（电工理论与新技术专业论文）电动汽车交流调速控制器的设计.pdf

电动汽车交流调速控制器的蹬计 a b s t r a c t a c o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ea cs p e e d r e g u l a t i o nc o n t r o l l e rf o rt h ee x c l u s i v eu s ei ne l e c t r i c v e h i c l e s ( e v ) i sc o n d u c t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h e f u n c t i o nd e s i g no ft h ec o n t r o l l e ri s p r o p o s e da c c o r d i n gt oe vo p e r a t i n gc o n d i t i o n s c o n s e q u e n t l y , t h ec o n t r o l c i r c u i to ft h ea f o r e m e n t i o n e dc o n t r o l l e ru s i n gt h et m s 3 2 0 f 2 4 0d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n d t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea r ed e s i g n e d s e c o n d l y ，t h ec o m p u t e rs i m u l a t i o np l a t f o r mf o ra na cs p e e d - r e g u l a t i o ns y s t e mi sb u i l to na m a t l a be n v i r o n m e n t c o m p a r e dw i t ho t h e rc o m m o n l yu s e ds i m u l a t i o nm o d e l s ，t h ep r o p o s e do n e c o n c e n t r a t e so nt h ee x p l o r a t i o no ft h em e c h a n i s mo fd s pc o n t r o l l e dv a r i a b l es p e e dd r i v e st o y i e l d m o r ea c c u r a t es i m u l a t i o nr e s u l t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a t ( 1 ) ac o n t r o la l g o r i t h mc a l lb e e a s i l yi m p l e m e n t e d ，a n d ( 2 ) t h ef u n c t i o no f a c o n t r o l l e r c a l lb er e a d i l ye v a l u a t e d ，i nt h i sp l a t f o r m a l s o ，t w oc o n t r o l l e r s ，o n ei sb a s e do nv e c t o rc o n t r o lt h e o r ya n da n o t h e ro nd i r e c tt o r q u e c o n t r o l t h e o r y , a r ed e s i g n e d e x t e n s i v en u m e r i c a le x p e r i m e n t s a r ec o n d u c t e dt o c o m p a r et h e p e r f o r m a n c e so ft h ep r o p o s e dc o n t r o l l e r sw i t ht h o s eo fa v a i l a b l eg e n e r a li n v e r t e r s t h en u m e r i c a l r e s u l t sa s r e p o r t e d d e m o n s t r a t en o t o n l y t h ee x c e l l e n t s p e e d - r e g u l a t i n gp e r f o r m a n c e so ft h e s e c o n t r o l l e r s ，e s p e c i a l l yt h ef a s tt o r q u er e s p o n d i n ga b i l i t yo f t h ed i r e c tt o r q u ec o n t r o lo n e , b u ta l s ot h e t e c h n i c a lf e a s i b i l i t yo f t h e s et w oc o n t r o l l e r s b a s e do nt h ep r e v i o u s 讧 o r k ，ac o n t r o l l e ro fd i r e c tt o r q u ec o n t r o la n dag e n e r a li n v e r t e ra r e c o n s t r u c t e d t h ee x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t i o n o n e s ，v a l i d a t i n g f u r t h e rt h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e so f t h ed i r e c tt o r q u ec o n a - o la l g o r i t h m f i n a l l y , an o v e ls w i t c h i n gt e c h n i q u ei sp r o p o s e dt or e d u c et h et o r q u er i p p l eo fd i r e c tt o r q u e c o n t r o l s t h i st e c h n i q u eu s e san e w t o r q u ea d j u s t o ra n dan e w n o v e ls w i t c h i n gt a b l e t h ee x p e r i m e n t r e s u l t sv a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s sa n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h ep r o p o s e dt e c h r f i q u e i i 电动汽车交流调速控制器的殴计 第章 交流调速技术在e v 中的应用和发展 1 1 交流调速技术在电动汽车中的应用 以解决纠：保需求与能源危机问题为出发点，电动汽车( e l e c t r i cv e h ic l e ，简 称e v ) 的发展受到全球广泛关注。e v 的推广应用可以有效地减少汽车尾气利城市噪 音，显著改善环境，节约日益枯竭的石油资源。当今，对e v 的研究已经成为全世界 高新技术的研究开发热点之一，并且被列入我国8 6 3 计划的重点项目。 目前，e v 与燃油汽车相比，无论在运行性能和使用成本上，都无法和燃油汽车 相竞争。+ 方面，e v 的加速性能和最高时速都不及燃油汽车：另一方面，与燃油汽 车相比，e v 成本较高，续驶里程短，充电或更换电池不方便。如何解决e v 上述缺点， 是当前e v 研究的重点。 聚焦于e v 中的驱动控制系统按所使用的电机种类不同可分为四类： ( 1 ) 直流驱动系统 以直流电动机为驱动电机构成的驱动系统称直流电动机驱动系统，通常简称为 直流驱动系统。直流驱动系统有控制较简单、效率较高、成本低、技术成熟等优点。 但直流电动机具有电刷、换向器等易损件，需定期维护，同时，与同容量的交流电 动机相比，其效率较低、价格高、质量及体积较大，导致使用不便。 ( 2 ) 交流驱动系统 以交流感应电动机为驱动电机构成的驱动系统称交流感应电动机驱动系统，通 常简称为交流驱动系统。 就交流电动机与直流电动机相比，具有效率高、体积小、质量轻、免维护、坚 实可靠、易冷却、寿命长等优点，但控制电动机的逆变器较复杂。一是逆变控制用 的大功率管，其数量比直流驱动系统中的多，且容易损坏：另一方面要实现交流电机 的良好调速性能必须采用矢量控制方法或者直接转矩控制方法。这两种方法均需较 为复杂的控制软件，但是随着电力电子技术的发展，这些关键技术问题都可能得以 解决。 就交流驱动系统和直流驱动系统比较而言，交流电动机本身比直流电动机成本 低，而逆变器比直流电动机控制系统成本高。然而，随着电力电子技术的不断发展， 两个系统的成本差距将日益趋近。从目前来看，交流驱动系统总成本高于直流驱动 系统的成本，但由于交流驱动系统效率高、质量轻，能更有效地实现再生制动等固 有特点，因此交流驱动系统事实上已使其成为e v 驱动系统方案的最佳选择。 ( 3 ) 永磁同步电视交流驱动系统 以永磁同步电机包括无刷直流电动机( b d c m ) 和三相永磁同步电动机( p m s m ) 为驱动电动机的驱动系统构成为永磁交流驱动系统。它与前二种驱动系统相比是 电动汽车交流调速控制器的设计 效率最高，体积最小，质量最轻，也无需维护的驱动系统，在e v 中得到了一定的使 用。但该类驱动系统目前尚存在着成本过高的缺点，且在可靠性利使用寿命等技术 指标上也比交流驱动系统差。此外，对于大功率的p m s m 和b d c m 要做到体积小、质量 轻尚存在一定的技术难度。 ( 4 ) 开关磁阻电动机( s p o f ) 驱动系统 开关磁阻电动机驱动系统，具有电动机结构比感应电动机更简单可靠，特别 适用于高速、低速大转矩的系统，且效率高，尤其是转子无绕组，适合于频繁正反 转及冲击负载等工况条件。此外，驱动功率电路采用的功率开关元件较少，电路较 简单。功率元件与电动机绕组相串联，不易发生直通短路。从而，利用较简单的控 制电路能够实现较宽的调速范围，低速大转矩和制动能量反馈等特性，因此该驱动 系统适合e v 。当然，该驱动系统亦有不足之处，即转矩脉动较大，噪声亦较大。 总之，从目前世界各国的e v 所用的电机来看，欧美等国多用交流感应电机，而 日本等围多采用直流电动机，从发展趋势看，交流感应电动机是有前途的，因在电 力电子器件及其相关技术日趋成熟的情况下，采用交流感应电动机的优点特别突出。 应该指出，传统的交流电机驱动方法难以实现和直流驱动系统一样的优良性能， 但是应用于e v 的交流驱动系统必须具备良好的性能。因为从e v 的运行性能来说。e v 最显著的特点是频繁的起、停、加减速，丽不是运行在某一恒定速度下。基于e v 的 特点，电动机应有较高的瞬时功率和功率密度( w k g ) ；为了提高一次充电行驶距 离i 电机驱动系统应有较高的效率，而且e v 是变速工作的，所以还应有较高的高低 速综合效率。此外，e v 起动和爬坡时速度较慢，但要求力矩较大：正常运行时需要 的力矩较小，而且速度较高。这样，电机驱动系统应具有以下特点：在低速时为恒 转矩特性，高速时为恒功率特性。而且运行速度范围应较宽，速度变换响应快。 因此研究一种高性能的电驱动系统对于提高e v 的运行性能有着重要的意义，是 e v 研发的关键技术。概况说来，e v 的电驱动控制系统应该具备以下特点”1 ： 1 、高能量密度、小型和轻量化。这一性能指标要求同样反映在电机和交流调速 系统上。 2 、高效率。研究表明，驱动电动机的最高效率可达至u 9 7 ，与此同时，也要求 驱动控制系统的效率在电机额定转速时达到9 5 以上，而在1 0 额定转速时效 率大于8 0 。 3 、高可靠性、耐久性、适应性。要求汽车驱动电动机及驱动控制系统能够在恶 劣环境条件下运行，即在振动大、冲击多、灰尘多、湿度变化大等环境条件 下，e v 的驱动系统必须能够可靠、稳定、安全运行。 4 、低速时的高转矩。e v 在起动或行车中，特别是爬坡时，要求电动机具有低速 高转矩性能。 众所周知，启动转矩小，转矩响应馒，是以v f l j d 恒定控制( 即电压和频率比保 持恒定的控制方法，简称v f 控制) 为代表的传统交流调速系统的共同缺点。以传统 电动汽车交流调速控制器的设计 交流调速技术为基础的变频器届然难以适应e v 对电驱动系统日益发展的需求。而最 近发展起来的矢量控制和直接转矩控制技术则能很好地解决上述技术问题，为实用 于e v 奠定了坚实的技术基础。 1 2 国内外技术的现状及其发展趋势 关于e v 交流调速驱动系统的研究，国外已经研究了近l o 年的时间知名度较高 的有美国的太阳电公司，日本的丰田公司和美国的通用公司，其中太阳电公司作为 e v 交流驱动系统研究的主要机构，已经研究出基于矢量控制的大功率e v 变频器。矢 量控制能解决传统交流调速系统肩动转矩小，转矩响应慢的特点，但是矢量控制受 制于电机参数的变化，考虑到e v 复杂的运行工况，矢量控制的交流调速技术在e v 中 的应用并不具备绝对的优势。另外国外产品价格昂贵，且技术受制于人。 德国鲁尔大学d e p e n b r o c k 教授于1 9 9 5 年提出的异步电动机直接转矩控制“1 ( d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，简称d c ) ，具有控制手段直接、结构简单、高效、控制 性能优良、动态响应迅速的特点，非常适合e v 驱动控制系统的要求。在直接转矩控 制方法中，由于定子磁通定向只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性大为减 弱，尤其是不受转予参数变化的影响；此外，直接转矩控制通过转矩偏差和定子磁 通偏差来确定电压矢量，不需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变换，从而控制系 统及其计算过程大大简化。显然，直接转矩控制的交流调速技术展示了专用于e v 驱 动系统的令人瞩目的应用前景。 应当指出，我国也开展了e v 交流调速驱动系统的研究，其中以中科院电1 研究 所为代表，也以在研发的基础上投入应用。 本课题立足于浙江大学二十余年的电动汽车研发的基础，跟踪国内外交流调速 驱动系统，特别是e v 交流调速驱动系统的最新进展，展开以设计高性能e v 交流调速 控制器为目标的专项研究。 1 3 本课题的主要研究工作 基于上述应用于e v 的交流驱动控制技术的特点，以及日趋发展的交流调速技术， 本课题着眼于e v 交流驱动系统的应用需求，围绕交流调速技术，对于各具特色的矢 量控制算法和直接转矩控制算法分别进行了系统深入的研究。具体的研究工作内容 为： l 、根据e v 驱动系统的运行工况，兼顾矢量控制算法和直接转矩控制算法的实现 方法，展开e v 交流调速控制器的总体功能设计( 第二章) 。在此基础上，进一步，设 计了控制器的硬件电路( 第三章) ；与此同时，本课题综合两种算法在软件实现上的 公共部分，展开了控制器软件的详细设计，建立了控制器软件的基本架构( 第四章) 。 通过上述的工作，本课题建立了交流调速控制器开发的软硬件平台。 电动汽车交流调速控制器的设计 2 、针对矢量控制算法和直接转矩控制算法，本课题分别进行了矢量控制算法和 直接转矩控制的研究( 第五、六章) 。在研究采用这两种先进算法的控制器的设计和 实现的基础上，本课题尤其感兴趣其对比通用变频器( 郎采用传统的v v v f 算法的交 流调速控制器) 在性能上的优越之处。为此，本课题进行了大量的对比仿真和对比 实验( 第七章) 。 3 、在上述的研究过程和控制器软件开发过程中，本课题提出了一种基于m a t l a b 的d s p 交流调速控制器仿真平台。实践证明，该仿真平台的建立和使用，减小了控制 器软件和算法仿真模型的开发难度，有助于在开发初期验证算法和软件设计，减小 开发风险( 第四章) 。 4 、着眼于直接转矩控制嚣的工程化和实用化技术，针对直接转矩算法的数字化 实现带来转矩脉动较大的问题，本课题提出了一种简单的减小转矩脉动方法，仿真 和实验结果表明该方法能在不增加硬件成本的条件下，有效的减小转矩脉动( 第八 童) 。 电动汽车交流调速控制器的设计 第二章 电动汽车交流调速控制器的总体设计 2 1 电动汽车交流调速控制器总体功能设计 电动汽车交流调速控制器的总体设计方案包括控制器的总体功能设计，控制器 硬件系统的总体设计和控制器软件系统的总体设计。 如前所述，电动汽车具有复杂的运行工况，因此要求其驱动系统具备良好的性 能。近年来，基于v f 控制的通用型变频器有了长足的发展，提供了越来越多的功能 以确保其多种场合的应用“”t il l 但其低速性能较差的缺点难以得到根本改善，而 电动汽车的驱动系统作为一种特殊的交流调速系统，其对低速高性能的要求，使得 通用型变频器不能完全满足电动汽车运行的要求“1 。通过深入分析电动汽车运行和 控制的实际情况“1 ，对比通用型变频器的性能和功能“7 “”r i o 本文认为，专用于 e v 的交流调速控制器应该具备以下的功能要求： 1 、具备转速设定：有数字给定，模拟给定等方式。 2 、可以设定的加减速时间及加减速给定方式。 3 、对各种故障的保护、处理和记录。 4 、启动频率和启动保持时间。 5 、内置p l c 功能：可以按控制器的输入口开关量状态进行启停以及正反转等的 控制。 6 、制动和能量反馈环节 7 、快速的转矩响应和速度响应。 应指出，为验证本文所设计的专用于e v 的交流调速控制器在快速的转矩和速度 响应上具有优于通用型变频器的性能上的优势，本文在设计和实现专用于e v 的交流 调速控制器的同时，设计和实现t v f 控制算法的控制器( 以下简称v f 控制器) ，并进 行了深入的仿真和实验的对比性研究。 2 2 交流调速控制器的硬件、软件总体设计方案 根据上述控制器总体功能设定，本文将控制器实现的功能分成以下四个方面： 1 、电机驱动：控制器的核心功能就是驱动电机，对于交流调速控制器来说就是 根据用户的需要发送合适的可驱动电机的电压，驱动电机工作。 2 、电机运行过程管理：包括电机的启动频率、启动保持时间、转速上升时间、 制动保持频率、制动保持时间等等功能，这些功能的实现主要是通过用户输 入相应的运行参数，由控制器根据参数控制电机实施运行。 3 、人机交互管理：包括键盘处理、参数设定、运行时参数显示、外部端予给定 电动汽车交流调速控制器的笈计 控制信号、面板给定控制信号、与卜- 位机通讯等。 4 、故障、异常状态检测和处理。控制器还需通过检测主电路的母线电压，电流 和热量信号等保证驱动系统在发生异常情况下，进行正确的处理。需要。 构建控制器的关键技术首先在于控制器的理论基础，即本文主要的研究刺象： 矢量控制算法和直接转矩控制算法。算法是实现控制器功能的根本保证。然而控制 器采用彳i 同的算法导致控制器采用不同的软、硬件设计方案。冈此，本文从控制器 设计和实现的角度出发，分别给出了这两种算法所构建的驱动系统所埘应的总体设 计结构。 i 曲t 图2 2 1 矢量控制算法的驱动系统的总体结构框图 图22 1 是基于矢量控制算法的驱动系统的总体结构框图”“1 。矢量控制算法的 基本思想是检测定予电压”。和电流f 。，通过电机模型和矢量变换计算0 ( 转子磁链 合成矢量于定子两相坐标系口轴的角度) ，励磁电流分量f 。和转矩电流分量i ，然后 将后两者分别与励磁电流给定值，和转矩电流给定值t 。进行比较。再将比较后的结 果通过p i 调节器转变成两相定子电压设定值“。和“一将这两个值通过矢量变换变 成定子电压值，再选择合适的电压开关状态，发出对应的p w m ( p u l s e w i d t h m o d u l a t i o n 脉宽调制，简称p w m ) 驱动信号，送往i g b t 模块，驱动交流电机工作。 图2 2 - 2 是基于直接转矩控制算法的驱动系统的总体结构框图“1 。如图所示，该 算法需要检测定子电压“，和电流，然后计算出定子磁链y 。和电磁转矩t ，通过和 给定定予磁链矿，和给定的转矩k 进行比较，获得转矩和磁链控制信号，再根据该 信号查找对应的电压开关表，发出对应的p w m 驱动信号，送往i g b t 模块，驱动交 流电机工作 综合两类算法的实现来看，两种驱动系统所对应的控制器除其算法对软硬件特 定的要求外，其余则表现为共同的软硬件系统的总体设计 电动汽车交流调速控制器的设计 图2 - 2 2 直接转矩控制算法的驱动系统的总体结构框图 2 2 1 交流调速控制器的硬件总体设计 从硬件角度出发，交流电机、主电路、p w m 驱动电路、主电路和电机信号量检 测电路、核一t j , c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t 中央处理器，简称c p u ) 、人机交互电路 构成了整个交流调速控制器的硬件组成( 图2 - 2 3 ) 由图可见，各硬件问的功能联系 如f ： 1 、主电路根据p w m 驱动信号产生p w m 电压，注入电机； 2 、信号检测电路检测电机和主电路的相 关信号，将其转换成核心c p u 可测量的标准 信号值： 3 、驱动电路负责将核心c p u 发出的 p w m 驱动信号放大，变成主电路上i g b t 器 件标准驱动信号，同时，驱动电路还需要提 供信号检测等电路的低压电源； 4 、人机交互电路模块负责接收外部指令 信号，并输出相关参数，它包括键盘，显示， 外部控制端子，网络通讯模块等： 以上硬件的技术设计将在第二章中详述。 图2 - 2 3 控制器硬件组成 2 2 2交流调速控制器的软件总体设计 本文致力于控制器的设计和实现，其最终目标是设计可实用的e v 专用控制器， 而不是仅在于单纯的实现两种不同的控制算法。为此，本文采用了以运行状态控制 为核心，而不是以算法实现为核心的软件架构方式，在软件的技术设计中将其分成 以下几个模块： 电动汽车交流调速控制器的设计 ( 1 ) 运行状态控制模块 控制器不仅控制电机运转，更重要的是保证电机工作在用户设定的状态，并且 用户可以不断地，实时改变电机的运行状态。运行状态控制模块就是根据用户设定 的参数和控制信号，确定电机运行状态的各种控制量，传交给算法模块处理。此外， 当发牛故障时，该模块能及时地处理故障，确定电机和系统的动作，并将所需反馈 信号传送给信号输出模块输出给用户。因此，该模块是控制器软件的核心。 ( 2 ) 算法计算模块 控制器性能指标很大程度上取决于其所采用的算法。算法计算模块根据运行状 态控制模块传来的电机运行状态控制量，计算相应的p w m 驱动信号，送至p w m 驱动电 路，通过主电路的功率模块，产生对应的p w m 电压，驱动电机工作。该模块是控制器 的关键模块，从本质上决定了交流调速控制系统的性能。 ( 3 ) 外围信号采集模块 该模块采集各种输入信号，包括主电路、电机运行时的电压、电流等信号和用 户输入的数字和模拟信号。此外，用户的输入尚可通过$ p i 或者s c i 串行通讯实施， 该模块也需正确接收和解析相应的信号。 ( 4 ) 信号输出模块 该模块负责将c p i 产生的需要向外部输出的信号通过p w m 端口、i o 端口、9 a 端 口和串行通讯口输出。 ( 5 ) 故障检测模块 根据外围信号采集模块获得的各种电机和系统运行的信号量判断系统是否出 现异常，若出现异常，即实时通知运行状态控制模块。 综上可见，在软件系统总体设计中，控制算法的实现仅是控制器软件多模块构 成中的一个组成部分，而软件的其他模块在由两种控制算法分别构造的控制器的软 件系统中几乎完全相同。 本章小节 本章给出了应用于e v 的交流调速控制器的总体功能设计，并在此基础上，深入 分析了控制器的核心技术，即其采用的控制算法( 矢量控制算法和直接转矩控制算 法) 对控制器总体设计的影响，给出了控制器的硬件和软件的总体设计架构，为下 一步控制器系统的技术设计、样机开发奠定了研究的总体规划的基础 电动汽车交流调速控制器的殴计 第三章 变频交流调速控制器的硬件设计 3 1 交流调速控制器的硬件电路设计概述 根据第二章提出的控制器硬件总体设计方案，控制器的硬件电路由主电路、控 制电路、信号检测电路、驱动电路和人机交互电路五部分组成，其主要功能接口和 连接关系，如图3 一l l 所示。下面分节展述各个电路的技术设计细则 倍 r s 厂 电踌 丕 一 ； u c + 一 1 1l i u c 一一 【一 1f 卜l11 强渖睡 翮肉 蠢 习南 电蒇 p m 露 躺 y l 一_r u 卜卜川一 同 网 + i 书斟 t x s 3 2 0 l f 2 4 0 t l 轴出卜 童b s f l s r k 3 调从如蚴阿 i 口 |i 搿h 嚣隐l 。 1 之岁 l 托帆i 图3 - 1 1 控制器硬件构成框图 3 2 主电路设计 电动汽车采用动力电池作为主电源，主电路采用d c a c 电路结构即可。但是考虑 到在调试和开发过程中采用电网交流电供电的需要，因此，本文设计的主电路采用 电动汽车交流调速控制器的没计 成熟的a c d c a c 电路结构 1 2 1 1 13 1 如图3 2 1 所示，输入采用不控整流，经大电容滤 波产：牛比较稳定的直流电压，逆变回路产生相应的电压输出，控制电机的运行。 由2 2 节可知，控s j j 器- 需要检测电机定子相电流的实时值。为了测得u ，v 相电流 值，可分别存u ，v 相接入电流检测的霍尔器件。w 相电流利母线电流则可通过硬件电 路计算毅得( 详见3 3 箝) 。 r s t v c + b c m c 继电器 图3 - 2 一】控制器的主电路结构 3 3t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s pc p u 及其周边电路设计 控制电路是整个控制器的核心，它采集各种输入和检测信号，输出根据功能设 定的相应的模拟及开关信号，输出p w m 波控制主电路的正常运行，并且实现各种故 障、保护的处理。同时，还要有良好的人机交互操作环境，为此，设计有操作面板。 该电路的核心处理器为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ”i i5 1 t 1 6 1 1 1 7 1 该d s p 是t i 公司推出的高 性能1 6 位定点数字信号处理器，专为数字电机控制( d m c ) 应用而设计。作为系统 管理器，d s p 必须具备强大的片内i 0 和其它外设功能。面向应用优化的外设单元和 高性能d s p 内核的结合，可以为所有的电机类型提供高速、高效和全变速的先进控 制技术。 由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的强大的功能，使其在系统设计中只需再附加少量的器件即 可构成完整的控制系统。下边就其中的复位电路和参数存储电路的设计加以说明： ( 1 ) 复位电路 复位电路对一个系统而言是一个非常重要的组成部分。由于控制电路的工作电 源由开关电源提供，而开关电源的建立需要一个过程，在这个过程中，控制板工作 电压还没有完全建立，此时需要使系统处于复位状态，这里使用上电复位芯片实现。 当芯片输入电压达到阈值电压后，输出端延时4 0 0 m s 左右翻转，使d s p 开始正常工 作。 ( 2 ) 参数存储电路 控制器的运行需要大量的参数，并且用户可以更改、保存这些参数。参数存储 电路的功能就是保存这些参数值，使控制器重新上电后能获得上次用户修改后的参 数值。 电动汽车交流调速控制器的设计 采用2 4 c 0 8 作为参数存储芯片，其与d s p 的连接电路如图3 3 1 。2 4 c 0 8 是s p i 外 设，其s c l 引脚接入s p l 时钟信号线，s d a 引脚接入s p l 数据信号线。由于 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p r 有一组s p i 引脚，本文设计该组s p i , 0 | 脚用作和控制面板之问 的通讯连线。此处本文采用d s p 的两个数字i o 输出输入引脚( 图中 1 0 p e l ；f 1 i o p e 2 ) q 2 4 c 0 8 存储芯片相连，在软件上模拟s p i t _ 作方式，实现与2 4 c 0 8 的数据交换。 3 w ，v c u 4 o1 u 到3 - 3 i 参数存储电路 3 4 人机交互电路设计 ( 1 ) 数字信号输入输出接口电路 控制器有一些数字输入量，如转向信号、启动信号等：有一些开关输出量。一 般，使用光耦使c p u 控制板与外部开关信号隔离。执行数字信号输入输出功能的接口 电路结构如图3 4 1 所示，其中由图( a ) 当转向输入信号( s f ) 由低到高跳变，即 从o v 跳变至u 2 4 v ，光耦输出侧( 光耦的第三引脚和d s p 的i o 引脚相连) 将从o v 跳变到 v c c ( 3 3 v ) ；图( b ) 对应继电器动作的输出信号( m c ) ，其工作原理和输入信号类 似。 攀! v c 二cr 7 1 5 二1 理t l p 5 2 1 1 - 1 臼4 m c ! ! 警! 竺 ! l 享l _ l r 黝甜 连d s px o g l 脚专 0 ) 图3 - 4 1 数字信号输入、输出接口电路 电动汽车交流调速控制器的设计 ( 2 ) d a 输出通道 利用l f 2 4 0 7 事件管理器的简单比较器输出，外接积分放大电路，可以将数字信 号转换成模拟信号。l f 2 4 0 7 事件管理器的简单比较器输出( 如图3 4 2 所示的t 3 c m p r ， 为d s p 定时器3 的简单比较器的输出引脚) 为占空比可变的方波，调整简单比较器的 比较值可以获得占空比不同的方波，将该方波信号输入图中的积分放火电路，即可 获得对应的模拟量值( 如图的f r e q u e 模拟量输出) 。 通过d a 输出通道，可以将控制器软件运行过程中的变量变成模拟量输出。这样， 即可获取软件计算所得的各个变量，如磁链，电磁转矩等。 连d 钟 图3 - 4 - 2d a 输出通道 ( 3 ) 基于s p l 模块的键盘显示设计 c p u 电路与控制面板( 包括键盘和显示) 的连接有数字、模拟混合方式和全数 字方式等。其中混合方式使用的是i o 口和a d 口，i o 口模拟时序与控制面板显示电 路进行通讯，键盘部分使用电阻分压a d 采样判断键值。模拟时序需要设计者设定时 序配合，复杂而又容易出错：键值a d 采样误差较大，尤其是当把控制面板连接线延 伸后，由于延长线上压降增大，使得a d 采样误差变 大，产生误键，导致控制器不能正常运行。为此， 本文采用在控制面板年h c p u 电路之间，采用s p i 的全 数字连接的方式。将键盘a d 采样放置在控制面板的 电路中，由s p i 通讯负责传输采样后的数字信号，减 小连接线延长所带来的键盘a d 采样误差变大的问 题。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 带有4 个引脚的高速、同步串行外 设接口。它能使可编程长度的串行位流( 1 到8 位) 以可编程的位传输率输入和输出器件。 在控制面板电路中，设计了键盘a d 采样电路， 其采样方法为电阻分压，见图3 4 3 。由此可得按下 无键时的a d 采样电压值为 l a d 图3 - 4 3 电阻分压键盘采样电路 电动汽车交流调速控制器的设汁 ”雨 k l 键按下时的a d 采样电压值： 。矗 k 2 键按下时的a 0 采样电压值： = 矗 k 3 键按下时的a d 采样电压值： 2 而 ( 3 4 1 ) ( 34 2 ) ( 3 - 4 3 ) ( 34 - 4 ) 采用7 4 h c l 6 5 并行串行转换芯片，完成键盘采样。工作过程如下：s p i 模块 设置为主模式，查询方式接收，8 位数据，最大传输率为2 ，5 m h z 。通过s p i c l k 向7 4 h c l 6 5 提供时钟信号，7 4 h c l 6 5 在时钟上升沿向s p i s o m i 发送数据， s p i s o m i 在时钟上升沿接收数据，为了保证时序上的配合，到达7 4 h c l 6 5 的时 钟信号需先反相，相当于提前半个时钟周期。i o 引脚用于触发7 4 h c l 6 5 锁存数 据，见图3 4 4 。 圈3 4 - 4 键盘采样原理 控制面板的另外一个部分是l e d 显示，亦通过s p i 通讯，将需要显示的数据 和显示该数据的数码管发送到控制面板，具体方法如下。 配置s p i ：设置为主模式，查询方式发送，8 位数据，最大传输速率为2 5 m h z 。 电动汽车交流调速控制器的设计 电路结构盘t 图3 - 45 所示。工作时，s p i 模块通过s p i c l k 为5 9 5 提供时钟信号， s p i s i m o 在时钟下降沿向5 9 5 发送数据，5 9 5 在时钟上升沿接收数据，$ p i s t e 设 置为i o 引脚，用于触发5 9 5 锁存数据。所发送数据的高8 位用于片选l e d ，低 8 位是显示的数据。 图3 - 4 5l e d 显不腺理图 3 5 信号检测，驱动电路的设计 检测与驱动电路是连接主电路和控制电路的接口和通道，并且给控制电路提供 工作电源。信号检测电路采集信号如直流母线电压，交流侧电流等给控制电路：而 驱动电路p w m 波经驱动放大发送给主电路。在实际产品中，小容量的控制器一般将 主电路和检测与驱动电路设计在一块印制板上，而大容量的控制器则般分别设计。 本课题考虑到调试方便，采用主电路和检测与驱动电路分开设计的形式。 ( 1 ) 电流检测及过流保护电路 电流检测是通过霍尔器件检测两相负载电流。u 相电流检测电路如图3 5 1 所示， 将霍尔器件检测到的一1 0 v + 1 0 v 的信号，抬升为3 3 o v 的信号，进入d s p 的a d 采样。 设计中，采集u 、v 两相的电流( v 相电流检测电路和u 相相同) ，送往d s p 的不同路的 两个通道，以便进行同时的采样转换，避免了因为时间不同造成的计算误差。w a 电 流的获得如图3 - 5 2 设计。 萱 图3 - 5 1 电流检测电路 电动汽车交流凋速控制器的设计 图3 - 5 - 2w 相电流检测 为了获得母线电流，设计了u ，v ，w 相电流累加电路。将累加的信弓送到d s p 和过 流保护电路中，如图3 。5 3 所示。 图3 - 5 - 2 电流保护电路 由图3 5 2 可见，母线电流检测和过流保护电路是把三相电流信号进行三相叠 加，叠加后的结果一路进入d s p 的a d 采样，实现负载电流检测，用于负载电流的 监视和过载保护；一路与一定的电压阈值比较，比较的结果输入d s p 的功率驱动保 护中断入口( p d p i n t ) 和控制板上的p w m 驱动保护，当检测值大于闽值时，触发 过流保护。 ( 2 ) 温度检测电路 所有的电力电子器件在运行中都会有导通功率损耗和开关功率损耗存在。这些 功耗通常表现为热，必须采用散热器把这些热量从功率芯片传导到外部环境。但是， 当负载过重、开关频率高或者散热故障等原因引起温度上升，当电力电子器件结温 r 超过允许的最大值r ，。时会造成器件的损坏。因此，温度检测也是变频器能正常 运i j ：的保障之。一般，通过检测热敏电阻的阻值来判断温度。有些小功率模块， 模块内部带有热敏电阻，可以直接利用。有些模块内部没有，采用在靠近模块的散 热器上安装热敏电阻的方法。就温度检测而言：热敏电阻不同的阻值对应于不同的 温度，但c p u ，只能采集电压信号。为此，本文设计了两种方案： 电动汽车交流调速控制器的设计 a ) 方案一：使用电阻分压，如图3 - 5 4 ( a ) 所示。 1 0 k 的电阻与热敏电阻分压，即有 分志 为了保证测量的范崮，用个 ( 3 - 5 一1 ) 这一方法结构简单，但是采用电阻分压，会使误差增大，再加上热敏电阻本身 非线性的影响，误差会更大。 ( a ) + 6 暑v z w 4 g n d ( b ) 图3 - 5 4 过热保护电路 b ) 方案二：使用一个电流源1 ，如图3 5 4 ( b ) 所示，使其流过热敏电阻，则 每一个电压对应一个阻值，也就是对应一个温度值，即 y a d = i s4 r t ( 3 5 2 ) 这种方法电路复杂一些，但由于电压和温度是一一对应的关系，没有其它的误 差引入，测量精度较高。故本文采用该种温度测量方法 必须指出，计算温度检测中过热保护的阈值需要计算以下几种损耗 1 8 l 。 图3 - 5 5 主电路功耗示意图 1 6 电动汽车交流调速控制器的设计 j p 蠢：。e ，c r t 一，j r s i n zx ! 二掣出( 。一。一。) = ，。u 。、i 1 + 五dc 。s 口) e 默川十e s w ( o # j ) ，。去l s l n x d x 2 ( ( 哪+ e s ( 酊) ) 工 p o = 1 e e u e c c ：一争们 。锄 只2 秒1 ”u 叫肼) z ( 35 6 ， e ) 一1 5 1 2 5 。c ，集电极电流等于，c 尸，每脉冲对应的i g b t 关断能量； r2 + 岛2 2 6 - 9 6 + 5 9 6 8 。8 6 6 4 ( w ) ( 3 5 7 ) b 2 易+ 只，2 2 9 1 + 6 0 2 6 2 9 l ( 矽) ( 3 5 8 ) 电动汽车交流调速控制器的设计 驱动电路中l g b t 和续流二极管器r ：的等效热网络如图3 5 6 所示。图中，r 。是器 件结到管壳基准点稳态热阻，r 。是管壳到散热器的接触热阻，r 。是散热器基准点 到环境基准点的热阻是环境温度。 q 打l 图3 - 5 6 器件等效热网络 i g b t 的额定结温是1 5 0 u c ，这一额定值在任何正常的工作条件下都足不允许超过 的。若将最恶劣工作条件下的最高结温限定在1 2 5 。c 或更低，可提高i g b t 的可靠性。 由1 6 b t 的总平均功耗：圪= 只+ l ，根据热平衡关系式 巧2 t + 忍月， ( 3 59 ) 可以计算出结温r = 1 2 5 0 c 时的基板温度t 。由i g b t 算得t - 9 4 7 0 c ，由f w d 的 r - 9 0 4 0 c 。所以设定过热保护阂值为9 0 0 c 。 ( 3 ) 电压检测及过压保护电路 电压检测是基于信号检测电路输出的母线电压分压后的信号，经过运放电路变 成o 3 3 v 的信号。该信号一路进入d s p 的a d 采样；另一路与一定的电压闽值比较， 比较的结果输久d s p 的功率驱动保护中断入口( p d p i n t ) 和控制板上的p w m 驱动 保护，当检测值大于闽值时，触发过压保护。如图3 5 7 所示 耘喜 甲酣爹 图3 - 5 7 电压检没4 保护电路 ( 4 ) i g b t 驱动电路“” 虽然i g b t 器件的驱动电路属于场控型，不需要稳态驱动电流，但是由于器件结电 容存在，在开肩和关断的瞬间存在充放电过程。因此仍然需要足够的驱动电流来建 立电场。充电和放电越迅速，即在器件开通和关断越迅速。所以i g b l 驱动电路必须 电动汽车交流调速控制器的设计 用低内阻的驱动电源对门极电容充放电，以保证门极控制电压有足够陡度的前后沿， 力求减少1 6 b t 的开关损耗。此外，i g b7 l 、开通后，门极驱动电源应提供足够的功率使 得i g b t 不致于退出饱和而损坏。 另外，在i g b t 驱动电路中，门极电路中的正偏压应为+ 1 2 v + 1 5 v ；负偏压应 为一2 v 1 0 v ；i g b t 多用于高压场合，驱动电路应该和整个控制电路在电气上严格 隔离。 本文采用的驱动电路如图3 5 8 。为了使i g b t 稳定工作，采用正负偏压电源工作； 为了使得门极驱动信号与驱动电路隔离，采用抗噪声能力强，信号传输时问短的光 耦合器件；输出级采用互补电路的型式以降低驱动源的内阻，同时加速i g b t 的关断 过程。 图3 - 5 8i g b t 驱动电路 最终本文设计的控制器实体如图3 5 9 所示 电动汽车交流调速控制器的设计 图3 - 5 9 控制器实物图 本章小节 本章就控制器硬件组成设计的五个部分进行了详细的分析和阐述，给出了关键 部分技术设计的电路图。并重点讨论了控制器中电力电子器件过热保护所采用的方 法及其相关的理论分析和计算公式。 电动汽车交流谰速控制器的设计 第四章 交流调速控制器的软件设计 4 1控制器的软件设计 在第二章中已就控制算法和控制器功能的两个方面对控制器软件总体设计的需 求，从概念上给出了以运行状态控制为核心的软件技术设计的模块划分如下： 1 、运行状态控制模块 2 、算法计算模块 3 、外围信号采集模块 4 、信号输出模块 5 、故障检测模块 现进一步分析控制器的运行过程，可以得到如图4 1 1 所示的软件系统总体数据 流程图，图中将控制器软件系统运行过程中处理的数据分成以下几种类型： ( 1 ) 功能码参数值 系统运行需要一些基本的参数，这些参数是系统运行和功能实现的基础，如最 高频率，载波频率等。附录一的功能码说明定义了用户可设置的全部参数。对于控 制器来说，存在一个缺省的功能码参数值表，该表保存了全部参数的缺省值，使得 用户即使不设置这些参数也可以让控制器和电机运行