vvvv基于DSP的电动汽车轮毂电机控制器设计

1、基于 ! #的电动汽车轮毂电机控制器设计傅周兴 ! 王秋妍 ! 芦刚 (! #西安科技大学电控学院 $! %& #西北工业大学机电学院 $! %$ 摘要介绍了电动汽车用永磁无刷直流轮毂型电机的数字控制系统,提出了一种基于 ( *的高效永磁轮毂电机控制器设计,其核心控制算法采用数字 *+运算。采用 ( *+, -%. /%! %,不 仅简化了系统的外围设备,降低了系统的功耗,而且提高了系统的准确性和实时性,具有较高的 应用价值。关键词电动汽车 ( *控制器 01(, 2$引言随着汽车工业的飞速发展, 称之为绿色环保汽 车的电动汽车,因其具有零排放污染、节约石油资 源等优点,越来越受到重视,并成为

2、 ! 世纪的重 要交通工具。研究效率高、响应快、调速范围广、 安全可靠的电动汽车驱动系统已成为必然。电动汽 车的关键技术有四方面:电池技术、电机驱动及控制技术、电 动 汽 车 整 车 技 术、能 量 管 理 技 术 ! 。 电机驱动及控制系统作为电动汽车驱动系统的核心 部分,它的性能直接影响电动汽车的性能指标。本 文根据课题研究实践,进行了电动汽车用轮毂电机 控制器的软硬件设计。%控制方案控制系统主要由控制电路、霍尔位置传感器、 电流传感器、驱动电路、功率逆变电路、直流永磁 无刷电机以及 , 34总线通信接口组成,整个系统 具有体积小、结构简单紧凑、效率高、响应快等特 点。其系统原理框图如图

3、! 所示。控制电路的核心采用 25678695:公司的 ! /位定 点电机调速专用 ( *芯片 ( *+, -%. /%! %。该芯片 采用 ! /位 (数据改良的哈佛结构,具有专门的 硬件乘法器,采用流水线操作,有卓越的数据处理 能力,可进行高速数字信号处理;支持 ; 路 *将检 测到的电机霍尔位置传感器信号,作为相导通的控 制信号,并由 , *解算出电机转速。当 , *接收 到外部速度控制指令时, , *将根据输入的给定 转速和实际转速,产生一系列占空比变化的 *2脉冲信号,控制功率开关的导通和关断时间,实现 对直流无刷电机的速度闭环调节,使系统具有较好 的动态和静态性能。在系统的运行过程

4、中,过流保护电路,可防止 轮毂电机绕组电流过载而造成损坏。驱动保护电路 检测系统的当前运行状态,如果系统中出现故障, 可通过故障保护电路,封锁 *2的输出。系统中 , 34总线通信接口模块,更适合电动汽车的通信 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! #年第 ! $卷第 $期 电机技术 在系统设计时,还要合理进行软硬件的分工, 以达到系统最优性能 ! 。! 调速系统硬件设计! #$

5、%& (电机驱动电路原理图驱动电路如图 ! 所示。驱动芯片选用安捷伦公 司生产的门极驱动光耦合器 #$% & ( ,其内部 集成集电极 *发射极 !#+(对于 , -. /+0而言是 ! 1. 饱和压降检测电路及故障状态反馈电路、兼 容 #, -. /00%电平、光隔离、耐高压 (最大电压 可达 ! 223 、 “ 软”关断等特点,同时还提供电 源欠电压保护、过电流保护等保护功能。本设计采 用双极性驱动方式,使电机在四个象限上工作,而 且双极性驱动更适用于要求伺服性能好、频繁并迅 速实现电机正反转的场合 ( 如电动车 。图 ! 驱动电路功 率 管 采 用 4$0公 司 的 功 率 开 关 管

6、4$0! 2, ! ! %35,它是一种新型高压 6沟道增强 型 , -. /+0,具有开关响应迅速 (最长 (278 , 漏电流小 (9 2274等特点,关断时耐压 ! 1. . 为 ! 223,导通电流 1可达 224。电枢绕组与功率变换电路连接形式采用星形三相六状态形式,功率 开关管由六个功率场效应晶体管组成, 5#吸收电 路,可避免电压和电流浪涌,起到抑制干扰、防止 误触发等作用 &。! 电流检测电路霍尔电流传感器用于检测主回路上的电流,其 输出信号经过 #$:的 41#转换单元,变为数字信 号。在 $;, 中断程序中,读入电流检测值,并与 给定的电流参考电流值比较从而控制 $;, 斩

7、波宽 度。同时,当电流检测值超过所允许的最大值时, 启动过流保护程序,封锁所有的驱动信号,直到故 障解除为止。 需要三个电流传感器,本文采用一个电流霍尔传感 器 (见图 ,放置在直流侧,检测直流端电流, 也完成了控制要求 、 $#,且每隔 &2? 安装一个。它有 两个作用,一是用来控制电机换向,二是用来计算 电机转过的角度,即电机转速。霍尔位置传感器的输出直接与 1. $的电平变 化通知端口相连。电机在正常运转的时候,传感器 输出 &个脉宽为 2? 电角度、依次滞后 ! 2? 电角 度、占空比为 A 2B 的高低电平波形,转子位置信 号波形如图 &所示。图 &转子位置信号波形由于霍尔位置传感器

8、相差 ! 2? 电角度,对其 中任一位置传感器而言,电机每转能产生 #个方 波脉冲 (#为电机极对数 ,方波脉冲的频率正比 于电机转速 A 。转子每转动半周从传感器中可以 得到 (个换向信号,每两个换相信号依次相差 &2? 机械角度。通过计算两个检测信号之间的时差就可 以计算出电机的速度 ($%&(2(&式中, $为电机转速, F /G H 7; ! ! 为位置传感器相邻两个跳沿间夹角 (? ; C D E为时钟频率, I ; 为两个跳沿间的计数值。! * +, 总线接口电路#46总线接口电路如图 所示。控制芯片有 * + 个 ! 位的外设模块,片上 #$%控制器与 #$%物 理 总 线 的

9、接 口 采 用 &#$ (#( *驱 动 芯 片。 &#$ (#( *采用阻抗为 ! (*! 双绞线作通信介质, 信号采用差动发送和差动接收,其最高通信速率可 以达到 ! +, -. /。为了增强抗干扰能力,在 01&与 &#$ (#( *之间加高速光电耦合器件。实践证明 #$%总线通行可以提高通信的速率和准确性,从 而提高电动汽车驱动装置的控制性能。 图 2#$%总线接口电路 ! 软件设计控制软件分为两部分:主程序和中断服务程 序。主程序在完成初始化后进入循环,等待中断发 生。其中初始化程序主要完成 01&硬件及软件变 量的初始化, 使能中断的功能,初始化程序仅在系 统复位及程序开始时执行一

10、次;中断服务程序根据 控制对象的不同和算法的不同,由电流及转速检测 信号处理、 &3+信号产生及故障保护等多个功能 模块构成。本设计中,故障保护中断优先级最高, &3+信号中断程序优先级次之,且为频发中断。控制软件主程序和 &3+中断子程序流程图如 图 所示。 实验及测试结果实验对象为一台额定功率 4*3的轮毂电机, 其额定转矩为 5 % 6,额定转速为 *7/6-8,额 定电压为 0#9 :,电机转子磁极数是 对极。实 验测试最高车速可达 9 ; 6/1? A 开通,母线电流和绕组 电流上升,且二者斜率一致; (阶段 +1? A 关 断,电 流 下 降,由 于 +1? A 续 流 二 极 管

11、 的 存 在,母线电流反向。图 , 中,信号 ! 是 &3+波形,信号 (是 :01#$平时, ! #$%&导通, (#近似为零;当 *!为低电平时, ! #$%&关断, (#的电压为电池组供 电电压。! 结束语该方案充分利用了 (# +, -. $/. 0. 芯片的高速 计算功能和丰富的片内外设单元,使伺服调速系统 结构简单、可靠性高、调速性能良好。电动汽车驱 动系统要求满足动态响应快、结构简单、起动转矩 大,从实验结果可以看出此方案是可行的。同时, 该系统还可以通过 , 12总线通信接口组建一个局 域控制网络,实现复杂的控制。参考文献0汤双清,廖道训,吴正佳 3电动汽车的核心技术及发 展展

12、望 45机械科学与技术, 6. . -, 66(6 :078 96:36李永东 3交流电机数字控制系统 ! 5北京:机械 工业出版社, 6. . 6, 0. 790063-梁克宇 3几种大功率 ; & 吸收电路的比较 45电力电子技术, 088/(: :79/. 3:葛英辉,李春生,倪光正 3微型电动车用轮毂电机控 制系统的研究 45中小型电机, 6. . -, -. (6 3 张琛 3直流无刷电动机原理及应用 ! 5北京:机械 工业出版社, 6. . :3/尹衍晨,范瑜 3基于 (# 的永磁无刷直流电机控制 器设计 45微电机, 6. . ? AB A C D E F G H I J #K

13、D A K D A L&D K M A I N I O H 9:$, -*; , 1L O G N K I A G E I N F H F G D PI J Q D E P A D A G P O A D G R E S F M T N D F F (, D N D K G E I P I G I E A D N D K G E K C D M K N D F F A G E I L S K D L , G M D K I A T G E I N F H F G D PI JU V (, ! R F D LI A(# +, -. $/. 0. F Q E I Q I F D L 5 &M D

14、(# F S F D L A J D W D E D X G D E A N K I P Q I A D A G F A L N I W D E F H F G D P K I F G , A L P Q E I C D FC D E K G H A LE D N G P DI J(, P I G I E , A L D F H G I R D Q Q N D L 5(-7$D N D K G E K C D M K N D F (# K I A G E I N U V (, !收稿日期:! 6. . /. 807(上接第 D L G D K M A S D I J M E P I A K D

15、 N P A G I A A L C I N G O DK I A G E I NA G M H E F G I EA C D E G D E : Q E G 0T C I N G O D K I A G E I N G D K M A S D F 45+%T +1, 08:, 0. ( :/9/-36佟为明,陈向阳,等 3变频电源特定消谐技术中非线 性方 程 组 解 法 的 研 究 45中 国 电 机 工 程 学 报, 0887, 07( :-9-/. 3-费万民,吕征宇,姚文熙 3多电平逆变器特定谐波消 除脉宽调制方法的仿真研究 45中国电机工程学 报, 6. . :, 6:(0 :0.

16、690. /3:黄瀚,纪延超,张辉,等 3优化特定消谐 *!技术 45中国电机工程学报, 088, 0( :-:9-:3胡永恒,佟为明,等 3特定消谐 *!技术中非线性 方程组解法的研究 45现代电源技术应用, 6. . 0, 8(0 :0-/90:03/张文义,杨乐民,佟为明,等 3特定消谐式变频器的研 究 45电力电子技术, 6. . 6(7 :-9%, ; 39 &. #$ (-83#, * *+(U D A O %N D K G E K I W D E (D F O A +A F G G S G D 9:$, -*; , &M DP G M D P G K NP I L D N I J

17、 #Y %RF D L I A G M DP I F G O D A D E N G M E D D 9Q M F D M N J R E L O D C I N G O D F I S E K D A C D E G D E F F G S L T D L 5(S DG IG M DL J J K S N G H I JK N K S N G A O F W G K M A O A O N D F , P D G M I L G I#Y %KM I I F D A G N C N S D F Q E D F D A G D L 5&M D E D F S N G F C N L G D G M DP D G M I L K A E D N D J F G K I A C D E O D A K D A L F M I WG M D I C D EP I L S N G I A K M E K G D E I J #Y %5&M D F P S N G I A G I #Y %C D E T J D F G