（交通信息工程及控制专业论文）基于DSP电动汽车驱动控制系统的设计.pdf

摘要 电动汽车具有低噪音、零排放等优点，成为当今汽车工业解决能源和环保等突出问 题的重要途径。在电池技术未取得突破的背景下，电机驱动系统的研究成为电动汽车技 术研究的主要热点。 本文简要介绍了电动汽车驱动系统国内外发展现状。在收集相关资料的基础上，确 定了采用d s p 作为主控制器的系统设计方案。根据电机选型，建立了其数学模型，并 用m a t l a b 来分析电动汽车驱动系统的控制策略和参数选择。 电动汽车驱动控制器的设计中，最重要的工作就是完成对永磁无刷直流电机的转速 控制。文中通过软硬件电路设计，对电机驱动调速系统进行了研究。根据所选的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能，对驱动系统硬件电路进行了系统设计，主要包括最小系统、 电源电路、p w m 驱动电路、通信电路、检测电路以及过电压、电流保护电路等，并对 相关电路参数进行了计算和分析。在此基础上，采用了根据驱动系统p c o s i i 实时操作 系统，进行了相应软件程序移植和设计。根据驱动系统总体要求，确定了软件的总体结 构，完成了定时中断、串行通信、数据采集等程序的设计。 关键词：电动汽车，驱动控制，永磁无刷直流电机，d s p a b s t r a c t e l e c t r i cv e h i c l ew h i c hh a sb e c o m ea 1 1i m p o r t a n tt o o lt os o l v ep r o b l e m ss u c ha se n e 唱y a 1 1 de n v i r 0 i u i l e n t a lp r o t e c t i o ni nt o d a y sa u t o m o b i l ei n d u s 仃yh a sm a n ya d v a l l t a g e ss u c ha s 1 0 w - n o i s e ，z e r oe m i s s i o n sa i l ds oo n mt h ec o n t e x tt l l a tb a t t e r yt e c h n o l o g yh a sn o t b r e a l c 曲r o u g h ，t h er e s e a r c ho nm o t o rd 矗v es y s t e mi sb e c o m i n gt h em a i nh o ts p o t s t l l ep a p e rm a k e sab r i e fi n t 】r o d u c et 0t l l e d e v e l o p m e n ts t a t u so fe l e c t r i cv e h i c l ed r i v e s y s t e ma th o m ea i l da b r o a d o n 廿l eb a s i so fc o l l e c tt h er e l e v a n ti n f o m a t i o n ，i ti d e n t i f i e st l l e s y s t e md e s i g nw h i c hu s ed s pa st h em a i nc o n t r o l l e r a c c o r d i n gt 0m es e l e c t i o no fm o t o r ，i t e s t a b l i s h e st l l em a t h e m a t i c a lm o d e la i l du s e sm a t l a bt oa n a l y z et h ec o n t r o ls t r a t e g ya i l d p a r a m e t e rs e l e c t i o no fe l e c t r i cv e h i c l ed r i v es y s t e m t h em o s ti m p o n a u l tw o r ki st of i n i s ht h es p e e dc o n t r o lo ft h ep e m a i l e n tm a g l l e tb m s m e s s d cm o t o ri nt h ed e s i g no ft h ee i e c t r i cv e l l i c l ed r i v ec o n 仃o l l e r t h em o t o rd r i v es p e e dc o n t r o l s y s t e mi ss 眦i e dt h r o u g ht l l es o r w a r ea n dh a m w a r ec i r c u i td e s i g ni nt h i sp 印e r a c c o r d i n gt o m en m c t i o no f t h es e l e c t e dd s p c 1 1 i pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，t h i sp a p e rd e s i g n st h el m d w a r ec i r c u i t s f o rd r i v es y s t e mw | 蚯c hm a i n l yi n c l u d e st h em i n i m 啪s y s t e m ，p o w e rs u p p l yc i r c u i t s ，p w m d r i v e r c i r c u i t ， c o m m u n i c a t i o n c i r c u i t ， d e t e c t i o nc i r c u i ta n do v e 卜v o l t a g e ， o v e r - c u r r e n t p r o t e c t i o nc i r c u i ta 1 1 ds oo n i ta l s oc a l c u l a t e sa i l da n a l y z e st h er e l e v a i l _ tc i r c u i tp a r 锄e t e r s o n m i sb a s i s ，t h i sp a p e ru s e sp c o s i ir e a l - t i m eo p e r a t m gs y s t e mt oc o m p l e t et r a n s p l a n t a t i o n a i l dd e s j 盟f o rt h ec o r r e s p o n d i n gs o n w 鹏p r o c e d u r e s a c c o r d i n gt ot h eg e n e r a lr e i q u i r e m e n t s o f “v es y s t e m ，i td e t e r m i n e st h eo v e r a l ls t n j c t u r eo ft h es o 鲰 ，a r ea 1 1 dc o m p l e t e st h ep r o g r a m d e s i 盟ss u c ha sr e g u l a r l yi n t e r m p t e d ，s e r i a lc o l i i l u n i c a t i o n ，d a t aa c l i s i t i o na 1 1 ds oo n k e y w o r d s ：e l e c t r i cv b l l i c l e s ，d r i v i n gc o n t r o l ，p e n a i l e n tm a g n e tb m s h l e s sd cm o t o r ，d s p 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 敝储签名：多星正也瑚j 7 年石月孑日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 岁壬五翌l 细节年6 月g 日 导师签名： f 吮千 年月日 长安大学硕士学位论文 1 1 选题的背景与意义 。 第一章绪论 。 弟一覃箔化 在未来的一段时间内，我国将成为世界最大的汽车消费国【l 】，2 0 1 0 年我国汽车将增 加到五千六百万辆以上，不过空气污染源也会大幅度提高，空气污染将有6 4 来自于汽 车尾气的排放，如一氧化碳、碳氢化合物、硫化物以及由于二氧化碳排放等，这些气体 都会造成温室效应，对我国经济健康发展起到一定得阻碍影响；在2 0 2 0 年左右，我国 石油消费量将超过4 5 亿吨，而我国能源系统效率平均低于国际先进水平1 0 【2 j 【引，但 是我国6 0 石油消费量依赖于进口，要是仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会 使我国为此付出巨大代价和对环境保护也会造成巨大的压力。在这种严峻的形势下，我 国汽车工业的未来发展需要我们好好思考。根据现在世界人口和汽车的增长趋势来看， 今后5 0 年中，世界人口和汽车数量分别从6 0 亿增加到1 0 0 亿和7 千万增加到2 亿5 千 万辆以上。若这些车辆都采用内燃机，能源需求和空气污染将会给人类造成巨大的压力 和损坏。因此我们必须开发节能环保型以及高效智能型的交通车辆，只有这样才能在本 世纪实现交通的可持续发展。 现在世界上各国汽车现有数量加在一起超过6 亿辆，每年新增加的各种汽车约3 5 0 0 万辆，按平均每辆汽车年消耗1 0 1 5 桶石油及石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达 到6 0 7 0 亿桶，可见就光汽车每年消耗的石油量都要占世界石油产量的一半以上，这样 石油资源要是长期按现在的每年几十亿吨大规模地开采，那么石油资源枯竭的日子将会 越来越近。根据科学家的预测，如果按目前地球上石油资源的消耗水平，仅仅可以维持 6 0 1 0 0 年左右。能源危机曾经对世界经济带来严重影响，因此石油资源的争夺更加强烈， 石油纠纷在国际上也不断发生，甚至为了争夺石油资源而爆发的战争在近几年也不断发 生。因此石油资源的解决是当今世界每个国家所面临的首要考虑的问题，石油资源解决 的好坏是当今世界是否稳定的重要因素。 电动汽车是将机算机、电子与化学各学科领域中的高新技术于一体，是汽车、计算 机、电力拖动、新材料、新能源、功率电子、自动控制、化学电源等工程技术中最新成 果的集成产物。电动汽车的种类很多，如纯混合动力电动汽车和燃料电池汽车。混合动 力电动汽车是纯电动汽车发展过程中，能满足未来汽车以节能为目标和污染物排放低等 要求且有利于市场化的一种新车型。燃料电池是以氢为燃料，与大气中的氧转化为电能 第一章绪论 作为汽车动力，推动汽车前进。混合动力电动汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车对世界 汽车的发展以及环境的保护都起到一个前所未有的阶段，具有里程碑的意义。 我国政府已将电动汽车的快速发展列入我国“十五”国家8 6 3 计划，加大了对电动 汽车开发和产业化的投入，与世界发达国家电动汽车发展接轨，目前已经取得了一定得 成就。我国不少高等院校、相关的研究以及国内部分企业都加强了对电动汽车研究开发 的力度，加快了汽车事业的发展速度。目前我国纯电动汽车研发比较顺利，可以小批量 生产与应用；与此同时混合动力汽车的发展目前它的产业化也可以说具备条件；值得炫 耀的是我国的燃料电池汽车研发目前达到国际先进水平。因此我国建立电动汽车产业， 逐步实施车用能源动力系统转型，实现节能环保目标奠定了技术基础【4 】【7 】。现如今各国 都在发展电动汽车事业，是由于它具有以下几个方面的优点： ( 1 ) 污染小。电动汽车在本质上是一种零排放汽车，一般无直接排放污染物，要 是有污染也是间接污染，如电池废弃物和发电的时候所消耗的能源而造成的污染都属于 间接污染。然而国家目前也在大力改进间接污染，再加上电池废弃物的回收技术逐渐成 熟。其次水力、原子能发电等均十分清洁，只是火力发电污染比较严重，不过相对于燃 油汽车而言，它的控制难度就比较容易了，这样电动车就可以实现人们想要的“清洁车 辆”。根据国内外相关资料调查显示，电动汽车的噪音比燃油车辆要低5 d b 以上。而目 前世界各大城市的噪音污染比较严重，因此要想大幅度降低噪音污染，在世界范围内电 动汽车的广泛使用是必不可少的。国外资料研究表明，使用电动汽车必然造成对电力新 的需求，但通过一些优惠政策鼓励电动汽车用户在夜间充电，可使得电动汽车能尽量利 用夜间多余电力。除此之外，电厂废气排放可以集中处理，技术和经济上都优于汽车的 废气排放。目前新型蓄电池也朝着污染低、安全性好的方向发展，这是因为新型的蓄电 池也可以在后期集中进行处理。美国加利福尼亚州进一项试验数据和研究报告表明，在 综合考虑上述两个因素影响的前提下，要想大幅度降低一氧化碳和碳氢化合物的排放 量，电动汽车的广泛应用是势在必行的! 也只有电动汽车这种自身具有环保型的汽车完 全代替燃油汽车才能使我们的环境污染降低，使得地球更加适合人类的住居! ( 2 ) 节约能源。据测算，将原油提炼成柴油和汽油，要是用它们作为燃油汽车驱 动能源时，它们平均只有大约1 4 的能量利用效率。下面说下过程，重油经过提炼再到 电厂燃烧发电，所得到的电能经过电力传输，我们通过所传送过来的电能进行电池充电， 之后驱动电机，此过程又损耗一部分能量。我们不难发现重油从提炼到驱动电机这些过 程是步步损耗能量的，因此电机输出时它的能量利用效率也就剩下大约2 0 了。其他发 2 长安大学硕士学位论文 电方式应用于电动汽车能量利用率将会更高。由此可见，电网电力任何一步降低电能的 损耗模式，对于消耗能量的电动汽车而言，它的节能责任重大、意义重大。 ( 3 ) 改善能源消耗结构。我国石油储量仅占世界石油储量的2 3 左右，因此我 国以石油为主的能源消耗，只能通过进口才能满足国内的能源需求。2 0 0 5 年我国进口石 油及其产品就超过1 3 亿吨，石油依赖进口高达4 2 。可见以石油为主的能源和以它经 过提炼而用作化工原料的依赖，对石油的充分利用对发展我国国民经济和能源安全有着 重大的意义。目前，我国大约石油总消耗的一半用于交通运输。交通运输消耗如此之大 的能源，可见能源的节省它起着至关重要的作用，因此电动汽车的广泛使用，对减少石 油资源消耗具有举足轻重的影响。 ( 4 ) 改善电网负荷。世界各国供电系统都存在负荷平衡问题。也就是说白天是用 电高峰，夜间人们相对于白天而言用电量要少得多，因此我们利用夜间对电动汽车充电， 这样不但有利于电动汽车的能量补充也能使电网负荷得到平衡，这样对降低维护电网的 成本也起着至关重要的作用。例如若一辆电动汽车每天夜间平均能吸收5 0 k 删电能厂 需几十万辆电动汽车才能完成一个千万千瓦级电厂的调峰任务。可见夜间对电动汽车进 行充电对电网负荷平衡问题的意义是多么重要! ( 5 ) 树立节能环保形象。随着我国对外开放，我国经济发展迅速，在世界上的地 位逐年不断提高，与世界各国的交往更加密切，因此我国的环保形象对世界各国影响重 大! 特别是我国的首都北京城市，作为国际化的大都市，经常性接待国内外上层人士和 举办国际会展活动，环保与节约能源上的影响深远。因此电动汽车的发展和广泛使用对 树立北京和中国在国际上的良好形象有着重要意义。 本世纪是电动汽车进入全面快速发展的时期，因此我们要抓住、抓紧这个在时间上 不可多得的机会，我们国内电动汽车的研发各单位企业要团结协作、大胆创新，使我国 的电动汽车事业在世界汽车工业新一轮竞争中抓住机会，取得有利地位，这样对提升我 国汽车工业在世界范围内的竞争力具有很重要的意义，实现振兴我国电动汽车工业的发 展。 1 2 电动汽车电机驱动控制的发展现状和趋势 当前国际上各国都在对电动汽车的高新技术进入深入研究，这是由于电动汽车是二 十一世纪绿色的交通工具，在节省能源上扮演者重要的角色。它将机算机、电子与化学 各学科领域中的高新技术于一体，是车辆、电力拖动、新能源、智能控制等工程技术中 3 第一章绪论 最新成果的集成产物。因此电动汽车的大力推广和发展，可以解除了人们对石油资源日 渐枯竭的担心；同时电动汽车作为清洁、节能的新型交通工具可以做到“零排放”，也 就是说电动汽车在行驶过程中污染几乎为零，更重要的是，它的噪音小、热辐射低以及 不消耗汽油，再加上它的结构不复杂，使用维护简单。根据以上分析，那么电动汽车的 关键技术之一就是如何提高电机驱动技术的效率和高性能。 丰田上世纪8 0 年代前半期的纯电动汽车采用控制装置较简单的有刷直流电机，9 0 年代前半期开始采用交流感应电机。现在丰田的纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池 汽车都采用无刷交流永磁同步电机，并对其不断改进提高，使电动汽车的性价比不断提 高，增加其竞争力，使丰田成为混合动力汽车的先领者。 美国、欧洲汽车制造商开发和生产的电动汽车，从优先考虑低成本和高可靠出发， 不论是电动轿车还是电动大客车，采用交流感应电机。但是也在大力开发无刷永磁电机， 随着磁性材料、控制技术和永磁电机的发展，无刷永磁电机性价比不断提高，无刷永磁 电机作为欧美电动汽车驱动电机将为时不远。 “十五”期间，随着我国电动汽车整车开发的需要，不少单位承担了驱动电机及其 控制系统的攻关项目，以中国电子科技集团公司第二十一研究所为主承担驱动电机及其 控制系统的开发项目。开发的成果有燃料电池轿车、混合动力轿车和四轮电驱动车用的 驱动电机及其控制器，它们均为永磁无刷直流电机。 可见电动汽车的电机驱动目前发展趋势上呈多样化趋势，但都是以永磁无刷直流电 机为主流。各电机驱动系统综合指标，各有侧重。不过目前永磁无刷直流电机和异步电 机在电动车驱动中应用相对于其它电机而言比较多。现在也有少数研究机构对开关磁阻 电机和永磁同步电机感兴趣。值得指出的是，永磁无刷直流电机它是一个多学科集于一 体的综合应用，如电力电子技术、数字技术、自控技术等。可见它的发展前景十分广阔， 在各种电动汽车电机中是强有力的竞争者。 随着计算机技术和微电子学的巨大发展，再加上现在集成度高、速度快、成本低的 微机专用芯片和数字信号处理器的应用越来越广泛，全数字化的控制系统应用于电机驱 动不再是一种想象。随着软件开发功能的强大，现在用软件代替硬件，利用了它的控制 功能以及它具有保护、自诊断和故障监视等其它功能。除此之外，我们还可以改变控制 策略、修正控制参数和模型来提高控制系统的实用性和可靠性。可见利用全数字化的简 单易用性作为今后电动车控制乃至交流传动系统一个重要的发展趋势。其次目前智能化 技术用在电动汽车控制系统中只是局部智能化的应用，如模糊控制器、神经网络观测器 4 长安大学硕士学位论文 等。因此完全智能化的发展是未来电动汽车发展的一个重要方向。 可见，各种电机要想在未来的电动车中占有一席之地，除了要对电机结构进行优化 外，还需要使电动汽车驱动控制系统趋于智能化和全数字化。 1 3 本论文选题的意义及研究的主要内容 1 3 1 选题的意义 目前研制和开发的关键技术主要有电池、电动机、电动机控制、整车设计，以及能 量管理技术等。然而，制约电动汽车发展的瓶颈是电池和电机驱动控制系统。电机驱动 控制系统是提高汽车动力性、续驶里程和可靠性的保证。其输出特性决定了电动汽车的 动力特性，同时，它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。目前，在电池技术未取得 突破的背景下，电机驱动系统的研究成为电动汽车技术研究的主要热点，也是提高续驶 里程并使之实用化的关键，目的是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程以及行驶方便性、 可靠性等。电机驱动子系统的研究以驱动电机的研究为中心，辅以各种新型控制技术而 展开。 本课题就是在考虑电动汽车驱动系统运行特点和电机调速控制器发展的背景下，以 德州仪器的d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制核心、以美国i r 公司生产的i r 2 1 3 0 m o s f e t 驱动芯片作为功率驱动模块，设计出硬件控制平台，采用永磁无刷直流电机， 并根据电动汽车的运行工况做出一些灵活应用，设计出一套性能优越的电动汽车驱动系 统。 1 3 2 研究的主要内容 ( 1 ) 分析国内外电动汽车驱动及其控制技术，研究电动汽车驱动电机的选型和电 机的控制策略，确定了驱动电机控制器的选择。 ( 2 ) 分析电动汽车的驱动系统具体的控制策略和参数选择，本设计对电动汽车的 速度和转矩进行了仿真研究。 ( 3 ) 研究电动汽车的设计。硬件以t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制芯片为核心 总体方案的设计，调速系统的选择，功率模块的选择，相关转换电路和保护电路的设计 等。软件以“c o s i i 嵌入式操作系统作为系统管理软件，并对它向t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 控制 芯片进行了移植，主程序的设计，a d 采样程序的设计，p w m 信号中断服务程序的设 计，电流采样模块、电机转速模块以及p i d 控制算法模块的研究等。 第一章绪论 ( 4 ) 根据电动汽车相关国家标准对系统可靠性的要求，为了减弱和消除对软硬件 实验过程中可能产生的干扰进行研究。 6 长安大学硕士学位论文 第二章电动汽车驱动系统的设计方案 2 1 电动汽车的基本结构 电动汽车的基本结构4 1 如图2 1 所示，主要由电力驱动子系统、主能源子系统和辅 助控制子系统等组成。 加速 制动 盘 图2 1电动汽车的基本结构 各个子系统的组成如图2 1 所示，本文的设计在电力驱动子系统这一模块上。加速 和制动踏板作为信号的输入端，主控制器在接受到信号后，发出相应的控制指令来控制 p w m 功率转换器，通过功率转换器的状态来控制电动机的制动或者加速。能源子系统 为电机正常运行提供能源。辅助子系统主要给电机提供动力转向以及车内温度的控制等 作用。 2 2 电动汽车驱动电机的选型 目前，电动汽车所采用的电驱动系统主要包括直流电动机、感应电动机、永磁无刷 电动机( 包括永磁无刷直流电动机和永磁同步电动机) 以及开关磁阻电动机。表2 1 是对 各种主要驱动电机及其驱动系统的性能比较【1 9 】。 7 第二章电动汽车驱动系统的设计方案 表2 1 各种驱动电机性能比较 永磁无刷电动机感应电动机直流电动机开关磁阻电动机 成本 35 44 效率 53 52 53 5 可靠性 4535 可控性4 4 5 3 成熟性 4554 功率密度 53 52 53 5 综合 2 52 62 22 3 注：表中5 表示性能最好。 由上表可以看出，在电动汽车用驱动电机中，永磁无刷电动机是感应电机最有力的 竞争对手。表2 2 是北京2 0 0 4 年国际汽车展中展出的部分电动汽车的性能比较5 0 1 ，它们 大多采用的是永磁无刷电动机驱动。 表2 2 北京2 0 0 4 年国际汽车展中展出的部分电动汽车 制造厂商 性能电动机 最高车速：l8 0 l ( i i 以， 永磁无刷电动机， 丰田最大功率：5 0 k w ，1 2 0 0 1 5 0 0 r - n l i n ， 0 1 0 0k n 池加速时间：l o 9 s 最大转矩：1 1 5n m ，4 2 0 0r m i n 1 永磁无刷电动机， 福特最高车速：1 5 0k m i l最大功率：7 0k w ，3 0 0 0 5 0 0 0 r n l i n 1 ， 最大转矩：17 5 n m ，4 5 0 0 r - m i n 1 永磁无刷电动机， 本田最高车速：1 5 0k m 1 1 最大功率：8 0 k w 转矩：2 7 2 n m 永磁无刷电动机驱动优点表现如下：首先，永磁无刷电动机采用的是高能永磁材料 励磁，因此它的功率密度就会提高，这样它的质量和体积上都得到了较大的减小相对于 给定的输出功率而言。同时由于它的转子无绕组，无铜损，可见效率高于感应电动机。 其次，永磁无刷电动机发热主要集中在定子上，它的散热措施就比较好解决。同时它的 可靠性随着永磁励磁不受制造缺陷、过热或机械损坏的限制而得到提高。还有就是永磁 无刷电动机的转子电磁时间常数小，动态性能好。 8 长安大学硕士学位论文 综合以上几点优点，使得永磁无刷电动机驱动成为当前电动汽车研发的热点，因此 本世纪电动汽车上将会得到了广泛的应用，具有一个划时代的意义。例如目前国外日本 等发达国家研制的电动汽车主要采用的就是永磁无刷电动机驱动。 永磁无刷电动机分永磁同步电动机和永磁无刷直流电动机。永磁无刷直流电动机永 磁转子的钢结构经过专门的磁路设计，因此它可以获得梯形波的气隙磁场。其次它的电 子换向器由固态逆变器和转子位置检测器组成，因此具有很大的优点。位置传感器是检 测转子在运动过程中的位置，同时将位置信号转换为电信号，保证各相绕组的正确换流。 永磁无刷直流电动机在工作过程中，直接将方波电流输入永磁无刷直流电动机的定子 中，控制永磁无刷直流电动机运转。 永磁无刷直流电动机的优点主要表现在它的体积小、质量轻、效率高、无电刷以及 过载能力强，起动转矩大，高速操作性能好，结构简单、牢固，免维护或少维护等，特 别适合于独立电机驱动。相对于永磁无刷直流电动机来说，永磁同步电动机结构就较为 复杂，主要表现在它的成本也比较高，同时它需要借助于价格较昂贵的光电编码盘检测 转子位置来提供连续的转子位置信息，理论上无转矩脉动，调速比高，定位精度高，通 常用于高精度的位置控制场合，但是其控制相对复杂。方波作为永磁无刷直流电动机电 流波形，通过控制逆变器的输出电流与梯形波形反电动势的平顶部分相位一致。永磁无 刷直流电动机的电机一般工作于导通方式下，在一个电周期内只需知道转子的六个位 置，不需要提供连续的转子位置信息，可见它的控制简单，因此对位置传感器要求低， 这样成本也就降了下来，在电动汽车中的应用也较永磁同步电动机广泛【5 1 1 。 根据上述电机的比较，本课题电动汽车的选型选择永磁无刷直流电机作为本课题的 驱动电机。 2 3 电动汽车驱动电机的控制策略 车辆在行驶过程中，环境阻力的变化具有不可预知性和非线性变化的特点，因此常 规的p i d 控制算法在驱动系统控制中较难取得满意的控制效果。因此，本驱动系统的控 制策略采用离散的增量式p i d 算法【5 】【1 0 】【1 1 1 来实现。由于增量式p i d 控制器只与前三次采 样值相关，计算量少且实时性好。增量式p i d 算法具有以下一些优点： ( 1 ) 算式只与最近几次采样值有关，不需进行大量数据的存储和累加，因此不易引起 误差积累，并且易于进行算法的数字化。 ( 2 ) 在用计算机实现p i d 算法时，计算机只输出控制增量，机器故障时影响范围较小。 9 第二章电动汽车驱动系统的设计方案 在连续控制系统中，模拟调节器常用的p i d 控制规律为： 吣州郇，+ 扣肌t d 掣m 。 亿。， 其中： e ( t ) 调节器输入函数，即给定量与反馈量的偏差； u ( t ) 调节器输出函数；k p 一比例系数；t i 一积分时间常数；t d - 微分时间常数； 控制常量，即仁o 时的输出量，多数系统为零。 式( 2 1 ) 经离散化后可得到离散的p i d 算法： u c n ，= k n t e c t ，+ 吾喜e c i ，+ c e c n ，一e c n 一1 ， 。2 2 ， 由式( 2 2 ) 可得离散的增量式p i d 算法： u ( n ) = u ( n ) 一u ( n 一1 ) ：k p 【e ( n ) 一e ( n 一1 ) 】+ k i e ( n ) + k d e ( n ) 一2 e ( n 1 ) + e ( n 一2 ) 】 ( 2 3 ) 其中： t - 离散系统采样周期； u ( n ) 控制器时刻n 的输出； e ( n ) 时刻n 采样的偏差；n - 采样时刻，表示第n 各采样点； 毕k 音表示积分弑k d - k ， 表示微分融 此增量式p i d 算法控制策略，在本研究中电机驱动控制系统经过反复试验是比较稳 定的。 2 4 电动汽车驱动电机控制器的选择 控制器的种类很多，常用的有单片机、d s p 等。由于单片机起源早，因此在过去的 几十年里，单片机的广泛应用实现了简单的智能控制功能。随着信息化的进程和信号处 理理论与方法、计算机科学与技术等的迅速发展，需要处理的数据量越来越大，对实时 性和精度的要求越来越高，在某些领域，低档单片机已不再能满足要求。最近几年，国 内对各种集成化的单片d s p 的性能进行大幅度的改善，软件和开发工具也日益增多， 而且使用也非常方便；同时对它们的价格进行大幅度调整，从而使得d s p 器件及技术 更容易使用，价格也能够为广大用户接受； 1 0 长安大学硕士学位论文 与单片机相比，d s p 器件具有较高的集成度。c p u 运行的更加快速，响应的时间也 缩短，更大容量的存储器，内置有波特率发生器和f i f o 缓冲器。提供高速、同步串口 和标准异步串口。有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供p w m 输出。d s p 器 件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取数据和程序。内置 高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，这样d s p 器件数据运算能力得到极大地提高。 d s p 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 1 0 倍，完成一次乘加运算快1 6 3 0 倍。 d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了f f t 快速傅里叶变换和滤波器的运算 速度。此外，d s p 器件提供j t a g 接口，这样硬件调试速度比单片机更加方便快捷。批 量生产测试更方便，软件配有汇编链接c 编译器、c 源码调试器。目前国内推广应用 最为广泛的d s p 器件是美国德州仪器( t i ) 公司生产的t m s 3 2 0 系列。 本论文要想实现对永磁直流电机的控制，需要检测电机运行时的参数( 如电流、电 压等) ，然后这些参数和信号检测出来之后，需要经过复杂的运算处理来估算出电机转 子的位置；我们知道，传统的微处理器单片机系列在实现控制时，由于自身指令功能不 强，数据转换速度慢，乘除法所用周期过多等使得处理速度无法达到实时性的要求，根 据上面d s p 的性能不难发现它确实能胜任我们的需求。 本次设计所用电机为永磁直流电机，速度、电流的双闭环调速要涉及到较为复杂的 控制算法，同时还要求保证控制系统的实时性。基于上述考虑，系统的主控制器最终采 用德州仪器t i 公司2 0 0 2 年推出的基于代码兼容的新型高性能3 2 位混合信号处理器 t m s 3 2 0 f 2 81 2 处理器。 2 5 本章小结 本章首先介绍了电动汽车驱动系统的基本结构，它由电力驱动子系统、主能源子系 统和辅助控制子系统等几部分组成。其次关于本课题电动汽车选型，给出了近些年电动 汽车驱动电机几种类型进行了列表对比，分析了它们的优缺点，得出了本课题电动汽车 的选型选择采用永磁无刷直流电机作为本课题的驱动电机。后一小节介绍了本驱动系统 的控制策略采用离散的增量式p i d 算法，是因为它算式只与最近几次采样值有关，不需 进行大量数据的存储和累加，因此不易引起误差积累，并且易于进行算法的数字化等优 点正好适合本课题的算法。最后本章对控制器经过对比后选择了德州仪器t i 公司2 0 0 2 年推出的基于代码兼容的新型高性能3 2 位混合信号处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器。 第三章电动汽车的建模与仿真 第三章电动汽车的建模与仿真 3 1 永磁无刷直流电机的数学模型 永磁无刷直流电机的等效原理图【2 0 j 如图3 1 所示，是以两相导通星形三相六状态为 例，根据其电压、电磁转矩方程来分析永磁无刷直流电机的数学模型【2 1 】。图中永磁无刷 直流电机的每相由定子绕组电阻r 、电感l 以及一个反电动势e 串联组成。 u a u b u c 兰! = 言；i 曼 襄 + 主三三三 三 p 差 + 圣 。3 ，、 三； = 善罢三 兰 + l i ml 三ml 呈m p 芝 + 兰 。3 ，、 7 l = p 。( e 。i 。+ e b i b + e 。i 。) ( 3 3 ) 上式( 3 3 ) 中：为电机角速度，p n 为电机极对数。根据实验和电机学原理我们知道， 为了产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电势为梯形波，并且在每半个周期 1 2 长安大学硕士学位论文 内，方波电流和梯形波的反电势的平顶部分的持续时间都至少为1 2 0 。电角度，二者要严 格同步。在考虑不受其它任何影响，也就是说在理想的情况下，任何时刻定子绕组只有 两相导通，且每一相电流和反电动势大小相等方向相反，则电磁功率方程如下： p e = e 。i 。+ e b i b + e 。i 。= 2 e m i m ( 3 4 ) 上式( 3 4 ) 中，e l i i ，i m 为导通相的反电势和电流。根据公式( 3 3 ) 和( 3 4 ) 无刷直流 电动机的电磁转矩可简化为： t e ：p e ：丝 ( 3 5 ) 3 2 永磁无刷直流电机模型的系统仿真 m a t l a b 是m 砒w r o r k s 公司推出的集算法开发、系统设计以及建模仿真和实时实 现于一体的集成环境，现己广泛应用于自动控制、航空工业、电子通信、图形分析处理 等领域【1 6 】。s i m u l i n k 是m a t l a b 环境下建立系统框图和仿真的模块库，具有构造系 统模型和计算机模拟两大功能。本文采用m a t l a b 7 0 s i m u l 烈k 软件建模【1 7 】【1 8 i 【2 2 】， 利用s i m p o s d e w s y s t e mt o o l b o x 提供的丰富模块库，在分析永磁无刷直流电机数学模型 的基础上，提出了建立永磁无刷直流电机控制系统仿真模型的方法，系统设计模型如图 3 2 所示。 图3 2 永磁无刷直流电机控制系统设计模型 第三章电动汽车的建模与仿真 永磁无刷直流电机建模仿真系统采用双闭环控制方案。p i d 调节器构成转速环，电 流滞环调节器构成电流环。根据模块化建模的思想，将图3 2 所示的控制系统分割为各 个功能独立的子模块，主要包括：永磁无刷直流电机本体模块、速度控制模块、转矩计 算模块。因此将它们与s 函数相结合，在m a t l a b 中根据双闭环的控制算法搭建永磁无 刷直流电机控制系统的仿真模型。 3 2 1 永磁无刷直流电机模型 在整个控制系统的仿真模型中，永磁无刷直流电机模型结构图( 如图3 3 所示) 是 最重要的部分，该模块根据永磁无刷直流电机电压方程式( 3 2 ) 求取永磁无刷直流电机 的电流。 图3 3 永磁无刷直流电机模型 根据永磁无刷直流电机模型，可以获得三相e 。、e b 、e 。反电动势信号，再根据公式 ( 3 2 ) 就可以获得三相i 。、i b 、i 。电流信号。而梯形波反电动势的求取方法一直是永磁 无刷直流电机建模过程中较难解决的问题，因为反电动势波形效果差会造成相电流波形 效果差和转矩脉动增大等一系列问题，不过情况不理想时、效果差时会导致换向失败， 甚至电机失控。因此，获得理想的反电动势波形是永磁无刷直流电机仿真建模的关键问 题之一【1 4 1 ，本文采用分段线性1 5 1 法建立梯形波反电动势波形，如图3 4 所示。 分段线性法建立梯形波反电动势波形就是将一个运行周期3 6 0 。分为6 个阶段，这 1 4 长安大学硕士学位论文 样就以6 0 。为一个换向阶段。根据图3 4 的图形所示，每一相的各个运行阶段都可用一 段直线表示，根据某一时刻的转子位置和转速信号，可以知道该时刻各相所处的运行状 态，通过直线方程即可求得反电动势波形。它优点很多也就是说分段线性法的优点很多， 根据图3 4 所示，我们知道它的简单，易于理解而且精度较高，这样就能够较好的满足 建模仿真的设计要求。 l lii ili k l i i l - ： l i - i -j p o s p o s 图3 4 三相反电动势波形 图3 4 表示的是二相导通三相星形六状态的永磁无刷直流电机定子反电动势的波 形。本设计采用的是分段线性法，因此我们将转子位置一个运行周期3 6 0 。分为6 个阶 段，6 0 。为一个换向阶段。以第一阶段0 3 为例，根据图3 4 所示，我们很直观的 看出，a 相反电动势处于正向最大值e m ，它沿斜线规律变化到c 相反电动势，它处于 换向阶段，之后再次沿斜线规律变化到b 相，它的反电动势处于负向最小值e m 。根据 转子位置和转速信号，就可以求出各相反电动势变化轨迹的直线方程。剩下从兀3 2 兀 这五个阶段，也是按此规律变化，可以推得转子位置和反电动势之间的线性关系，如表 3 1 所示。 第三章电动汽车的建模与仿真 表3 1 转子位置和反电动势之间的线性关系表 表3 1 中：p o s 为电角度信号，w 为转速信号，k 为反电动势系数。这里面提及下， 根据电机转过的电角度来求反电动势，用s 函数编写，只需编写m 文件。算法设计简 单，易于理解，但语法要求严格调试容易出现错误。利用l o o k u pt a b l e 模块实现参数 设定比较复杂，但仿真速度快。 3 2 2 速度控制模块 速度调节采用离散p i d 算法，这样得到的动态效果就比较理想。其中速度为积分的 参数，积分的系数用k j 表示，p i d 控制器中比例的系数用k p 表示，积分的系数用k i 表示，微分的参数用表示。如图3 5 所示，速度控制模块的结构非常简单，单输入为 参考转速( nr e f ) 和实际转速( n ) 的差值，经过离散p i d 控制器单输出为三相参考相电流的 幅值i s 。 y y - 随 k k 厂 ， 云= r - 如 2 z 一2 l + l i + 2 + i 。d z + ! 一2 + l d ( a ) 离散p i d 控制器 p i d n ( b ) 速度控制模块 图3 5 速度控制模块结构图 1 6 长安大学硕士学位论文 3 2 3 转矩计算模块 下图3 6 所示的为转矩计算模块，它是根据电磁转矩方程式( 3 3 ) 建立起来的，模块 输入为三相相电流与三相反电动势，通过加、乘模块即可求得电磁转矩信号t e 。 3 3 仿真结果 p r o d u c t3w 图3 6 转矩计算模块图 永磁无刷直流电机电机仿真参数设置为：电源供电电压为2 2 0 v ，自感l = 0 0 2 1 h ， 阻尼系数b = o 0 0 1 n m s r a d ，定子绕组的相电阻r = 1 5 q ，额定转速n = l o o o r m i n ，转 动惯量j = 0 0 4 5 k g m 2 ，电机极对数p f i = 1 ，p w m 频率f = 2 0 z 。离散的增量式p i d 控 制器三个参数k j = 0 0 1 ，k p = 5 ，& = o 0 0 1 ，采样周期t = 5 0 肛s 。系统空载起动，待进入稳 态后，在t = o 3 s 时突然加负载t l = 5 n m ，在t = o 6 5 s 时突然撤去负载。由仿真波形可 以看出波形较为理想。仿真波形图3 8 中，突加负载后，负载转矩有较大的脉动，这主 要是由电流换向和电流滞环控制器的频繁切换造成的。本系统经过硬件试验，其结果与 仿真波形一致，证明了本文所提出的这种新型永磁无刷直流电机仿真建模方法的有效性 及控制系统的合理性。 l71 l l i 图3 7 转速响应曲线 1 7 第三章电动汽车的建模与仿真 3 4 本章小结 5 4 3 宣 丕2 占 1 0 1 l - u “- f l l t 1 厂 图3 8 转矩响应曲线 本文在分析永磁无刷直流电机数学模型的基础上，提出了一种新型的基于m a t l a b 的永磁无刷直流电机控制系统仿真建模的方法，将该方法在s i m u l i n k 环境下结合s 函数 构建了永磁无刷直流电机仿真模型，采用经典的速度、电流双闭环控制方法对该建模方 法进行了测试，仿真和试验结果表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，具有较好 的静、动态特性。采用该永磁无刷直流电机仿真模型，可以十分便捷地实现、验证控制 算法，改换或改进控制策略也十分简单，只需对部分功能模块进行替换或修改，而 s i m u l i n k 可以非常直接地构造控制系统并观察其结果，同时，该模型提供的各仿真模块 具有通用性。因此，它为分析和设计永磁无刷直流电机控制系统提供了有效手段和工具， 也为实际电机控制系统的设计和调试提供了新的思路。 1 8 长安大学硕士学位论文 第四章电动汽车驱动控制的硬件设计 4 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片的介绍吲 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是德州仪器t i 公司2 0 0 2 年推出的基于代码兼容的新型高性能3 2 位混 合信号处理器。它专门为数字控制设计，可实现高性能数字信号处理器( d s p ) 与高精度 模拟及闪存的完美结合。f 2 8 1 2 具有高集成度，能提供整套的片上系统，同时降低了板 级空间及系统成本，实现简单，高效和经济。凭借这些优势，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 将其应 用范围从传统的电机控制应用领域拓展到电源及光网络等新兴市场的应用。它具有以下 结构特点： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术。t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 工作的时钟频率达到1 5 0 m h z ，指令 周期已经达