（电力电子与电力传动专业论文）基于can通讯的混合动力电动汽车驱动系统的设计与实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文 常适合子混合动力电动汽车的实时控制。该系统由以 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 型d s p 为核心的弱电电路和以i g b t 为主 的强电电路所组成，并做了交流电机控制实验，试验结 果验证了该硬件电路的可靠性。 软件全部采用汇编语言编程。根据t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的编程特点，把整个软件设计分为主程序部分和中断程 序部分，并划分为若干功能模块，分别对这些模块进行 设计，最后把各部分功能模块进行综合，以完成整个软 件设计。本文重点对其中的电机驱动策略、p i 控制算法、 坐标变换、s v p w m 算法、转子位置和速度检测、电流采 样算法等模块进行了分析，并给出了相关的流程图。最 后在实验台上对整体软件进行了测试，实验结果表明， 该系统具有良好的动静态性能。 本文还将c a n 总线引入混合动力汽车，设计和调试了 驱动控制器与整车控制器通讯模块的软硬件。根据 c a n 2 0 b 协议，制定了与整车控制器通讯的相关协议。通 过现场调试证明该通讯模块数据收发正常，不会干扰电 机调速，证实了c a n 总线引入混合动力车的正确性。 北京交通大学硕士学位论文 本论文通过对混合动力电动汽车交流电机驱动系统 的研究，将矢量控制方案与d s p 控制技术有机的结合， 具有较大的实际应用价值。 关键词：混合动力汽车，驱动系统，c a n 总线，s v p l 】i m ， 异步电机 北京交通大学硕士学位论文 d e s i g na n dl m p l e m e n t0 fd r l v es y s t e n f o rh y b r i d e l e c t r i c a lv e h i c l e b a s e d0 nc a nc o m m u n i c a t l 0 n a b s t r a c t h y b r i d e l e c t r i c v e h i c l e ( h e v ) c o m b i n e st h e a d v a i l t a g e so fc o n v e n t i o n a le n g i n e d r i v e nv e h i c l e sa n dp u r e e l e c 仃i c v c h 础e ( e v ) n l i sp r 0 v i d e s s a t i s f i e d d r i v i n g p e r f o m a n c ea n dl o w e re x h a u s te m i s s i o n t h u s ，h e vi sa f e a s i b l e s o l u t i o nt os 0 1 v et h e e n e 唱y c r i s i sa n d e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m s a st h ec o r ep a r t so f 腿vm o t o ra n dd r i v ec o n t r o l l e r p l a yv e r yi m p o r t a j l tr o l e si nt h ee va n dt l l eh e r 、a n d r e s e a r c h e so nt h e mh a v ei m p o r t 孙tt h e o r e t i c a la i l dp r a c t i 龃l m e a n i n g s 4 北京交通大学硕士学位论文 i nt h i st h e s i s t h ei n d u c t i o nm o t o rf o rh e va n di t s d r i v e ra r et a k e na sm er e s e a r c ho b j e c tw i t he l a b o r a t et h e o r y a n a l y s i sa n de x p e r i r n e n t s c o n t e n to fr e s e a r c hi se x p o u n d e d a sf b l l o 塔 7 r i l i st h e s i sd e s i g nc h ef r a m e w o r ko ft h ev cs y s t e m u s e di ne l e c t r i c a lv e h i d ea n das e to fe x p e r i m e n t a ls y s t e m t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p ( d 适i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) c h i pi s e m p l o y e di n t h eh a r d w a r ep l a t f o mo fm o t o rc o n t r o l l e r ， w h i c h p o s s e s s e s a d v a n c e d p e r f o n a n c e a n d s u p p l i e s a b o u n d i n gi 0 r e s o u r c ea n dc c o m i n u n i c a t i o nw i d e l y u s e di 1 1v e h i c l ee l e c 仃i cc o n t r 0 1u n i t ( e c u ) ，s oi ti sf i tt o r e a lt i m ec o n t r o lo fh e v v e r yw e l l ：t h es s t e mi sm a d eu p o fc i r c u i tc o r e da r o u n dd s p ( i m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ja n dc i r c u i t c o r e da r o u n di g b t t h ec o n t r o le x p e r i m e n t so fi 1 1 d u c t i o n m o t o rh a v eb e e n d o n e e k p e r i m e n t a t i o n v a i i d a t e s c r e d i b i l i t yo ft h eh a r d w a r e t h es o f t w a r ei s e a l i z e db yp r o 伊a m m i n gw i t h a s s e i n b l yl a n g u a g e a c c o r d i i 塔t ot l i ec h a r a c t e r i s t i c so f 5 北京交通大学硕士学位论文 1 m s 3 2 0 u 砣4 0 7 ，t h ew h o l es o f 咐a r ei sd i v i d e d m t o 柳o p 硪so fm a i np r o g r a ma n di n t e r m p t e dp r o 擎a m ，跚d d i v i d e ds o m ef i l n c t i o n a li n o d u l e s t h e nd e s t g n i n gt h o s e m o d u l e sd i v i d u a l l ya n ds y n t h e s i z i n gt h e mt o 丘n i s ht h e w h o l es o 竹w a r e m o t o rd r i v es t r a t e g y ，p ic o n t r 0 1a l g o r i t h m ， c o o f d i l l a t et r 柚s f o r m ，s v p w ma l g o r i t h m ，m e a s u r e m e n to f t h ef o t o rp o s i t i o n 锄dc a l c u l a t i o no ft 1 1 es p e e d ，c i i r r e n t s a i n p l em o d u l e sa r ea n a l y z e d ，a n dt h en o wc h a r t sa r eg i v e n f i n a l l y ，t h ew h o l es y s t e mi st e s t e do nt l l ee v d r i v i n gt e s t b e n c hi nt h el a b t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e n t r 0 1 l e rh a s b e t t e rd y n a m i ca n ds t a t i cp e r f b r m a n c e s t h i st h e s i sp r o d u c e sg 埘( c o n t f o l l e r e an e m o r k ) b u si n t oh e l v ，d e s i g na n dd e b u gt h es o n w a r ea n dh a r d w a r e 0 fm ed r i v ec o n t r o u e ra n dt i l ev e h i c l ec o n t r o e r a c c o r d i n g t ot h eg 埘2 ，o bp r o t o c 0 1 ，t h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o lh a s b e e ns e td o w n t h el o c a i ed e b u g 西n g p r o v e st h a tt h e c o m m u n i c a t i o nm o d i l l ew o r k sw e u ，i tw i l ln o ti i l t e m l p tt h e m o t o r n l e r e b yt h ev a l i d i t yo fi n t r o d u c i n gt h e ( ：a nb u s 6 北京交通大学硕士学位论文 i n t ot h em h a sb e e np r o v e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho fc h ed r i v es y s t e mo fh e v t h ev ca n dt h ed s pc o n t r o l t e c h n i q u e a r ec o n i b i n e d p e r f e c t l y w h i c hh a se n o m o u s p r a c t i c a l v a l u eo f a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ，d r i v es y s t e m ，c a n b u s ，s v p w m ，i n d u c t i o nm o t o r 7 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1e v 幂口h e v 的发展 2 0 世纪9 0 年代以来，全球性的石油危机以及大气污染使汽 车的节能与环保性能日益得到重视。特别对于汽车密集、交通拥 挤的大城市而言，汽车频繁起停造成的内燃机变工况( 特别是加 速、低速、怠速) 运行是造成尾气排放严重、耗油率高的主要原 因之一。尽管电控技术和代用燃料技术能够在一定程度上改善内 燃机的经济性能和排放性能，但是进一步单纯使用传统内燃机技 术发展汽车工业将会给我国的能源安全和环境保护造成巨大的压 力。面临如此严峻的形势，世界各国，特别是我国，都必须认真 思考汽车工业的未来发展这一全球性的问题。 融合当代多种高新技术的纯电动汽车、混合动力电动汽车和 燃料电池汽车的问世，正在引发世界汽车工业的一场革命。研制 开发电动车已经成为工业发达国家和跨国汽车公司战略发展的重 要内容。许多发达国家不惜投入巨资进行该领域的研究开发，并 制定了相关的政策、法规来推动电动汽车的发展，使得全球电动 车技术得到飞速发展。 纯电动汽车( e l e c t r i cv c h i c l e ，e v ) 是取代传统内燃机汽车、 满足零排放的最终选择，但是目前电池的能量密度、充电时间、 价格、寿命等问题仍未得到理想的解决，从而限制了纯电动汽车 的发展。近年来燃料电池汽车发展十分迅速，但在成本、氢能源 的制备等方面仍存在一些急需解决的问题。因此，自1 9 9 5 年起， 北京交通大学硕士学位论文 世界许多著名汽车生产厂商已将研究的重点转向了可实拖性较强 的混合动力电动汽车( h y b r i de l t f i c a lv e l l i d e ，h e v ) 。我国政 府也对h e v 的发展给予了足够的重视，国家科技部在“十五” 规划中制定的战略目标是，争取在发展e v 、h e v 的电池、能量 管理系统、驱动控制等关键技术上基本保持与世界同步，并且目 前已将髓v 的开发列为国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 的重 大研究课题之一【1 1 。 1 2 混合动力电动汽车的特点 混合动力电动汽车( h e v ) 是在一辆汽车上同时配备电力驱动 系统和辅助动力单元( a u x i l i a r yp o w e ru n i t ，简称a p u ) ，其中 a p u 是燃烧某种燃料的原动机或由原动机驱动的发电机组，目前 h e v 所采用的原动机一般为柴油机、汽油机或燃汽轮机。混合动 力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装置( 蓄电池) 组合在一 起，它们之间的良好匹配和优化控制，可充分发挥内燃机汽车和 电动汽车的优点，避免各自的不足，是当今最具实际开发意义的低 排放和低油耗汽车【2 】。较之纯电动汽车，h e v 具有如下的优点： ( 1 ) 由于有原动机作为辅助动力，电池的数量和质量可减少，因此 汽车自身重量可以减小。 ( 2 ) 汽车的续驶里程和动力性可达到内燃机的水平。 ( 3 ) 借助原动机的动力，可带动空调、真空助力、转向助力及其它 辅助电器，无需消耗电池组有限的电能，从而保证了驾车和乘坐 的舒适性。 较之内燃机汽车，h e v 则具有如下的优点： 2 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 ) 可使原动机在最佳的工况区域稳定运行，避免或减少了发动机 变工况下的不良运行，使得发动机的排污和油耗大为降低。 ( 2 ) 在人口密集的商业区、居民区等地可用纯电动方式驱动车辆， 实现零排放。 ( 3 ) 可通过电动机提供动力，因此可配备功率较小的发动机，并可 通过电动机回收汽车减速和制动时的能量，进一步降低了汽车的 能量消耗和排污。 1 3 混合动力驱动系统分类与比较【4 】 目前世界各国研究开发的混合动力电动汽车有不同的结构形 式，根据其驱动系统的配置和组合方式不同，分为三类。并联式 混合动力电动汽车( p a r a l l e lh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ， p h e v ) 、串联式混合动力电动汽车( s e r i e sh y b r i de l e c t r i c a l v e h i c l e ，s h e v ) 及混联式混合动力电动汽车( s e r i e s p a r a l l e l h y b r i de l e e t r i c a lv e h i c l e ，s p h e v ) 。 1 、串联式驱动系统 图1 为串联式混合动力驱动系统拓扑结构图。串联式腿v 采 用的是电动机直接驱动车轮的驱动方式，电动机的电能来自于蓄 电池组和发电机。发动机作为发电机的动力来源，直接驱动发电 机产生电能，为电动机供电和对蓄电池充电。小负荷时，由电池 单独为电动机供能；大负荷时，则由发动机带动发电机为电动机 供电。当汽车处于启动、加速、爬坡等工况时，发动机一发电机和 电池组共同向电动机提供电能：当电动车处于低速、滑行、怠速 等工况时，则由电池组驱动电动机，由发动机一发电机组向电池组 3 北京交通大学硕士学位论文 充电。发电机和电动机之间采用柔性连接( 即为电气连接，而非机 械连接) ，使发动机不受汽车行驶工况的影响，工作在最高效率和 较低排放状态。串联式h e v 结构简单，对控制技术要求不高，适 合于市内低速运行。不足之处在于能量传递为机械能一电禽卜机 械能。效率较低。 囤u 回“( ? 圈困匝 囤堕 图卜1 串联式混合动力驱动系统拓扑结构图【4 】 f i g i l r e1 - 11 b p o l o g ) r 商g u m o no fs l 狂 2 、并联式驱动系统 并联式混合动力驱动系统拓扑结构图如图2 所示。并联式h b v 的发动机和电动机以机械能叠加的方式实现驱动，发动机与电动 机分属两套系统，既可共同驱动又可单独驱动。发动机发出的机 械能可直接传到驱动桥驱动汽车，电动机也可产生驱动力矩来驱 动汽车。这里的电动机既可以作电动机又可以作发电机使用，称 为电动一发电机组。即汽车处于制动状态时，电动机作为发电机使 用；而在其余状态下，其仍作为电动机使用。与串联式结构相比， 发动机通过机械传动机构直接驱动汽车，其能量的利用率相对较 高，这使得并联式燃油经济性比串联式的高。并联式驱动系统最 适合于汽车在城市问公路和高速公路上稳定行驶的工况。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 于汽车行驶工况变化较多、较大；相比于串联结构式，需要变速 装置和动力复合装置，传动机构较为复杂。 4 北京交通大学硕士学位论文 r ，r r 1 发动机 _ j5 传动系 _ 驱动系j l 一、o 一。一 r 一 r r i 电池组fi 电流逆变器fi 电动机j 图卜2 并联式混合动力驱动系统拓扑结构图【4 1 f i g u i e1 也t o p o l o 封c o 蛆鲫r a l i o no f p 既v 3 、混联式驱动系统 混联式是串联式和并联式动力驱动系统的综合，其拓扑结构 图如图3 所示。发动机发出的功率一部分通过机械传动输送给驱 动桥，另一部分则驱动发电机发电。发电机发出的电能输送给电 动机或电池，电动机产生的驱动力矩通过动力复合装置传送给驱 动桥。通过计算机实时控制工作过程，实现发动机和电动机的优 化耦合，在结构上保证系统可工作予更复杂的工况下，克服了串 联式的能量损失和并联式的热机工作点优化问题。但系统更为复 杂，对动力复合装置要求更高。混联式混合动力系统的控制策略 是：汽车低速行驶时，驱动系统以串联工作方式为主；汽车高速 稳定行驶时，驱动系统以并联工作方式为主。 匦00 圈匦 l 电动机 l 发电机f 1 电池组f1 电流逆变器l 。1 图l 一3 混联式混合动力驱动系统拓扑结构图一1 f 咖r el 3t o p o l o g yc o n 埏u n o no fs p h e v 北京交通大学硕士学位论文 1 4 混合动力电动汽车对驱动系统的要求 电动汽车对驱动系统的要求陋1 ( 对混合动力电动汽车也一样) 是： ( 1 ) 电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以 提高续驶里程； ( 2 ) 有高转矩惯量比； ( 3 ) 电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简 单适应大批量生产。运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等； ( 4 ) 电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和 恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起 动和爬坡的要求：在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以 满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求； ( 5 ) 皂好的转矩，速度特性； ( 6 ) 电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能 量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率， 这在内燃机汽车上是不能实现的。 1 5 混合动力电动汽车系统构成及信息传递 混合动力电动汽车主要包括动力电池组、发动机一发电机组、 驱动电动机、逆变器等单元组成“，各单元之间的信息传递是通 过c a n 总线实现的。 l 、动力电池组 动力电池组是h e v 的基本动力源，动力电池组是由多个1 2 v 北京交通大学硕士学位论文 或2 4 v 的蓄电池串联成的高压直流动力电池组，用于储存充电器 所充入的电能或发电机所发出的电能。动力电池组的电自经过电 流变换器输入电动机，驱动车辆行驶。 2 、发动机一发电机组 发动机一发电机组是h e v 的辅助动力系统，发动机带动发电机 发电，所发出的电能输入动力电池组中，或直接通过电流变换器 供给驱动电动机，发动机始终保持稳定运行和在一定范围内的功 率输出。中央控制器根据动力电池组所储存的电量和电量的消耗 情况反馈的信息，用多能源动力总成控制模块控制发动机的启动 或关闭。发动机一发电机组所提供的电能，能够有效的延长h e v 的行驶里程。 3 、驱动电动机f ” 电动机的种类很多，最早是采用了控制性能好和成本较低的 直流电动机。直流电动机具有优良的电磁转矩控制特性，调速比 较方便，控制装置简单、廉价，但是由于直流电动机上有电刷、 换向器等接触零件，容易磨顺，形成环火，可靠性差，体积和质 量较大，因此逐步被交流电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机 代替。 鼠笼式感应电动机应用最广泛。三相异步感应电动机的定子 和转子采用层叠、压紧的硅钢片组成，两端采用铝盖封装，在转 予和定子之间没有相互接触的部件，结构简单，运行可靠，经久 耐用。 4 、逆变器 在采用三相感应异步电动机时，需要应用逆变器中的功率半 7 北京交通大学顼：l 学位论文 导体变换器件，将直流电交换为频率和幅值都可以调节的交流电， 来实现对电动机的控制。 5 、信息传递 每个单元为一个c a n 节点，c a n 节点收到多能源控制器发出 的控制命令后，识别并执行相应命令：同时各c a n 节点在规定的 时间内将信号处理系统采集后的各节点信息，通过c _ n 总线送往 多能源控制器，进行数据交换。所有c a n 节点通讯位速率必须一 致，保证控制系统的实时性和可靠性。 1 6 本论文的主要工作 本文是基于“三桥六轮全驱动混合动力装甲车电机驱动系统 设计”项目而完成的。全车采用串联驱动方式，通过减速器并行 驱动车的前桥、中桥和后桥。文章阐述了混合动力电动汽车的结 构和工作原理，设计并实现了一种基于s v p w m 调制方式的w v f 和矢量控制的混合动力车驱动控制系统，给出了控制系统的相关 硬件资源，并对关键模块做了较详细的说明；并用汇编语言实现 了空间矢量调制算法、与整车控制器的c a n 通讯软件、v v v f 控制 软件、矢量控制算法软件以及整车驱动控制逻辑程序。逆变器 异步电机现场联合调试得到的数据和工作波形证明了其控制系统 设计的正确性。 1 7 本章小结 本章首先介绍了混合动力电动汽车较之纯电动汽车存在的优 点以及它的发展情况。然后根据其驱动系统的配置和组合方式不 北京交通大学硕士学位论文 同将混合动力驱动系统分为三类：并联式、串联式及混联式混合 动力电动汽车，针对这三种驱动系统的结构和工作模式进行了比 较。最后介绍了混合动力电动汽车系统构成及系统各部分之间的 信息传递情况。 9 北京交通大学硕士学位论文 第二章系统控制方法 异步电动机的控制方式可分为开环控制( 无速度检出) 和闭 环控制( 有速度检出) 。开环控制主要指恒压频比控制，闭环控 制包括转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。 2 1 恒压频比控制( w v f ) 2 1 1v w f 原理【8 l v v v f 在改变频率的同时改变变频器输入电压，保持电机磁链 恒定，可在宽范围内调速运行，电机的效率、功率因数不会降低， 且其控制简单、机械特性硬度好，所以在目前的绝大多数平滑调 速系统中采用。下面具体阐述v v v f 控制原理。 由电机学理论知道，异步电机的同步转速，即旋转磁场的转 速为： ，1 1 盟 p 式中：一一同步转速( r m i n ) ； 五一定子电压频率( h z ) ； p 一磁极对数。 根据异步电机转差率s 。型，可得到电机转速为 啊 n 。盟( 1 一s ) p ( 2 1 ) ( 2 2 ) 因此要实现调速，可以改变电压频率 ，不过此时期望电动 1 0 北京交通大学硕士学位论文 机的主磁通保持不变，否则磁通太弱，电磁转矩太小，负载能量 下降；磁通太强，处于过励磁状态，励磁电流太大，限定了定予 电流的负载分量。 另外，在三相异步电动机中有： 巨= 4 。4 4 五i m 。 ( 2 3 ) 式中：e 一定子每相由气隙磁通感应的电动势的方均根值( v ) ； 1 一定子相绕组有效匝数； 中一每相磁通量( w b ) 。 可见要保持中。不变，必须保证e 1 ，1 恒定，因此在变频过程 中，需要对e 进行适当地调节，具体而言，可根据调节频率在基 频( 电机额定频率山) 以上或以下进行不同调节。 1 、基频以下恒磁通变频调速：为保证电动机的负载能力，应保持 气隙主磁通m 。不变，则需保持墨 = c o n s t ，这属于恒转矩调速 范畴。但是，电机中巨难于直接检测和直接控制，所以常在忽略 定子漏阻抗压降的情况下，近似地以定子相电压u l 来代替e l ，即 保持u ，1 = c o n s t 来实现变频调速，这是近似的恒磁通控制。 2 、基频以上的弱磁变频调速：当频率由额定值凡向上增大时， 相电压u 受额定电压u 。的限制不能再升高，即阢i u 一保持不 变。此时主磁通随着矗的上升而减小，相当于直流电动机弱磁调 速的情况。属于近似的恒功率调速方式。 北京交通大学硕士学位论文 2 1 2 具体实现 用户可通过调节d s p 外围电路中的电位器，以改交变频器输出 电压的频率，达到电机调速的目的。这主要由一个读a d 口来完成。 当电机启动时，通过调节电位器，工作频率从最低频率递增至额 定频率，电压同时按照程序设定的v f 斜率递增至相应的值，实现 电机软启动。 由于v v v f 控制属于开环控制，所以在程序调试时，无需调试 电流环和转速环的p i 参数，所以调试起来比矢量控制更容易。但 是开环控制的性能比不上闭环控制，所以我们只用开环来调试系 统的硬件和进行逆变器一电机联合调试，上车用的是单闭环控制。 2 2 矢量控制 2 2 1 矢量控制的基本方程【9 1 ( 1 ) 电压方程 设沿着转子磁链矢量方向为m 轴，逆时针转9 0 度于之垂直方 向为t 轴。对于鼠笼异步电机，转子短路，则“m z 。“，z 。o ，电压 方程可以简化为： r + 厶p m 厶k pw l k ( 0 l r + 厶pm l mk p k p o 是+ l 2 _ p 0 k o 岛r 式中 k ，- 一定子电流的励磁分量和转矩分量； ：，：一转予电流的励磁分量和转矩分量； ( 2 4 ) 北京交通大学硕士学位论文 “。，“。一定子电压的励磁分量和转矩分量 “。：，h 。：一转子电压的励磁分量和转矩分量； r ，r 2 一定子和转子绕组电阻； ，l 2 一定子和转子绕组自感； k 一定子和转予绕组间的互感； w l 一定子角频率； k 一转差角频率。 ( 2 ) 磁链方程 磁场定向后，转子磁通v z 的方向与m 轴方向一致，即 ( 2 5 ) 苫墨 其中r 为转子时间常数。上式表明转子磁链v 。仅由0 产生 和7 n 无关。 ( 3 ) 转矩方程 转矩t 。p 鲁沁： ( 2 _ 6 ) 上式表明当掣z 不变时，t 随- 成正比变化。 ( 4 ) 转速方程 枷 且 一 一 v 转 北京交通大学硕士学位论文 转差频率k 。芸笺f i l( 2 7 ) ( 5 ) 运动方程 一瓦吾警 8 ) 式中瓦为负载转矩，为转子角频率。 综上所述，由于m 、t 坐标按转子磁场定向，在定子电流的两 个分量之间实现了解耦，唯一决定磁链v ：，t 则只影响转矩， 与直流电机中的励磁电流和电枢电流相对应。也将两相旋转坐标 系记为d q 坐标系，以后采用此记法。 2 2 2 三相异步电动机矢量控制的实现 图2 1 是三相异步电动机采用d s p 全数字矢量控制的结构图。 图2 1 三相异步电动机磁场定向矢量控制系统结构图 f i g u r e2 1 、，e c t o fc o n t r 0 1s y s t e mo f a cm o t o r 1 4 北京交通大学硕士学位论文 通过电流传感器测量逆变器输出的定子电流t 、，通过d s p 的a d 转换器转换成数字量，并利用式一一也+ 屯) 计算出f c 。通 过c l a r k e 变换和p a r k 变换将电流f 。、气、变换成旋转坐标系中 的直流分量0 、，屯、。作为电流环的负反馈量。 利用旋转变压器测量电动机的机械角位移，并将其转换成转 速n 。转速n 作为速度环的负反馈量。给定转速n 。，与转速反馈量 n 的偏差经过速度p i 调节器，其输出作为用于转矩控制的电流t 轴分量k a k 。和岛。与电流反馈量、岛的偏差经过电流p i 调节器，分别输出d ，q 旋转坐标系的相电压分量，。 和k 。再通过p a r k 逆变换转换成a ，卢直角坐标系的定子相电压 矢量的分量k 。、k 。 当定子相电压矢量的分量k 、k 和其所在的扇区是已知 时，就可用电压空间矢量s v p w m 技术产生p w m 控制信号来控制逆 变器。 由于异步电动机的转子机械转速与转予磁链转速不同步，并 不能通过速度传感器直接检测到交流异步电动机的转子磁链位 置。电流模块输入、0 及转子机械角速度，输出转子磁链位置 角，参与p a r k 变换和逆变换计算。 2 3 w v f 和矢量控制的比较【1 1 】 v w f 控制方案结构简单，可靠性高。但是，由于是开环控制 1 5 北京交通大学硕士学位论文 方式，其调速精度和动态响应特性并不是十分理想。尤其是在低 速区域电压调整比较困难，不可能得到较大的调速范围和较高的 调速精度。所以采用这种v f 控制的通用变频器异步机开环变频调 速适用于一般要求不高的场合，例如风机、水泵等机械。 矢量控制异步电机闭环变频调速相对于v v v f 控制方式，它有 许多优点： ( 1 ) 可以从零转速起进行速度控制，即甚低速亦能运行，因此调 速范围很宽广； ( 2 ) 可以对转矩实行精确控制； ( 3 ) 系统的动态响应速度甚快； ( 4 ) 电动机的加速度特性很好等优点。 然而，带速度传感器矢量控制变频器的异步机闭环变频调速 技术性能虽好，但是毕竟它需要在异步屯动机轴上安装速度传感 器，严格地讲，已经降低了异步电动机结构坚固、可靠性高的特 点。况且，在某些情况下，由于电动机本身或环境的因素无法安 装速度传感器。再则，多了反馈电路和环节，也增加了出故障的 机率。 2 4 本章小结 本章主要介绍了驱动系统的两种控制方法：v v v f 恒压频比控 制和矢量控制的原理和如何实现，并对这两种方法进行了比较。 在实验中，我们对这两种方法都进行了调试，实际车上用到的是 单闭环矢量控制。 北京交通大学硕士学位论文 第三章驱动系统硬件设计 整车采用串联式结构，其拓扑结构图见图3 1 f 1 ”，主要由能 源供给系统、电气驱动系统和机械传动系统三大部分构成。能源 供给系统由动力电池组、发动机一发电机机组组成；电气驱动系统 由逆变器和电动机组成：机械传动系统将电动机的机械输出通过 减速器送给驱动桥。整车系统采用c a n 总线传输信息和命令，通 讯介质采用屏蔽双绞线。本章主要介绍逆变器及其控制部分硬件 设计。 自e 源供给系统 电气驱动系统 i 机械传动系统 图3 1 系统拓扑结构图 f i g u r e 3 1s y s t e mt o p o l o g ) rc o n f i g l l r e 3 1 逆变器对外接口 逆变器对外的接口可分为以下几类： l 、动力电缆接口 v d c 十，v d c 一：直流电压输入端正负极，接到整流柜的输出端。 u ，v ，w ：逆变器三相输出电压，接到电机的三相输入。 2 、控制电源接口 v d c + ，v d c 一：控制板2 4 v 电源正负极输入。 3 、控制信号接口 】7 北京交通大学硬i ：学位论文 ( 1 ) c a n 通讯( c a n h ，c a n l ，c a n g n d ) ：接到c a n 总线上。 ( 2 ) 电机温度传感器( p t l 0 0 + ，p t l o o 一) ：连到逆变器冷却底 板上。 ( 3 ) 旋转变压器( 6 针) ：连到旋转变压器对应信号端上。 ( 4 ) 调试控制信号 r e s e t 复位信号、p d p i n t 故障保护信号、g n d 接地信号：连到 控制板上。 、 4 、各用信号接口( 2 3 针) 。 机箱上航插接口与控制板上信号接口对应关系见表3 一l 。 机箱航插控制板插件 1 急停 2 急停 3 预留a d ，模拟口1 8 g n d 4 预留a d ，模拟口1 7 a 预留a d ，模拟口2 0 g n d 6 预留a d ，模拟口1 9 1 0 外部温度1 5 、 l l 外部温度1 6 1 7 旋变1 、2e x c _ o u t + 1 6 旋变3 、4 e x c 一0 u t 一 1 5 旋变5 、6c o s 1 4 旋变7 、8a g n d 1 3 旋变9 、1 0s i n 1 2 旋变1 l 、1 2a g n d 2 2c a n l 1 8 北京变通大学硕士学位论文 2 3 n ou s e 2 4c a n h 表3 1 机箱航插接口定义表 3 2 驱动系统主电路设计 系统的主电路主要由整流、中间滤波、逆变以及检测等部分 组成。主电路采用典型的交一直一交电压源型三相桥式逆变器， 输入功率级采用三相全控整流路，整流输出经中间环节大电容滤 波，获得平滑的直流电压。逆变部分通过功率器件的导通和关断， 输出交变的脉冲电压序列。电机驱动系统主回路电路图如图3 2 所示。 囤卜2 主回路电路图 哳e 3 - 2 m a j nc j r c u j l g u r e 1 、整流部分 整流部分采用k y 一系列微机控制电泳涂漆电源，最大输出为 5 0 0 a 4 0 0 v 。交流电源输入给整流变压器，通过三相全控整流桥整 流成直流后经滤波电感输出。 2 、滤波电路 1 9 北京交通大学硕士学位论文 整流电路输出的直流电压含有脉动成分，此外逆变部分产生 的脉动电流及负载变化也使直流电压脉动，因此要加入大电容滤 波环节。滤波电容值理论上越大越好。直流侧支撑电容采用4 个 3 3 0 0 u f 的电解电容并联而成，并联在高压直流母线两端。由于直 流侧电压u m = 3 3 6 v ，所以支撑电容的耐压等级应高于3 3 6 v ，取 4 s o v 。 3 、逆变电路 牵引电机功率为5 0 k w ，额定定子电流为1 6 7 a ，额定线电压为 2 2 0 v 。电动汽车蓄电池组电压为3 3 6 v 。由于额定电流为1 6 7 a 。此 为有效值，相应的额定峰值电流为2 倍的额定电流，再考虑2 倍 过流和1 2 倍的裕量，可以选择器件的额定电流为6 0 0 a 。器件的额 定电压和额定电流可选为6 0 0 v 6 0 0 a ，型号为s k m 6 0 0 g b l 2 8 d 。从 理论上讲，开关频率大，可以降低谐波含量，使电磁噪声下降，但 是开关频率过大会相应地增加开关器件的开通和关断损耗。折中 考虑，选取1 0 k h z 的开关频率。 4 、上电放电回路 逆变电源上电放电时，为了限制支撑电容的充放电电流， 设计了上电放电回路，如图3 1 所示。上电前，应先闭合充电继 电器，给电容c 充电，当c 上电压充至直流侧电压u “的，8 0 时断 开吃，闭合主接触器墨，上电过程完毕，电路正常工作。放电 时，则要断开墨，岛，闭合放电继电器为，通过放电电阻r ：放 电。上电放电逻辑通过d s p 的i 0 口软件进行控制。 2 0 北京交通大学硕士学位论文 3 3 控制部分设计 3 3 1 模拟信号调理电路 图3 3 为电机驱动系统控制部分框图，它由传感器测量与信号 处理电路、控制板以及驱动扳等组成。 图3 3 电机驱动系统控制部分框图 f i g l l r e3 3m o t o r “v es y s t e mc o 姆r e 豇g 控制系统模拟信号调理电路实现的功能是把强电信号转换为 d s p 可以进行采样的弱电信号。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的模数转换模块内有多达1 6 路的模拟输入通 道，可通过1 矗a x c o n v 寄存器来选择一次最多转换通道个数。a d c 转 换的结果为1 0 位数字量。d s p 所能处理的输入量的范围是o 一3 3 v ， 对应a d c 转换结果为o 0 3 f f h ，其中3 3 v 对应0 3 f f h 。因此该1 0 位数 据与外部模拟输入电压的关系为：l o 位数字结果= 1 0 2 3 输入电压 基准电压，式中基准电压为3 3 v 。 a d 输入信号与d s p 芯片引脚的对应关系见表3 2 。 调理电路输入信 l f 2 4 0 7 a 芯片弓i 号名称脚 r t d la d c i n 0 r t d 2 a d c i n l 北京交通大学磺士学位论文 i d ca d c i n 2 i ba d c i n 3 u d ca d c i n 4 r e s v 2a d c i n 5 r e s v l a d c i n 6 i ca d c 工n 7 表3 2a d c 输入信号对应通道 需要注意的是，如果模拟输入信号在投有被连接时，即输入 端悬空时，比例电路的输出端的电压会被拉到与供电电压相等， 如果不采取保护措施，d s p 在不长的时间里就会被烧坏，可采用稳 压= 极管来解决这个问题。 1 、电压检测电路设计 在闭合充电继电器后，需检测直流侧母线电压是否达到额定 值的8 0 9 6 ，达到则闭合主接触器。电压传感器选用l e f 公司的l v 2 8 一p 电流型传感器，量程为1 0 0 0 v ，电源电压为1 5 v ，线性度 f l a s h 和字符串 唯p a g e l sa l 乙0 c a t l 0 n 枣 d a t a：( ) e x t - d a t a 数据表 p a g eo 胁可执行代码 p a g e1$ 初始化 b s s：( ) b l k - b op a g e1 水全局变量空间 s e t： ) b l k b 1 p a g e1 s e c t： e x t d a t a p a g el ) 当d s p 发生内部或外部的中断时，根据不同的中断p c 会指向 相应的中断向量地址，这个地址是由d s p 内部硬件结构决定的， 所以在我们放置中断跳转指令时，必须知道这个固定的地址是哪 里，将相应的跳转指令放到这个地址，使程序能够跳到我们己设 计好的中断服务程序，完成相应的中断。如本系统的中断向量表 如下： s e c t ”v e c t o r s ” ：定义主向量段 r s v e c tb c i n t 0 $ d s p 复位中断木 i n t lb e r r 叱i s r 牛p d p 保护中断 i n t 2b e v j s r - b胁定时器l 下溢中断 i n t 3 bp h a n t 伽 木未用中断，写入虚中断” i m 4bp h a n t o m 十来用中断，写入虚中断” i n t 5 bg i s r 5 $ c a n 自口箱中断4 剩余中断未用到，为了安全起见，均写入保护的虚中断指令， 这里不再一一列出木 在前面的c m d 文件中，我们需要把v e c t o r s 段放到d s p 程序 存储器的o x 0 0 0 0 位置，在这个向量表的开始写上s e c t 北京交通大学硕士学位论文 ”，v e c t o r s ”表示把下面的语句写