（电工理论与新技术专业论文）微型电动汽车驱动控制系统研究.pdf

微型电动汽车驱动控制系统研究 a b s t r a c t t or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dd e c r e a s et h eh a z a r d o u st a i l p i p ee m i s s i o n ， s i g n i f i c a n te f f o r t sh a v eb e e na c c u m u l a t e dg l o b a l l yt op u s ht h ee l e c t r i cv e h i c l e ( e v ) a n d h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) p r o g r a m i n t o m a s s - p r o d u c t i o n s t a g e s c o n s e q u e n t l y , i ti se x p e c t e dt h a tt h ei n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ep o w e r e dv e h i c l e sw i l l e v e n t u a l l yb er 印l a c e db ye l e c t r i co n e s t h et h e s i si sf o c m e do nt h es t u d yo ft h ep e r m a n e n tm a g n e tb r a s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) d r i v ew i t ha p p l i c a t i o nt oe l e c t r i c a lv e h i c l e s t h em a i nw o r ki st h ed e s i g n o f ah i 曲p e r f o r m a n c ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nat m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s e f i r s t l y ，b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v er e v i e wo ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n t r o l m e t h o d so fb l d c m ，t h eo p e r a t i n gs t a t e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e so fab l d c mw i t h a p p l i c a t i o n si ne va r ep r o p o s e dw i t hr e s p e c t t op o w e re l e c t r o n i c s ，e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , m i c r oe l e c t r i ct e c h n o l o g y , s p e c i a li n t e g r a t e dc h i p sa n dt h et h e o r yo f m o t o rc o n t r o lt h e o r y t h ev e l o c i t y c l o s e d l o o p c o n t r o l s y s t e m f o rab l d c mb a s e do nd s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 7i st h e nd e s i g n e d t h i r d l y , t h ep e r f o r m a n c e so ft h ec o n t r o ls y s t e ma r e n u m e r i c a l l ys t u d i e db yu s i n gs i m u l i n k f i n a l l y ，t h ed e s i g n e dc o n t r o ls y s t e mi s e x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d o i lap r o t o t y p em o t o r b o t hn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n t sw i t h e a c ho t h e r , w h i c hp o s i t i v e l yc o n f i r m st h e f e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo f t h ep r o p o s e dc o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o rs p e e dr e g u l a t i o n c a nb u sr o t o rp o s i t i o nm e a s u r e m e n t 2 p w mm a i l a bs i m u l i n k p h a s ec u r r e n tm e a s u r e m e n t 微型电动汽车驱动控制系统研究 第一章绪论 1 1 课题背景及选题意义 目前，全世界汽车石油消耗量占世界石油消耗量的一半以上，而石油资源仅 能供人类使用4 3 年左右，换句话说，不到2 1 世纪中叶，燃油汽车的时代即将终 止。 以石油产品为燃料的汽车是最主要的现代交通运输工具，它给人们带来方便 和快捷交通的同时，也带来了无法回避的社会问题。根据上世纪七八十年代美国、 日本对城市空气污染源的调查，城市空气中9 0 以上的一氧化碳、6 0 以上的碳 氢化合物和3 0 以上的氮氧化合物均来自汽车排放出的气体”。汽车排放污染已 成为世界性公害。 大气环境是人类赖以生存的可贵资源。我们迫切需要寻求一种低排放和节约 能源的交通工具，显然，开发电动汽车是解决这问题的有效途径之一。目前解 决环境污染问题的汽车技术主要有三类：替代燃料车、电动汽车和燃料电池车。 电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，简称e v ) 具有电力驱动，无排放( 或低排放) 、 噪声低、能量转化效率高等特点。电动汽车较内燃机汽车结构简单，机械传动部 件少，维修保养工作量小，且电动汽车易于操控。但是，目前电动汽车尚不如内 燃机汽车技术完善，主要原因是动力电源( 电池) 的寿命短，使用成本高。此外， 电池的储能容量低，一次充电后行驶里程不理想，并且电动车的价格也较贵等。 但从发展的角度看，随着科技的进步，电动汽车目前存在的问题将会逐步得到解 决，其价格和使用成本必然会降低，价廉物美的电动汽车发展与应用前景令人瞩 目。 本课题针对电动车与传统燃油汽车的不同技术特征，以及两轮驱动与单动力 源驱动的不同机理，结合传统汽车理论和先进的牵引控制理论，并考虑两轮独立 驱动方式和永磁无刷直流电机的特点，开发了一种新型的全数字速度闭环控制调 速的电动车电控制系统，其中驱动系统的控制是面向应用需求的关键技术的核心 组成部分。研究中采用两个轮毂电机分别独立控制的驱动模式，因而，整车的控 制量在控制算法中被分解，形成对两个驱动轮的控制量，控制两个驱动轮的运转， 微型电动汽1 | = 驱动控制系统研究 从而实现对整车的控制。两轮驱动的电动汽车以其优越的性能和广阔的发展前景 成为本课题跟踪e v 发展，立项研究的依据。 1 2 国内外电动汽车发展态势 1 2 1 国外发展概况 上世纪8 0 年代以来，电动汽车的研制热潮在全世界范围内再度兴起，其中 在欧洲、北美和日本等部分国家电动汽车研发的水平较高、发展较快，如法国标 志、雪铁龙，德国b w m 、b e n z ，美国的三大汽车公司，日本的本田、丰田和 日产等，正逐步由样车试制向小批量商业化生产的方向发展p 1 。 美国能源部与其三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了混合动力电动汽车( h e v ) 开发合同，启动了下一代汽车合作伙伴( p n g v ) 项目，迄今己开发出多种形式的 电动汽车，例如克菜斯勒的e s x 3 、福特的p r o d i g y2 0 0 0 、通用的p l e c e p t 和b e n z 等。p n g v 项目在h e v 性能仿真、汽车集成动力模块等技术领域方面取得了显 著成果。 欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的电动汽车，法国p s a 集 团先后推出了贝灵格型和x s a r a 型电动汽车，德国的b o s c h 等著名的零部件 公司也积极与大汽车公司联手开发电动汽车技术。 闩本丰田汽车公司于1 9 9 7 年1 2 月宣布将混合动力电动轿车“p r i u s ”投入 小批量商业化生产，据丰田统计，截止到2 0 0 2 年3 月底，丰田汽车公司生产的 混合动力电动汽车在日本国内和海外的累计销量已经分别突破了1 0 万3 千辆和 l o 万辆。1 9 9 6 年9 月日本本田公司宣称，使用m h - n i 电池驱动的电动汽车己 可作为商品车试销，在同年1 2 月北京国际电动汽车展览会上，展出了m h - n i 电池电动汽车r a v 4 e v ，乘员4 人，电池质量比能量为6 4 w h k g 。电池容量1 0 0 a h ， 电池总质量4 5 0 k g ，一次充电行驶距离2 1 5 k m ，最高时速1 2 5 k m h 。本田公司还 推出了低公害混合动力电动汽车“思域”( c i v i ch y b r i d ) 。该车提高了相关的 应用技术，利用电力发动机来补充汽油发动机，平均每升汽油能够行驶2 9 公里。 另外，本田以2 0 0 3 年投入市场为目标，开发出了新型燃料电池车。新开发的燃 料电池车进行了公路运行实验，续驶里程提高到3 0 0 公旱，最高时速为1 4 0 公罩， 微型电动汽车驱动控制系统研究 己经接近适合市场销售的车型。 专家普遍评价的结论是：电动汽车是2 1 世纪初汽车产业界的一场革命，只 有电动汽车才能满足新世纪初对汽车的环保与节能要求。 1 2 2 国内发展现状 在国内，“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技攻关项目 4 1 。在清 华大学的组织下，研制出7 辆1 6 座电动轻型客车；“九五”期间，东风汽车公司 承担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设汁”的整车( b f ) 研制工 作。“九五”末期，我国在电动汽车的三大关键技术领域( 电池、电机、电控系统) 取得突破。科技部己将电动汽车产业化列为“十五”国家8 6 3 重大科技攻关项目， “十五”期间，国家投入近1 0 亿元来支持电动汽车的前瞻性研究。该项目的目 标是：“三纵三横和三个关键技术”，具体三纵是指：同时丌发三种动力能源的电 动汽车，即混合型、纯电动型和燃料电池型。三横是指：同时开发电动大巴和纯 电动轿车。而“三纵三横的交叉，可以派生出多种电动车型，如混合式大巴、中 巴和小轿车：燃料电池大巴、中巴和小轿车；以及纯电动大巴、中巴和小轿车等。 三个关键技术是：动力蓄电池、电机驱动系统和能源管理系统。 在“九五”科技攻关计划的推动下，我国已开发出多种电控发动机，在电机 控制方面取得了重大进展，同时，电池管理系统的研究也取得了一定的进展。目 前，在车型开发方面，北方车辆厂和北京理工大学在尼奥普兰的底盘上开发大客 车：一汽和东风在各自原有的底盘上开发混合动力公共汽车和大型客车；上汽奇 瑞和上海交大、天津汽车和中国汽车工业研究所负责纯电动轿车开发：东风电动 汽车公司负责开发混合动力轿车；燃料电池客车由清华和北京客车总厂合作研 究；燃料电池轿车则由上汽集团、同济大学及信息产业部电机研究所等单位共同 投资成立的一家新公司承担。 电池、电机和电控系统一直是制约电动汽车大规模进入市场的关键因素，是 电动汽车发展的三大难题f 5 】。 在电机与电控系统方面，进展比较快的有：华中科技大学开发的全数字化歼 关磁阻电机、中船7 1 2 所开发的永磁无刷电机、中国科学院北京三环通用电气公 司丌发的电动汽车专用的7 5 千瓦轮毂电机等。目前，世界上众多电动汽车研发 微型电动汽车驱动控制系统研究 成果中，多数采用感应电机交流驱动系统，但永磁同步电机作为一类高性能电机， 也是电动汽车电机的发展方向之一。 上海燃料电池汽车动力系统公司和同济大学新能源汽车工程中心于2 0 0 2 年 5 月试制成功了一辆四轮驱动微型汽车功能模型车。该车将电机驱动、制动、测 速、悬架集成于四个相同的独立模块，采用国产燃料电池发动机、轮毂电机和锂 离子电池，并自行开发了整车控制策略及其相应的软、硬件，实现了转速闭环控 制和电子差速。在此基础上，该公司还将自行开发集驱动、制动、测速、转向为 一体的电动轮驱动模块，独立悬架和整车中央控制块，并形成可配置电池驱动、 电池一发动机和电池一燃料电池混合驱动的微型电动汽车。 总之，从国内来看，进入电动汽车行业的相关企业和科研单位已经较多，特 别是在国家8 6 3 计划的指导下，“电动汽车重大专项”在市场和技术分析的基础 上，对电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车和电动车共性技术采取了不同的研 发导向、时段安排、投资策略和推广及产业化措施，这些决策都正在有力地促进 我国电动汽车的发展。 1 。3 电动汽车的关键技术 电动汽车的产业化同燃油汽车相比较，目前仍然有众多的技术问题有待解 决，其中，制约电动汽车的诸多关键性技术尚未取得突破性的进展，在续驶罩程 和性能价格比上与燃油汽车依然有很大的差距。下面按技术紧迫性展列各项技 术： ( 1 ) 电池与充电技术 目i i i 在功率密度和能量密度上，动力电池作为电动汽车的动力源还远远落后 于燃油汽车动力源的应用水平“1 ，这是制约电动汽车实用化的首要技术难题，也 是电动汽车市场化的关键。至今在循环寿命、体积、保养、价格等技术指标上， 当前可用的充电电池尚难完全满足要求。所以只有电池技术得到了突破，电动汽 车才将真正实现大众化。 f 2 ) 电动机与控制技术 电动机是电动汽车驱动的关键部件，其重要性仅次于电池。它将电能转变为 机械能，并通过传动系统将驱动力传递到车轮，克服空气阻力、滚动阻力和加速 4 微型电动汽车驱动控制系统研究 阻力等而前进。电动机的控制技术决定了电机的运行控制和整车的运行性能。这 一方面己经有了长足进展，但由于电动汽车用途的多样性，其相应的控制策略也 需多种方式，所以仍将是继续研究的焦点所在。 ( 3 ) 电源管理与控制技术 由于电池系统的复杂性必须进行各种管理与控制t 7 1 包括充放电控制与管 理、容量检测、电池组管理( 电池组电压电流检测、容量平衡、电池性能甄别、 坏电池剔除、电池系统故障定位等) 、再生制动能量的回收控制和再分配。显然， 为实现高水平的能量利用，就必须实时地监测电池系统内以及主电源与辅助电源 之间的能量转移，能够平滑瞬间电流冲击，自主检测与显示各电源系统的剩余电 量、门限预警( 充放电电压和电流、充放电终止条件、剩余容量告警等) 、剩余 罩程显示等。应指出，同步于电动汽车的电池应用技术水平的发展，目前电池管 理与控制技术的研究尚处于起步发展的阶段。 1 4 本课题的主要研究工作 鉴于我国电动汽车电机驱动系统的发展现状，自主研发高性能电动汽车驱动 控制系统具有现实的工程意义和重要的应用研究价值。本文以永磁无刷直流电机 ( b l d c m ) 为基础，面向两轮驱动的微型电动汽车的应用需求，初步设计并开 发一套基于d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的双轮毂电机驱动控制系统。 车辆控制系统是车辆的运行核心，相比于传统的燃油汽车，电动汽车的电机 驱动的控制响应快、精度高，尤其对于轮式驱动电动车，每个驱动轮的驱动转矩 可以单独控制。这样，传统车辆上的先进控制系统的功能均可以付之实现，且其 控制装置具有低成本、高性能等独特优势。因此，本课题围绕电驱动控制系统的 构造进行了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 无刷直流电动机的机械特性以及控制方式的研究 首先，针对本课题的研究对象一轮毂式无刷直流电机，对其机械特性及其控 制方式进行了深入的研究，其中，介绍和比较了可供电动汽车应用的各类电机和 各自的特性，并对几种常用的控制策略进行了比较，从而为电驱动控制系统的设 计铺填必要的知识和技术基础。 ( 2 ) 基于c a n 总线的串行通讯系统和电池管理系统的设计 微型电动汽车驱动控制系统研究 鉴于现代汽车上的电子装置越来越多，电动汽车电子控制系统的动态信息必 须具有实时性，且各子系统需要实时共享相关的控制信息。这些因素都决定了电 动汽车必须采用基于c a n 网络的整车通讯控制，本文在构建基于d s p 的电驱动 控制系统的c a n 总线通讯控制的同时，也对涉及电动汽车整车通讯控制的c a n 总线设计进行了探讨。 电动汽车的品位离不开高性能的电池，随着电池应用技术及其在电动汽车实 用技术的迅速发展，为确保其向电驱系统供电的可靠性，就必须把电池系统的管 理和检测提高到一个极其重要的地位，本文以锌空气燃料电池为背景，给出了电 池检测方案。 ( 3 ) 基于d s p 的轮毅电机闭环调速系统的设计与仿真 电动汽车的关键技术之一是电机的运行控制，本文主要研究用于电动汽车的 无刷直流电机控制系统的组成、工作原理、控制方法及其数字化控制的实现。其 中，在电机控制的稳定性、抗干扰性等性能的设计中，以速度闭环控制为主要研 究方向，在分析无刷直流电机数学模型的基础上，运用m a t l a b s i m u li n k 中的诸 多功能模块，搭建了无刷直流电机的闭环控制系统仿真模型，实施速度闭环的仿 真控制实验。在此研究基础上，进而运用d s p 强大的运算功能实现对轮毂驱动 电机的实时控制，从而构建了对整车运动的有效控制。无刷直流电机速度闭环控 制的仿真研究与实验进行了对比和验证，其结果证明了本仿真研究的有效性和实 用性，为改进电机驱动控制系统的设计并为调试提供了理论依据，同时节约了开 发成本，可有效地缩短开发周期。 微型电动汽车驱动控制系统研究 第二章电动汽车电机驱动系统概述 电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全 法规各项要求的车辆。它是涉及机械、电力、电子、电化学和计算机控制等多种 学科的高科技产品。电动汽车的关键技术包括蓄电池技术及电池管理系统、车体 技术、电机及其驱动控制系统等。电动汽车是由车体、电机驱动系统、储能电池 和能量管理系统等组成的一类新型运载车辆，其中电机驱动系统是最关键的部件 之一。 电动汽车电机驱动系统由牵引电机、控制系统( 包括电机驱动器、控制器及 传感器) 、机械减速及传动装黄、车轮等构成。控制系统接收加速踏板( 相当于燃 油车的油门) 、刹车、停车、前进、倒车、空挡和转向盘的输出信号，经过信号 处理，输入到电机驱动器，控制驱动电机转速和转矩，再通过机械传动装鼍，驱 动车轮。 2 1 应用于电动汽车的各类电机性能比较 表2 1 给出了应用于电动汽车的电机驱动系统中各种驱动电机的性能比较。 表2 1 驱动电机性能比较 直流电机交流电机永磁同步电机 开关磁阻电 机 ( d m )( i m )( b l d c m 、p m s m ) ( s r m ) 控制简单，采用电结构简单、造价体积相对较小，重结构简单、牢 压控制，不需检测低廉，可高速运量较轻，功率密度固。效率高， 优磁极位置，小容量 行。调速范围 大。低速输出转矩起动转矩大， 点系统造价低 大，转动惯量 大，效率高，维护价格低，免维 小，维护简单，简单护 技术成熟 有整流电刷，结构 控制复杂，容量 高速运行控制较噪音人，输出 复杂，不适合高速、小时效率降低，i m 复杂，需检测转 转矩脉动人 缺 大转矩运行，效率制动困难子磁极位置，永磁 低，环境适应性差，体有退磁问题，造 点 维护难，容量增大 价较高 造价人幅增加，且 制造困难 微型电动汽车驱动控制系统研究 从各驱动电机性能特点看，直流电机驱动系统由于其控制简单，动态性能好， 上世纪7 0 年代就已经实用化删( j o l 。对永磁电机而言，它具有较高的功率密度。 以永磁同步电机( 含无刷直流电机( b l d c m ) 和三相永磁同步电动机( p m s m ) ) 为驱动电机构成的驱动系统称为永磁交流驱动系统。它与直流电机和异步电机驱 动系统相比，是效率最高，体积最小，重量最轻，且无需维护的驱动系统，在 e v 中也已得到了一定的应用。但该驱动系统目前尚存在成本太高的缺点，而且 在可靠性和使用寿命等指标上也比交流电机驱动系统差。同时，大功率的p m s m 和b l d c m 的优化设计与制造，尚存在一定的技术难度。 然而，永磁无刷直流电机同其它电机相比具有以下明显优点： ( 1 ) 永磁无刷直流电动机没有电刷、而是利用电子换相，故克服了由电刷引 起的一系列技术问题。 ( 2 ) 永磁体安装在转子上、电枢绕组嵌置在定子上，故导热性能好，产生的 热量更容易散发出去，且结构也变得简单。此外，节省了激磁功率，降低了有功 损耗，提高了电机效率。 ( 3 ) 它的效率与转速保持同步关系，不会发生失步、振荡等现象。它的起动、 调速特性类似于直流电机，控制简单。 从发展的角度看，我国是盛产永磁材料的国家，特别是稀土永磁材料，如钕 铁硼等资源非常丰富，因而随着永磁电动机设计制造技术的不断发展和进步，永 磁无刷直流电机的成本行将随之下降。 在电动汽车的发展方向中，两轮独立驱动方式无疑将是一种很有发展前途的 驱动形式，其驱动电机可以分为中轴式和轮毂式两种。中轴式不但对机械设计和 制造工艺要求较高，而且中轴式电机及减速机构所占体积比较大。轮毂电机采用 直接驱动，没有传动机构，结构简单，唯一不足是轮毂电机尺寸受轮胎直径的限 制，但对于小型功率电机来说，轮毂电机仍然是最佳选择。本文研究的电机驱动 系统采用轮毂式永磁无刷直流电机，且以两轮独立驱动方式为其构造模式。 2 。2 永磁无刷直流电机驱动系统的组成环节 永磁无刷直流电动机的驱动系统基本构成包括电动机本体、逆变器( 电子开 关电路1 和转子位置传感器三部分，如图2 1 所示。 微型电动汽车驱动控制系统研究 图2 1 永磁无刷直流电机驱动系统结构框图 当某一相定子绕组通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互 作用而产生电磁转矩，驱动转子旋转。由转子位置传感器将转子磁钢的位置变换 成电信号，控制电子开关电路，使定予各相绕组按一定次序导通，从而，定子相 电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关电路的导通次序与转 了转角的变化同步，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所谓永磁无刷直 流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电动机本体、电子开关电路、 以及转予位置传感器三者组成的“电动机系统”。 2 2 1 电动机本体 永磁无刷直流电动机在结构上与稀土永磁同步电动机相似，但是没有笼形绕 组和其它起动装黄。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相不等) ，转子由 永磁体按定极对数( p ；1 、2 、) 组成。电动机转子的永磁体磁钢与永磁有刷电 动机中所使用的永久磁钢作用相似，均是在电动机的气隙中建立所需的气隙磁 场，其不同之处在于无刷直流电动机中永久磁钢安装在转子上，而有刷直流电动 机的磁钢安装在定子上。本驱动系统使用的轮毂式永磁无刷直流电机为外转子结 构型式，类似于传统的永磁直流电机，且以方波驱动，具有易于控制的特性。固 定在转子磁轭上的由铷铁硼制成的永久磁钢形成永磁体的磁极，其气隙磁场呈方 波或梯形波分御。其定子绕组结构类似于三相交流电机的整距绕组，三相绕组在 空间上以1 2 0 0 的电角度均匀分布。 本研究样车采用的轮毂电机( 该电机由浙江卧龙集团制造) 额定直流电压为 9 6 v ，额定输出功率为o 9 k w ，极对数为8 ，额定转速为3 6 0 转分。为了减小该 外转子型式的三相永磁无刷直流电机永磁体与定子槽之间磁拉力所产生的磁阻 转矩脉动，定子铁心设计成斜槽( 斜度为一个定子槽的距离) 。该电机每极每相 槽数为3 ，故斜槽效应对应于6 0 0 电角度，由此形成当相电势方向改变时有约6 0 0 9 微型电动汽车驱动控制系统研究 电角度范围的相电势的渐变过程。 2 2 2 功率变换器 在过去几十年里，功率半导体器件技术有了很大的发展【1 2 1 【1 3 1 。这些功率器件 在功率额定值以及性能方面呈现大幅度进展，如晶闸管、g t o 、b j t 、m o s f e t 、 i g b t 、s i t 、s i t h 、m c t 和i p m 等，它们突出的优点是：大电流、低功耗，电 压、电流应用范围宽。 永磁无刷直流电动机的逆变器用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序 和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率 逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配 给电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导 通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号，但位置传感器所产生的信号 一般不能直接用来控制功率逻辑开关单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能控 制逻辑开关单元。 早期的无刷直流电动机的逆变器大多由晶闸管组成，由于其关断需要借助于 反电动势或电流过零，造成换流困难，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器 只能工作在较低频率范围内。随着新型可关断全控型器件的发展，目的，大功率、 低频运行工况下的逆变器大多由g t d 、g t r 器件组成；中小功率的逆变器大多 由功率m o s f e t 或i g b t 构成，具有易于控制、开关频率高、可靠性高等诸多 优点。本文构建的驱动系统采用的是m o s f e t 功率管。其特点是：用栅极电压 来控制漏极电流驱动电路简单，需要的驱动功率小；开关速度快，工作频率高； 热稳定性优于g 1 r ；电流容量小，耐压低。 本系统中，从1 m s 3 2 0 d s p 2 4 0 7 a 芯片中产生的脉宽调制( p w m ) 波形经过 驱动电路i r 2 1 3 0 放大，然后由l r 2 1 3 0 按所要求的馈电顺序控制功率模块 i r f p 2 5 0 ，实现对无刷直流电机相应定子绕组的正确馈电。 2 2 3 转子位置传感器 转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并向控制 器提供位置信号的一种装置。它有直接式和间接式两类。直接式位置传感器，由 微型电动汽车驱动控制系统研究 于其检测精度和可靠性高而被广泛采用。典型的直接式位置传感器有下列几种： ( 1 ) 光电式位置传感器。它是由发光二极管和光敏晶体管等光电元件组成的 电路，利用有槽口的旋转圆盘不同位置的变化进行光路通断控制。这种方法检测 分辨率高，但由于其造价较高，所以适用于高速运转的电动机【1 4 1 。 ( 2 ) 电磁式位置传感器。它是由跟随着电动机转子转动的带缺口的导磁圆盘 和固定不动的三只差动变压器组成。转动圆盘体现转子位置信号，差动变压器作 为检测元件检测转子位置信号并向逆变器的控制电路输出控制信号。这种方法结 构简单、检测可靠，经常采用。 ( 3 ) 磁敏式位置传感器。常见的磁敏式传感器有霍尔元件、霍尔集成电路、 磁敏电阻器及磁敏二极管等多种】【l “，其工作原理是基于半导体材料的电流的磁 效应( 霍尔效应和磁阻效应) 。 在永磁无刷直流电机中，利用转子位置传感器对电机位置进行检测，对输 出信号进行逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各绕组按顺序导通，保 证电机连续工作。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值，精度， 响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性和可靠性等。 本系统采用霍尔元件位置传感器。 霍尔元件位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件， 是利用霍尔效应制成的，当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍 尔电势信号；当霍尔元件不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转 子传感器通常有两种方式，第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖外表面，靠 近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机同轴的永磁体；第二种方式是直 接将霍尔元件敷帖于定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转 子上的稀土磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转 子磁极的位置，并经信号放大处理后驱动逆变器工作。霍尔元件式位置传感器结 构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定的要求，同时霍尔元件的 安置应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。 2 3 无刷直流电机工作原理 一般的直流电机由于电刷的换向，使其定子产生的磁场与电枢绕组通电后产 微型电动汽车驱动控制系统研究 生的磁场在电机运行过程中始终保持相互间的正交性从而产生最大转矩，使电动 机运转。无刷直流电动机( b l d c m ) 的运行原理和有刷直流电动机基本相同， 即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒 定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小相关。b l d c m 的运行还需 要转子位置检测器检测出转子位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接 的各功率开关的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场， 拖动转子旋转。随着转子的旋转，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢的通 电状态使得在同一磁极下的导体中的电流方向不变，因此就可以产生恒定的转矩 使b l d c m 运转起来，系统示意图如图2 | 2 所示。 图2 2 永磁无刷直流电机系统示意图 图2 2 中v f 为逆变器，p s 为位置传感器。控制电路对传感器的检测信号进 行逻辑变换后产生调制p w m 信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关 管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跃变式旋转磁 场。 由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势办为 梯形波，其值与转子磁通和转速成正比。b l d c m 三相电枢绕组的每相电流为1 2 0 0 电角度通电的交流方波，反电动势为1 2 0 0 梯形波。只要控制逆变器各桥臂功率器 件的开关时刻就能满足上述要求，即如图2 3 所示，对应于电机正转运行工况， 当转子每转过6 0 0 电角度时，逆变器各开关管之间就进行一次换流，定子磁状态 微型电动汽车驱动控制系统研究 就改变一次。可见电机有六个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过 电流的时间相当于转子转过1 2 0 0 电角度。每个开关管的导通角为1 2 0 0 ，故该逆变 器为1 2 0 0 导通型。 电角度 0 06 0 01 2 0 018 0 02 4 0 03 0 0 03 6 0 0 b 导通顺序 bca e v 1 v 2 v 3 v 4 v 5 v 6 图2 3 两相导通星型六状态绕组和开关管导通顺序| 墨| 具体的霍尔元件的位置信号，即霍尔电势e 0 、e 。和e 。与换相状念的对应 关系如图2 4 所示。 难j # = 丰4 _ 一= 生耐 牟l 土= 卜_ # 二# = 4 七研 t 仁丰寻二兰卜苷研 正正瓦。瓦墨互正正五五五瓦互 图2 4 正转时霍尔电势状态与换相的对应关系 需要指出的是，通常采用改变逆变器开关管的逻辑关系，使电枢绕组各相导 通顺序变化来实现电机的反转。电机反转时( 无论是反向驱动还是反向锘u z o ) ，其 霍尔电势顺序与了f 转时的霍尔申势顺序是相反的，如图2 5 所示。 微型电动汽车驱动控制系统研究 2 4p w m 调制方式 无刷直流电机的p w m 调制方式主要分为全桥调制( h a r dc h o p p i n g ) 和半桥调 制( s o f tc h o p p i n g ) 两种i ”1 f 1 8 】。 2 4 1 半桥调制 半桥调制是只对上半桥五、五和正( 或者只对下半桥疋、五和瓦) 进行开关 脉宽调制。也就是说，半桥调制时，p 1 】1 8 1 1 只对导通周期内一对元件中的一个起作 用。以互和瓦导通的6 0 。时间为例，这时e a ，的波形见图2 6 中对应于的乞 时间段的变化。 l ! fi ：，、 。 汰 。，p 7 、，。，_ 厂一 1 n f 广r 1r i i ，一 tl 厂 “占： a ) 电势、电流止方向b ) 反电势、电流理想波形 图2 6 半桥调制时相绕组中电势、电流的状态 1 4 k 微型电动汽车驱动控制系统研究 电机运行时，设e 为感应电势幅值，则e 2 。这段时间中e a = e = 一e ，& 从一e 她：i j e 。此处采用对上桥进行p w m 调制，而对下桥给出导通信 号，即此时瓦导通，写接受p w m 信号。 当五导通时，电流f 从电源经五、电机爪b 相以及瓦形成回路，见图2 7 a 。 设电源负端电位为零，则三相中点d 的电位v o ，在瓦导通时为v o = u d 2 。v o 在z 截止且续流电流f 未衰减到零时等于电源负端电压，即v 0 = 0 。此时c 相端 电压v c = v o + e c ，因此在t 2 期间，当五截止时，有k = v o + p 。= o + e 。= e 。， 可知此时 v c 0 ，所以与c 相出线端相连的两个续流二极管d ，和d 2 均被反 向偏置，处于关断状态。而在f 2 t 3 期间，有y c = y c 0 ，此时二极管d 2 处于正 向偏置被导通，产生电流f r ，如图2 7 b 所示。可以看出，在半桥调制时会出现非 换相期间的第三相导通现象。 a ) 五，瓦导通时的电流 b ) 半桥调试 2 t 3 期间五截l r 时的电流 图2 7 半桥调制时的电机状态 2 4 2 全桥调制 全桥调制时，仍以t 3 期间为例，对互，瓦均进行p w m 调制。当互，瓦导通时， 可以知道电流与半桥调制时相同。如图2 8 a 所示。当互，疋截止时，电机彳、b 两 微型电动汽车驱动控制系统研究 相的电流通过d 3 、q 及电容构成回路，中点电位v o = u 2 ，这样，c 相出线端 电位v ( ，从2 + e 变到2 - e ，即 v ( 0 ，d 2 、d 5 均不能导通，见图2 8 b 所以全桥调制不存在非换相期的第三相导通现象。 0d a ) 全桥调制正，瓦导通时的电流b ) 全桥调试互，截止时的电流 图2 8 全桥调制时的电机状态 比较上述两$ p w m 调制方式可见，半桥调制会出现第三相导通现象，致使 电机相电流的正负半波不对称，产生附加电流，由于它与相电势反相，故产生负 转矩，将削弱电机的总转矩，影响电机的效率。全桥调制没有第二相导通现象， 因此会提高电机效率，但全桥调制因p w m 调制的功率管数量是半桥调制时的两倍。 因此增加了功率器件的开关损耗，对逆变器的散热性能也提出了更高的要求。权 衡两者的利弊，本文的电驱动系统采用了p w m 半桥调制方式。 微型电动汽车驱动控制系统研究 第三章电动汽车c a n 总线的通讯系统设计 现代汽车工业和电子技术飞速发展，汽车上的电子装置越来越多，如果运用 传统方法进行布线，连接线的数量将非常惊人。另外，电动汽车电子控制系统的 动态信息必须具有实时性，且各子系统需要实时共享车辆的公共数掘信息。再加 上电动汽车内部结构复杂，多种电子装置间相互作用又相对独立，并且可能有很 强的电磁干扰。这些因素都决定了电动汽车必须采用基于c a n 网络的整车通讯 控制。 国家“8 6 3 ”电动汽车专项中也明确指出，电动车开发项目必须采用c a n 总线的通讯模式，因此本研究的轮式驱动电动汽车采用c a n 总线作为系统网 络总线。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网，是国际上一种可靠 性极高、价格低廉、技术成熟、应用最广泛的现场总线技术。c a n 是种多主 方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电磁干扰性， 而且能够检测出产生的任何错误。由于c a n 串行通讯总线具有这些特性，它 很自然地在汽车制造业以及航空工业中得到了广泛应用。 3 1 电动汽车c a n 总线通讯系统的总体设计方案 一个典型的电动汽车c a n 总线结构示意图，如图3 1 所示。它包括整车 动力部分的主电机控制器，电池组管理系统，人机界面显示系统等多个子系 统设备8 “。 图3 1 电动汽车c a n 总线结构示意图 微型电动汽车驱动控制系统研究 各子系统之间通过c a n 进行数据通讯和命令传输。每个节点设备都能够 在脱离c a n 总线的情况下独立完成自身系统的运行，从而满足车辆运行安全 性的需要。同时，c a n 总线也不会因为某个设备的脱离而出现系统结构崩溃的 现象。并且，随着今后电动汽车功能的进一步增加，还可以不断地在c a n 总 线上连接新的电气节点。 c a n 总线要求实现以下的功能：实现点对点，点对多点以及全局广播方式 发送和接收数据，实现全双工的实时通讯；确定各子系统的优先级，实现非 破坏性的仲裁技术；自动回复远程请求功能；c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ，循 环冗余校验) 检验功能；当发送时出现错误或仲裁时丢失数据时，自动重发的 功能；总线上的纠错功能等。这些功能对整车的正常运行有着十分重要的意 义。c a n 总线系统中主要的硬件平台的搭建，如图3 2 所示： 速度上升时间绐定，i l 动堂m s 3 2 0 l 2 4 0 7 ”：。 _ 叫c a n t x c a r - d r x l t x d 1 ；l i i ) 8 2 c 2 5 0 “m 驱动系统 jj _ l 8 2 c 2 1 i l l l ：8 2 c 2 5 0 l 8 】a 1 0 8 】a 1 0 0 0 熬蕤1 t 标准宅压信号l 1 3 0 ：5 1 i 速度绐定信号篇 j 5 1 l 二 刹车信号 一l f 妙 电池组管理系统 l 一 一 人机界面系统i 键盘显示i 图3 2c a n 总线系统的主要硬件平台框架 c a n 总线接口电路的核心是c a n 通讯控制器，主要完成c a n 的通讯协议，而 c a n 总线收发器的主要功能是增大通讯距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护 微型电动汽车驱动控制系统研究 总线，降低射频干扰( r f i ) 等。 c a n 选用s j a l 0 0 0 作为控制器。s j a l 0 0 0 作为高集成度c a n 的控制器。具有 多主结构、总线访问优先权、成组与广播报文功能及硬件滤波功能。输入时钟频 率为1 6 m h h ，输出可编程控制。该控制器由以下几部分构成：接口管理逻辑、发 送缓存器、接收缓存器、位流处理器、位定时逻辑、收发逻辑、错误管理逻辑、 控制器接口逻辑等。 本文采用的电驱动控制系统主控制芯片为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ，由于 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 自带c a n 控制接口，可以和各系统间通讯，成为c a n 网络的主控 制器，利用c a n 总线进行数据传输。在电动汽车网络中，p c a 8 2 c 2 5 0 是物理上的 接口电路，其直接与c a n 总线连接，进行数据的传输，如图3 3 所示。 图3 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 与c a n 驱动芯片蚵接口电路 本文以电驱动控制系统为核心，基于c a n 总线所构造的e v 通讯网络结构 示意图，如图3 4 所示。m c s5 1 单片机用来完成车辆管理系统的功能，包括电 池管理系统、司机台控制系统和车辆控制系统的数据采集和传递。就d s p 而言， 完成对电机的反馈控制。所采集的相关的模拟量( 如电流、转速、转矩等) ，通 过串口r s 4 8 5 总线传输到d s p ，d s p 再通过串行通信口r s 2 3 2 将数据传输到上 位p c 机，进行数据分析、处理和显示。由上位机可以改变给定的电机转矩及其 他变量，以完成驱动控制。 9 微型电动汽车驱动控制系统研究 图3 4e v 通讯网络结构示意图 3 2 基于r s _ 4 8 5 的半双工串口通讯 3 2 1 硬件电路设计 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 采用改进哈佛结构，流水线工作方式和硬件乘法器等结构， 具有较强的数掘处理能力。由于它功能强大，以往很多功能如采样、处理、键盘、 显示等，都由d s p 芯片单独完成。然而，随着电子技术的发展和电控装置的大 量增加，这种做法不仅在硬件上会导致主控芯片外围电路复杂，在软件上也往往 使d s p 芯片程序编写十分烦琐。从而造成整个控制系统的可靠性降低，故障诊 断困难。所以，现在我们将一些实时性不高的任务交由从控芯片完成，再通过主、 从控芯片的通讯来交换数据，传递信息【2 j 口”。 为此，把一些键盘显示程序交给m c s5 1 芯片去完成，然后通过d s p 和 m c s5 1 之间的通讯来交换数据。这样就简化了d s p 芯片的外围电路，使d s p 能够更好地去完成核心程序。设计中，t m s 3 2 p l f 2 4 0 7 a 为上位机，采取定时循 环发送的方式：m c s5 1 为下位机，采取中断接收方式。 因为r s4 8 5 串行通讯协议支持的通讯距离远，抗干扰的能力强，传输速度 快，所以本设计采用的是r s4 8 5 标准接口通讯。在外围硬件接口电路的设计过 微型电动汽车驱动捧制系统研究 程中，应注意和解决信号传输过程中的噪声干扰，以及由于d s p 工作电压为 3 3 v ，而m c s 一5 l 的工作电压是5 v ，所存在的电平转换问题。经综合考虑后， 所设计的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 与m c s _ 5 l 的硬