电动汽车电机控制器方案设计说明书

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1引言

随着常规能源的日益减少与环境污染的日益严重，世界各国的环保意

识逐渐增强，电动汽车以其零排放的优点受到世界各国的重视，并成

为未来车辆的一个发展趋势。

传统的电动汽车多采用直流电机，其中最多的是有刷他励直流电机，

因为存在电刷，导致电机的寿命与效率降低，目前比较新的无刷直流

电机，这种电机寿长，效率比较高，但是因为位置传感器的安装精度

不够导致控制效果不是很好与寿命短的问题。无速度传感低压交流驱

动器，比传统的直流系统相比。

目前研究比较多的是交流异步电机及其控制器，与直流电机相比，交

流异步电机具有效率高，相同功率等级下成本低等优点，交流系统低

速恒转矩模式有效攻克了直流无刷启动力矩不足的问题。高速恒功率

模式使整机效率更加优越。

随着交流电机控制算法的日益完善，其控制性能可以与直流电机相媲

美，交流异步电机在电动汽车上的广泛应用成为发展趋势。

本系统采用无速度传感器矢量控制策略，提高电机工作效率，采用

SVPWM技术，提高电压利用率，并减少谐波干扰，并克服了传统直

流系统电动车启动力矩不足的缺点。

2硬件总体说明

系统总共分为三块电路板叠成立体方式实现。

功能介绍

此功率电路采用三相相移120度

理论依据

ACI3_1的简易系统图如图1所示：

电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪

图1ACI3_1的简易系统图

图1所示为三相感应电机驱动的完整系统图。使用了一个三相电压源

逆变器来控制三相感应电机，DSP输出六路PWM信号控制逆变器

的六个MOSFET的通断，从而控制电机电压。还有一个捕获输入脚

用来捕获电机速度传感器的输出以测量电机转速，但在实际调试时没

有使用速度传感器，所以没有速度反馈，整个系统是一个开环系统。

感应电机的等效电路如图2所示：

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图2感应电机的等效电路

在V/Hz控制中，感应电动机的转速由可调节的定子电压大小与对应

的频率大小一起控制，其中磁通量在固定状态总是保持预期值。

假设定子电阻（Rs）为0,产生气隙磁通的磁化电流近似等于定子电压

与频率比。它们的矢量关系式（forsteady-state分析）为：电动汽

车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪

如果感应电动机运行在线性磁场区域，则Lm是不变的。贝I」，等式⑴

可以在数值方面被简化为：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原

创）-ZZ-狂风悟浪

由此推出关系式：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ

-狂风悟浪

为了保持电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风

悟浪不变，电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂

风悟浪的比值在不同的转速也要不变。当转速增大时，为了保持电动

汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪的比值不

变，则定子电压必须要按比例增大。然而，频率（或同步转速）不是

真正的转速，因为存在转差S。在空载时，s很小，转速接近同步转

速。因此，简单的开环恒压频比控制系统不能精确地控制存在负载转

矩的转速，需要加入速度传感器。

在实际中，定子电压与频率的比率通常基于这些变量的额定值。V/Hz

典型轮廓曲线如图3所示。主要地,V/Hz特性曲线有三个转速范围,

如下图所示，其中电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-zz

-狂风悟浪为截止频率，电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）

-ZZ-狂风悟浪为额定频率，电动汽车电机控制器方案设计说明书

（原创）-ZZ-狂风悟浪为定子电压，电动汽车电机控制器方案设

计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪为定子额定电压：

在。-电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪

时，定子电阻压降不能被忽略，需通过增加Vs来补偿。所以，V/Hz

特性曲线是非线性的。我们可以从Rs力0的稳态等效电路中解析

计算出截止频率（fc）与适当的定子电压。

在电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪-

电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪（基

频）时，则遵循V/Hz不变关系。图上的斜度代表了等式（2）中的

气隙磁通量。

在大于电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟

浪（基频）Hz时，为了避免定子绕组绝缘击穿，定子电压必须最多

只能等于额定值，所以不能继续保持Vs/f比率不变。于是，导致气

隙磁通将会减少，不可避免地引起转矩相应地降低。这区域通常被称

为弱磁升速区，电机在此区域为恒功率运行。

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系统框图

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系统原理框图

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系统程序框图

程序流程图

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2.2ACI3.4（无速度传感器矢量控制程序）总体说明

功能介绍

系统采用无速度传感器矢量控制技术驱动异步电机转动。通过加速踏

板给定转矩，带大负载时踏板踩下角度大，控制器输出转矩大，相反

带小负载时踏板踩下角度大，控制器输出转矩小。

无速度传感器矢量控制系统动态性能好，效率高，是目前异步电机控

制领域中技术最先进的控制方法。

理论依据

理论上，感应电机的磁场定向控制有两种，直接磁场定向与间接磁场

定向，用来定向的磁场可以是转子磁场、定子磁场与气隙磁场。在间

接磁场定向控制中需要通过估计或计算转子转速来估计转差率S,进

而计算同步转速，而没有磁通估计。直接磁场定向控制中，同步转速

根据磁通角进行计算，磁通角可以根据磁通估计或磁通传感器测量得

到。系统的关键模块是磁通评估器。

交流电机直接转子磁场定向控制的基础是将总磁场定向在以同步速

度旋转的d轴上，这样电磁转矩与磁通可以分别由同步旋转坐标系中

定子电流的d轴分量与q轴分量独立控制。如下图所示：

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转子磁场定向控制中的定子电流与转子磁通向量

系统框图

控制系统整体结构图如下，使用六路PWM信号控制三相逆变器的六

个MOSFET,三项逆变器将48V直流电逆变成三相正弦交流电，驱

动异步电机旋转。采用三个AD采样通道分别采样A、B相电流与母

线电压，作为反馈量估算转子磁通角与转子转速并调节PWM占空

比。

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原理框图如下图所示：

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直接转子磁场定向系统原理框图

系统程序模块框图如下如所示：

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系统程序框图

程序流程图

3软件模块说明

3.1ACI.FE

该模块是一个是基于反电动势反向逼近积分的三相感应电机的磁通

评估器，该模块可以同时产生转子角，通过积分补偿器引入补偿电压

以减小纯积分器与定子电阻测量的误差，因此，磁通估计器可以在很

大的转速范围内工作，即使是转速很低的情况。

模块的输入输出量如下图所示：

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该模块涉及的文件有：

使用的变量描述：

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磁通估计器的整体框图如下：

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在静止坐标系中转子磁链主要是通过对电压型中的反电动势积分得

到的。通过使用积分补偿器提供补偿电压，可以对纯积分器与定子电

阻测量的误差进行处理。

程序流程图如下：

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3.2ACISE

模块作用：

这个软件模块是基于数学模型的三相感应电机的速度评估器，该评估

器的精度依赖于电机的关键参数。

模块的输入输出量如下：

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所使用的变量描述：

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模块原理

开环速度评估器是基于静止坐标系中的感应电机的机械方程,精确的

机械参数是必不可少的，否则将会产生稳态转速误差，但是，这个评

估器的结构与其他高级技术相比更加简单。

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正反转时的转子磁通角波形

程序流程图如下图所示：

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3.3CLARK

作用：将两相电流值由三相abc坐标系转换到两相静止电动汽车

电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪坐标系。

模块的输入输出量如下图所示：

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变量定义

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3.4FC_PWM_DRV

作用：根据占空比产生空间矢量PWM输出。

CVersionFileNames:f281xpwm.c,f281xpwm.h(for

x281x)

f280xpwm.c,f280xpwm.h(forx280x)

IQmathlibraryfilesforC:N/A

变量定义

结构体变量PWMGEN定义如下：

typedefstruct{Uintl6PeriodMax;//Parameter：PWM

Half-PeriodinCPUclockcycles(QO)

inti6MfuncPeriod;//Input：Periodscaler(QI5)

inti6MfuncCl;//Input：PWM1&2Dutycycleratio(QI5)

inti6MfuncC2;//Input:PWM3&4Dutycycleratio(QI5)

inti6MfuncC3;//Input:PWM5&6Dutycycleratio(QI5)

void(*init)();//Pointertotheinitfunction

void(*update)();//Pointertotheupdatefunction

}PWMGEN;

typedefPWMGEN*PWMGEN_handle;

各个变量的数据格式

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3.5IPARK

作用：将电压由d-q旋转坐标系变换到电动汽车电机控制器方案设

计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪旋转坐标系。

该模块的输入与输出变量如下图所示：

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变量定义

结构体变量IPARK定义如下：

typedefstruct{_iqAlpha;//Output:stationaryd-axis

statorvariable

_iqBeta;//Output:stationaryq-axisstatorvariable

_iqAngle;//Input:rotatingangle（pu）

_iqDs;//Input:rotatingd-axisstatorvariable

_iqQs;//Input：rotatingq-axisstatorvariable

void（*calc）（）;//Pointertocalculationfunction

}IPARK;

typedefIPARK*IPARK_handle;

变量类型如下：

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3.6ILEG2_DCBUS_DRV

作用：这个模块同时进行三通道的AD转换，转换过程中使用了可

以编程设置的增益（gain）与偏置（offset）。AD转换由EPWM1

CNT_zero（定时器为0）事件启动。转换结果表示两个相电流与母

线电压。使用的是GPTimer1

模块的输入输出量如下图所示：

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CVersionFileNames：f281xileg_vdc.c,f281xileg_vdc.h

(forx281x)

f280xileg_vdc.c,f280xileg_vdc.h(for

x280x)

IQmathlibraryfilesforC:N/A

变量定义

结构体变量ILEG2DCBUSMEAS定义如下：

typedefstruct{intl6ImeasAGain;//Parameter：gainforla

(QI3)

inti6ImeasAOffset;//Parameter：offsetforla(QI5)

inti6ImeasA;//Output:measuredla(QI5)

inti6ImeasBGain;//Parameter:gainforlb(QI3)

inti6ImeasBOffset;//Parameter:offsetforlb(QI5)

inti6ImeasB;//Output：measuredlb(QI5)

inti6VdcMeasGain;//Parameter：gainforVdc(QI3)

inti6VdcMeasOffset;//Parameter：offsetforVdc(QI5)

inti6VdcMeas;//Output：measuredVdc(QI5)

inti6ImeasC;//Output:computedIc(QI5)

Uintl6ChSelect;//Parameter：ADCchannelselection

void(*init)();//Pointertotheinitfunction

void(*read)();//Pointertothereadfunction

}ILEG2DCBUSMEAS;

typedefILEG2DCBUSMEAS*ILEG2DCBUSMEAS_handle;

变量数据格式如下：

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程序流程图如下：

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3.7PARK

作用：将变量由两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系。

输入输出量如下图所示：

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变量定义

结构体变量PARK定义如下：

typedefstruct{_iqAlpha;//Input：stationaryd-axisstator

variable

_iqBeta;//Input：stationaryq-axisstatorvariable

_iqAngle;//Input：rotatingangle(pu)

_iqDs;//Output：rotatingd-axisstatorvariable

_iqQs;//Output：rotatingq-axisstatorvariable

void(*calc)();//Pointertocalculationfunction

}PARK;

typedefPARK*PARK_handle;

变量数据格式如下：

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3.8PIDREG3

作用：该模块用为32位带抗积分饱与功能的数字PID控制器，可

以单独配置为PI或PD控制器，使用了逐渐逼近的方法。

输入输出量：

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变量定义：

结构体变量PID,REG3定义如下：

typedefstruct{_iqRef;//Input：Referenceinput

_iqFdb;//Input：Feedbackinput

_iqErr;//Variable：Error

_iqKp;//Parameter：Proportionalgain

_iqUp;//Variable:Proportionaloutput

_iqUi;//Variable：Integraloutput

_iqUd;//Variable：Derivativeoutput

_iqOutPreSat;//Variable：Pre-saturatedoutput

_iqOutMax;//Parameter：Maximumoutput

_iqOutMin;//Parameter：Minimumoutput

_iqOut;//Output:PIDoutput

_iqSatErr;//Variable：Saturateddifference

_iqKi;//Parameter:Integralgain

_iqKc;//Parameter：Integralcorrectiongain

_iqKd;//Parameter：Derivativegain

_iqUpl;//History:Previousproportionaloutput

void（*calc）（）;//Pointertocalculationfunction

}PIDREG3;

typedefPIDREG3*PIDREG3_handle;

数据格式：

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PID原理与实现方法：

PID控制系统框图如下：

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其中：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟

浪

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u（t）是PID的输出

upresat（t）是饱与之前的输出

e（t）是参考量与反馈量之差

Kp是比例系数

Ti积分时间（或复位时间）

Td是微分系数

Kc是积分补偿系数

将上述方程使用反向逼近的方法来离散化，则方程变为如下形式：

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电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪

电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪电

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定义

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则

电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪电

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其中T是采样周期。

软件流程图如下图所示：

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3.9SVGEN.DQ（SVPWM模块）

作用：

这个模块用来计算合适的占空比，该占空比用于产生一个使用空间矢

量PWM技术的给定定子参考电压。定子参考电压山电动汽车电机控

制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪电动汽车电机控制器

方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪来描述，即Ualpha与

Ubetao

这个模块的输入输入变量如下图所示:

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变量定义

结构体SVGENDQ定义如下：

typedefstruct{_iqUalpha;//Input：referencealpha-axis

phasevoltage

_iqUbeta;//Input:referencebeta-axisphasevoltage

_iqTa;//Output:referencephase-aswitchingfunction

_iqTb;//Output:referencephase-bswitchingfunction

_iqTc;//Output:referencephase-cswitchingfunction

void（*calc）（）;//Pointertocalculationfunction

}SVGENDQ;

typedefSVGENDQ*SVGENDQ_handle;

各变量的数据格式

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软件流程图如下

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模块原理：

三相电压逆变器如下图所示：

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空间矢量PWM用来按照一定的顺序驱动三个上桥臂的MOSFET导

通，每相的下桥臂与同一相的上桥臂相反，中间有个死区时间，最终

在定子绕组中产生近似的正弦波电流，并在定子绕组中产生旋转磁

场。

系统等效电路如下图所示:

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开关管导通顺序与对应线电压与相电压之间的关系如下:

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对应电压关系：

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用矩阵形式表示如下：

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空间矢量的6个60°扇区如下图所示，其中的矢量为基础空间矢量。

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电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪、电

动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ■狂风悟浪分别代

表电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪与

电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪的电

动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪与电动

汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪分量之与,

表达式如下：

电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-狂风悟浪电动

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其中Tl、T3分别是UO、U60的持续作用时间，TO是空矢量的持

续时间。这些时间可以使用下面的方法计算：

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因为U0=U60=电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-ZZ-

狂风悟浪，所以有如下关系：

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在U。与U60之间时，tl与t2计算如下，Tl、T3分别为U0与

U120作用的时间。

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在U60与U120之间时，tl与t2计算如下，T2、T3分别为U60

与U120作用的时间。

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如果定义X、Y、Z如下：

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在不同区间时tl与t2与X、Y、Z之间的对应关系如下：

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通过CLARK逆变换，得到电压Vrefl、Vref2>Vref3如下：

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定子参考电压的电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）-zz-

狂风悟浪分量如下:

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电压Vrefl、Vref2>Vref3如下

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如果Vrefl＞。，则a=l,否则a=0

如果Vref2>0,则b=l,否贝ijb=0

如果Vref3>0,贝Jc=l,否则c=0

可变区间的定义为：sector=4c+2b+a

三个相电压关系如下:

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空间矢量PWM模块被分成以下几个部分:

1划分区间

1计算X、Y与Z

1计算tl与t2

1决定占空比taon、tbon与tcon

1将占空比传给Ta、Tb与Tc

占空比计算如下:

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3.10CAN通信与液晶显示程序

采用CAN通信将要显示的数据送到液晶显示屏进行显示。

程序流程图如下图所示：

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3.11方向控制程序

按键程序，通过判断两个按键的情况来选择正转、反转。状态如下:

状态

正转开关

反转开关

不输出

0

0

反转

0

1

正转

1

0

不输出

1

1

程序流程图如下图所示：

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4软件调试说明

4.1ACI3.1（恒压频比控制程序）调试说明

系统可以调节的变量与作用列表表示如下：

变量名

名称

范围

作用

SpeedRef

速度给定

-1~1

改变电机