con2trol system can meet the requirement of a drive of ev.key words:permanen t magnetsynchronousm otor( pm s m ) ;electr ic veh icle;d irecttorquecon trol( d tc) ;volt age vector0 引 言電動汽車

5、以其節(jié)能、 少污染成為各國競相發(fā)展的方向 。電動汽車的價格比內(nèi)燃機汽車高,決定了電動汽車的初期投入大、 費用支出多。但是電動汽車的維修保養(yǎng)費用低,隨著使用年限的延長 ,其使用費用會逐漸降低,甚至?xí)陀趦?nèi)燃機汽車的使用成本 1 。高密度 、 高效率 、 寬調(diào)速的車輛牽引電機及其控制系統(tǒng)既是電動汽車的心臟又是電動汽車研制的關(guān)鍵技術(shù)之一,是提高電動汽車的驅(qū)動性能、 行駛里程及可靠性的根本保證。永磁同步電機(p msm)以其體積小、 質(zhì)量輕(其比質(zhì)量為0. 51. 0 kg/ kw ) 、 效率高 、 調(diào)速范圍廣(德國kovo電技術(shù)公司已研制出轉(zhuǎn)速達50 000 r/m in、 功率達1. 5 k w

6、 的無刷電動機) 2 等優(yōu)點尤其適合于電動汽車和電動車組等轉(zhuǎn)動系統(tǒng) ,成為現(xiàn)在的研究與應(yīng)用的熱點。目前國際上先進的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)多采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc )?；赿tc方式的諸多優(yōu)點決定了在電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)中有著非常實用的價值 。將 dtc應(yīng)用于電動汽車用p msm 是全面提高電動汽車性能的又一途徑,但 p msm 的 dtc研究一直比較滯后 3。本文對dtc技術(shù)應(yīng)用于p msm 驅(qū)動控制系統(tǒng)的主要技術(shù)問題進行了研究,包括零電壓矢量在 p msm 的 dtc中的作用 、 電壓空間矢量的選擇原則 、 p msm 頻繁起動等問題,并進行了計算機仿真 、 p msm 驅(qū)動控制系統(tǒng)的

7、研制和試驗研究。1永磁同步電機控制策略近年來 ,英國 、 意大利 、 芬蘭 、 美國 、 日本 、 澳大利亞 、 加拿大等國的學(xué)者在p msm 的 dtc方式下 ,對系統(tǒng)實現(xiàn)弱磁、 磁鏈選擇 、 無傳感器控制、 降低轉(zhuǎn)矩脈動 、 定子電阻辨識等方面進行了初步研究 4。但總的來說,該方面的研究不多,沒有實現(xiàn)實用化的成果。國內(nèi)在該方面的研究很少,目412007, 34 ( 12 )控制與應(yīng)用技術(shù)em ca前只有南京航空航天大學(xué)、 浙江大學(xué) 、 天津大學(xué)等幾家單位剛剛開始相關(guān)的研究。1. 1d tc 理論p msm 的轉(zhuǎn)矩方程如下 5:te= kesr= kesrsin(1)其中 : 電機負(fù)載角;r

8、,s 轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈。定子磁鏈s=(us- rsis)dt(2)由式 (1)可以看出,電磁轉(zhuǎn)矩的大小是由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間的夾角來實現(xiàn)的。若電機上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大,電機負(fù)載角就會自動增大,以便產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩去平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩,保持轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動。由式(2)可以看出,當(dāng)忽略定子電阻壓降時,定子磁鏈?zhǔn)噶宽旤c的運動方向和軌跡平行于相應(yīng)的電壓空間矢量的作用方向,如圖1、圖 2所示 。因此可以通過選擇適當(dāng)?shù)碾妷嚎臻g矢量來調(diào)節(jié)定子磁鏈的幅值、 運動方向與速度,在保證定子磁鏈幅值恒定的同時調(diào)節(jié)負(fù)載角來完成對電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。圖1電壓矢量對定子磁鏈的影響圖2電壓空間矢量分布圖實際的dtc系統(tǒng)中 ,開關(guān)信

9、號是由轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值與反饋值的偏差經(jīng)滯環(huán)比較得到的 ,而轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值是由電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈估算模型計算得到的。1. 2零電壓矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響在 p msm 的 dtc中 ,原則上不適合應(yīng)用零電壓矢量 。因為零電壓矢量在p msm 與異步電機的 dtc中所起作用區(qū)別較大。對于p msm ,電磁轉(zhuǎn)矩基本正比于定、 轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及轉(zhuǎn)矩角。由于磁鏈滯環(huán)的限制,控制過程中的定、 轉(zhuǎn)子磁鏈幅值不變 ,因此 , p msm 的電磁轉(zhuǎn)矩的改變主要靠調(diào)整轉(zhuǎn)矩角大小來獲得。零電壓矢量對電磁轉(zhuǎn)矩的影響較小,為保證必要的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度,電磁轉(zhuǎn)矩的有效調(diào)節(jié)要靠非零電壓矢量迫使定子磁鏈迅速旋轉(zhuǎn)而實現(xiàn)

10、。即轉(zhuǎn)矩角的有效組成部分應(yīng)該是由非零電壓矢量作用所引起。因此 ,在p msm 的dtc中 ,原則上不適合應(yīng)用零電壓矢量 6。然而 ,降低電機與逆變器的功耗對于靠蓄電池供電的電動汽車來說非常重要。逆變器的功耗是 p msm 系統(tǒng)功耗的主要組成部分。對于應(yīng)用非零電壓矢量的p msm的dtc系統(tǒng)來說,在控制過程中的任一時刻總是存在著電流流過開通的功率器件 。這對于降低逆變器的功耗是很不利的。考慮到零電壓矢量在一個控制周期內(nèi)具有使電磁轉(zhuǎn)矩輕微下降的作用,如果幾個控制周期內(nèi)連續(xù)應(yīng)用零電壓矢量,則同樣會達到同非零電壓矢量在一個控制周期內(nèi)同樣效果的電磁轉(zhuǎn)矩降落 7 ?；谏鲜龇治?本文提出了一種適合于電動汽

11、車用p msm 的 dtc的電壓空間矢量選擇策略。當(dāng) p msm 的 dtc 系統(tǒng)處于動態(tài)情況時,僅用 6個非零電壓空間矢量參與調(diào)制; 而墩于穩(wěn)態(tài)下的dtc系統(tǒng) ,應(yīng)用零電壓矢量參與調(diào)制。這樣能夠在保證dtc系統(tǒng)良好動態(tài)性能的同時,有效降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的損耗。根據(jù)式( 3)確定的電壓矢量開關(guān)選擇表如表1所示 。其中 , 和分別為磁鏈與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較控制器的輸出。 = 1對應(yīng)參考磁鏈大于反饋值, t /2)0( | t3e- te|t /2)-1( t3e- te -t /2)(3)表1中區(qū)域 表示定子磁鏈的位置;轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)。51控制與應(yīng)用技術(shù)em ca2007 , 34 ( 12)表1電壓

12、矢量選擇開關(guān)表區(qū)域劃分=1= 1u2u3u4u5u6u1= 0u7u0u7u0u7u0= - 1u6u1u2u3u4u5=0= 1u3u4u5u6u1u2= 0u0u7u0u7u0u7= - 1u1u2u3u4u5u61. 3p m s m 的 d tc 開關(guān)表修正對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的一個重要要求就是滿足電動汽車頻繁起動的特性。而在實際數(shù)字控制系統(tǒng)中 ,磁鏈會經(jīng)常處于分區(qū)邊界處的一個小扇區(qū)內(nèi) ,造成電壓矢量選擇的不確定性。當(dāng)定子磁鏈幅值變化量在區(qū)域邊界上為0 . 5%時 ,輸出電磁轉(zhuǎn)矩變化量可達到10% 8。如果不采用表2對原始開關(guān)表1進行修正, p msm 往往不能正常起動 。為此在分區(qū)邊界

13、上選擇與分區(qū)邊界垂直的電壓矢量,得到表2所示修正表,可使p msm 正常起動 。表2定子磁鏈處于不同邊界時對開關(guān)表的修正3090150210270330= 1或0=1u3u4u5u6u1u2= 0u6u1u2u3u4u52系統(tǒng)仿真良好的動力性是電動汽車的基本要求。電動汽車的動力性決定于其驅(qū)動用電機系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。應(yīng)用 matlab /simulink, 對實施零電壓矢量切換和開關(guān)表修正的dtc系統(tǒng)進行了仿真 ,并和傳統(tǒng)p msm 的 dtc系統(tǒng)進行了動靜態(tài)性能的比較 。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:r= 0 . 151 2 ,ld= 0. 9 mh,lq= 1. 5 mh,f= 0 . 125 2

14、 wb,np=3,b= 0,j= 0 . 08 kg? m2,u= 240 v。仿真結(jié)果如圖 3、 圖 4所示 。由圖3可見 ,電機在1 500 r/m in時 ,應(yīng)用改進后的dtc, p msm 電流和轉(zhuǎn)矩諧波明顯減小,驗證了新的控制方案的可行性和電機系統(tǒng)優(yōu)良的動態(tài)性能 。圖 4為負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0. 05 s時由 5 n ? m( a)傳統(tǒng)dtc的三相電流波形( b)改進后dtc的三相電流波形圖3 不同dtc的p msm三相電流響應(yīng)( a)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形( b)改進后的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形圖4不同控制方式的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)612007, 34 ( 12 )控制與應(yīng)用技術(shù)em ca突變?yōu)? 5 n ? m時的

15、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形,可見修正后轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形明顯好于修改前的波形。3 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)硬件設(shè)計要考慮系統(tǒng)的可靠性、 系統(tǒng)的防護以及電磁兼容?；谏鲜隹刂品桨缚梢砸詳?shù)字信號處理器(dsp) t ms320f2407a 為控制核心。它有很多特點,如采用哈佛結(jié)構(gòu)、 具有專門的硬件乘法器 、 廣泛采用流水線操作等,能在保證系統(tǒng)低成本的同時達到更高性能水平。p msm 驅(qū)動控制系統(tǒng)組成如圖5所示 ,主要包括p msm、 dsp控制模塊 、 逆變驅(qū)動模塊。dsp實現(xiàn)控制算法、 人機界面、 通信 、 速度和轉(zhuǎn)矩的反饋檢測 、 現(xiàn)場參數(shù)存儲等;逆變器驅(qū)動模塊實現(xiàn)電池組供電 、 濾波逆變 、 電流和電壓反饋、 過流保護等

16、 。逆變器采用ip m 模塊 ,其輸出驅(qū)動p msm。ip m 的觸發(fā)信號由dsp控制器給出,再經(jīng)過驅(qū)動提供 。強電和弱電之間通過傳感器或光電耦合器隔離 ,且光電耦合器原邊和驅(qū)動邊采用獨立電源 9。電流傳感器選用lem 公司的 lta 200- s,電壓傳感器選用lv282p 10 ?？赏ㄟ^can總線實現(xiàn)電機驅(qū)動系統(tǒng)與動力總成系統(tǒng)通信。圖5 電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖圖 6所示為應(yīng)用零電壓矢量p msm 的 dtc系統(tǒng)在50 r/m in時的實測波形。其中 ,圖 6 ( a)為電磁轉(zhuǎn)矩波形(曲線2)與定子磁鏈波形, (曲線1) ;圖 6( b)分別為定子磁鏈分量、 的波形 ;圖 6 ( c)中包

17、括a、 b兩相電流波形。從圖 6 (a)中的試驗波形可見,電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈均被限定在了小范圍內(nèi)波動;由圖6( b)中的試驗波形可以看出,正交的定子磁鏈分量、按正弦規(guī)律波動,說明定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E為很好的圓形,這對于降低轉(zhuǎn)矩波動和系統(tǒng)損耗都是非常有益的 。( a)定子磁鏈 s與電磁轉(zhuǎn)矩te m(b)定子磁鏈分量、 ( c)相電流ia、ib圖6改進的dtc系統(tǒng)50 r/m in穩(wěn)態(tài)運行實測波形4 結(jié) 語良好的動態(tài)性能對于提高電動汽車的動力性是非常必要的。采用p msm 的電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下應(yīng)用零電壓矢量而在動態(tài)下應(yīng)用非零電壓矢量進行切換的電壓空間矢量控制方法 ,能夠在保證dtc系統(tǒng)良好動

18、態(tài)性能的同時,(下轉(zhuǎn)第39頁 )712007, 34 ( 12 )變頻與調(diào)速em ca4 結(jié) 語lc濾波器濾波時間常數(shù)取決于變頻器的載波頻率 。時間常數(shù)過大,會增大濾波器的體積及成本 ,還會使濾波器空載輸出電壓過高,甚至超過額定電壓;時間常數(shù)過小,可能導(dǎo)致諧波放大,甚至諧振 。選擇電容器時,電容器的額定電流必須留有足夠的裕量。電抗器的電感系數(shù)的選擇,必須考慮基波壓降,保證工頻情況下電動機的電壓質(zhì)量 ,且留有裕量 。電抗器宜采用空心電抗器,繞組電流密度應(yīng)考慮漏磁通在繞組中產(chǎn)生的渦流。【參 考 文 獻 】 1 張皓,續(xù)明進,楊梅.高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)m .北京:機械工業(yè)出版社, 2006.

19、2 林輝,王輝.電力電子技術(shù)m.武漢:武漢理工大學(xué)出版社, 2002. 3 三墾力達電氣(江陰)有限公司. samco2vm05使用說明書 g.2006. 4 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償m .北京:機械工業(yè)出版社, 2002.收稿日期: 2007211209(上接第17頁 )有效降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的損耗。 dtc開關(guān)表的修正 ,有效地改進了p msm 的起動性能。計算機仿真和試驗結(jié)果都表明,所提出的改進的dtc是可行的 ,對電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的參考價值?！緟?考 文 獻 】 1 曹秉剛,張傳偉.電動汽車技術(shù)進展和發(fā)展趨勢 j .西安交通大學(xué)學(xué)報, 2004, 38

20、 (1) : 125. 2 changc c, chank t.anadvanced permanentmagnet motor drive system for battery2powered electricvehicles j .ieee trans on vehiculartechnology,1996, 45 (1) : 1802188. 3 rahmanmf, zhong l.voltage s witchingtablesfor dtccontrolledinterior permanent magnet motor c / /annualconference of the ieeeindustriale2lectronics society, 1999: 144521451. 4 徐艷平.永 磁 同 步電 機 的 直 接 轉(zhuǎn) 矩 控 制 的 研 究 j .電力電子技術(shù), 2003, 37 (3) : 15217. 5 唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設(shè)計m.北京:機械工業(yè)出版社, 1997. 6 zhong l,rahman m f