纯电动汽车三相异步电动机矢量控制

万晓凤，朱俊裕，肖 京

(南昌大学，江西南昌330031)

0 引 言

随着汽车数量的急剧增加，能源和环境问题日益严峻，迫切需求一种低碳和节能的交通工具。电动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，在能源、环保、节能和降噪方面有其独特的优越性和竞争力，必将逐渐取代现在的燃油车辆而成为新的主要交通工具。

电动汽车由车体、电驱动装置(电动机)、可充电电池、充电器和控制系统五大部分组成。其中控制系统是电动车的重要组成部分，决定着整车的性能。异步电动机具有价格低、维护容易、体积小的优点，已经成为多数交流驱动电动汽车的首选。本文基于交流异步电动机的上述优点，选用三相交流异步电动机，运用矢量控制原理，对电动汽车控制系统进行研究分析。

1 系统工作原理

1.1 交流异步电动机的矢量控制原理

矢量控制的基本原理是将交流异步电动机经模型转换模拟成直流电动机，再用类似于直流电动机的控制方法来对它进行控制。通过坐标变换，将三相静止轴ABC坐标系转换成两相同步旋转轴MT坐标系。在MT坐标系下，将定子电流矢量分解为控制励磁电流分量的im和控制转矩电流分量的it。这样就实现了像直流电动机的控制方式和效果。

定子电流信号经“Clarke变换”和“Park变换”，并反馈到控制端，对给定的控制信号的励磁分量im和转矩分量it进行修正，从而达到类似于直流电动机的工作状况。其中由三相坐标系(ABC)到两相同步旋转坐标系(MT)的变换方程式:

式中:N2、N3分别为两相系统和三相系统每相绕组的有效匝数;θ为转子磁链位置。

1.2 电机控制芯片及空间矢量PWM波形的生成

TMS320LF2407A是TI公司生产的16位定点数字信号处理器，有两个专为电动机控制而设计的事件管理器EVA和EVB。它们都是由两个16位通用定时器、1个可快速封锁输出的外部引脚和8个16位的脉宽调制(PWM)输出口组成;具有可编程死区功能，用于防止上、下桥臂直通;另有3个捕捉单元和1个光电位置编程器接口。

PWM波是一种脉宽可调的脉冲波，用于交流电动机的电压控制，它保持脉冲波的频率或周期不变，通过调整脉冲的宽度来调整电压。PWM波是由TMS320LF2407A通过设定定时器周期寄存器的周期值和比较器的比较值来产生。其中周期值用于控制PWM波的频率(或周期)，比较值控制PWM波的脉宽。因此，比较值必须小于或等于周期值。由于使用比较器的不同，产生PWM波有使用定时器比较寄存器和使用比较单元两种方法。后者可产生加死区的PWM波。

使用定时器比较寄存器产生PWM波，占空比的计算公式:

使用比较单元产生PWM波，占空比的计算公式:

通过式子，确定占空比，就能得到所需要的波形。

2 系统硬件设计

2.1 系统控制电路

硬件系统的控制电路由TMS320LF2407A为核心构成，结构图如图1所示。

图1 硬件系统控制电路结构框图

图1中系统利用SCI串口与显示模块相连，定时向SCI上发送电机信息(电流、电压、转速、故障代码等)，便于电机的调试和检测。

TMS320LF2407A事件管理模块EVB产生六路互补的触发脉冲，脉冲通过PWM7－12通道，进入驱动电路和三相逆变电路得到所需要的波形，使得三相异步电动机稳定工作。驱动电路反馈的电机运行信号，经过PDPINTB通道回到TMS320LF2407A并进行分析处理。例如反馈回电机运行故障的信号，TMS320LF2407A将对六路互补的触发脉冲进行关断。

TMS320LF2407A内置采样、保持的10位模数转换模块ADC，16个模拟输入通道。电流、电压、温度、电子油门等信号经过信号处理电路，通过AD通道进入TMS320LF2407A，TMS320LF2407A进行分析处理。例如当温度高于45℃时，TMS320LF2407A输出高电平信号，经过GPIO通道，开启冷却风扇，低于40℃时，则输出低电平信号，关闭冷却风扇。

TMS320LF2407A通过正交编码通道CAP，对电动机的角位移和转速等信息进行检测。

2.2 采样电路的设计

由于DSP只能处理数字量，所以必须经过采样电路将要检测的各种信号，通过转换，变成DSP可识别的信号。采样电路由电流采样、温度采样、油门采样、转速和电机位置采样组成。

2.2.1 电流采样电路

电流采样电路如图2所示。图2采用的是LEM传感器，型号为HAS400－S/SP50，工作电压为±5 V。传感器检测A、B两相电流，电流信号转化为电压信号。电压信号经过低通滤波电路、集成运放的电压偏置电路，变为0～3.3 V之间，最后通过电压跟随器进入TMS320LF2407A，AD模块把它变成相应的数值，再对其进行分析处理。

图2 电流采样电路图

2.2.2 温度采样电路

温度采样电路图如图3所示，温度采样是通过一个固定在控制器散热片上的热电耦测温。温度信号通过温度采样电路进入到TMS320LF2407A，再对其进行分析处理。当温度值超过 45℃时，TMS320LF2407A通过I/O输出高电平信号开启冷却风扇;当温度值低于40℃时，则输出低电平信号，关闭冷却风扇。

图3 温度采样电路图

2.2.3 油门采样电路

油门采样是通过油门踏板即一个滑动变阻器对+5 V电压进行分压，向控制器输入正值的电压信号，经过滤波通过电压跟随器进入到TMS320LF2407A的AD采样通道。其电路图与温度采样电路相似。

2.3 过压和欠压保护电路设计

图4 过压欠压保护电路图

过压和久压保护电路图如图4所示。Ua、Ub为二相采样电压，分别与Uw1(0～1.65 V之间)和Uw2(1.65～3.3 V 之间)相比较，输出高(低)电平。当Ua大于Uw1，小于Uw2时，U0为高电平，并将此信号送给PDPINTB，事件管理模块正常工作;当Ua小于Uw1或者Ua大于Uw2时，U0为低电平信号，PDPINTB接受到低电平信号后立即通知事件管理模块关闭PWM输出通道，停止工作。

3 系统软件设计

3.1 矢量控制软件实现

图5为矢量控制软件结构图，定子电流的iA、iB由电流传感器测量检测，经过DSP的A/D转换器转换成数字量，由iC=－(iA+iB)计算出iC。通过“3/2变换”和“交/直变换”将电流 iA、iB、iC转换成旋转坐标系MT中的直流分量im、it，并反馈给电流控制环。电动机的机械角位移由编码器测得，并将其转换成转速n后反馈给速度控制环，作为速度控制环的负反馈量。在得到用于Park变换和Park逆变换计算的磁链位置时，由于异步电动机的转子与转子磁链存在转速差，必须通过电流－磁链位置计算求出。转矩控制的电流T轴给定值由转速给定值与实际转速的偏差经过速度PI调节器调节所得。T轴及M轴电流给定值与电流反馈值的偏差经过电流PI调节器调节，分别得到旋转坐标系(M/T)下的相电压分量，再经过直/交变换转换成静止坐标系统的定制相电压分量，并利用SVPWM技术，产生PWM控制信号来控制逆变器。

图5 矢量控制软件结构图

3.2 程序流程图

系统程序流程图主要包括主程序、PWM中断、故障中断等。PWM中断流程图如图6所示，详细地讲诉了PWM波形的产生步骤，及每个变化的过程。

图6 PWM中断流程图

4 系统仿真

仿真模型如图7所示。

图7 矢量控制总仿真模型

仿真用的异步电动机主要参数如下:额定功率Pn=15 kVA，额定电压Un=460 V，额定频率fn=60 Hz，额定转速 N=3 000 r/min，定子电阻 Rs=0.087 Ω，转子电阻 Rr=0.228 Ω，定子漏感 Ls=0.8 mH，转子漏感 Lr=0.8 mH，定转子互感 Lm=34.7 mH，机械转动惯量J=1.662 kg·m2，极对数 p=2，PID调节器的参数为 P=20，I=2，D=0。

仿真结果如图8、图9所示。图8表明磁链运行为圆形轨迹，且幅值稳定，图9表明电流具有很好的正弦特性，转矩具有瞬时响应特性，电机转速的动态响应快并且稳定波动较小。实验及仿真验证了该系统在调速控制中的可行性，并且该系统在昌河ideal车上进行测试，到达了稳定运行的要求。

图8 定子磁链运行区域及轨迹

图9 电压、电流、转矩、速度仿真结果图

［1］ 王晓明，王玲.电动机的DSP控制－TI公司DSP应用［M］.第一版.北京:北京航空航天大学出版社，2004.

［2］ 陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.第三版.北京:机械工业出版社，2003.

［3］ 刘和平.TMS320LF240XDSP结构、原理及应用［M］.第一版.北京:北京航空航天大学出版社，2002.

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