混合动力电动汽车电机驱动控制系统

混合动力电动汽车电机驱动控制系统PAGEPAGE66混合动力电动汽车电机驱动控制系统摘要能源危机和环境污染这两大问题日益突出，因此开展新型动力汽车已刻不容缓。混合动力电动汽车(HEV)凭借其高效、节能、低污染的优势脱颖而出，成为了传统汽车向纯电动汽车的完美过渡，在提高功能效率和降低污染等方面有很好的应用前景。本文首先介绍了混合动力电动汽车的分类，最终经比较选择了兼有串联式和并联式特点的混联式驱动方式。接着介绍了混合动力电动汽车的多能源动力总成系统的总体方案设计以及混联式驱动系统总体结构。之后，本文选用脉动转矩小、功率密度大、高控制精度的永磁电机（PMSM）作为驱动电机，着重介绍电机驱动控制系统，对电机控制系统的硬件进行了设计。系统硬件接口电路包括主电路，IPM驱动电路，电流、电压、位置及转速的检测电路等，同时为了系统安全稳定工作，设计了各种故障保护电路。接下来文中在研究了永磁同步电机的结构特点、工作原理、数学模型的基础上，对其控制策略进行了分析比较，最终选用将直接转矩控制（DTC）应用到永磁同步电机控制系统上，设计了PMSM的直接转矩控制框图，并用MATLAB进行了系统仿真。本文还提出了一种将模糊控制与神经网络相结合的直接转矩智能控制方法，并采用基于蚁群优化算法的神经网络来建立磁链观测器。文中描述了算法的实现过程，最后对其进行仿真实验。仿真表明该算法的有效性，较传统控制系统动态响应加快，转矩脉动变小，稳态性能得到了提高。关键词：混合动力电动汽车；永磁同步电机；直接转矩；模糊神经网络；蚁群算法102.4.1串联混合动力电动汽车的结构与特点102.4.2串联式混合动力电动汽车的控制模式112.5并联混合动力电动汽车122.5.1并联混合动力电动汽车的结构与特点122.5.2并联式混合动力电动汽车的控制模式132.6混联式混合动力电动汽车132.6.1混联式混合动力电动汽车的结构与特点132.6.2混联式混合动力电动汽车的控制模式142.7复合式混合动力电动汽车142.7.1复合式混合动力电动汽车的结构与特点142.7.2复合式混合动力电动汽车的控制模式152.8混合动力电动汽车各驱动类型的比较152.9本章小结163基于CAN总线的混合动力电动汽车多能源动力总成控制系统173.1引言173.2CAN总线多能源动力总成系统方案设计183.3混联式电动汽车驱动系统控制策略203.4本章小结214混合动力电动汽车电机驱动控制系统硬件设计224.1混合电动汽车电机控制系统硬件整体结构224.1.1主控制器DSPTMS320LF2407A简述及外围电路设计234.1.2主电路设计254.2主要参量的检测及接口电路284.2.1电流检测与接口电路284.2.2电压检测与接口电路294.2.3位置及转速检测与接口电路304.3故障检测及保护电路334.3.1过流检测保护电路344.3.2过压欠压检测保护电路354.3.3过温检测保护电路364.3.4故障综合及保护电路374.4键盘及显示控制电路384.5汽车档位油门给定电路设计394.6系统硬件采用的抗干扰措施414.7本章小结415永磁同步电机的原理及DTC控制与仿真分析425.1永磁同步电动机的基本原理425.1.1永磁同步电动机的结构特点及工作原理425.2永磁同步电机的数学模型445.2.1坐标变换455.2.2定子电压和磁链方程465.2.3转矩方程485.3永磁同步电动机的基本控制策略505.3.1PMSM直接转矩控制的原理525.3.2定子磁链观测器525.3.3电压空间矢量对定子磁链的影响535.4PMSM的DTC系统结构575.4.1建模仿真分析595.5本章小结626蚁群优化的模糊神经网络直接转矩永磁电机控制系统设计636.1模糊理论与神经网络结合的必要性636.2模糊神经网络直接转矩永磁电机控制系统设计646.3模糊直接转矩控制系统656.4基于蚁群算法的神经网络在直接转矩中的应用686.4.1神经网络686.4.2蚁群算法696.4.3蚁群神经网络的具体实现过程706.5仿真结果分析726.6本章小结73结论74参考文献75作者简历77学位论文数据集791绪论1.1课题研究的背景及意义自从1885年德国工程师卡尔·本茨发明汽车以来，汽车就成为人们日常生活中不可缺少的代步和运输工具，给人类的出行带来了极大的方便。汽车发展百年，其发展速度不断加快，已经与人们的日常生活密不可分。它的产生促进了人类文明和经济的迅猛发展，在人类的日常生活中占据了越来越重要的位置。然而，汽车在推动世界经济发展、给人民生活带来便利的同时，也带来一系列的负面效应。比如说传统内燃机燃烧后的产物二氧化碳、硫化物、氮化物等带来温室效应，臭氧层破坏和酸雨等环境问题。同时汽车在行驶过程中所释放出来的尾气和废气等带来的空气污染，危害人类生活环境和植物的生存条件[1]。汽车的能源需求主要是石油，但是目前石油资源匮乏，由此看来汽车的发展给环保、能源等带来巨大的挑战。人们不得不考虑未来汽车的动力问题，因此我们开发清洁、低油耗、高效智能的环保型汽车已成为必要的选择之一，电动汽车被认为是符合零排放标准的唯一可用技术，所以电动汽车迅速发展起来。自20世纪70年代后期，美国、中国、日本、澳大利亚、比利时、芬兰和前苏联等国都开始生产电动汽车，目前世界很多国家也都不惜投入大量的精力物力加入到研究电动汽车队伍中来。电动汽车广义上分为纯电动汽车、燃料电池汽车和混合电动汽车三种。纯电动汽车（EEV）用电动机取代发动机，纯粹用蓄电池发出的电能来驱动，因此纯电动汽车实现了零尾气排放，是真正的绿色环保汽车。但是，由于纯电动汽车对电池的要求很高，而目前蓄电池的发展技术受限，不能满足远距离行驶的需要，这些都限制了纯电动汽车的发展。燃料电池车（FCV）是指利用燃料电池将燃料的化学能直接转化为电能，然后通过电机驱动的汽车。但是，燃料电池技术的安全性和价格仍需进一步改善。混合电动汽车（HEV）通常将发动机和电机混合使用，通过控制发动机和电机的能量分配和流动，实现减少油耗和排放的最终目的，是一种准环保型的车辆。鉴于电动汽车的关键问题是一次充电续驶里程有限，在蓄电池技术未能突破之前，发展混合动力电动汽车，研究高效节能的电机驱动控制系统是实现电动汽车基本性能和解决这一关键问题的重要因素。混合电动汽车成为当前解决节能、环保问题切实可行的过渡方案，在世界范围内成为新型汽车开发的热点。混合动力汽车可以通过回收制动能量来提高燃油经济性。传统汽车利用加速来获得动能，当需要减速时，传统汽车通过制动器，将动能转变为热能消耗掉；而混合动力汽车的驱动电机可当作发电机来使用，通过发电机来制动汽车，将汽车的动能转换为电能储存到蓄电池中。混合动力电动汽车是将新老技术结合的最佳产物，它既具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能，还具有传统汽车行驶里程长和快速补充燃料的性能。由此看来，混合动力电动汽车的研究和发展对解决能源危机和环境污染这两大人类面临的难题起到相当大的作用。同时，混合动力电动汽车驱动功能的实现涉及蓄电池、微处理器、电动机、电力电子等多学科领域，因此系统地研究并开发出高水平的电动机驱动控制系统，对提高我国电动汽车驱动系统水平，对我国电动汽车的实用化和产业化具有重要意义。早在1997年12月的电动汽车国际会议上，大多数汽车工程师认为，在未来10年内世界上生产的汽车中混合动力汽车至少占40%。日本丰田汽车公司宣称到2010年，混合动力汽车的生产量达到150万辆。有专家认为，混合动力汽车的发展，己不再是汽车工业的一次简单的技术革新，而是一次新的汽车工业革命。1.2电动汽车的发展简史及混合动力电动汽车的国内外的研究概况国外电动汽车的研究己有一百多年的历史，但真正取得突飞猛进的发展是近十几年，而混合动力汽车的研发还不到十年。19世纪末，许多美国、英国和法国的公司都开始生产电动汽车。据统计，到1890年在全世界4200辆汽车中，有38%为电动汽车，40%为蒸汽车，22%为内燃机汽车。1911年Kettering发明了汽车起动机，同时由于石油的大量开采，燃油汽车的续驶里程是电动汽车的2-3倍，使用成本低等种种优越，从此打破了电动汽车在市场上的主导地位。因此到20世纪30年代，电动汽车几乎消失了。直到20世纪70年代能源危机和石油短缺，人们开始考虑替代石油的其他能源，因此电动汽车又一次被人瞩目，世界许多国家都开始发展电动汽车。到70年代后期由于能源危机和石油短缺问题不是很严重，电动汽车的发展缓慢。第三次生机开始于20世纪80年代，世界上除了已存在的能源问题之外，内燃机汽车的排放污染，给全球的环境以灾难性的影响，因此开发生产无污染的交通工具成为各国所追求的目标，电动汽车的零污染优点，使其成为当代汽车发展的主要方向。混合动力汽车作为一项崭新的技术，20世纪90年代初以来，混合动力电动汽车的开发得到了美国、日本和欧洲等许多发达国家的高度重视，国外知名的汽车公司投入巨资开始进行研制和开发，发展相当迅速，而国内目前还处于探索的初级阶段。日本：日本是电动汽车技术发展速度最快的少数几个国家之一，特别是在混合动力汽车的产品发展方面。目前，世界上能够批量产销混合动力汽车的企业，只有日本的丰田和本田两家汽车公司[2]。丰田汽车公司从1971年开始研制电动汽车，先后研制了从EV-10到EV-40的一系列电动车。并在1997年成功开发了实用的混合电动汽车Prius,它是世界上第一种大批量生产的混合动力汽车，它的创新性得到了全世界的高度好评，目前累计销量已突破了40万辆，在混合动力汽车领域已经走在了世界的最前列，并带动了汽车行业绿色环保技术的发展。最近丰田又推出了一种新型的Post-Prius混合动力系统。除了丰田以外，日本的本田、日产等汽车公司也不甘落后，分别研制了属于自己的混合动力汽车，并取得了骄人的成绩。其中本田公司已投产的Insight混合动力汽车，被美国环保总署评为2001年美国十大节能汽车的第一名，丰田汽车公司的Prius混合动力汽车[3]则为第二名。美国：美国是世界上最早关注并研制电动汽车的国家之一。美国的通用、福特等知名汽车公司在电动汽车发展中起着及其重要的作用。迄今为止已经研发出多款混合动力电动汽车，如克菜斯勒的ESX3、福特的Prodigy2000、Escape通用的Precept和BenZ等。但是美国的汽车公司在电动汽车产业化方面比日本逊色不少，三大汽车公司仅仅都是小批量生产。欧洲：欧洲一直以来都很重视电动汽车的研究和推广，取得了很大的成就。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[4]。德国宝马公司于1989年推出E30E，1991年研制出第二代电动汽车E36E，奔驰公司1997年9月，在法兰克福汽车展览会上推出一款燃料电池电动汽车。其HEV的突出代表是法国的Berlinge，法国雷诺公司开发研制的VERT和HYMME两款混合动力汽车已进行了10000公里的运行试验。德国西门子和博世（Bosch）等著名零部件公司也积极与汽车公司联手研制混合动力汽车。目前，德国己有20辆混合动力大客车在运行，奥迪公司生产的混合动力电动汽车Duo也已经开始出租，预计四年内出租约400辆。我国也是研制电动汽车技术较早的国家之一。19世纪20年代，上海就出现了蓄电池车，直到20世纪70年代末，由于诸多原因未能继续发展下来。进入20世纪80年代，随着国民经济突飞猛进的发展，逐步意识到内燃汽车给人类带来的环境污染的严重性和能源危机的紧迫性，我国的电动汽车研究便开始起步。目前纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心认证试验，各项指标均满足有关国家标准和企业标准的规定。天津清源电动车辆有限公司等单位研发的纯电动轿车，其整车指标已超过法国雪铁龙公司赠送的纯电动轿车，初步形成了关键技术的研发能力。我国在“八五”和“九五”期间也进行了混合动力电动汽车的技术领域的开发。但所开发的混合动力电动汽车形式大部分都是串联式的，只是两种动力源简单的结合，缺乏统一协调，这与真正意义上的混合动力汽车还有很大差距。进入2007年以后，我国对于混合动力汽车的研制也进入了高峰期，一汽、东风、奇瑞、长安等汽车公司都投入了人力物力。长安汽车公司采用的同轴ISG轻度混合方案，在国内率先开展了混合动力专用发动机开发，并成功开发了第二轮功能样车和第三轮性能样车。一汽丰田也推出了国内下线的丰田普锐斯，真正国产意义上的混合动力汽车也有很多例子，如长安杰勋HEV，该车从整车、发动机到混合动力系统，均系完全自主研发。它除了具有基本功能外，还实现了怠速起停、动力助力、制动能量回收等标志性功能。但同国外电动汽车水平相比，我国的技术还有一定的距离。1.3混合动力电动汽车的发展趋势虽然在未来的20年中燃料电池车的商业化速度也会加快，因为只有燃料电池车在续驶里程和性能方面能与燃油车进行媲美。但是，由于燃料电池不可逆的特点，在制动和减速时无法回收能量，另外燃料电池汽车启动问题也是有待解决的。基于以上分析，混合动力电动汽车的产业化发展是必然的趋势。同时有的专家还认为在未来的30年里，纯电动汽车和混合电动汽车有可能都会市场化，并且会占有各自的市场。纯电动汽车适合于特定的市场如交通、电价便宜和零排放管制的城市；而混合电动汽车适合于长途运输。不管新兴技术如何发展，我们的最终的目标是追求清洁、高效、智能的车俩。1.4混合动力电动汽车用电机驱动系统的发展现状混合动力电动汽车的发展关键技术包括汽车技术、电气技术、电子技术、信息技术和化学技术等等。概括起来有三大关键技术，即电机驱动技术、能量存储技术和动力总成技术[5]。电机驱动系统包括驱动电动机和驱动控制系统，能量存储系统包括蓄电池和能量智能管理系统，动力总成系统包括动力源之间的工作协调和能量流的管理。电动汽车存在的主要问题是初始成本高，行驶里程不理想，为解决行驶里程的问题，正在开发一些先进高能量密度的蓄电池电池。但蓄电池技术始终没有取得突破的进展，因此，在蓄电池取得突破进展之前，电机驱动系统技术的研究就显得十分重要，开发性能优良的电动机、高效的驱动控制系统和合理的动力总成系统直接影响了汽车的行驶性能、尾气排放量以及续驶里程。1.4.1混合动力电动汽车中电动机的使用现状目前混合动力电动汽车使用的电机主要有直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机、无刷直流电动机、开关磁阻电动机等几种。国内外电动汽车电机的使用情况：第一汽车集团公司的混合动力轿车—CA7180AE采用的是直流电机；三菱的串联Canter混合动力车采用的是交流感应电机；丰田的Coaster混合动力车采用的也是交流感应电机，但丰田Prius采用的则是永磁同步交流电动机；东风电动车辆股份有限公司的混合动力客车—EQ6110HEV采用的是开关磁阻电机；戴姆勒—克莱斯勒的ESX3采用的是直流永磁无刷电机。下面简单的介绍下各种电机的性能及特点。直流电动机（DCM）技术成熟、速度控制简单，但由于其有换向器和电刷，直流电机驱动系统体积大，效率低，可靠性低且需要定期维护，存在着较大的问题，另外随着电子器件的发展，交流感应电机和永磁电动机将有取代直流电机的趋势；感应电机是应用最广的电动机，结构简单，牢固，可靠性高，成本和维护费用也不高，其驱动技术最成熟，因此，混合动力驱动电机广泛采用感应电动机作为驱动电机。但其损耗高，要不断冷却电机，效率相对于永磁电机和开关磁阻电机也低，这都对感应电机在混合动力电动汽车中的应用有很大的影响；开关磁阻电机(SRM)被认为是混合动力汽车中最有潜力的汽车之一，它具有很多优点。但由于其运行时噪声大，转矩纹波大，难于控制等缺点，特别是功率变换器的结构很复杂，电流波动和电磁干扰噪声等严重的影响了它的运用性能，加上其控制方法还不够成熟，因此目前的电动汽车很少应用该类电机；无刷直流电动机(BDCM)具有功率密度大，转速和转矩密度高，易冷却的优点，但由于无刷直流电动机采用方波驱动，所以存在一定程度的振动，其控制精度不高；永磁同步电机(PMSM)结构上与无刷直流电动机基本相似，不同之处在于PMSM采用的是正弦波驱动，所以在具备BDCM优点的同时，还具有低噪声，体积小，功率密度大，转动惯量小，脉动转矩小，高控制精度等独有的特点，特别适用于混合动力电动汽车电机驱动系统，以此达到减小系统体积，改善汽车加速性能和加强行驶平稳等目的。因此，PMSM受到了全世界各大汽车生产厂家的高度重视，特别是日本在用于电动汽车的PMSM结构及其控制方法上做了大量研究，并取得了显著的成果。著名的丰田Prius混联式混合动力电动汽车采用了额定功率为33kw的PMSM，日本Nissan公司的AltraEV使用了额定功率为62kw的PMSM，混合动力电动汽车Insight采用了额定功率为10kw的PMSM等。综合考虑各种电机的功率密度、效率、可控制性、可靠性、成熟性、成本等因素，永磁电机随着技术成熟和成本减低，将是最受欢迎的。因此，研究基于永磁电机的混合动力电动汽车的驱动系统，将在保证汽车行驶里程的前提下，缓解传统汽车排放对环境的危害以及对石油资源的过度消耗，这一研究将有深远的意义。1.4.2混合动力电动汽车用永磁同步电机控制系统的发展现状在蓄电池技术没有取得突破的情况下，为了满足电动汽车高速运行，混合电动汽车用永磁同步电动机的效率及功率密度是一个很重要的指标，弱磁性能也是电动汽车用永磁同步电动机研究的另一个重要方面。电动汽车用永磁同步电动机属于调速电机，供电电源是变频器。日本的本田公司电动汽车—EVPLUS中的永磁同步电动机转子采用了表面插入式结构。日本丰田公司的Prius混合动力车中的两台永磁同步电机转子采用内置径向式结构。目前，在电动汽车驱动系统的控制器选择上，电机专用数字信号处理器(DSP)占了主导地位。电动汽车中电力电子器件主要采用智能功率模块(IntelligentPowerModule—IPM)。早期的交流调速采用变压变频（VVVF)速度开环的方式，但这种调速方式是基于电机稳态模型的，在动态过程中磁链和转矩的变化并没有实现很好的控制，所以动态性能比较差，难以满足高性能调速的要求。1971年德国的F.Blaschke和美国学者P.C.Custman等人提出交流电机磁场定向控制理论和定子电压坐标变换原理，在此基础上发展起来的矢量控制是交流调速史上的一次质的飞跃。矢量控制是一般应用PMSM系统中采用的优良的控制方式。1985年德国鲁尔大学教授M.DePenbrock和日本教授I.Takahashi分别提出了直接转矩控制(DTC)方法，其中M.DePenbrock教授提出的DTC是基于六边形磁链轨迹的，而I.Takahashi教授提出的DTC则是基于圆形磁链轨迹的。直接转矩控制技术采用空间电压矢量的分析方法，其直接在定子坐标系下计算和控制交流电机的转矩。采用定子磁场定向的方法，借助离散的两点式调节(Band—Band控制)产生PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，来获得转矩的高动态性能，动态性能更好，是一种具有高静动态性能的交流调速方法。目前，感应电机驱动的电动汽车用DTC控制器已研制成功。把直接转矩控制应用于电动汽车用永磁同步电动机的控制中，一定可以进一步提高电动汽车的动力性能,但是永磁同步电机的直接转矩技术却还不是很成熟。1.5研究车用电机驱动系统的意义无论是研究串联、并联和混联式的混合驱动系统，电机驱动系统性能的好坏直接影响整个混合驱动系统。在串联HEV中，驱动车轮的全部扭矩都由电动机提供，发动机则带动发电机产生电能，用于车用蓄电池充电。在并联HEV中，发动机通常工作于燃烧效率最佳的稳定状态，由电动机来补偿发动机与驾驶意图之间所产生的扭矩差。由此可见，电机驱动系统是混合动力汽车的关键部件，混合动力电动汽车对电机驱动系统要求较高，即它在高速、低速、加速、制动、上下坡等工况下都要能提供安全可靠的所需动力。1.6本文的主要任务本文主要工作包括以下几方面的内容：1)第一章绪论，主要通过阅读国内外文献，介绍了混合动力电动汽车的国内外研究现状及应用前景、发展趋势等。2)第二章论述了混合动力电动汽车的分类及各类型的结构特点，并将各类型进行比较分析，本文最终选择混联式驱动。3)第三章介绍了混合动力电动汽车的动力总成系统的总体方案以及混联式驱动控制总体结构。4)第四章对基于DSP的混合动力汽车电机驱动系统进行了硬件的设计。5)第五章主要介绍了永磁同步电动机的工作原理、数学模型，直接转矩控制理论及PMSM直接转矩控制原理结构，并对其进行仿真。6)第六章主要是在第五章的基础上介绍了一种动态性能更好的经过蚁群优化的模糊神经网络直接转矩控制系统，并对其仿真，与原始的直接转矩控制进行了仿真对比分析。最后对本文所做的主要工作进行总结，并在现有研究基础上展望今后研究的方向。2混合动力电动汽车的分类及特点2.1混合动力电动汽车有关定义混合动力电动汽车是指汽车驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的汽车[5-7]。国际电子技术委员会对混合动力车辆的定义为：“在特定的工作条件下，可以由两种和两种以上的储能器、能源或转换器作驱动能源，其中至少由一种能提供电能的车辆称为混合动力电动汽车”。一般认为混合动力电动汽车就是采用燃油发动机的动力进行发电并驱动电动机的电动车。既有内燃机又有电动机驱动。混合动力电动汽车结构系统由机械子系统、电力电子子系统、以及信息子系统等组成[8]。机械子系统包括底盘和车身、驱动装置、变速器以及电源箱体等；电力电子子系统主要包括能源、动力网、控制器电动机系统等；信息系统主要利用通讯网络、数据处理算法等来处理驾驶员的意愿，监控汽车运行、电动机、控制器等工作状态的。其整体结构图如图2.1所示。混合动力电动汽车驱动系统，指的是所有的用于传递能量并使车辆获得运动能力的部件的总称，由车载能量源、原动机和传动系统三部分组成。本文研究的电机驱动控制系统则是混合动力电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，高效率地将蓄电池的能量转化为车轮的动能，或者将车轮的动能反馈到蓄电池中。电机驱动控制系统分为电气和机械两大系统，其中电气系统包括控制器、功率转换器和驱动电机三部分。电机驱动控制器是电机驱动控制的核心，主要功能是采集与电机运行相关的输入信号，采用合理的算法来处理这些信号，各种对电机操作的指令都是通过电机控制器来实现的。图2.1混合动力电动汽车基本结构图2.2混合动力汽车的基本原理混合动力汽车的基本原理是采用内燃机和电动机作为混合的动力源，在一整套严密的控制策略的控制下，使燃料转换装置（内燃机）、储能装置（蓄电池）和电动机在运行工况下，尽可能工作在高效率、低排放区域；在汽车制动工况下，通过发电机或电动机工作象限的调整回收部分制动能量，从而大大改善汽车变工况行驶时的燃油经济性能、尾气排放性能、续驶里程和其它使用性能。2.3混合动力汽车的分类传统的混合动力车分为串联式和并联式，近年来根据驱动系统各部件在汽车上的位置及功能可以分为以下四种类型:串联式、并联式、混联式和复合式[2,6]。下面简单的介绍下各驱动类型的结构特点。2.4串联混合动力电动汽车2.4.1串联混合动力电动汽车的结构与特点串联式混合动力电动汽车驱动系统是混合动力电动汽车最简单的一种，主要由发动机、发电机、功率转换器、蓄电池、电动机和传动装置等组成。结构如图2.2所示。系统中发动机作为原动机拖动发电机，发动机输出的机械能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电以此来延长混合动力电动汽车的行驶里程，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮。另外，蓄电池还可以单独向电动机提供电能来驱动电动汽车，这样使混合动力电动汽车在零污染状态下纯电动运行。和燃油车相比较，它是一种发动机辅助性的电动汽车，主要是为了增加车辆的行驶里程。由于在发动机和发电机之间的机械连接装置中没有离合器，因而它有一定的灵活性。图2.2串联式混合动力汽车示意图串联式混合动力汽车的主要特点是在纯电动模式下，内燃机和发电机一起工作来产生汽车运行所需要的电能，结构比较简单，是一种能量源的混合。单一的原动机传动系统，发动机总是在最佳工况下驱动发电机，因此效率比较高，能减少污染，有节能效果。但是发动机的输出需全部转化为电能再变为驱动汽车的机械能,由于机电能量转换和电池充放电的效率较低,使得燃油能量的利用率比较低。整个系统的规模庞大，增加了车辆成本及机构布置难度。动力传递过程中，由于在能量转换中存在损失，因此降低了能量的利用率，其综合效率低于燃油汽车。2.4.2串联式混合动力电动汽车的控制模式在串联式混合动力电动汽车上，由发动机带动发电机所产生的电能和电池输出的电能，共同输出到电动机来驱动汽车行驶，电力驱动是唯一的驱动模式。车辆启动、正常行驶或加速行驶时，发动机与发电机直接相连和蓄电池一起产生电能传递给功率转换器来驱动电动机，然后通过机械传动装置来驱动车轮；当车辆轻载时，发动机发出的功率大于车辆所需要的功率，剩余的能量则通过发电机输送给蓄电池进行充电；当车辆制动或减速时，电动机把驱动轮的动能转化为电能，通过功率转换器传给蓄电池进行充电；当车辆停车时，发动机也可以通过发电机和功率变换器给蓄电池充电。这种驱动模式，可以减少发动机所受到的汽车运行工况的影响，使发动机进行最优地喷油和点火控制，使其在最佳工况点附近工作。2.5并联混合动力电动汽车2.5.1并联混合动力电动汽车的结构与特点与串联式相比，它只需要两个驱动装置：发动机和电动机。结构如图2.3所示。并联式混合动力电动汽车采用发动机和电动机两套独立的驱动系统分别通过不同的离合器来驱动车轮。如果其中的一条驱动线路出了问题，另一个仍然可以驱动汽车。由于发动机与驱动车轮直接连接，所以发动机的运转情况受驱动工况的影响，该系统不需要发电机，因此提高了能量转化率。它是电力辅助型的燃油车，目的是为了降低尾气排放和燃油消耗。当发动机提供的功率大于电动车所需的功率或再生制动时，电动机工作在发电机状态，将多余的能量传送给蓄电池进行续驶里程充电。但是此时不能提供全部的动力资源，并联式混合动力驱动系统通常被应用在小型混合动力电动汽车上。图2.3并联式混合动力汽车示意图并联混合型的主要特点是内燃机和电动机通过各自的驱动轴驱动车轮。省去了独立的发电机，结构简单,能量利用率较高，使得并联式的燃油经济性比串联的高。两套动力装置要根据汽车状态进行切换。但由于并联式驱动系统的发动机工况要受汽车行驶工况的影响,因此不适于变化频繁的行驶工况，相比于串联式结构,需要较为复杂的变速装置和动力复合装置以及传动机构。2.5.2并联式混合动力电动汽车的控制模式当车辆启动时，发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需要的驱动能量；车辆正常行驶时，电动机关闭，仅由发动机工作提供车辆行驶需要的动力；车辆制动或减速时，电动机工作在发电机模式，通过功率转换器给蓄电池充电。由于发动机和电动机驱动同一个驱动轴，因此车辆轻载时，发动机发出的功率可以通过电动机转换为电能给蓄电池充电。目前，本田的Insight混合电动汽车采用的就是类似的驱动控制方式。通常有四种组合驱动方式:驱动力结合式、双轴式转矩结合式、单轴式转速结合式和转速结合式。2.6混联式混合动力电动汽车2.6.1混联式混合动力电动汽车的结构与特点混联式混合电动汽车在结构上综合了串并联式的特点。如图2.4所示，发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给传动装置驱动车轮,另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能传送给电动机或蓄电池,电动机产生的驱动力通过传动装置传送给驱动桥来驱动车轮。其控制策略为:在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作；当汽车高速稳定行驶时,则以并联方式为主。图2.4混联式混合动力汽车示意图混联式驱动系统充分发挥了串联式和并联式的优点,能够使发动机、发电机、电动机等部件进行更好的优化匹配,可以使发动机经常保持在高效率，低排放的平稳工况下工作[9]。车辆可以以发动机，电动机多种合成方式驱动。从而保证了在更复杂的工况下同样使系统工作在最优状态下,更容易实现排放和油耗的控制目标,因此是最具影响力的。但是总体结构很复杂，质量大，维修不便。由于它有多种驱动模式，对控制系统的功能和精度等要求很高，也增加了制造成本。丰田的Prius就是混联型混合动力电动汽车的最典型代表。2.6.2混联式混合动力电动汽车的控制模式混联兼有串并联的特点，因此它有很多控制模式。主要分为两种：发动机主动型，电力主动型[2]。在市区运行时发动机直接带动电动/发电机发电，主要以电力驱动模式来驱动，使得更加接近“电动汽车”的运行状态，在郊外或高速公路上行驶时又可以充分发挥发动机驱动模式的效能。简单的介绍下电力主动型，当车辆启动或轻载运行时，发动机关闭，由蓄电池给电动机提供电能驱动汽车；车辆正常运行、加速行驶时，发动机和电动机一起工作，共同提供车辆所需要的功率。通常用行星齿轮机构将一部分功率用于驱动车辆，一部分用来驱动发电机；车辆减速或制动时，电动机工作在发电机模式并通过功率转换器给蓄电池充电；停车时，发动机也可以通过发电机给蓄电池充电，丰田的Prius混合动力电动汽车就采用了这种控制方式。可利用离合器使该系统在串联和并联系统之间切换。当汽车在城市里行驶时，要求低排放，此时可以断开离合器，系统工作在串联模式；而当高速行驶时，有较高的负载要求，串联系统由于发动机的高功率输出而不能有效工作，于是结合离合器，转变为并联系统模式。2.7复合式混合动力电动汽车2.7.1复合式混合动力电动汽车的结构与特点复合式的结构与混联相似，但两者有一定的区别，主要在于复合型中的发电机允许功率流双向流动，而混联型中的发电机只允许功率流单向流动。双向流动有更多的控制模式，现在有些新型的电动汽车采用这种复合式系统。图2.5复合式混合动力汽车示意图2.7.2复合式混合动力电动汽车的控制模式复合式混合动力电动汽车的发展主要集中于双轴驱动混合动力系统。该系统，前轴和后轴之间没有转换器或驱动轴相连，这样可以大大减轻驱动系统的重量，增强车辆装配的灵活性，而且同时回收4个车轮的制动动能，可以大大提高车辆的燃油利用率[2]。该复合式HEV主要有前轴混合驱动后轴电驱动和前轴电驱动后轴混合驱动两种驱动方式。2.8混合动力电动汽车各驱动类型的比较各类驱动类型都有其各自的特点，串联式混合动力电动汽车完全依靠电动机提供动力，发动机、发电机和电动机的功率都很大；而且它对电池的要求较高，电池的重量、体积、成本相对较高，价格性能比较低。并联式混合动力电动汽车主要依赖于发动机提供动力，能量传递损失较小，但是排放污染最大，发动机的燃烧效率不高[5]。从低尾气排放角度来看，串联式电动车的性能要优于其他的驱动类型；从动力总成和驱动模式来看，串联结构简单，并联结构较复杂，而混联式结构最复杂，他们都能回收制动能量，混联式的传动功率最高。从燃油经济性来看，混联式电动车燃油经济性最好。因此混联方式是相对完善的混合动力驱动方式，能够有效地弥补串联式和并联式的不足，但其结构复杂，成本高。经过综合比较分析后，本文采用的是混联式结构的混合动力电动汽车，其结构如图2.4所示。2.9本章小结本章主要论述了混合动力电动汽车的四种驱动方式:串联式、并联式、混联式和复合式。然后对这四种类型的混合动力电动汽车的结构和特点分别进行了介绍，并做了综合比较，最后通过比较分析，选定了混联式结构的混合动力电动汽车的电机驱动控制进行研究。3基于CAN总线的混合动力电动汽车多能源动力总成控制系统3.1引言对于混合动力电动汽车来说，多能源动力总成系统设计是关系车辆性能的重要因素，为了节约能源，还需要设计合理的控制策略来保证电源的最佳利用率。针对现代工业的生产过程越来越复杂，对自动控制的要求已经不仅仅是实现个别变量的稳定，而是要求实现多个变量的最优控制[6]。在生产自动化控制领域，集中式控制系统得到了广泛的应用，但是由于各种功能集中在一台计算机上，因此需要庞大而复杂的软件系统，使系统的软件可靠性下降，计算运行速度下降。而且如果当计算机发生故障时，将影响整个系统的运行，甚至导致整个系统瘫痪。在这种情况下，分布式控制系统以高可靠性、高灵活性和操控简便得到广大工业用户的青睐，广泛应用于电力、冶金、造纸和石油等工业领域。本文将采用的是分布式控制系统方案。相对于集中式控制系统而言，分布式控制系统是一种新型计算机控制系统。它是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。其基本思想是分散控制、分级管理、集中操作、组态方便。可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。随着现代工业的发展，实现分布控制是现代控制技术中的一个重要发展方向。分布式控制系统中的网络必须是一个实时性很强的网络，该网络需要根据现场通信实时性的要求将数据上传或下载。该系统主要包括动力总成控制单元、发动机电控单元、电机控制器、AMT控制器及动力电池管理系统[10]。其中的动力总成单元用来确定电动机和发动机输出功率的比例，以此来满足汽车的动力性能、排放性等性能指标。在这个总成系统中，本文采用的是分布式控制，多能源控制器的主控单元选用的DSPTMS320LF24O7A，通过CAN总线与电机控制器、电池控制器、机械式自动变速器、发动机控制器、人机界面等系统进行信息通信与控制。在通信过程中，DSP控制芯片作为总的控制器核心，处理各个控制器部件之间的通信运作问题，并且每个控制器本身也有独立的控制芯片来完成自身的控制任务。其分布式控制方案如图3.1所示。图3.1多能源动力总成系统分布式控制方案3.2CAN总线多能源动力总成系统方案设计多能源动力总成系统主要用于实现发动机工况的优化运行。在正常行使的情况下，发动机的能量分为两路，一路传递给车辆传动与推进系统，驱动车辆正常行驶，另一路则带动电机工作，向蓄电池供电。通过CAN总线实现了各个控制器模块之间的数据传输和通信，达到了资源信息共享的目的[6]。由于本系统采用的是分布式控制方式，即使当CAN总线发生故障，每个控制器模块也能单独完成自身的操作任务，不会造成整个系统瘫痪的严重后果。下面简单的介绍下动力总成系统中，各个控制器模块之间的连接情况。图3.2混合动力电动汽车CANBUS系统的硬件结构图目前CAN控制器有集成在微处理器内的，也有独立的。因此从图中我们可以看出，CAN总线节点结构一般分为两类：一类采用DSP芯片直接与CAN总线发送接收器相连；另一类则是由单片机、CAN控制器（一般选SJA1000）及CAN总线发送接收器相连。图中，由于DSP芯片内部已经内嵌了CAN总线模块，所以DSP在与CAN总线相连时就无需再使用CAN控制器，可直接与总线相连。随着电动汽车各功能的进一步发展，还可以不断地在CAN总线上连接新的电气节点。本文主要介绍电机驱动控制系统的CAN总线通信情况[10,11,47]。其主要任务是实现节点的CAN通信，把电机的采集信号和状态信号发送到CAN总线上，同时接收通过CAN总线传送过来的控制信号。电机驱动系统DSP芯片与CANBUS的接口如图3.3所示。图3.3DSP与CAN总线接口电路图中，在信息写入和读出DSP时都经过了两个史密斯反相器—74LVX14。这是因为DSPTMS320LF2407用3.3V供电，而PCA82C250用5V供电,而74LVX14兼容3.3V和5V电平，通过它可顺利完成电平转换，同时对防止来自CAN总线的干扰有很好的效果。在74LVX14和PCA82C250之间连接了两个隔离器件6N137构成隔离电路，主要是考虑车载环境恶劣，为进一步提高抗干扰措施而设置的。82C250是CAN控制器和物理总线的接口，此器件对总线提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力，符合“ISO11898”标准。使用它也是为了增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线。该芯片的RS端连接的电阻是用来控制82C250工作的模式（高速模式，斜率控制模式和准备模式）。总线的两端连接的120Ω电阻是总线匹配阻抗，增加总线传输稳定性和抗干扰能力，消除反射信号，起着相当大的作用。3.3混联式电动汽车驱动系统控制策略本文研究的是混联式混合动力汽车驱动控制，有两种动力装置：发动机和电机。在汽车低速行驶时,驱动系统主要以串联方式工作，即发动机作为原动机拖动发电机，发动机输出的动能首先通过发电机转化为电能，转化后的电能一部分用来给蓄电池充电以此来延长混合动力电动汽车的行驶里程，另一部分经由电动机和传动装置驱动车轮；当汽车高速稳定行驶时,则以并联工作方式为主，即在起步加速阶段时，电动机单独工作，当汽车达到一定速度时，发动机开始运行，此时电动机则根据运行工况来决定其工作状态，当汽车由正常行驶状态突然加速时，电动机将辅助发动机共同工作。在该模式下，发动机是驱动系统的核心，是最主要的动力来源，而电动机则提供辅助转矩，使发动机效率最高，污染排放最低。选用两片DSP芯片分别对电动机和发动机进行控制，他们之间采用双机通讯进行数据传送。只有当发动机工作在一定的转速和转矩下，才能使汽车的工作效率达到最佳。因此我们需要检测发动机的转速，使发动机达到一定的转速才开启，然后需要检测发动机的转矩，使之和电动机的转矩实现最佳的转矩分配。电机我们则主要检测转子的位置转速、电流和电压等参量。混联式驱动总体控制方案如图3.4所示。图3.4混联式驱动总体控制方案本文着重介绍电机驱动控制系统这部分。我们知道电机驱动控制系统是电动汽车的心脏，它的任务是在驾驶员的控制下，通过电机控制器驱动电机，电机将蓄电池的电能转换为车轮的动能来驱动汽车，或者将车轮上的动能反馈到蓄电池中。电机驱动控制系统是指电动汽车驱动系统的电气部分，电机控制器是电机驱动控制系统的核心，控制器设计直接影响电动汽车电机驱动控制系统的性能。在驱动控制系统中，对驱动电机通常要求能够频繁地启动/停车、加速/减速，调速范围要求很宽，过载系数高，具有高的功率密度，充分利用蓄电池能量，力求尽可能的延长续驶里程。混合动力电动汽车对驱动控制系统的要求有其特殊性：要有优良的转矩控制特性，以满足混合动力电动汽车快速启动、加速、爬坡、频繁启/停的要求,通常电机的过载系数应达3-4；再生制动时的能量回收率高；具有良好的环境适应性,在不同的工作条件下能可靠地工作；快速的转矩响应特性,在各种车速范围内能快速而柔和地控制驱动和制动转矩。3.4本章小结本章首先介绍了基于CAN总线的混合动力电动汽车多能源动力总成系统研究方案，然后对混联式驱动方式进行了总体设计。简单的介绍了混联式的控制策略，为接下来的电机驱动控制系统的设计工作做好了总体方案的设计。4混合动力电动汽车电机驱动控制系统硬件设计4.1混合电动汽车电机控制系统硬件整体结构本文采用永磁同步电机作为混合动力电动汽车的驱动电机，其控制系统的好坏直接影响到整个系统的性能。永磁同步电机驱动控制系统硬件电路介绍是本系统研究的重点之一，硬件研究要求整个硬件电路安全可靠、功能强大、灵活方便，有利于调试和监控。硬件部分电路主要包括驱动控制系统的主电路、逆变器及其驱动电路、电流采样电路、位置信号采集电路、功率驱动保护电路、保护电路以及通信电路等。其硬件结构框图如图4.1所示。图4.1电机控制系统硬件整体结构图本课题设计的混合动力电动汽车永磁同步电机控制系统用的是永磁同步电机(PMSM)和DSP为核心的控制器，直接转矩控制算法由TI公司生产的定点DSPTMS320LF2407A实现。能源由蓄电池提供，经过逆变器把直流电逆变成交流电给永磁电机供电，逆变器的主电路主要由中间滤波电路和逆变电路组成。逆变器的控制部分以TI公司推出的DSP芯片TMS320LF2407A为核心，该芯片为电机专用控制器芯片。DSP通过检测电路实时地获取驱动电机的转速、电压和电流信号，并可以通过显示部件将采样到的电机转速和车速显示出来。同时，DSP可以根据油门、档位的输入，通过直接转矩控制算法产生空间电压矢量信号传送到智能功率模块(IntelligentPowerModule，IPM)功率模块触发端，在触发器的控制下，磁同步电机(PMSM)按给定运行。本系统的直流电源由蓄电池提供，功率模块采用的是三菱公司的IPMPM75CLA060。用于驱动IPM的6路PWM信号由DSP产生六路PWM波经过光耦驱动隔离后输送给IPM的6个控制输入端PPPNNN、、、、、WVUWVU。在IPM的输出端U、V、W输出三相相差1200的PWM波来驱动永磁电机[8]，由于IPM具有过(欠)压、过流和过热探测及保护电路，当发生以上任何一种故障时，将封锁内部6只IGBT，同时送出故障信号通过光耦作用输出给逻辑故障综合电路，再输出给DSP请求中断，DSP将立即停止PWM波的输出。控制系统只测量两相电流ai和ci，均由电流传感器LA108-P来测得，两路信号通过低通滤波处理后送到DSP的ADC模块。电机的转速和位置信号的采集由光电编码器来完成，经电平转换后送入DSP的QEP正交编码电路。为了实现人机交互，本文还专门设置了键盘显示等电路。此外本文通过CAN总线完成与其他功能模块的数据通信，通过DSP内部的AD通道采集电子油门信号，通过I/O口来输入电子档位等。本系统还设计了故障保护电路，为整个驱动控制系统准确、安全的工作提供了保障。4.1.1主控制器DSPTMS320LF2407A简述及外围电路设计（1）DSPTMS320LF2407A简述本系统选用的DSP芯片是TI公司的TMS320LF2407A，TI公司已成为世界上最大的DSP芯片供应商，常用的DSP芯片分为三大系列：●TMS320C2000系列：包括TMS320C2XX/C24X/C28X等；●TMS320C5000系列：包括TMS320C54X/C55X/OMAP等；●TMS320C6000系列：包括TMS320C62X/C67X/C64X等本系统采用的TMS320LF2407A是TMS320C2000系列TMS320C24X系列中的功能较强，低功耗的，供电电压为3.3V,最高运算速度为40MIPS的DSP芯片[12]。该芯片有以下一些特点：●该芯片有144个引脚，是该系列芯片的一个超集。I/O引脚多达41条。●存储器包括32K字节Flash程序闪存，片内ROM，和2K字的单存取RAM（SARAM）,和544×16位字的双存取RAM（DARAM）。●包括两个配置寄存器：系统控制与状态寄存器SCSR1和SCSR2；两个状态寄存器：状态寄存器ST0和ST1。●具有192K字的可寻址存储器空间：64K字程序空间、64K字数据空间和64K字的I/O空间。●5个外部中断（电机驱动保护、复用和两个可屏蔽中断）。●两个事件管理模块EVA、EVB，用于运动控制和电机控制。每个事件管理器模块包括通用定时器（GP）、比较单元、捕获单元、正交编码（QEP）单元以及8个16位脉宽调制（PWM）通道等。●看门狗定时器模块（WD）。●串行外设模块（SPI）。●串行通信模块（SCI）。●局域网控制器模块（CAN）。●10位A/D转换器，同时A/D转换时间也缩短了。本文采用TMS320LF2407芯片作为电机驱动系统的另一个原因主要是由于该芯片有多种类型的通讯接口：串行通信接口SCI是一个标准的通用异步串行口（UART），可以和RS-232格式的设备接口。SCI支持DSP与其他异步串口采用标准不归零（NRZ）模式进行异步串行数字通信[13]。它支持半双工和全双工操作，发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成。串行外设接口（SPI）是一个高速的同步串口，可以和其他具有标准SPI口的器件直接通信。另外芯片内还有用于外部器件或其他控制器件通信的CAN模块。CAN最初出现在20世纪80年代末的汽车工业中，由德国Bosch公司最先提出的，最初是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，减少不断增加的信号线而开发的一种串行数据通信总线。数据传输速率高达1Mbit/s,数据传输距离可达10km，有效地支持分布式控制和实时控制的串行通信系统。由于CAN总线具有很高的实时性能，因此，它已经在汽车工业、工业控制、航空工业等领域中得到广泛的应用。本文通过TMS32OLF24O7内置的CAN总线模块，实现了电机驱动系统和动力总成系统之间的数据通讯：动力总成系统向电驱动系统传输常规状态查询指令和速度指令，电驱动系统向动力总成系统报告常规状态和发出紧急情况处理请求。另外高性能的DSP控制器能有效提高控制算法的实时性，因此DSP与电机二者的结合，一方面可以减少整个系统的组成部分，另一方面也可以优化设计以减少系统的造价[14]。具体说来，一个高性能的DSP控制器的性能主要有:A.高性能控制算法的实现可以减少转矩脉动，进而减少振动并延长系统寿命；B.可以实现无传感器算法，从而无需使用速度与位置传感器；C.能控制电源开关和逆变器以产生高分辨率的PWM输出；D.能进行多变量控制和使用诸如人工神经网络与模糊逻辑之类的现代智能方法以胜任复杂系统的控制等等。由此看来芯片TMS320LF2407A如此齐全的外设单元使得电机控制系统硬件电路的构建十分方便，使该电机控制系统精度高、造价低、抗干扰能力强。（2）外围电路的设计—电平转换电路随着便捷式数字电子产品，数字式移动电话等迅速发展，要求使用体积小、功耗低、耗电小的器件，从而使得集成电路的工作电压从5V降到3.3V甚至更低。但是目前仍有许多5V电源的数字器件和逻辑器件可用，因此在许多设计中将有5V逻辑器件和3.3V逻辑器件共存，而且不同的电源电压在同一电路板中混用。TMS32OLF24OxA等新一代DSP芯片采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗。而整个系统的数字电路等的电压为5V，故在整个控制板上有5V电源和3.3V电源并存，所以在DSP设计系统中，必须设计电源转换电路。本文采用LM317为电源转换芯片，通过选择合适的电容电阻参数，可将5V转换为3.3V。4.1.2主电路设计HEV电机驱动系统主电路如图4.2所示，主要是电源、逆变器、电机三部分。其中混合动力电动汽车采用的是永磁同步电机作为驱动电机，电源采用锂电池组，总电压280V，逆变器采用智能功率模块(IPM模块)。IPM是先进的混合集成功率器件，由高速，低耗的IGBT芯片和优化的门极驱动及保护电路构成[13]。图4.2驱动控制系统主电路结构图Kl为主电源刀闸，通过汽车钥匙来控制强电的通断。R1为充电限流电阻，主要是用于防止主电路上电时由于电容充电而引起瞬间过大的电流冲击，因为当主电路通电时，蓄电池首先给电容C1充电，如果没有限流电阻Rl，充电电流会非常大，可能损坏电容。因此，需要在蓄电池和滤波电容之间串入一个限流电阻。主电路上并联的电解电容C1为滤波电容，它使IPM模块获得平滑的直流电压，同时为逆变器负载和直流电源之间的无功功率提供缓冲。电容值越大，直流电压越平稳。K2为开关接触器，其通断由软件程序控制。当主回路上电之前，先把开关K2打开，逆变桥所有桥臂全部封锁，然后主回路合闸给滤波电容充电。限流电阻如果长期在电路中，会影响直流电压，产生不必要的直流损耗，因此控制器TMS320LF2407A在电容充电期间对电容两端电压实时采样，一旦电压达到蓄电池电压的90%，便合上开关K2，使电阻Rl从主回路中切除。C2为无感电容。主电路工作时，因为智能功率模块IPM的开关频率很高，开关的通断会在直流母线上叠加一些高频干扰，出现高频的尖峰电压毛刺，影响逆变桥的工作，因此需要在电解电容器旁边并联一个无感电容C2作为吸收缓冲电路，其作用就是为了高频干扰的滤波。F为熔断器。逆变器在工作过程中，如果发生过流或者短路，不但将损坏IPM，而且可能造成蓄电池的大电流放电，时间长的话，甚至会引起蓄电池爆炸。在逆变器的直流母线中串联熔断器，使逆变器在发生短路和过流时及时断开，减少损失。同时在每个IGBT旁边并联一个RCD缓冲电路(或称为吸收电路)可以抑制过电压[15]。因直接并联在IGBT的C、E两端，IGBT关断时吸收电容上的电压从零开始上升，因而有较好的过电压吸收效果。（1）逆变器的设计本系统选用了三菱公司IPMPM75CLA060，其额定电压和额定电流分别为600V和75A。它将输出功率器件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，所以在使用时可将DSP输出的PWM信号经光耦隔离之后直接输入给IPM。另外IPM内部还具有异常情况检测保护电路，如SC（短路）、OC（过流）、UV（欠压）、OT（过热）。当其中任一个发生故障时，IPM中6个IGBT会马上切断，同时IPM会输出一个对应的故障信号给DSP，并通过一个故障保护综合电路将4路信号综合输出给DSP的PDPINTA脚，以便故障时及时封锁DSP的PWM信号[16]。由于IPM集IGBT、驱动电路和自身保护电路于一体，但是没有隔离电路，外围驱动信号加进来之后需要进行电气隔离。下面介绍一下PWM输出及驱动隔离电路，如图4.3所示。图4.3PWM输出及驱动隔离电路如图4.3所示，DSP的脉宽调制单元输出的PWM信号经过施密特触发器整形后，通过高速光耦HCPL4504对PWM进行隔离后再输入给IPM进行驱动。该款光耦是安捷伦公司专为IPM等功率器件设计的高速光电隔离接口芯片。图中的VCC为控制板电源+3.3V，Un、Vn、Wn、Up、Vp、Wp、分别是6个IGBT的基极驱动输入信号，他们都是低电平有效的电平信号。由于IPM是低电平有效，只有当驱动PWM信号为低电平，VCC提供上拉电流时，进入IPM的PWM信号才有效。4.2主要参量的检测及接口电路检测电路目的主要是为了将要检测的各种信号，经过转换变成DSP可以识别的数字信号。为实现系统的需要本文设计了电流检测、电压检测和位置速度检测电路。这些信号都是通过外围的电路接口接入DSP的外围电路接口，然后根据相应的设置，读出检测到的具体数值。4.2.1电流检测与接口电路在电机直接转矩控制中，电机磁链和转矩都是由三相相电流、相电压经过一系列运算后得到的[17]。根据瞬态时间空间矢量理论，在不考虑逆变器死区效应的情况下，三相交流电压的检测可以由直流母线电压和开关状态进行计算来得到。而相电流的检测，可以通过电流传感器对其中的两相进行检测，因为三相电流的和为零，只要知道两相就可以通过计算得到另一相。由于输出电流谐波大，要有滤波环节，还要考虑到DSP的接口特点，因此，电流检测通道设计如图4.4。本系统以A相电流的测量为例来介绍电流检测电路。电机控制板上有两路这样的电流检测通道，分别用来检测A、C相电流。图4.4电流检测电路本系统电流传感器采用的是LEM公司生产的电流传感器LA108-P（供电电压为±15V，频率带宽为0～100kHz）。由于TMS320LF2407ADSP集成的A/D转换器只能接受幅值在一定范围内（0～3.3V）变化的电压信号，因此电流检测通道的设计应考虑电流/电压变换、滤除干扰、极性变换和幅值变换等多个因素，然后把得到的电压信号送入A/D转换器，以便DSP采样处理。电阻R1是电流传感器的测量电阻，它的作用是将电流传感器输出的电流变换成电压信号，经跟随器后送往滤波电路。电阻R2、R3、R4、C1、C2和运算放大器MCP604一起构成了一个Bessel有源低通滤波器。这个低通滤波器把交流信号转换成0-3V的直流信号，提供了一个直流偏置,以此来适应DSP芯片的ADC模块的输入电压要求。该电流测量信号经过滤波后，直接送到DSP相应的AD采样通道。图中的稳压管D1是为了防止送入DSP的信号超过3.3V，而损坏DSP。电流反馈通道低通滤波器的截止频率设计为10kHz，直流增益为-1。由于LF24O7A的A/D转换是单极性的，但相电流信号有正有负，为了让TMS320LF2407A的ADC模块既能转换正信号，又能转换负信号，所以在电流信号送人ADC模块之前必须进行处理，本文采用对输入电压进行提升的方法，OFFSET即为提升用的偏置电压，使得ADCIN00电压范围在0～3.3V。4.2.2电压检测与接口电路永磁同步电动机的直接转矩控制采用电压矢量方式控制，任一时刻的逆变器的开关状态都是确定的[18]，那么可以先测得直流电压，再根据开关状态进行计算得到αβ坐标系下的电压Ua、Ub。直流电压Udc与αβ坐标系下的电压Uα、Uβ与开关状态量之间的关系表示如下[19]：因此，通过检测到的母线电压和该时刻的逆变器开关状态就可以得到αβ坐标系下的电压Uα、Uβ。所以在直接转矩中可以通过采样直流母线电压计算得到电机的端电压。本系统直流电压检测电路由霍尔电压传感器LV28-P来检测直流母线电压，对于电压测量,原边电流与被测电压的比一定要通过一个由用户选择的外部电阻确定，并串联在传感器原边回路上。它的原理是原边电压通过原边电阻转换为原边电流，该电流产生的磁通量与霍尔电压经放大产生的副边电流通过副边线圈所产生的磁通量相平衡。副边电流精确地反映原边电压。其优点在于：出色的精度，良好的线性度，低温漂，最佳的反应时间，宽频带，无插入损坏，抗干扰能力强。电压检测电路如图4.5。如图正向直流电流INI从LV28-P的正端（+）到负端（-）方向流动时获得Iout正向输出，经RL转换为U0。计算公式：图4.5电压检测电路4.2.3位置及转速检测与接口电路尽管从直接转矩控制原理上来看，不需要知道转子的具体位置，但是永磁同步电动机不同于感应电机的一点是电机在起动的那一刻，转子永磁体磁场就已经赋予定子磁场一个初始值[13]。由于永磁同步电动机定子磁场是在这个初始值的基础上对定子电压进行积分的结果，所以准确的测出这个初始值的幅值和位置对永磁同步电动机直接转矩控制性能的影响至关重要。从精确获知转子初始位置这一点来说，位置传感器是必要的。由于控制的需要还应该准确的获得转速值。一般情况下，永磁同步电动机控制中常用的位置速度传感器有旋转变压器和光电编码器。与旋转变压器相比，光电编码器的信号处理较简单、噪声容限大、易于实现高分辨率。又由于DSP控制器选用的是TMS320LF2407A，其本身就含有正交编码脉冲电路和捕获单元，再配合光电编码传感器输出的脉冲检测出电机运动方向及速度。（1）光电编码器与DSP的接口光电编码器，是一种主要由光栅盘和光电检测装置组成的传感器。其工作原理主要是通过光电转换将输出轴上的几何位移量转换成数字量或脉冲，通常对电机转速的测量是通过测量与电机同轴安装的编码器转速来实现的。正是由于光电码盘和电动机同轴，当电动机转动时，码盘会随电机同轴转动，才使得编码器的转速与电机的转速相同，进而达到对编码器转速的测量即是对电机转速测量的目的。码盘随位置的变化输出一系列的脉冲信号，经检测装置检测（一般由发光二极管等电子元件组成）输出脉冲信号。然后根据位置变化的方向用计数器对脉冲进行加/减计数，以此来检测位置。同时也可以利用光电编码器输出脉冲信号配合定时器/计数器，通过计算光电编码器每秒输出脉冲的个数来得出电动机的转速。光电编码器可以分为绝对式、增量式及混合式光电编码器三类，增量式光电编码器（光电脉冲发生器为其中一种）广泛用于速度闭环控制和位置增量控制系统中。它将角度信息转变成一列脉冲串，通过测量脉冲串的频率，达到对转速测量的目的。本系统选用的是增量式光电编码器，它实际上是由脉冲发生器及其相应电路组成的测角传感器。脉冲发生器与被测轴相接，转轴每旋转一周脉冲发生器就输出一个固定的脉冲数，所以其脉冲输出的频率与转速是成正比的。旋转时光电编码器产生两路互差90°的正交脉冲A、B，由于光电编码器输出脉冲的频率较高,为提高系统的抗干扰能力,光电编码器输出的信号须经光电隔离后才能输入到控制系统中[8,20]。本文采用高速光电耦合器4N25,来实现对于高频率脉冲信号的光电隔离，同时由于4N25输出为与非门电路,因而还具有对于脉冲信号整形的功能,十分适用于光电编码器输出信号隔离电路。两路正交脉冲经过光电耦合隔离和施密特非门整型后输入到DSP中的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2接口，光电编码器与DSP的接口如图4.6所示。通常选择通用定时器T2(EVA)对输入的正交脉冲A、B进行解码和计数，并产生两个内部信号：QEP_CLK和QEP_DIR。QEP_CLK信号是用来作为通用定时器的时钟信号，QEP_DIR信号是用来控制定时器的计数方向。要使QEP电路正常工作，必须使T2工作在定向增/减模式。在此模式下，QEP电路不仅为T2提供计数脉冲，而且还决定了其计数方向。QEP电路对输入的正交编码脉冲的上升沿和下降沿都进行计数，因此对输入的正交编码脉冲进行4倍频后作为T2的计数脉冲，并通过QEP电路的方向检测逻辑确定哪个脉冲序列相位超前，然后产生一个方向信号作为T2的方向输入，当电机正转时，脉冲信号A的相位超前脉冲信号B的相位90°，此时逻辑电路处理后可形成高电平的方向信号QEP_DIR，T2增计数。当电机反转时，脉冲信号A的相位滞后B的相位90°，此时逻辑电路处理后的方向信号QEP_DIR为低电平，T2减计数。正交编码脉冲、定时器计数脉冲及计数方向时序逻辑如图4.7所示。（2）转速的计算方法常用的测速方法有三种：M法、T法和M/T法[14]。本文采用的是M法测速(又叫定时测角法)，该测速方法即在规定的时间间隔Ts内，测量所产生的脉冲数来获得被测速度值，设脉冲发生器每转一圈发出的脉冲数为N，且在规定的时间Ts（S）内，测得的脉冲数为M，则电机每分钟转速为：图4.6DSP与光电编码器接口电路图4.7光电编码器脉冲信号时序图（3）电机位置测量方法由上式知电机每分钟转速为：假定电机在静止情况下的初始位置角是θ0，电机的极对数为Np，则从静止开始经过Ts（S）后的电机位置（电角度）为：θr=θ0+2π×Np×M/N。关于电机初始位置的测量同样利用光电码盘将初始定位在电机空载，转子励磁的情况下，三相定子绕组通入直流电流[21]。电动机主回路通电后，电动机将朝初始位置旋转，且在初始位置作减幅振荡,初始定位时电动机空载，故电机停止旋转时电磁转矩为零，待电机静止后码盘的输出值即为初始位置值。此时记录码盘的输出脉冲个数0M，则初始位置角θ0=2πnpM/N0。经过多次初始定位，可准确地确定初始位置值。4.3故障检测及保护电路电机驱动控制系统的保护信号主要包括母线过流过压、电机定子绕组过热和IPM故障(过温、过流、控制电源欠压，短路)中任一种保护电路动作，要求控制器必须立即动作关断IPM，并输出一个故障信号FO，使事故不致扩大到整个系统。为保证电机能准确的工作运行，必须要设计故障检测电路[5-6]。故障检测主要包括过流检测、欠压检测、过压检测和过温检测。IPM自身具有欠压保护、过温保护、过流保护、短路保护等故障保护功能，但是由于管子并不会同时受到保护，而且输出的报警信号具有非保持性。因此，仅仅靠IPM的自我保护功能难以满足系统安全运行的要求。要保证系统安全可靠的运行，必须增加辅助的保护电路。4.3.1过流检测保护电路当检测母线过流时，控制器必须关断IPM。母线电流值是通过在蓄电池和滤波电容之间的导线上串联电路互感器来测得的，主要是用来保护蓄电池。DSP通过ADC(IN01)对母线电流进行采样。检测的母线电流信号与电流阀值进行比较，如果高于电流阀值，比较器输出信号发生变化，将该信号输送给DSP进行相应的处理。图4.8过流保护电路当控制回路、驱动回路因误操作发生电流短路或者流经的实际电流超过预先设定的上限电流时，都会造成严重的后果。因此必须在极短的时间内检测出过流信号，封锁PWM驱动信号的输出，使逆变器停止工作，并通过指示灯显示过流现象[1]。本系统采用霍尔电流传感器检测电流，过流信号来自霍尔器件对逆变器输出回路的采样。当实际的电流值超出给定上限值时，比较器CA139输出低电平，然后光耦TLP521导通，输出高电平，经反相器4584输出低电平，指示灯LED点亮，同时过流信号经与非门送至引脚，封锁PWM驱动信号输出。4.3.2过压/欠压检测保护电路电压保护功能分为过电压保护和欠电压保护两大类[22]，过压保护电路的输入端直接与母线相连，母线电压Vin经电阻分压接入比较器LM339的正向输入端，参考电压Vref接入到比较器负向输入端，如图4.9。如果母线电压超过给定的参考值时，LM339输出高电平，即三极管导通，光耦发光二极管发光，光耦PS2501工作，其输出端接地，光耦输出低电平过压信号OV。该信号经过故障综合保护电路输送给DSP的功率驱动保护中断入口(PDPINTA)和控制板上的PWM驱动保护，触发过压保护。同时点亮警示灯警告驾驶者电源出问题，需要即时停车，否则将出现严重后果。图4.9过压保护电路欠压检测电路如图4.10，当控制板输入电压过低从而导致DSP芯片电压过低时，系统可能会出现错误计算，数据丢失以至于发出错误控制信号。为了避免出现这种情况，本文设置了检测低压电路[6]。由稳压块LM317变换得来的给DSP供电的3.3V电源和基准电压3V进行比较，当供电电压小于3V时比较器输出低电平，以此提示用户输入的电压过低，输出欠压信号LV并将该信号输送到故障综合单元以封锁PWM输出。图4.10欠压保护电路4.3.3过温检测保护电路所有的电力电子器件在运行中都会产生功率损耗和开关功率损耗，这些功耗通常表现为热量[23]。为了保证器件正常运行必须采用散热器把这些热量从功率芯片传导出去。但是，当开关频率高、负载过重或者散热故障时，温度会上升，如果温度超过允许的最大值时会造成器件的损坏。因此，温度检测以及相应的温度保护电路的设计也是变频器正常运行的保障之一，过温检测电路如图4.11所示。本系统温度检测采用的是NationalSemiConductor所生产的温度传感器LM35。它的工作原理是利用其输出电压与摄氏温标呈线性关系，转换公式如式，0℃时输出为0V，每升高1℃，输出电压增加10mV。利用下式可计