（农业机械化工程专业论文）电动汽车异步电动机驱动系统研究.pdf

摘要 随着我国汽车保有量急剧增加，能源和环境问题将更加突出。人们迫切需要寻求 一种低排放和节约能源的交通工具。电动汽车( e v ) 以其在节能和环保方面的巨大 优势，已成为世界各国竟相研究的重要热点，必将成为2 1 世纪重要的交通工具之一。 电机驱动系统是电动汽车最关键的部分之一，它将决定整车的性能。2 0 世纪9 0 年代以后，国外电动汽车开始使用的交流驱动系统来取代直流驱动系统，已成为驱动 系统的主流。目前，我国交流异步电机驱动系统的研究在满足电动汽车特殊要求方面 还处于研究阶段。 本论文根据异步电机的多变量数学模型，运用电机统一理论、机电能量转换阻及 在坐标变换理论基础上发展起来的矢量控制理论，深入地研究电动汽车交流异步电机 驱动系统控制的技术与方法。 研究过程中主要采用转子磁场定向的矢量控制方法，通过矢量运算，做到分别控 制d q 0 旋转坐标中的磁场电流分量i m 与转矩电流分量i t ，对交流异步电机实现类似 直流电动机的转速控制与调节，以获得快速响应和精确控制的目标。 为实现电动汽车驱动系统控制要求快速敏捷、实时性高等特点，研究中选用了 t i 公司的电机控制专用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为系统的核心控制芯片、高性能 的智能功率模块( i p m ) 逆变功率器件，设计了控制系统的主回路、控制电路。在设计 过程当中考虑了电磁干扰和电磁兼容问题。为验证设计系统的可行性，运用 m a t l a b 6 o 中的动态仿真工具s i m u l i n k 对系统的动静态性能进行了仿真研究，仿 真结果表明该系统具有良好的速度响应和位置控制能力。 研究中设计开发的以高性能的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心、基于矢量控制原 瑗的电动汽车异步电机驱动系统，提出用一种新型的p w m 调制方法一电压空间矢量法 ( s v p w m ) 实现对异步电机的高性能可靠控制。 关键词：矢量控制电压空间矢量法数字信号处理器电动汽车 柬经作= _ 肴、导琊隅萱 奢垒文公i ，_ a b s t r a c t w i t ht h ev e h i c l er e t e n t j o ni n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l yi no u rc o u n t r y ，e n e 唁ya l l d e n v i m n r n e n tp r o b l e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s t r a n s p o n a t i o nt o o l s 、i ml o w e x h a u s ta n dh i 曲e n e r g ye 瓶c e n c ya r eu 唱e m l yn e e d e d t h ee l e c t r j cv e h i c j e ，w h i c hi s g e n e r i c a i l ye c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y ，h a sb e c o m et h em o s ti m p o n a n th o t s p o t i nt r a n s d o r t a t i o nv e h i c i er e s e a r c hw o r l d w i d e e vw i ub e c o m eoneo fm o s ti m p o r t a n t t r a n s p o n a t i o nt o o l si n2 】“c e n t u r i e s m o t o rd “v es y s t e mi so n eo ft h ek e yp a n so fv e h j c l ea n dd e t e m l i n e sm ep e r f o m a i l c e o fi h ew h 0 1 ev e h i c l e s i n c el9 9 0 s ，a cm o t o rd r i v es y s t e mh a sb e c o m et h em a i n s 仃e 帅 d r i v es y s t e mo fe va b r o a d ，r e p l a c i n gt h ed cd r i v es y s t e m a tp r e s e n t ，a cm o c o rd r j v e s y s t e mm e e t i n gt h es p e c i a ip r o p u l s i o nd e m a n d so ft h ee v ( e l e c t r i c a lv e h i c l e ) i ss t i l ii nt h e s t a g eo f t r j a l a c c o r d i n gt om u l t i - v a r i a b l em a t h e m a t i c a im o d e lo fa cm o t o r t h i sp a p e rt h o r o u g h l y g t u d i e dt h ec o n t r o lt e c h n i q u ea n dm e t h o do fa cm o t o rd r i v es y s t e mo fe v ，u s i n gm o t o r u n i f i c a t i o np r i n c i p l e ，e n e 唱yc o n v e r s i o na n dv e c t o rc o n i r o lt h e o r y 、 ，h i c hi sb a s e do n c o o r d i n a t et r a n s f o m l a t i o n t ba c h i e v eq u j c kr e s p o n s ea n dp r e c i s i o nc o n t r o l ，w ea d o p t e dr o t o rf t u xf i e i d o r i e m e d c o n t m l t oc o n t r o lt h er o t a t es p e e do fa s y n c h f o n o u sm o t o ri nas i m i i a ra st h a to fad cm o t o r ， b yt h ew a yo fc o n t r o l i i n gm a g n e t i cc u r r e n tj ma n dt o r q u ei to fd q or e v o l v i n gc o o r d i n a t e r c s p e c t i v e l yv i av e c t o rc a i c u l a t i o n i no r d e rt or e a l i z ef l e e t n e s sa n dh i g hr e a l t i m ep e r f o 衄a n c er c q u i r e db yt h ed r i v e s y s t e mo fe v ，w es e l e c t e da sc o r ec o n t m io fs y s t e mt h ed i g j t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ， t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7o ft ic o m p a n y w h i c hi ss p e c i f i cf o rm o t o rc o n t r o l ；i n t e m g e n tp o w e f m o d u l e ( i p m ) o fc o n v e n e rp o w e ra p p a r a t u so fh i g hp e r f o 咖a r i c e w ea l s od e s i g n e dt h e m a i nc i r c u i ta i l dc o n t r o lc i r c u i to ft h e s y s t e m ，t a k i n g i n t oc o n s i d e r a t i o nl h e e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e ( e m i ) a n de l e c t r o m a g n e t i s mc o m p a t i b i l i t y ( e m c ) 盯e t h e d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es i m u l a t e du s i n gs l m u l n q ko fm a t l a b6 o ， w h i c hs h o w e dt h a tt h es y s t e mh a db o t hg o o ds p e e dr e s p o n s ea n d p o s i t i o nc o n t r 0 ic a p a c i t y i nt h i se vm o t o rc o n t m ls y s t e ms t u d yw ed e v e l o p e dt h eh a r d w a r ec o n t m ls y s t e m b a s e do n h i g h - p e r f b m l a n c e t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p ，a n d p r o p o s e d an o v e lp w m m e t h o d s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a l i o n ( s v p w m ) t or e a l i z et h er e l i a b i eh i 曲 p e r f b 硼a n c ec o n t r o lo fa s y n c h r o n i z e dm o t o lt h ea l g o r i t h md e s c r i b e di n t h i sp a p e rc a n a c h i e v ef a v o r a b i er es i l i t k e y w o r d s ：f i e l d0 r i e m e dc o n t r o l( f o c ) ，s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ( s v p w m ) ，d i g i t a is 培n a lp m c e s s o “d s p ) ，e i e c t r i c a lv e h i c l e ( e v ) 独创性声明 工o u ，d d l 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构 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了谢意。 研究生签名：亟垒巍 时问：么州v 年彳月衫r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：盏查盛 时闯：哆户铲年$ 月叼同 翩签名：z 主送时间：如午年占月哆只 1 1 引言 第一章绪论 目前全世界汽车石油消耗量占世界石油消耗量的一半以上，而石油资源仅 能供人类使用4 3 年左右，不到2 l 世纪中叶，汽车燃用石油的时代将会结束。我 国是一个石油匮乏的国家，从1 9 9 3 年起，我国已成为石油“净进口国”，2 0 0 0 年我国的石油进口量占总用量的3 0 以上。据世界能源组织预测，2 0 1 0 年中国石 油进口量将超过1 5 亿吨、占总用量5 0 以上，到2 0 0 2 年进口石油量将超过4 亿吨、占8 0 以上。燃油汽车排放的c o 、n o x 、h c 、p b 、s 吼、c o 。、o ：。等已成为 大气污染的主要因素。随着汽车保有量集聚增加，能源和环境问题将更加突出， 我们迫切需要寻求一种低排放和节约能源的交通工具开发电动汽车是解决这一 问题的有效途径之一。 8 0 年代以来，电动汽车1 ”的研制热潮在全世界范围内兴起其中在欧洲、 北美和同本等部分国家水平比较高、发展较快，如法国标志一雪铁龙。德国b 咖、 v w ，美国的三大汽车公司，日本的本田、丰田和只产等。正逐步由样车试制向小 批量商业化生产的方向发展。我国从1 9 9 1 年起，已将电动汽车的研制开发列入 “八五”重点科技攻关项目。丽到1 9 9 6 年，科技部更将其列为“九五”及跨世 纪国家重大科技产业工程。近年来。我国正在不断地丌发一些高技术、商标准的 电动汽车及其系统，如电动大客车、微型客车、电动轻型客车、中型电动小客车 等。 电动汽车包括纯电动汽车( e v e l e c t r i c a lv e h i c l e ) 、混合电动汽车( h e v h y b r i de 1 e c t r i c a lv e h i c l e ) 和燃料电池汽车( f c v f u e lc e l lv e h i c l e ) 三 种型式，它是理想的零排放或低排放车辆。纯电动汽车在发展中受到了技术上的 制约，有限的行驶里程和较长的充电时间使得它们的普及遇到困难。燃料电池汽 车具有低排放、低噪音，其甲醇燃料有广泛的来源，以及可再生等重大优势，已 成为世界各大汽车集团新世纪激烈竞争的焦点，被喻为2 1 世纪改变人类生活的 十大高科技之首，但产业化仍需要较长的时间。混合动力电动汽车是将新技术和 老技术结合的最可行的产物，它同时具有纯电动汽车和传统内燃机汽车的优点。 既具有纯电动汽车的高效率和低排放的性能，还具有传统内燃机汽车的行驶里程 长和快速补充燃料的性能。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。 1 2 国内外电动汽车的发展现状 9 0 年代以来，日本、美国、欧洲各大汽车公司纷纷开始研制混合动力型汽 车。同本丰用汽车公司率先于1 9 9 7 年1 2 月将混合动力型p r i u s 轿车投放本国市 场，2 0 0 0 年初又丌始投放北美市场。并将月产由1 0 0 0 辆调升到月产2 0 0 0 辆， 三年内销售了4 5 万辆。计划到2 0 0 5 年时，混合动力汽车达到年产3 0 万辆。在 日本，除了丰田公司以外，本田、日产等大公司也分别研制了自己的混合动力汽 车“”“，其中本田公司已投产i n s i g h t 混合动力汽车，被美国环保总署评为 2 0 0 1 年美国十大节能汽车的第一名，第二名则为丰h ： 汽车公司的p r i u s 混合动 力汽车。 美国能源部与三大汽车公司于1 9 9 3 年签订了混合动力汽车丌发合同，启动 下一代汽车合作伙伴( p n g v ) 项目，迄今己开发出多种形式的混合动力电动汽车， 例如克莱斯勒的e s x 3 、福特的p r o d i g y2 0 0 0 、通用的p 1 e c e p t 和b e n z 等。p n g v 项目在 i e v 性能仿真、汽车集成动力模块等技术领域取得了显著成就。 欧洲各大汽车厂商争先恐后地推出了本公司研制的混合动力电动汽车，法国 p s a 集团先后推出了贝灵格型和x s a r a 型混合动力电动汽车，德国的b o s c h 等著 名的零部件公司也积极与大汽车公司联手开发混合动力电动汽车技术。专家普遍 评价：混合动力电动汽车是2 1 世纪初汽车产业界的一场革命，只有混合动力电 动汽车才能满足新世纪之初对汽车的环保与节能要求。 在国内“电动汽车技术研究”是国家科委“八五”科技攻关项目。在清华 大学的组织下，研制出7 辆1 6 座电动轻型客车：“九五”期间，东风汽车公司承 担并完成了国家重大科技攻关项目“电动轿车概念车设汁”的整车( 即) 研制工 作。“九五”术期我国在电动汽车的三大关键技术领域( 电池、电机、电控系统) 取得突破。科技部已将电动汽车产业化列为“十五”国家8 6 3 重大科技攻关项目， “十五”期间国家计划投入近1 0 亿元来支持电动汽车的前瞻性研究。要求混 合动力电动汽车实现批量生产，并通过国家汽车产品型式认证。 在“九五”科技攻关计划的推动下，我国丌发出多种电控发动机，在电机控 制方面取得了重大突破，电池管理系统的研究也取得一定的进展。但在双能量源 混合动力电动汽车动力系统的自动控制方面刚剐起步，包括控制算法的研究和控 制器的开发，还未有完整的系统。 1 3 电动汽车电机驱动系统的概述 1 3 1 电动汽车电机驱动系统结构 电动汽车是以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全 法规各项要求的车辆。它是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的 高科技产品。电动汽车的关键技术包括蓄电池技术及电池管理，车体技术，电机 及其驱动控制系统。电动汽车是由车体、电机驱动系统、储能电池和能量管理系 统组成的，其中电机驱动系统是最关键的部分之一。 电动汽车驱动系统m h “瑚1 ”由牵引电机、控制系统( 包括电机驱动器、 控制器及传感器) 、机械减速及传动装置、车轮等构成。控制系统接收加速踏板 ( 相当于燃油车的油门) 、刹车和p d r n ( 停车、前进、到车、空挡) 、转向盘的 输出信号，经过信号处理，输入到电机驱动器，控制驱动电机转速和转矩，再通 过机械传动装置，驱动车轮。 1 3 2 电动汽车工况对电机驱动系统的特殊要求 电机驱动系统除了具有普通电气传动的共性外，还应满足电动汽车特定用途 的要求。电动汽车是一种在陆地上露天运行、结构紧凑、具有车载能源的行走机 械，工况复杂。既要能高速飞驰，又要能频繁启动、制动、上下坡、快速超车、 紧急刹车；既要能适应雪天、雨天、盛夏、严冬、雪后撒盐等恶劣天气条件，又 要能承受道路的颠簸震动，还要保证司乘人员的舒适与安全。电动汽车的核心。 是要用电气传动系统取代机械推进系统，用电池代替汽油作为车载能源在零排 放或少排放的前提下满足燃油汽车各项性能、价格指标的要求。因此，所设计 的电机驱动系统应该满足以下几点要求”： ( 1 ) 基速以下大转矩以适应快速启动、加速、负荷爬坡、频繁起停等要求， 基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应最高车速和公路飞驰、超车等要求。 ( 2 ) 整个转矩转速运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶 里程尽可能长。 ( 3 ) 电机及电控装置结构坚固、体积小、重量轻、抗颠簸振动。 ( 4 ) 操纵性能符合司机驾驶习惯运行平稳，乘坐舒适电气系统失效保障措 施完善。 ( 5 ) 单位功率的系统设备价格尽可能的低。 各种电动汽车所要求的驱动系统电机输出特性曲线如图卜1 所示。可见， 电动汽车驱动电机典型的输出特性主要包括两个工作区：( 1 ) 基速以下的恒转矩 工作区该区问主要保证电动汽车的载重能力。( 2 ) 基速以上的恒功率工作区， 该区问保证电动汽车有充足的加速空问。 一 艘 墀 转运“ 图卜l 不同汽车的驱动输出特性 f j g 卜1d r i v eo u t p u tt r a i to fd i f f e r e n tv e h i c i e 电动汽车用电动机与一般工业用电机的比较： 电动汽车驱动电机需要有4 5 倍的过载以满足短时加速行驶与最大爬坡度的要 求：而工业驱动电机只要求2 倍过载就可以了。 电动汽车驱动电机的最高转速要求达到在公路上巡航时基速的4 5 倍：工业驱 动电机只要求达到恒功率时基速的2 倍。 电动汽车驱动电机应根据车型与驾驶员的驾驶习惯进行设计：而工业电机通常只 根据典型的工作模式进行设计即可。 电动汽车驱动电机要求有高的功率密度和好的效率图( 在较宽的转速和转矩范围 内都有较高的效率) ，从而能够降低车重。延长续驶里程：而工业驱动电机通常对功 率密度、效率及成本进行综合考虑在额定工作点附近对效率进行优化。 电动汽车驱动电机要求可控性高、稳念精度高、动态性能好；而工业驱动电机只 有某一种特定的性能要求。 电动汽车驱动电机被安装在机动车上，空间小，工作在高温、坏天气及频繁振动 等的恶劣的工作条件下；而工业驱动电机通常在某个固定的位置工作。 1 3 3 电动汽车驱动系统中各种电机性能研究 目女u 在电动汽车中，主要的电机驱动系统嘲m “侧大体也可以分为直流电机调速 系统、异步电机调速系统、永磁同步电机调速系统和开关磁阻电机调速系统。下表是 对各种主要驱动电机及其驱动系统的性能比较： 表卜l驱动电机性能比较 t a b l e l 一1d r i v em o t o rc a p a b i l i t yc o m p a r e 直流电机异步电机永磁同步电机开关磁阻电机 ( d m )( i m )( p m s m )( s r m ) 控制简单只用电压 结构简单，造价低体积小。重量 结构简单、牢 控制，不需检测磁极廉可高速运行，轻功率密度周，效率高，起 优位置小容量系统造调速范围人转动火低速输出转动转矩大，价格 点价低惯螭小，维护简矩人，效率高，低免维护 单，技术成熟维护简单 有整流电刷，结构复控制复杂，容量小高速运行较t m噪音大，输出转 杂。不适合高速、火时效率降低，制动复杂，需检测转矩脉动大 缺转矩运行，效率低，困难子磁极位置永 点环境适应性差，维护磁体有退磁问 难容薰增大造价大题，造价较高 幅增加且靠造困难 从各驱动电机性能特点看，直流电机驱动系统由于其控制简单，动态性能好，7 0 年代就已经实用化。随着电力电子技术和电机矢量控制理论的完善，交流驱动系统的 优越性日益明显。相对于直流电机而言，交流电机具有体积小、功率大、效率高、结 构简单、易于维护等优点，同时随着现代交流调速技术的发展，其动态性能已经达到 或超过了直流电机的水平。交流电机克服了直流电机因换向器带来的缺点，因此得到 了广泛的应用，交流驱动系统正逐步取代直流驱动系统成为电动汽车的主流驱动系 统。 袭卜2 主要公司电动汽车驱动电机资料 公司名称车型推年份电机类型 l 乜机功率屯机转速( r d m ) 0 t h e na ：= l ，e l s ba ：= 0 i f ” 0 t h e nb ：= 1 ，e l s eb ：5 0 i fv ，盯， 0 t h b nc ：一1 ，e l s ec ：= 0 s e ct o r ：昌a + 2 b + 4 c 接着就是计算参考电压矢量相邻的两个电压矢量的持续时间以及饱和状态下的 时自j 值： c a s es e c t o ro f l t i = | zt 2 = y 2t 。= yt 产一x 3 t 。= 一zt 2 = x 4t = 一xt 2 = z 5t = xt 2 = 一y 6t = 一yt 2 = 一z i f ( t l + t 2 ) p w m p r dt h e n t l s 砒= t l 幸p w m p r j ) ( t i + t 2 ) t 2 s 砒= t 2 牛p w m p r d ， ( t l + t 2 ) 第三步是计算三个必须的占空比，即， t 。= ( p w m p r d - t i t 2 ) 2 ( 3 一1 7 ) t b o n = t m + t i ( 3 一1 8 ) t c 0 。= “+ t 2 ( 3 1 9 ) 最后，根据计算所确定的扇区，确定输出占空比，即将下确的占空比的值输入到正确 的周期寄存器( c m p r x ，x = 1 ，2 ，3 ) 中，以获得所需的波形。 第四章驱动控制系统的实现 本研究设计的控制系统用于电动汽车上，其主回路设计与一般的变频电路有一定 的区别。通用的交直交龟压型变频电路，主回路主要由整流电路、滤波电路及逆变电 路组成。本系统的直流电源可由车上蓄电池提供，主回路主要由滤波电路和逆变电路 组成功率模块选用三菱公司的基于i g b t 的i p m 智能功率模块，它集成了驱动和保 护电路，具有故障保护与输出功能：动态损耗和开关损耗都比较低，散热器减小，系 统尺寸较小。控制部分硬件则以美国1 1 公司推出的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心， 该芯片为电机专用控制器芯片，构成功能齐全的全数字矢量控制系统。 图“一1 ) 控制系统结构框图 f i g 4 一lc o n t r o ls y s t e mb 1 0 c kd i a g r 4 1 主回路设计 本系统用于电动汽车控制，车载蓄电池可以提供直流电源，主回路m ”啪“5 ” 主要由中阃滤波和逆变部分组成。蓄电池和逆变器用预充电电阻r 和主继电器连接。 蓄电池提供的直流电源通过中间大电容滤波可以获褥平滑的直流电压。逆变部分通过 功率器件的导通和关断，输出交变的脉冲序列。 主回路上并联的电解电容为整流滤波电容，同时为逆变器负载和直流电源之间的 无功功率提供缓冲。合理选择其值很重要，从消除直流电压的纹波效果来考虑，电容 越大，直流电压越平稳。但电容容量越大，会使电路开通瞬间。充电电流增大，且电 容体积大、价格高。电容耐压值的选择要考虑高于蓄电池电压波动的最大值。 主电路工作时，因为智能功率模块i p m 的开关频率很高，开关动作时会在直流 环节产生电流突变，由于主电路分布杂感电感的存在。在i p m 模块里的i g b t 的集电极和发射极以及直流母线上会出现高频的尖蜂电压毛刺，不但影响逆变桥的工 作，有时还会损坏i g b t ，因此需要在逆变桥上加上一个由电容c 和电阻r 构成的吸 收缓冲电路( c 为c b b 电容，r 为无感电阻) 。 4 1 1 i 嗍模块 i p m “小”1 以i g b t 为基本功率丌关元件，构成三相逆变器的专用功能模块，以适 应电机变频调速装置的需要。i p m 的最大特点就是集功率变换、驱动及保护电路于一 体，而区别于通常的功率模块器件。只本三菱m i t s u b i s h i 公司的智能功率模块很具 有代表性，而且性能优良，价格适中，因此本系统采用三菱公司的i p m 模块。它包括 了用于电机制动的功率控制电路和三相逆变器各桥臂的驱动电路，同时还具备驱动欠 压、过流、桥臂短路及过热等保护功能。实际使用时仅需提供各桥臂对i g b t 的驱动 电源和相应的开关控制信号即可，方便了应用和系统设计工作，并使可靠性大大提高。 本系统中异步电机额定功率4 0 k w 。额定电流7 6 a ，蓄电池提供的直流电源经过滤 波后最高电压是3 6 0 v 。考虑到2 3 倍的余量，本系统采用耐压值为1 2 0 0 v ，额定电 流为8 0 0 a 的i p m 模块：p m 8 0 0 h s a l 2 0 。该模块里面封装了一只i g b t 。要驱动三相异 步电机，共需要六个i p m 模块，每个桥臂对应一个模块。 智能功率模块i p m 具有性能优良的内置保护电路以避免因系统故障而使功率器 件损坏。 i p m 模块内置保护功能有：控制电源欠压锁定、过热保护、过流保护、短路保护。 如果i p m 模块其中有一种保护电路动作，i g b t 的栅极驱动单元就会关断电流并输出 一个故障信号( f o ) 。 各种保护功能简单介绍如下： 1 ) 电源欠压锁定( u v ) ：避免欠压保护电路频繁切换，保证电路的正常运行。 内部控制电路有一个1 5 v 的直流电源供电。如果由于某种原因这一电源电压 低于规定的欠压动作数值( u v ) ，i g b t 将关断并输出一个故障信号。但是小 毛刺的干扰( 低电压时间低于规定的t d u v ) 时欠压电路保护电路不动作。 2 ) 过热保护( 0 t ) ：如果传感器检测到基板温度超出过热动作值( o t ) ，i p m 内 部控制电路关断下桥臂的三个i g b t ，上桥臂的i g b t 的关断不受其影响，直到 温度恢复f 常，从而保护了功率器件。 3 ) 过流保护( o c ) ：如果流过i g b t 的电流超出过流动作数值( o c ) 的时间大于 t 。( o c ) ，i g b t 将被关断( 第三代i p m 该时间设为t 。( o c ) = 1 0 u s ) ，同时输出一 个故障信号。若过流时间小于t 。，( o c ) ，则过流保护电路不予理睬。 4 ) 短路保护( s c ) ：如果负载发生短路或因系统控制器故障导致上下桥臂同时 导通，i p m 内置短路保护电路将关断i g b t 。同时输出一个故障信号f 0 。 图( 4 2 ) 内置保护电路 f ig 4 2i n t e r i o rp r o t e c tc jr c u i t 注意：i p m 内含的保护并不是对付反复出现的故障。因此，不能加有长期超过最 大额定值的负载。输出故障信号f o 后应立即送入控制器d s p 的中断口，产生中断 立即停止运行并封锁送到i p m 的输入信号，在排除了故障之后再启动运行。 4 1 2 i 跚的驱动控制 i p m 内部已包含驱动电路，但需要提供驱动电源和开关控制信号。驱动电源的典 型电压值为1 5 v ，由于功率元件采用i g b t ，每一内含i g b t 的驱动功率约为0 2 5 w 。 故总的驱动功率 2 w ，驱动电源同时还为保护电路供电。考虑到r p m 的高频开关工 作能力，开关控制信号的传输隔离电路应具有尽可能短的传输延迟时间，以提高驱动 电路参数的一致性。因此i p m 驱动控制3 的基本要求如下： a ) 提供1 5 v 稳定的驱动电源( 模块要求在1 3 v 1 7 v 之间) 和开关控制信号， 并具有良好的电气隔离性能； b ) 信号传输延迟时间在o 5 以内并尽可能小，提供低电平控制相应l g b t 导 通，高电平控制关断； c ) 驱动电路简单可靠、体积小、成本低。 根据以上要求选用的光电耦合器件只能是快速光耦，为了提高信号传输速度，选 用逻辑门光电耦合器6 n 1 3 7 。该器件结构简单、使用方便，隔离电压高、共模抑制 性强、速度快、高电平输出传输延迟时间t 。和低电平输出传输延迟时间t 。的典型 值都为4 8 n s 。d s p 产生的六路p 州信号需要经6 n 1 3 7 隔离后再输入到i 踟。 4 2 控制电路的设计 硬件系统的控制电路。”“5 “1 由t i 公司的d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心构成，结构图 如下； 逆变箍触发脉冲【 p 嘲1 一p 哪6 a d 通道 加采样 电流电压温度 正交编码递道位一检测 故障保护 g p l 0 通道 预充电风扁维 电箍开关 图( 4 3 ) 硬件控制板结构 f i g 4 3h a r d w a r ec o n t r o id i a g r a m 每个2 4 0 7 都包括两个事件管理模块e v a 和e v b ，每个时间管理器模块包括： 通用定时器( g p ) 、比较单元、捕获单元、j 下交编码脉冲电路、两个1 6 位通用定时 器、8 个1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道。他们能够实现：p w m 的对称和非对称波 形；当外部引脚p d p h 出现低电平时快速关闭p w m 通道：可编程的p w m 死区控 制以防j 上上下桥臂同时输出触发脉冲：3 个捕获单元：片内光电编码器接口电路。 图4 2 中p w m l p w m 8 是逆变器和d c d c 的触发脉冲，由事件管理模块产生。将定时 器设置为连续增减模式，周期置为o 1 m s ( 1 0 k 调制周期) ，计算出电压占空比之后 填入相应的c m p r ，当发生比较匹配后自动生成六路互补的触发脉冲。2 4 0 7 自带可编程 的死区生成器，设置了0 b t c 0 n a 就可的到相应的死区，防止同一桥臂上下两管的同时 导通。 2 4 0 7 带内置采样保持的1 0 位模数转换模块a d c ；1 6 个模拟输入通道 ( a d c i n 0 a d c i n l 5 ) ；一次可执行最多1 6 个通道的“自动转换”，每次要转换的通 道可通过编程来选择；1 6 个结果寄存器( r e s l j l t 0 r e s u l r 、1 5 ) 用来存储转换结果； 可通过软件启动、事件管理器模块、外部引脚等多种启动方式来启动模数转换。此系 统中将其设置为定时器1 下溢中断启动a d ，并且采用启动，停止模式工作。初始化完 成后，只需定时读取结果寄存器( r e s u l t o r e s u l t l 5 ) 即可。 系统利用c a n 总线与其他部分相连如主控e c u 、电池e c u 、回馈e c u 等。驱动模块 定时向c a n 总线上发送电机信息( 转速、转矩、故障等) ，同时根据自己的需要从总线 上读去有用的信息( 转矩指令、电池信息等) 。 图( 4 4 ) c n 接口电路 f g4 - 4c a n n t e r f a c ec ir c u i t s c l 只是用来监控电机的状态，d s p 将电机的运行状态通过s c i 发送到显示部分， 方便于电机的调试和监测。 l ! i ( 4 5 ) s c i 接口电路 f i g 4 5s c ii f l t e r f a c ec i r c u i t 3 7 4 3 检测电路的设计 检测电路目的就是为了将要检测的各种信号，经过转换，变成d s p 可以识别的 数字信号。检测电路分为电流检测转速和电机位置检测 4 3 1 电流检测 电流检测“”模块就是把交流异步电机的三相定予电流转换成相应的二进制代码， 以方便处理。本课题研究的是三相平衡系统黝+ 枷+ 玳= o ，因此只要检测其中两相 电沛就可蹦得驯2 柏由流 + 1 5 vi 统 足 霍 u - o f i g 4 6t h ep r i n c i p i ec ir c u i to fc i o s e d i o o ph a | ic u rr e n ts e n s o r 采用磁场补偿原理的最大优点是可以保持铁心磁通为零，从而弥补直接检测式传 感器因电流过大而使磁路饱和的不足。被测电流i ，通过导线( 一次侧) 产生的磁场。 使h 霍尔元件感应出霍尔电压u 。经放大器放大后，产生一补偿电流i 。，而i 。流经m 匝线圈( 二次侧) 产生的磁场将抵消i 。产生的磁场，使u 。减小，i 。越大。合成磁场越 小，直到穿过霍尔元件的磁场是零为止，这时补偿电流i 。便可问接的反映出五的数值。 例如，若设一次、二次匝数比为n l ： 乒1 ：1 0 0 0 ，因稳定时磁动势平衡，即 n l i l j 2 n ，j | ( ) 所以可得 ，：土 1 0 0 0 ( 4 2 ) 测得五的数值就能间接的反映出被测电流五的大小。 与普通电流传感器相比较，其具有以下特点： l e m 模块可以检测任意波形的电流如：直流、交流、脉冲波形等，副边电流波形 能忠实地反应原边电流的波形。而且还能测量电流的瞬态峰值：而普通电流互感 器则一般只适用于测量5 0 h z 的正弦波： 原边电路和副边电路之间完全电绝缘，绝缘电压一般为2 k v 1 2 k v ，特殊场合 可以达到2 0 k v 5 0 k v ： 过载能力强，当原边电流超负荷时，模块达到饱和，可自动保护，即使过载 电流为额定值的2 0 倍l e m 模块也不会损坏； 频带宽、精度高、线性度好。在o h z 1 0 0 kh z 的范围内，测量精度高于l 。 线性度高于0 1 ： 动态性能好，其响应时问小于l 。跟踪速度高子5 0 a ； 抗外磁场干扰能力强，在距l e m 模块5 1 0 c m 处的一个两倍于工作电流的干扰 电流所产主的磁场于扰而引起的误差小于o 5 ： l e m 模块的尺寸小、重量轻，易于安装，且工作可靠； l e m 模块的安装在系统中不会带来插入损耗； 高可靠性失效时间为o 4 3 1 0 6 ，小时。而且l e m 模块可以承受电源电压极性反 接： 本系统中采用的l e m 型号为l t 2 0 8 一s 7 ，其工作电压为1 5 v ，输出电流1 0 0 l i l a ，全 量程线性。由两个l e m 模块检测a 相和b 相的电流，得到的电流信号经过采样电路转换 成电压信号，最后由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的a d 模块把它变成相应的数值，并保持在数值寄 存器蛔和诂中。 如图4 一l 所示，霍尔元件用于检测直流母线电压、a 、b 相电流，并送至采样电路。 a 、b 相电流采样电路如图4 7 所示： 1 5 v 圄( 4 7 ) 电压采样电路 f g 4 7v o i t a g es a i i l p li n gc ir c u i t 主电路中的霍尔元件检测到电流，并按一定的比例变至副边，将电流信号转化为 一1 6 5 1 6 5 v 的电压信号至控制板，经过集成运放的电压偏置电路后，变为0 3 3 v 范围。再经过限幅后进入d s p 的a d 采样通道。 一【 i 。tj l 图( 4 8 ) 过压保护电路 f i g ，4 8o v e r v o i t a g ep r o t e c tc ir c u i t 用过压保护来说明系统的故障保护功能图4 8 是过压保护电路。假定3 3 v 代表 6 6 0 v ，通过调整r 3 ，来调整电压最大限，当比较器正端电压为2 v 时。电压限为4 0 0 v 。 调节r 2 ，使电压采样输入为4 0 0 v 时，限幅输出为2 v 。因此电压大于4 0 0 v 时，比较器 输出低电平，将此信号接到p d p i n t a 时，事件管理模块会快速关闭p w m 输出通道，逆 变器停止工作。 4 3 2 转速和电机位置检测 除了电压电流外，异步电机的转子绝对位置是一个非常重要的量，实际系统中使 用增量式光码盘。增量式码盘具有a b 两个码道，输出两路互错9 0 6 的脉冲信号，正交 编码电路根据这两路信号可以输出一个转速方向信号和一个四倍频的脉冲信号通过 i 己录脉冲数可以得知转子的相对位置。绝对式码盘由个1 8 0 。缺口的码盘构成。输出 三个互错1 2 0 。电角度的方波。通过捕获单元可以知道转子的绝对位置，误差为6 0 。 厂 厂 厂 厂 、o e p 2 厂厂l _厂 咖 nf 1 门门n 1f n 厂 几nn 厂 啪厂 图( 4 9 ) 正交编码脉冲和编码定时器时钟及方向 f i g 4 9t h e0 e pi n p u tp u is e s 。d e c o d e dt i 孵rc i o c ka n dd ir e c t l o n 4 4 软件的设计 系统控制能力的优劣很大程度取决于软件，控制软件除了灵活性、可靠性和通用 性之外，还要有很好的实时性，因此控制软件”“的设计在满足实时性的前提下，充分 发挥灵活性使系统的控制质量得以提高。 软件工程化开发过程包含五个步骤：1 ) 需求分析和实现方案2 ) 软件设计，主 要是流程图和方框图3 ) 程序编写4 ) 软件测试5 ) 运行维护 软件设计是一个把软件需求变成软件表示的过程，它分为两步：1 ) 概要设计： 将需求转换成数据结构和系统结构；2 ) 过程设计：对结构细化，得到软件的详细的 数据结构和算法。 4 2 1d s p 编程特点 作为一款用于实时性控制的专用的定点d s p 芯片，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 在软件编程 上有特别的地方，下面从目标文件格式、精确控制以及如何提高效率三个方面予以阐 述。 一、公共目标文件格式 t i 公司汇编器和链接器创建的目标文件采用一种称为c 0 f f 的目标文件格式 ( c o m m o n o b j e c tf j e l df o h l l a t ，简称c o f f ) ，采用这种目标文件格式更利于模块化 ( 代码块和数据块) 编程。并且为管理代码段和目标系统存储器提供更强有力和更加 灵活的方法，使程序具有更强的可读性和可移植性。 目标文件中最小的单位是块，一个块就是最终在t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 存储器映象中 占据连续空间的一块代码或数据，c o f f 中包岔三个缺省块： t c x t 块通常包含可执行代码 d a c a 块通常包含己初始化的数据 b s s 块通常为末初始化的数据保留空间 末初始化块用术保留空闾，它可以在其f i l l 5 任何块中被访问 已初始化块包含可执行代码或者已初始化数据，这些块的内容存储在目标文件 中，当程序装入时存放在存储器中，每个已初始化块可以独立地进行重定位，且可以 访问在其他块中重定义的符号。 自定义块即就是程序员自己建立的块，它与缺省地块一样适用，但与缺省块分开 汇编，用两个命令用于建立自定义块，写法如下： 符号