基于DSP的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)樂(lè)樂(lè)

1、控制與應(yīng)用技術(shù)em ca2007 , 34 ( 12)基于dsp的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)姚 鵬 , 劉憬奇 , 吳艷紅(上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán) )有限公司,上海 200063 )摘 要:基于直接轉(zhuǎn)矩控制的方法,研究了電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機(jī)( p msm )直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc )系統(tǒng)中電壓空間矢量選擇原則。提出了控制系統(tǒng)中引入零電壓矢量的方法,同時(shí)針對(duì)磁鏈處于邊界區(qū)引起的起動(dòng)困難的問(wèn)題對(duì)開(kāi)關(guān)表進(jìn)行了修正。開(kāi)發(fā)了基于數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)的電動(dòng)汽車(chē)用pmsm的dtc系統(tǒng),并進(jìn)行了低速下的試驗(yàn)研究,取得了較好的控制效果。關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī);電動(dòng)汽車(chē);直接轉(zhuǎn)矩控制;電壓空間矢量中圖分類號(hào):

2、 u469. 72; tm301 . 2tm341文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: a文章編號(hào): 167326540 (2007) 1220014204research on d r ive con trol system of electr ic veh icle based on d spyao peng,l iu jing2qi,wu yan2hong(shanghaielectric apparatus research institute(group)co . , l td. , shanghai200063, china)abstract:study on the selecting principl

3、e of space voltage vector based on pmsm directtorque control(dtc)and amethod which use zero voltage vector in steady state are introduced.furthermore, modifyingthe s witch table top revent the startup difficult when the flux is at the rangeof the sect or ispresented . a dtc drive syste m for ev base

4、don dsp is developed .the experimental result of thedtc syste m at low s peed was presented and p roves that the con2trol system can meet the requirement of a drive of ev.key words:permanen t magnetsynchronousm otor( pm s m ) ;electr ic veh icle;d irecttorquecon trol( d tc) ;volt age vector0 引 言電動(dòng)汽車(chē)

5、以其節(jié)能、 少污染成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的方向 。電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格比內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)高,決定了電動(dòng)汽車(chē)的初期投入大、 費(fèi)用支出多。但是電動(dòng)汽車(chē)的維修保養(yǎng)費(fèi)用低,隨著使用年限的延長(zhǎng) ,其使用費(fèi)用會(huì)逐漸降低,甚至?xí)陀趦?nèi)燃機(jī)汽車(chē)的使用成本 1 。高密度 、 高效率 、 寬調(diào)速的車(chē)輛牽引電機(jī)及其控制系統(tǒng)既是電動(dòng)汽車(chē)的心臟又是電動(dòng)汽車(chē)研制的關(guān)鍵技術(shù)之一,是提高電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)性能、 行駛里程及可靠性的根本保證。永磁同步電機(jī)(p msm)以其體積小、 質(zhì)量輕(其比質(zhì)量為0. 51. 0 kg/ kw ) 、 效率高 、 調(diào)速范圍廣(德國(guó)kovo電技術(shù)公司已研制出轉(zhuǎn)速達(dá)50 000 r/m in、 功率達(dá)1. 5 k w

6、 的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)) 2 等優(yōu)點(diǎn)尤其適合于電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)車(chē)組等轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng) ,成為現(xiàn)在的研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。目前國(guó)際上先進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc )。基于dtc方式的諸多優(yōu)點(diǎn)決定了在電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中有著非常實(shí)用的價(jià)值 。將 dtc應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)用p msm 是全面提高電動(dòng)汽車(chē)性能的又一途徑,但 p msm 的 dtc研究一直比較滯后 3。本文對(duì)dtc技術(shù)應(yīng)用于p msm 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究,包括零電壓矢量在 p msm 的 dtc中的作用 、 電壓空間矢量的選擇原則 、 p msm 頻繁起動(dòng)等問(wèn)題,并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真 、 p msm 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的

7、研制和試驗(yàn)研究。1永磁同步電機(jī)控制策略近年來(lái) ,英國(guó) 、 意大利 、 芬蘭 、 美國(guó) 、 日本 、 澳大利亞 、 加拿大等國(guó)的學(xué)者在p msm 的 dtc方式下 ,對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)弱磁、 磁鏈選擇 、 無(wú)傳感器控制、 降低轉(zhuǎn)矩脈動(dòng) 、 定子電阻辨識(shí)等方面進(jìn)行了初步研究 4。但總的來(lái)說(shuō),該方面的研究不多,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)用化的成果。國(guó)內(nèi)在該方面的研究很少,目412007, 34 ( 12 )控制與應(yīng)用技術(shù)em ca前只有南京航空航天大學(xué)、 浙江大學(xué) 、 天津大學(xué)等幾家單位剛剛開(kāi)始相關(guān)的研究。1. 1d tc 理論p msm 的轉(zhuǎn)矩方程如下 5:te= kesr= kesrsin(1)其中 : 電機(jī)負(fù)載角;r

8、,s 轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈。定子磁鏈s=(us- rsis)dt(2)由式 (1)可以看出,電磁轉(zhuǎn)矩的大小是由轉(zhuǎn)子磁鏈和定子磁鏈之間的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)的。若電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大,電機(jī)負(fù)載角就會(huì)自動(dòng)增大,以便產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩去平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩,保持轉(zhuǎn)子勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。由式(2)可以看出,當(dāng)忽略定子電阻壓降時(shí),定子磁鏈?zhǔn)噶宽旤c(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和軌跡平行于相應(yīng)的電壓空間矢量的作用方向,如圖1、圖 2所示 。因此可以通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)碾妷嚎臻g矢量來(lái)調(diào)節(jié)定子磁鏈的幅值、 運(yùn)動(dòng)方向與速度,在保證定子磁鏈幅值恒定的同時(shí)調(diào)節(jié)負(fù)載角來(lái)完成對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的直接控制。圖1電壓矢量對(duì)定子磁鏈的影響圖2電壓空間矢量分布圖實(shí)際的dtc系統(tǒng)中 ,開(kāi)關(guān)信

9、號(hào)是由轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值與反饋值的偏差經(jīng)滯環(huán)比較得到的 ,而轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的給定值是由電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈估算模型計(jì)算得到的。1. 2零電壓矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響在 p msm 的 dtc中 ,原則上不適合應(yīng)用零電壓矢量 。因?yàn)榱汶妷菏噶吭趐 msm 與異步電機(jī)的 dtc中所起作用區(qū)別較大。對(duì)于p msm ,電磁轉(zhuǎn)矩基本正比于定、 轉(zhuǎn)子磁鏈幅值及轉(zhuǎn)矩角。由于磁鏈滯環(huán)的限制,控制過(guò)程中的定、 轉(zhuǎn)子磁鏈幅值不變 ,因此 , p msm 的電磁轉(zhuǎn)矩的改變主要靠調(diào)整轉(zhuǎn)矩角大小來(lái)獲得。零電壓矢量對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的影響較小,為保證必要的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度,電磁轉(zhuǎn)矩的有效調(diào)節(jié)要靠非零電壓矢量迫使定子磁鏈迅速旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)

10、。即轉(zhuǎn)矩角的有效組成部分應(yīng)該是由非零電壓矢量作用所引起。因此 ,在p msm 的dtc中 ,原則上不適合應(yīng)用零電壓矢量 6。然而 ,降低電機(jī)與逆變器的功耗對(duì)于靠蓄電池供電的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)非常重要。逆變器的功耗是 p msm 系統(tǒng)功耗的主要組成部分。對(duì)于應(yīng)用非零電壓矢量的p msm的dtc系統(tǒng)來(lái)說(shuō),在控制過(guò)程中的任一時(shí)刻總是存在著電流流過(guò)開(kāi)通的功率器件 。這對(duì)于降低逆變器的功耗是很不利的?？紤]到零電壓矢量在一個(gè)控制周期內(nèi)具有使電磁轉(zhuǎn)矩輕微下降的作用,如果幾個(gè)控制周期內(nèi)連續(xù)應(yīng)用零電壓矢量,則同樣會(huì)達(dá)到同非零電壓矢量在一個(gè)控制周期內(nèi)同樣效果的電磁轉(zhuǎn)矩降落 7 ?；谏鲜龇治?本文提出了一種適合于電動(dòng)汽

11、車(chē)用p msm 的 dtc的電壓空間矢量選擇策略。當(dāng) p msm 的 dtc 系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)情況時(shí),僅用 6個(gè)非零電壓空間矢量參與調(diào)制; 而墩于穩(wěn)態(tài)下的dtc系統(tǒng) ,應(yīng)用零電壓矢量參與調(diào)制。這樣能夠在保證dtc系統(tǒng)良好動(dòng)態(tài)性能的同時(shí),有效降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的損耗。根據(jù)式( 3)確定的電壓矢量開(kāi)關(guān)選擇表如表1所示 。其中 , 和分別為磁鏈與轉(zhuǎn)矩滯環(huán)比較控制器的輸出。 = 1對(duì)應(yīng)參考磁鏈大于反饋值, t /2)0( | t3e- te|t /2)-1( t3e- te -t /2)(3)表1中區(qū)域 表示定子磁鏈的位置;轉(zhuǎn)子逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。51控制與應(yīng)用技術(shù)em ca2007 , 34 ( 12)表1電壓

12、矢量選擇開(kāi)關(guān)表區(qū)域劃分=1= 1u2u3u4u5u6u1= 0u7u0u7u0u7u0= - 1u6u1u2u3u4u5=0= 1u3u4u5u6u1u2= 0u0u7u0u7u0u7= - 1u1u2u3u4u5u61. 3p m s m 的 d tc 開(kāi)關(guān)表修正對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一個(gè)重要要求就是滿足電動(dòng)汽車(chē)頻繁起動(dòng)的特性。而在實(shí)際數(shù)字控制系統(tǒng)中 ,磁鏈會(huì)經(jīng)常處于分區(qū)邊界處的一個(gè)小扇區(qū)內(nèi) ,造成電壓矢量選擇的不確定性。當(dāng)定子磁鏈幅值變化量在區(qū)域邊界上為0 . 5%時(shí) ,輸出電磁轉(zhuǎn)矩變化量可達(dá)到10% 8。如果不采用表2對(duì)原始開(kāi)關(guān)表1進(jìn)行修正, p msm 往往不能正常起動(dòng) 。為此在分區(qū)邊界

13、上選擇與分區(qū)邊界垂直的電壓矢量,得到表2所示修正表,可使p msm 正常起動(dòng) 。表2定子磁鏈處于不同邊界時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)表的修正3090150210270330= 1或0=1u3u4u5u6u1u2= 0u6u1u2u3u4u52系統(tǒng)仿真良好的動(dòng)力性是電動(dòng)汽車(chē)的基本要求。電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性決定于其驅(qū)動(dòng)用電機(jī)系統(tǒng)的電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。應(yīng)用 matlab /simulink, 對(duì)實(shí)施零電壓矢量切換和開(kāi)關(guān)表修正的dtc系統(tǒng)進(jìn)行了仿真 ,并和傳統(tǒng)p msm 的 dtc系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)性能的比較 。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下:r= 0 . 151 2 ,ld= 0. 9 mh,lq= 1. 5 mh,f= 0 . 125 2

14、 wb,np=3,b= 0,j= 0 . 08 kg? m2,u= 240 v。仿真結(jié)果如圖 3、 圖 4所示 。由圖3可見(jiàn) ,電機(jī)在1 500 r/m in時(shí) ,應(yīng)用改進(jìn)后的dtc, p msm 電流和轉(zhuǎn)矩諧波明顯減小,驗(yàn)證了新的控制方案的可行性和電機(jī)系統(tǒng)優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能 。圖 4為負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0. 05 s時(shí)由 5 n ? m( a)傳統(tǒng)dtc的三相電流波形( b)改進(jìn)后dtc的三相電流波形圖3 不同dtc的p msm三相電流響應(yīng)( a)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形( b)改進(jìn)后的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形圖4不同控制方式的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)612007, 34 ( 12 )控制與應(yīng)用技術(shù)em ca突變?yōu)? 5 n ? m時(shí)的

15、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形,可見(jiàn)修正后轉(zhuǎn)矩響應(yīng)波形明顯好于修改前的波形。3 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)要考慮系統(tǒng)的可靠性、 系統(tǒng)的防護(hù)以及電磁兼容?；谏鲜隹刂品桨缚梢砸詳?shù)字信號(hào)處理器(dsp) t ms320f2407a 為控制核心。它有很多特點(diǎn),如采用哈佛結(jié)構(gòu)、 具有專門(mén)的硬件乘法器 、 廣泛采用流水線操作等,能在保證系統(tǒng)低成本的同時(shí)達(dá)到更高性能水平。p msm 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成如圖5所示 ,主要包括p msm、 dsp控制模塊 、 逆變驅(qū)動(dòng)模塊。dsp實(shí)現(xiàn)控制算法、 人機(jī)界面、 通信 、 速度和轉(zhuǎn)矩的反饋檢測(cè) 、 現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)存儲(chǔ)等;逆變器驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)電池組供電 、 濾波逆變 、 電流和電壓反饋、 過(guò)流保護(hù)等

16、 。逆變器采用ip m 模塊 ,其輸出驅(qū)動(dòng)p msm。ip m 的觸發(fā)信號(hào)由dsp控制器給出,再經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)提供 。強(qiáng)電和弱電之間通過(guò)傳感器或光電耦合器隔離 ,且光電耦合器原邊和驅(qū)動(dòng)邊采用獨(dú)立電源 9。電流傳感器選用lem 公司的 lta 200- s,電壓傳感器選用lv282p 10 ?？赏ㄟ^(guò)can總線實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與動(dòng)力總成系統(tǒng)通信。圖5 電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖圖 6所示為應(yīng)用零電壓矢量p msm 的 dtc系統(tǒng)在50 r/m in時(shí)的實(shí)測(cè)波形。其中 ,圖 6 ( a)為電磁轉(zhuǎn)矩波形(曲線2)與定子磁鏈波形, (曲線1) ;圖 6( b)分別為定子磁鏈分量、 的波形 ;圖 6 ( c)中包

17、括a、 b兩相電流波形。從圖 6 (a)中的試驗(yàn)波形可見(jiàn),電磁轉(zhuǎn)矩與定子磁鏈均被限定在了小范圍內(nèi)波動(dòng);由圖6( b)中的試驗(yàn)波形可以看出,正交的定子磁鏈分量、按正弦規(guī)律波動(dòng),說(shuō)明定子磁鏈?zhǔn)噶寇壽E為很好的圓形,這對(duì)于降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和系統(tǒng)損耗都是非常有益的 。( a)定子磁鏈 s與電磁轉(zhuǎn)矩te m(b)定子磁鏈分量、 ( c)相電流ia、ib圖6改進(jìn)的dtc系統(tǒng)50 r/m in穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)測(cè)波形4 結(jié) 語(yǔ)良好的動(dòng)態(tài)性能對(duì)于提高電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性是非常必要的。采用p msm 的電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下應(yīng)用零電壓矢量而在動(dòng)態(tài)下應(yīng)用非零電壓矢量進(jìn)行切換的電壓空間矢量控制方法 ,能夠在保證dtc系統(tǒng)良好動(dòng)

18、態(tài)性能的同時(shí),(下轉(zhuǎn)第39頁(yè) )712007, 34 ( 12 )變頻與調(diào)速em ca4 結(jié) 語(yǔ)lc濾波器濾波時(shí)間常數(shù)取決于變頻器的載波頻率 。時(shí)間常數(shù)過(guò)大,會(huì)增大濾波器的體積及成本 ,還會(huì)使濾波器空載輸出電壓過(guò)高,甚至超過(guò)額定電壓;時(shí)間常數(shù)過(guò)小,可能導(dǎo)致諧波放大,甚至諧振 。選擇電容器時(shí),電容器的額定電流必須留有足夠的裕量。電抗器的電感系數(shù)的選擇,必須考慮基波壓降,保證工頻情況下電動(dòng)機(jī)的電壓質(zhì)量 ,且留有裕量 。電抗器宜采用空心電抗器,繞組電流密度應(yīng)考慮漏磁通在繞組中產(chǎn)生的渦流?！緟?考 文 獻(xiàn) 】 1 張皓,續(xù)明進(jìn),楊梅.高壓大功率交流變頻調(diào)速技術(shù)m .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

19、2 林輝,王輝.電力電子技術(shù)m.武漢:武漢理工大學(xué)出版社, 2002. 3 三墾力達(dá)電氣(江陰)有限公司. samco2vm05使用說(shuō)明書(shū) g.2006. 4 王兆安,楊君,劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償m .北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.收稿日期: 2007211209(上接第17頁(yè) )有效降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的損耗。 dtc開(kāi)關(guān)表的修正 ,有效地改進(jìn)了p msm 的起動(dòng)性能。計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)結(jié)果都表明,所提出的改進(jìn)的dtc是可行的 ,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值?！緟?考 文 獻(xiàn) 】 1 曹秉剛,張傳偉.電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì) j .西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 38

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