（电机与电器专业论文）基于滑模变结构的交流调速系统研究.pdf

r e s e a r c ho fa na cs p e e dc o n t r o l s y s t e mb a s e do n s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r e a b s t r a ct l n21 “c e n t u r y , e l e c t r i cc a r sa r ec l e a na n de f f e c t i v ec i t yt r a n s p o r t i tc o m b i n e s l i g h t ，e l e c t r i c i t y , v a r i o u sd i s c i p l i n e so ft h el a t e s tt e c h n o l o g i e s ，a r ev e h i c l e s ，e l e c t r i c 仃a c t i o n p o w e re l e c t r o n i c s ，i n t e l l i g e n t c o n t r o l ，c h e m i c a l ，p o w e r , c o m p u t e r s ，n e we n e r g y , n e w m a t e n a l s ，s u c ha st h el a t e s ta c h i e v e m e n t so fe n g i n e e r i n ga n dt e c h n o l o g yi na ni n t e 眄a t e d p r o d u c t a sac l e a n ，e n e r g y - e f f i c i e n tn e wm e a n so ft r a n s p o r t ，e l e c t r i cv e h i c l e sh a v ea u m q u ea d v a n t a g e a ca s y n c h r o n o u sm o t o rw i t hi t su n i q u es i m p l es t r u c t u r e ，d u r a b l e 。s t a b l e a l l dr e l i a b l eo p e r a t i o n ，as m a l lm o m e n to f i n e r t i a , m a n u f a c t u r el o w c o s t ，l o wm a i n t e n a n c e a 1 1 dc o n v e n i e n t ，b ea b l et oa p p l yh a r s he n v i r o n m e n ta n d m a n yo t h e ra d v a n t a g e s ，h a sb e e i l w i d e l ya p p l i e dt oi n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o n a cm o t o ri nt h ef i e l do fe l e c t r i c v e h i c l e sa l s oh a v eb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s f i r s to f a l l ，t h r o u g has e r i e so fa s s u m p t i o n sa n dc o o r d i n a t et r a n s f o 珊a t i o n ，i n d u c t i o n m o t o r 8h a v eb e e nr e l a t i v e l y s i m p l en u m e r i c a lm o d e l s ，w h i c hc a nc o m m u n i c a t es p e e d c o n t r o ls y s t e mh a sb e e ns i m i l a rt ot h el i n e a r m o d e lo ft h ef i g u r e b e c a u s eo ft h e s e l t - r e d u c t i o nm o t o rp a r a m e t e r s ( r o t o rr e s i s t a n c e ，s t a t o rr e s i s t a n c e ) a n dt h e l o a dp a r a m e t e r s ( r n o m e n to fi n e r t i a ，e t c ) d u et oe n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sc h a n g e ，a n dt h i s a p p r o x i m a t e l i n e a rm o d e lo ft h ef i g u r ec a l ln o tb ea c c u r a t et r a n s i e n tr e s p o n s eo f s p e e dc o n t r 0 1s v s t e m p r o c e 8 sm a k e st h eg e n e r a ll a wo ft h el i n e a rr e g u l a t o rh a sas p e e dc o n t r o ls y s t e mm u s t c o m m u n l c a t el i m i t a t i o n s e x p e r i m e n t a ls t r u c t u r e sh a v eb e e n ，o nt h eb a s i so f s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r et h e o r yo ft h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h er e g u l a t o rs p e e dc o n 打0 1 s y s t 锄c a l lg u a r a n t e et h er o b u s t n e s sa n ds p e e dt om e e ts y s t e mp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s s e c o n d l y , t h ec o m b i n a t i o no fi n d u c t i o nm o t o rw o r k i n gp r i n c i p l ea s w e l la st h e f u n c t i o no ft h es y s t e mn e e d st ot m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s pc o r et oc o n t r o lt h eu s eo fs l i d i n g m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lt e c h n o l o g y , t a k ef u l la d v a n t a g e o ft m s 3 2 0 c l f 2 4 0 7 ad s p 0 n - c h l pr e s o u r c e sa sw e l la si t sa b i l i t yt od e a lw i t hh i g h l ye f f i c i e n t ，e l i m i n a t i n gt h e p a s t t h e d e s l g no tc o m p l e xh a r d w a r ec i r c u i t s ，p l a y ”h a r d w a r et os o f t e n ”t h ee f f e c to f s i m p l i f y i n gt h e s y s t e m sh a r d w a r es t r u c t u r e k e y w o r d s ：e l e c t r i cc a r ；a cm o t o r ；s l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r e ：d s p 图表清单 图2 - 1p o w e rm o s f e t 静态特性曲线7 图2 - 2p o w e rm o s f e t 的动态特性8 图2 3 芯片系统功能结构图1 2 图2 - 4 数字控制系统框图1 4 图2 5 相平面运动轨迹1 6 图2 - 6 削弱抖振的两种方法1 7 图2 - 7 系统运动振荡发散的情况1 8 图3 1 交流感应电机物理模型2 0 图3 - 2 电机3 s 2 s 2 r 坐标系模型2 2 图3 - 3交流电机坐标转换模型2 3 图3 - 4 交流电机直接矢量控制框图2 7 图3 - 5 交流电机三相逆变桥简图2 7 图3 - 6 八个基本电压空间矢量的位置和大小2 9 图3 - 7 滑模变结构速度控制器简化动态结构图3 2 图4 1 硬件总体框图3 3 图4 - 2 加速器输入电路3 4 图4 3接触器控制电路3 4 图4 - 4 保护检测电路3 5 图4 - 5i r 2 i1 0 内部功能框图3 6 图4 - 6i r 2 11 0 用于驱动半桥的电路3 6 图4 - 7 驱动主开关电路( a 相) 3 7 图5 - 1 主程序流程图3 9 图5 - 2p w m 中断程序流程4 0 图5 - 3 交流电机滑模变结构控制系统框图4 l 图5 - 4空间电压矢量4 l 图5 - 5s a s d s c 三相开关输出占空比4 2 图5 - 6v a v d v c 三相相电压4 2 图5 - 7v a b v b c v c a 三相线电压4 2 图5 - 8 滑模变结构速度控制器结构图4 3 图5 - 9 减小抖振的速度控制器结构图4 3 图5 - 1 0 速度响应仿真波形曲线4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地万外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金目垦王些态堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：剌瑞舅签字日期：2 7 年中月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。 本人授权金魍王些态堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：刘瑞努导师签名： 签字日期：如( ，7 年f 月仔日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 乃麦j i 反 、 签字日期：o 年年月侈日 电话： 邮编： 致谢 三年时间转瞬即逝，在这三年的学习时间里，我得到了周围老师和同学们热忱和 无私的帮助，度过了人生这一段美好的时光。 首先，我要感谢我的导师万文斌副教授，在攻读硕士学位期间，万老师为我提供 了良好的科研环境和优越的实验条件，他治学严谨，知识渊博，为人胸襟广阔。在课 题研究过程中，万老师往往从大处着手，宏观把握，并提出新颖的解决思路，让我茅 塞顿开。我从万老师身上学到的不仅有科研方法，更有严谨的治学态度和站在决策的 高度去看待和处理问题的方法策略，这都使我终生难忘。 在攻读硕士学位其间，我还有幸得到了方凯研究员和钱玮副研究院等多位老师在 科研和生活上的关怀和指导，在我遇到问题时，他们都毫无保留地耐心解答，并提出 很多有益的建议，为我们的科研和人生指引航向。 另外，感谢同一课题组的在读硕王尉、欧阳磊、陈复春等同学以及已毕业的秦岭、 李文龙、舒宝山、李传宝等师兄给予我的鼓励和支持，感谢他们在学习和生活上给我 的无私帮助。 还要感谢家人和亲友给我的关心和帮助，使我能顺利完成学业，在此向他们表达 我深深的敬意。 最后，还要感谢各位评审老师抽出宝贵的时间对我的论文进行审阅。 作者：刘瑞芳 2 0 0 9 年0 4 月 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 汽车是现代社会主要的交通工具，它给人类带来了方便，推动了科技的进 步。当随着社会的发展和科技的进步，汽车已经成为现代社会最主要的交通工 具。当今世界，汽车保有量已经超过8 亿辆，并以每年3 0 0 0 万辆的速度递增， 根据2 0 0 1 年的统计数据，世界汽车产量约为5 5 7 7 万辆，就我国而言，2 0 0 2 年 的汽车产量也超过了3 0 0 万辆。然而调查表明：每年汽车尾气约排放2 亿吨有 害气体，占大气污染总量6 0 以上。在耗用巨量石油资源的同时，它也带来了 能源消耗的问题。汽车的能源主要依赖于石油产品，据专家预测，按照目前的 石油开采量，世界石油已勘查的储藏量只能使用7 9 年。因此从节约资源，降低 汽车污染物的排放量，以电动车辆代替燃油汽车成为世界汽车厂商和科研院所 共同研究的课题。目前，我们已经切身感受到了“车多为患”的苦恼，如果汽 车数量再无休止地猛增下去，在有限的空间和能源下，更加重了能源紧张、交 通拥堵、空气污染等问题，那么，其后果将不堪设想。显然，“汽车革命 势 在必行。但是，“汽车革命 怎么进行，这是必须考虑的问题。从报道来看， 不少国家的汽车工业都在向小型车、微型车方向发展，最终出路就是纯电动汽 车。毋庸置疑，纯电动个人轿车的确是“汽车革命 的理性选择心1 。 从国家科技部获悉，“十五国家8 6 3 计划电动汽车重大专项”的研发计划 已正式启动，其目标是到“十五”期末让中国人自己的电动汽车在路上真正跑 起来。据科技部高新司交通能源处处长介绍，这一项目的意义超出了汽车工业 本身，因此，国家对它的投入达九亿多元，是8 6 3 课题有史以来投入强度最大 的项目。它不仅可能大大提升我国汽车工业的国际竞争力，促进国民经济的发 展，改善生态环境，更事关我国未来的能源安全。科技部高新技术司司长李健 认为，由传统汽车向电动汽车的过渡将极大推动汽车工业的技术改造，促进传 统汽车产业的信息化和现代化，对相关产业，甚至整个国民经济的影响也不容 忽视。据测算，传统汽车产业产值每增长一个百分点，可以拉动g d p 增长两个 百分点以上，而电动汽车的拉动作用还要大上2 3 倍。在环保与能源方面，发 展电动汽车更是中国汽车工业的必由之路。据国家环保中心预测，到2 0 1 0 年， 我国汽车尾气排放量将占空气污染源的6 4 ，如果想享受洁净的空气，必须发 展低排放、零排放汽车。 电机驱动系统是电动汽车中最关键的系统。电动汽车运行性能主要决定于 电机驱动系统的类型和性能。由于控制系统的针对性比较强，需要根据不同的 电机选用不同的控制方案。交流异步电机以其独有的结构简单、耐用、运行稳 定可靠、转动惯量小、制造成本低、维护少且方便、能够运用于恶劣环境等诸 多优点，被广泛运用到工农业生产中。本课题希望开发出一种基于滑模变结构 控制策略和d s p 操作系统的速度闭环电机控制系统，控制交流异步电机作为电 动汽车的驱动设备，满足其控制系统对动态性能和静态性能的要求。该控制系 统突出的特点是具有一组可编程的参数，通过改变这些参数，它可以适用于任 何一款交流异步电机，来满足用户不同的需求。 在世界电动车辆行业蓬勃发展的同时，我国电动车辆厂商和科研院所也在 紧锣密鼓的进行研究、商用工作。我国虽然与国外水平有差距，但差距尚未完 全拉开，还没有形成像传统燃油汽车与国际先进水平差距那么大。我们应该抓 住电动汽车发展的大好时机，改变我国汽车工业落后的局面。 目前国内很多厂商在混合动力电动车、纯电动轿车、纯电动客车等领域都 取得了长足的进步，但是在电动货车、电动叉车、电动游览车、电动高尔夫球 车等小型p e v 车辆方面只局限于整车的组装，小型p e v 车辆的关键技术一一电 机控制器技术仍然被美国、意大利、英国、法国的几家公司垄断。其垄断性的 技术、高额的价格、昂贵的售后服务以及不可复用的型号分类严重限制了我国 小型p e v 行业的发展。 本课题研制开发的多模式p e v 电动控制器具有自主知识产权，打破了国外 的技术垄断，开创了国内小型p e v 控制器行业的先河。多模式控制器可以匹配 不同的交流异步电机进行参数编程，可以对p e v 的主要参数进行编程以满足不 同车辆，不同操作者以及不同工作环境的性能要求。此款控制器可以经过编程 设置应用在上述车辆上，一款控制器完全可以取代国外同功能的四款控制器， 极具市场竞争力，更重要的是可以带动一批国内优秀的厂商一起投入到研发小 型p e v 电动控制器的领域中，给国内小型p e v 行业的发展提供一个良好的平台。 1 2 电动车辆的现状和发展趋势 电动车辆( e l e c t r i c a lv e h i c l e ，e v ) 是全部或部分由电能驱动电机作为动力 系统的车辆，包括以蓄电池供电的纯电动车辆( p u r ee l e c t r i c a lv e h i c l e ，p e v ) 、 以内燃机与蓄电池等混合驱动的电动车辆( h y b r i de l e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 及以燃 料电池驱动的电动车辆( f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ，f c e v ) 三种类型。电动车辆 与内燃机车辆相比有以下优点【3 】： 1 、电动车辆与内燃机车辆相比最大的优点是污染少、噪声低，对环境污染 少。电动车辆的能源是由电网提供的电能给蓄电池充电得到的，电能可由核能、 太阳能、风能、水能、潮汐能等新型能源提供，从而不依赖于石油能源，减少 了石油的消耗。 2 、电动车辆能量转换率高，同时具有更快更精确的转矩控制能力。电动车 辆能源利用效率大大超过内燃机车辆，在运动中停车时不消耗能量，在再生制 动时，给蓄电池充电，从而提高了电动车辆的能量利用率。电动车辆充电主要 是夜间充电，这样在非高峰时段充电有利于均衡电网负荷，降低设备和管理费 用，降低电网的负担和减少消费者的开支。 3 、电动车辆的结构比内燃机车辆简单，运动部件少，消费者在操作时更加 方便，大大降低了日常维修保养量。由于少了很多齿轮传动设备，使其维修很 方便，节省了开支。 p e 以蓄电池为唯一的动力源，绿色环保、低噪声、能源利用率高、便于操 作，真正做到了零排放。但是由于蓄电池容量有限，续驶里程一般较短，一次 充电的续驶里程不能与内燃机汽车一次加油的续驶里程相比，且蓄电池充电时 间较长。针对电动汽车本身的缺点，汽车厂商和科学家们根据不同领域的要求， 研究开发了各种类型的电动车辆： l 、电动叉车、电动货车及电动轻型卡车的开发 在工作环境较为洁净的工厂，如面粉厂、电子产品厂等，高污染的内燃机 叉车、货车、轻型卡车已经不能满足工作需求，p e v 已经是最主要的解决方案。 它适用于工厂内部运输、短程运输以及较小范围的货物搬运，由于不需要续航 里程的限制，目前在发达国家有较大的开发和市场应用。 2 、高尔夫球车、游览车以及微型电动汽车的开发 高尔夫球车以及游览车使用在环境优美的高尔夫球场、观光景点，需要车 辆污染少，且绝大多数时间只是白天使用，晚上停止工作，正适合p e v 的工作 特点，p e v 正逐步替代内燃机车辆。 微型电动汽车也是p e v 研究的一个热点。一般为两人车， 具有较小的最 高时速和续驶里程、很小的体积和重量、较低的价格，适合人们购物、娱乐、 短程上下班乘车的要求。 3 、公共交通h e v 和p e v 开发 城市公交车的短途往返行驶为电动汽车的实用运营提供了广阔的前 景，电动汽车的续驶里程短的缺陷在城市公共交通领域已不能成为制约其发展 的瓶颈，但是由于城市公交车一般载客量很大，若使用p e v 型公交车，将对蓄 电池的容量要求很高，所以大多数厂商都致力于h e v 型公交车的开发。近年来 也有很多厂商从提高电池容量着手，开发p e v 型公交车。 4 、混合动力电动汽车的开发 混合动力电动汽车是由内燃机动力和电动机动力共同驱动的电动汽车，它 分为串联动力型、并联动力型及丰田动力型三种形式，都只有可控制的极少的 空气污染，有相当长的续驶里程，能够满足人们对环境的要求及续驶要求，全 球各大汽车制造商大多制造出性能优越的混合动力电动汽车并投放市场。 5 、燃料电池电动车的研究 燃料电池汽车是利用燃料电池中氢气与氧气发生反应产生的电力作驱动力 的电动汽车。燃料电池的电动汽车摆脱了充电补充能源模式，而是加注燃料的 方式，使电动汽车不受充电设施的限制。但燃料电池成本高，不能提供车辆起 步、加速所需瞬时大功率，且无法吸收车辆制动能量，因此现在的研究都致力 于降低f c e v 成本和匹配其他储能元件一起组成燃料电池汽车的动力源。 1 3 国内外电动车辆发展状况 1 3 1 国外电动车发展状况 在美国、日本、欧洲等发达国家，电动汽车己开始进入实用化阶段。现在， 美国已有7 个州加入了零排放计划，到规定年限后这些地区销售的汽车必须为 零排放，即只能为纯电动汽车和燃料电池电动汽车。以美国蓝鸟客车公司、英 国的f r z a e r n a s h 公司、日本丰田、日本本田为代表的电动客车和轿车已 经上市。英国已有数万辆电动汽车在使用；法国是世界上推广应用纯电动汽车 最成功的国家之一，成立了电动汽车推广应用国家部际协调委员会，巴黎和拉 罗舍尔已经建立了比较完善的纯电动汽车充电站网基础设施，制定了优惠的支 持和激励使用电动汽车的政策，且已经初步形成了纯电动汽车运行体系。亚特 兰大奥运会使用了美国蓝鸟客车公司的纯电动客车作为公务和电视转播车，悉 尼奥运会购买了英国f r z a e r _ n a s h 公司公司的近4 0 0 辆电动客车作为运动 员接送车辆【4 j 。 1 3 2 国内电动车发展状况 国内电动汽车的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但当时的研究开发都是比较零 散，规模比较小，投入也很少。8 0 年代开始，我国开始掀起电动汽车的研究高 潮，国家科委、计委在“八五 、“九五 期间组织了纯电动汽车的攻关，现在 又将纯电动汽车列入“十五”国家8 6 3 计划电动汽车重大专项，中央财政拨款 8 8 亿特别设立电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科 技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，联合攻关。国内一些科 研院所和生产企业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果，国内电动汽车 研究的整体水平不高，特别在电动汽车的关键技术上。 目前在纯电动汽车的电池和电机研制方面，我国与世界先进水平差距较小， 有些甚至处于领先地位。如深圳雷天绿色电动源( 深圳) 有限公司开发的锂离子 电池续驶能力达到3 0 0 公里，最高时速可达1 2 0 公里；深圳中星汽车制造公司 研制的超级纳米碳纤素电池容量是一般铅酸电池的1 1 倍，能量功率之比可达每 千克一千瓦时，充电仅需1 0 分钟就可以完成，寿命可达1 0 年以上，价格为锂 电池的一半，体积为锂电池的1 3 。安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的水 平极板铅酸蓄电池具有较高的性能指标，已经获得国家专利。这些都是中国电 动汽车高性能电池和驱动电机技术的重大突破。 安徽兆成电动车辆技术有限公司开发的q r e v 低配置纯电动轿车，2 0 0 3 年经过国家电动汽车试验示范区管理中心试验检测，其连续行驶距离、时速、 爬坡能力、百公里电耗等主要技术指标均达到了较高水平。东风电动车辆股份 公司开发出e q 7 16 0 e v 纯电动轿车、纯电动富康轿车和纯电动客车等电动汽车。 纯电动富康轿车( e q 7 14 0 e v ) 禾o 用c e v - 9 5 技术，可实现按用户需求定制。纯电 动客车( e q 6 6 9 0 e v ) 1 9 座、铅酸电池动力，适用做观光、游览、宾馆接送车、 机关团体班车，也可作为特殊接待用车，并可根据需要改装成电视转播车、各 类宣传车、邮政车等 5 1 。 经过近十年的发展，中国电动车已经形成了一个庞大的产业链。从我国国 情和人们的消费水平出发，电动车具有广阔的发展前景。展望未来，电动车也 将成为我国最具国际竞争力的一个产业。 1 4 国内外电动车辆控制器研究现状 电动车辆控制器经历了从s c r 电控到m o s 管电控、从模拟电控到数字电 控的发展过程。采用大功率i g b t 管斩波控制，使得驱动电压可以任意小范围 改变，使输出电流更加平稳，更加省电，真正实现了无级变速。模拟器件的一 些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟控制器 的可重复性比较差，控制效果不理想。数字控制器与模拟控制器相比较，具有 可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏 感等优点。随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需 求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求。总是希望能在驱动系统中集 成更多的功能，达到更高的性能。许多设备试图使用8 位或是准1 6 位的微处理 器实现电机的闭环控制，然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要 求的实现。电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算 法来实现。但是这可能超出上述微处理器的计算能力。 使用高性能的数字信号处理器( d s p ) 来解决电机控制器不断增加的计 算量、不断提高的计算精度和速度是目前业界普遍采用的方法。将一系列外围 设备如a d 转换电路、p w m 发生电路、滤波电路、通讯电路、c p u 集成在一起， 就获得一个既功能强大又价格经济电机控制专用的d s p 芯片。近年来，各种集 成化的单片d s p 的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好， 价格却大幅度降低。低端产品的价格巳接近单片机的价格水平，但却比单片机 具有更高的性能价格比。越来越多的电动车辆控制器开始选用d s p 器件来提高 产品性能。 现在各大生产厂家都推出自己的内嵌式d s p 电机控制专用集成电路。如占 d s p 市场份额4 5 的t i 公司，凭借自己的实力，推出电机控制器专用 d s p t m s 3 2 0 2 4 x x 系列。t m s 3 2 0 2 4 x x 系列作为新一代数字电机控制器的专用 d s p 系列，可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统 监控等功能。另外a d 公司与i n t e l 公司合作，生产出a d m c 3 x x 系列电机控制 专用d s p ，性能与t 王公司的产晶类似，也是基于a d 公镯的1 6 位定点d s p 设 计的，并且也集成了三相p w m 发生器( 16 俄) 和a d 转换器。其他比较有名 的生产d s p 的厂商如m o t o r o l a 公司和n e c 公司也各自推出了专门用于电机控 割的d s p 芯片。 1 5 本文的任务 本课题的研究以产品市场化为导向，以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为主控芯片，从 以下几个方瑟对p e v 电动控制器进行理论分柝和实验研究： l 、交流异步电机的调速、制动原理以及应用 目前市场上小型p e v 的牵引电机有相当多的是他励直流电机，交流异步电 机与直流电机相比有很多优越性，僵是其调速、制动也相对繁琐。本文首先从 原理上分析了交流异步电机蹬象限制动特性和调速原瑾，并结合本课题的实际 应用进一步进行了研究。 2 、基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的多模式p e v 电动控制器的硬件平台设计 多模式p e w 电动控制器是结合了控毒l 技术、电子技术、电力电予技术与电 力拖动技术于一体的产品。此外，要设计一个好的控制器，还要对电池特性、 汽车的操控性与安全性能等方面有深刻的了解。而本课题研制的控制器就考虑 到了对电池、电机及控制器本身的保护，并且拥有完善的故障检测与保护功能。 本控制器的硬件系统包括： c p u 系统：由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 系统组成，包括c a n 通信电路、串行通 信电路、外围串行e e p r o m 扩展、掉电保护电路、看门狗电路等。 p w m 驱动电路：将c p u 发出的p w m 指令进行信号放大以驱动大功率 m o s f e t 管工作。 检测单元：电流检测、温度检测、加速器输入检测、速度检测、电池电压 检测、模式检测等。 入枫对话模块：通过状态l e d 和故障输出瑟显示故障代码，监视控制器工 作状态；通过手持编程器或者是主机操作界面均可对相关参数进行读取和设置， 并依此监视控制器的运行情况 6 第二章交流电机数字控制 2 1 电力电子器件 2 1 1 电力电子器件的发展 电气传动的发展同电力电子器件的发展密切相关。5 0 年代末出现的晶闸管 ( s c r ) 标志着电力电子器件的开端，电气传动在6 0 年代进去晶闸管时代。7 0 年代后期，门极可关断晶体管( g t o ) 、电力双极型晶体管( b j t ) 和电力场效 应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 为代表的全控型器件迅速发展。全控型器件的特 点是，通过对门极( 基极、栅极) 的控制既可使其开通又可使关断。此外，这 些器件的开关速度普遍高于晶体管，可用于开关频率较高的电路。采用全控型 器件的电路的主要控制方式为脉冲宽度调制( p w m ) 方式，它在逆变、斩波、 整流、变频交流电控中均可应用。它使电路的控制性能大为改善，使以往难以 实现的功能得以实现。 功率场效应管( p o w e rm o s f e t ) 虽0 电力场效应晶体管，是一种单极型的电压 控制器件，不但有自关断能力，而且有驱动功率小，开关速度高、无二次击穿、 安全工作区宽等特点。由于其易于驱动和开关频率可高达5 0 0 k h z ，特别适于高 频化电力电子装置，如应用于d c d c 变换、开关电源、便携式电子设备、航 空航天以及汽车等电子电器设备中。但因为其电流、热容量小，耐压低，一般 只适用于小功率电力电子装置【6 j 。 2 1 2 电力场效应管的特性 1 静态特性 p o w e rm o s f e t 静态特性主要指输出特性和转移特性，与静态特性对应的 主要参数有漏极击穿电压、漏极额定电压、漏极额定电流和栅极开启电压等。 ( 1 )输出特性 输出特性即是漏极的伏安特性。特性曲线，如图2 1 ( b ) 所示。由图所见， 输出特性分为截止、饱和与非饱和3 个区域。这里饱和、非饱和的概念与g t o 毛融 5 0 4 0 3 0 掬 i o 0 2u t46 a 毛似) 5 0 4 0 3 0 2 口 ，o j 幻转移盼馕薅镄 嘞镰豳静性馥镶 图2 1p o w e rm o s f e t 静态特性曲线 7 不同。饱和是指漏极电流i d 不随漏源电压u d s 的增加而增加，也就是基本保持 不变；非饱和是指u c s 一定时，i d 随u d s 增加呈线性关系变化。 ( 2 ) 转移特性 转移特性表示漏极电流i d 与栅源之间电压u g s 的转移特性关系曲线，如图 2 ( a ) 所示。转移特性可表示出器件的放大能力，并且是与g t r 中的电流增益b 相似。由于p o w e rm o s f e t 是压控器件，因此用跨导这一参数来表示。跨导定义 为 g 。= 世d a u c s ( 2 1 ) 图2 1 ( a ) 中坼为开启电压，只有当u c s = u r 时才会出现导电沟道，产生 漏极电流易。 2 动态特性 动态特性主要描述输入量与输出量之间的时间关系，它影响器件的开关过 程。由于该器件为单极型，靠多数载流子导电，因此开关速度快、时间短，一 般在纳秒数量级。p o w e rm o s f e t 的动态特性。如图2 2 所示。 | 萱 ； i ； 一 ：= 弘 ，2 l 一 l 埘：矿 i 一；奇；一 绀溯试嘏藤够秀毙涟稷藐澎 图2 - 2p o w e rm o s f e t 的动态特性 p o w e rm o s f e t 的动态特性用图2 - 2 ( a ) 电路测试。图2 2 中，u 口为矩形脉 冲电压信号源；r s 为信号源内阻；r g 为栅极电阻；r l 为漏极负载电阻；r e 用 以检测漏极电流。p o w e rm o s f e t 的开关过程波形，如图2 2 ( b ) 所示。 p o w e rm o s f e t 的开通过程：由于p o w e rm o s f e t 有输入电容，因此当脉冲 电压u p 的上升沿到来时，输入电容有一个充电过程，栅极电压u g s 按指数曲线 上升。当u g s 上升到开启电压u 丁时，开始形成导电沟道并出现漏极电流i d 。从 u 口前沿时刻到u g s = u r ，且开始出现i d 的时刻，这段时间称为开通延时时f s qt d 阳加 此后，i d 随u g s 的上升而上升，u g s 从开启电压u r 上升到p o w e rm o s f e t 临近饱 和区的栅极电压u g 即这段时间，称为上升时间t ，。这样p o w e rm o s f e t 的开通时 间 t o = t d ( o n l + t r l z z ) p o w e rm o s f e t 的关断过程：当u 口信号电压下降到0 时，栅极输入电 容上储存的电荷逯过电阻r s 和r g 放电，馒栅极电压按指数蘸线下降，当下降 到u g s p 继续下降，i d 才开始减小，这段时闻称为关断延时时间t d ( o f d 。此后， 输入电容继续放电，u g s 继续下降，i d 也继续下降，到u g s u r 时导电沟 道消失，i d = o ，这段时间称为下降时间t ，。这样p o w e rm o s f e t 的关断时间 t 够= t d f 确+ 爹， ( 2 3 ) 从上述分析可知，要提高器件的开关速度，则必须减小开关时间。在输入 电容一定的情况下，可以通过降低驱动电路的内阻r s 来加快开关速度。 电力场效应管晶体管是压接器件，在静态时几乎不输入电流。健在开关过 程中，需要对输入电容进行充放电，故仍需要定熬驱动功率。工作速度越快， 需要的驱动功率越大。 场效应管与晶体管的比较 ( 王) 场效应管是电压控制元件，两墨体管是电流控制元件。在只允许跌信 号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信 号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。 ( 2 ) 场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，面晶体管 是鄙有多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。 ( 3 ) 有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅厩也可正可负，灵活性 比晶体管好。 ( 4 ) 场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工儋，丽且它的制造工艺 可班缀方便缝把很多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成 电路中得到了广泛的应用。 2 2 电机控制的d s p 芯片 2 2 1d s p 的特点 随着信息技术革命的深入和微处理器技术的飞速发展，数字信号处理技术 已经逐渐发展成为一门关键的技术科学【7 】。在微电子技术发展的带动下，d s p 芯片的发展可谓冒新胃异，萁功能墨益强大，性价比不断上升，开发手段也不 断的改进。d s p 芯片，也就是数字信号处理器，是专门为快速实现各种数字信 号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器。它的出现为数字信号处理算 法的实现提供了可能。它一方匿极大的促进了数字信号处理技术的进一步发展； 另一方藤也使数字信号处理的应用领域得到了极大的拓展。d s p 芯片已经在通 信与电子、自动控制、航空航天、家电、电力系统等领域得到了广泛的应用， 正以极快的速度被应用到科技和国民经济的各个领域。之所以有如此广阔的应 用领域，是由d s p 的如下特点所决定麴： 9 1 改进的哈佛结构( h a v a r ds t r u c t u r e ) 哈佛结构与计算机传统的冯诺依曼 结构相比较，主要的区别在于d s p 的程序和数据具有独立的存储空闻，有着各 自独立的程序总线和数据总线。虽然这样使得计算机的系统结构比较复杂，但 是由于可以同时对数据和程序进行寻址，极大的提高了数据处理能力，非常适 合实时的数字信号处理。改进的哈佛结构是在数据总线和程序总线之间的局部 交叉连接。这一改进使得：允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令 直接使用，增强了芯片的灵活性。同时，指令可以存储在高速缓存器中，省去 了从存储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。 2 。流水线操作，采用流水线操作可以减少指令执行时间，从丽进一步增强 处理器的数据处理麓力。流水线浆深度为二级以上。 3 采用硬件乘法器，一般的计算机上，算术逻辑单元( a l u ) 只能完成两个 操作的加、减和逻辑运算，而乘除法则由加法和移位来实现。因此，在这些计 算机中虽然有乘法指令，但在机器内部，实际上还是圭加法和移位来实现豹。 所以，它们实现乘法运算就比较的慢。与之相比，d s p 则具有硬件乘法器，使 得乘法运算可以在一个指令周期内完成。甚至在某些型号的d s p 中具有两个硬 件乘法器，大大提高了运算速度。 4 特殊的d s p 指令，d s p 芯片的一个重要蛉特 芷就是有一套专门为数字信 号处理而设计的指令系统。其中包含许多特殊的指令，使得相应的程序编写显 得方便、清晰。 5 快速的指令周期c m o s 技术、先进的工艺以及集成电路的优化设计、工 作电压的下降使得d s p 芯片的主频不断提高。雷前，最商的工作主频已经达到 2 0 0 m h z ，也就是指令周期已经下降到了5 n s ，可以预见的是，随着微电子技术 的发展，工作频率还将继续提高，指令周期将进一步的缩短。由此可知，其应 用于信号处理、控制的方面的实时性将大大的提高，控制周麓的缩短，为高牲 能的控制提供了坚实的基础。 6 良好的多机并行运行特性在一定的技术条件下，d s p 芯片的单机处理能 力是有限的，系统的数据处理容量还是经常会超出单个d s p 的处理能力。随着 数字信号处理器d s p 芯片的逐渐广泛使焉和价格的不瞬降低，多个d s p 芯片 的并行处理己经成为了近年来的一个研究热点，并逐渐在应用中崭露头角。 2 。2 。2d s p 在电机控制中的应用 当前在国内工业控制领域中单片枫由予价格便宣、易于开发、软硬件资源 丰富，因而得到了广泛的应用并推动了工业自动化的发展。然而，随着控制理 论的发展和高性能控制的需求，涌现出了很多复杂而先进的控制算法，单片机 的运算速度将不霉满足要求。d s p 是适合予这种场合的酋选器件，它虽然是为 了数字信号处理而开发的，但其应用范围己经超出了数字信号处理这范畴， 1 0 可广泛应用于多种工业控制领域。由于它的高速运算能力和先进的体系结构， 与其它常用的单片机相比，更适合于需要高速运算的场合，如高性能控制。 在控制领域应用d s p 可以使数值运算获得更精确的控制值和更快的系统 响应度；采用自适应控制可使参数在大范围内变化时性能最优；d s p 软件有可 能增加控制系统实时检测与诊断功能。此外，d s p 高速和强大的运算能力，可 以使系统采样频率的提高不再有障碍，这无疑又提高了使用某些数字控制规律 的系统的性能。d s p 在控制领域中一个主要的应用为高速控制。 许多生产d s p 的厂家，为了提高d s p 在控制方面的应用能力，纷纷推出 了专门针对于控制应用方面的d s p ，如t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列，其中尤以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 简称l f 2 4 0 7 ) 性能优异。这些d s p 提供了低成本、低功耗、 高性能的处理能力，对数字化控制非常有用。同时，几种先进的外设被集成到 这些芯片内，以形成真正的单芯片控制器。 本系统的处理器采用t i 公司的一款工业控制用d s p 芯片 一t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ( 图2 3 为该芯片系统功能结构图) ，该d s p 是定点d s p c 2 0 0 0 平台系列中的一员，专门为电机控制与运动控制而设计。其最大工作频 率为4 0 m h z ，片上集成了3 2 k x l 6 的f l a s h 存储器，2 k x l 6 的单口r a m ，5 4 4 x 1 6 的双口r a m ，以及大量的片上外设，具有较强的计算能力和丰富的外设资源， 足以满足计算量大的控制任务需要 8 】。 2 2 3d s p2 4 0 7 a 的特点 两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个事件管理器包括两个1 6 位通用定时 器和8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道、比较输出单元和捕获单元，满足本文 设计方案中对外设的需求；事件管理器模块适用于控制交流