基于DSP的純電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第44卷2011年第3期3月MICROMOTORS基于DSP的純電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)陳瓊良，劉和平，劉摘平(重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044)要:該文以輕型安全的微型純電動(dòng)車(chē)為研究對(duì)象，以低壓大功率異步電機(jī)為控制對(duì)象，完成驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)以TMS320F2808DSP芯片為控制核心，基于無(wú)速度傳感器矢量控制策略，完成系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，性能高效功能齊全，滿足電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)要求。采用該系統(tǒng)，再配合上電子加速踏板、制動(dòng)踏板、智能儀表等，就構(gòu)成了電動(dòng)車(chē)動(dòng)力總成。經(jīng)實(shí)車(chē)路試驗(yàn)證該驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)性能良好，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞:電動(dòng)車(chē);異步電機(jī);矢量控制;無(wú)

2、速度傳感器;TMS320F2808;中圖分類號(hào):TM343;TM301.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1001-6848(2011)03-0097-04TheDesignofPureElectricVehicleDriveControlSystemBasedonDSPCHENQiongliang，LIUHeping，LIUPing(StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipmentSystemSecurityandNewTechnology，ChongqingUniversity，Chongqing400044，China)Abstract:Designe

3、dthedrivecontrolsystem，whichstudiedthelightandsafemicroelectricvehiclesandcontrolslow-voltagehigh-powerinductionmotorThisdrivecontrolsystemusedTMS320F2808DSPasacontrolcore，basedonspeedsensorlessvectorcontroltechnology，tocompletehardwareandsoftwaredesignThehighperformanceandfullfunctionmettherequirem

4、entsofelectricvehicledriveUsingthissystem，coupledwiththeelectronicacceleratorpedal，brakepedal，intelligentinstrumentsandsoon，constitutetheelectricvehiclepowertrainTherealvehicleroadtestcertificatedgoodperformanceofthedrivecontrolsys-tem，achievedthedesireddesigngoalsKeywords:electricvehicle;asynchrono

5、usmotor;vectorcontrol;speedsensorless;TMS320F2808趨勢(shì)。0引言電動(dòng)車(chē)輛是一種電力驅(qū)動(dòng)的、節(jié)能的、極少污染的新型交通工具，是解決燃油車(chē)輛所帶來(lái)的能源和環(huán)境問(wèn)題的最有希望的方案之一。其中電動(dòng)車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括車(chē)身設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)11總體方案本項(xiàng)目在微型汽車(chē)奧拓的基礎(chǔ)上改裝成純電動(dòng)車(chē)，完成整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了達(dá)到輕型安全的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)采取低壓48V電壓等級(jí)，選用5kW低壓大功率異步電機(jī)，以TMS320F2808作為核心芯片。逆變器使用電壓源型，采用SVPWM技術(shù)，提高電壓利用率并減少諧波干擾。算法采用基于無(wú)速度傳感器的矢量控

6、制，并加入效率優(yōu)化、能量回饋、弱磁升速等功能，優(yōu)化電動(dòng)車(chē)動(dòng)力及動(dòng)態(tài)性能，提升效率。要成功開(kāi)發(fā)性價(jià)比高的電動(dòng)車(chē)，必須對(duì)其各子系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮，系統(tǒng)優(yōu)化。而其中的電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直被公認(rèn)為是最為關(guān)鍵的部分?，F(xiàn)今研究比較多的是交流異步電機(jī)及其控制器，與直流電機(jī)相比，交流異步電機(jī)具有效率高，相同功率等級(jí)下成本低等優(yōu)點(diǎn)，隨著交流電機(jī)控制算法的日益完善，其控制性能可以和直流電機(jī)相媲美，交流異步電機(jī)在電動(dòng)車(chē)輛上的廣泛應(yīng)用成為發(fā)展2驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器采用無(wú)速度傳感器矢量控制算10，修回日期:2010-06-02收稿日期:2010-05-mail:cql886163com作者簡(jiǎn)介:陳瓊良(1986)

7、，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制與汽車(chē)電子。E-劉和平(1957)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事電動(dòng)汽車(chē)、交流調(diào)速等方面的研究工作。劉平(1983)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)。·98·法，并加入效率優(yōu)化、弱磁升速、能量回饋等模塊，整個(gè)控制器的原理框圖如圖1所示。磁場(chǎng)定向矢量控制是一種先進(jìn)的、高性能的交流調(diào)速方式，能滿足驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所要求的寬調(diào)速范圍和快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)，能很好地應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)244卷占空比的SVPWM波形，控制三相逆變橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)。系統(tǒng)對(duì)母線電壓和U、V兩相電流進(jìn)行采樣，通過(guò)CLARK變換和相電壓計(jì)算后送到磁鏈觀測(cè)器估算兩相靜止坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)子磁

8、鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈角，磁鏈觀測(cè)器輸出的變量作為開(kāi)環(huán)速度觀測(cè)器的輸入變量估計(jì)得到轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)，CLARK變換得到的兩相靜。而無(wú)速度傳感器矢量控制取消了速度傳感器，通過(guò)容易測(cè)得的母線電壓與兩相定子電流，來(lái)估算獲得電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。進(jìn)行差值運(yùn)算后經(jīng)速度給定量r和反饋量r*過(guò)PID調(diào)節(jié)得到isq，然后isd、isq和相應(yīng)的反饋量運(yùn)*止坐標(biāo)系電流is、is，進(jìn)行PARK變換后得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的定子電流反饋量isd、isq。在算法中加入弱磁升速和效率優(yōu)化算法，擴(kuò)大調(diào)速范圍，提升能量效率。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速判斷弱磁區(qū)間，通過(guò)相應(yīng)關(guān)系提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出，從而提升電機(jī)轉(zhuǎn)速3算后進(jìn)行PID調(diào)節(jié)得到usd

9、、usq，經(jīng)過(guò)PARK變換從*兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，得到us、*。在額定磁通區(qū)域內(nèi)，通過(guò)、Te來(lái)計(jì)算此4u*s，送到SVPWM發(fā)生器經(jīng)過(guò)運(yùn)算后DSP輸出相應(yīng)時(shí)所需要的磁通，從而優(yōu)化選取，實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化。圖1電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖3硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件總體原理框圖如圖2所示。檢測(cè)異步電機(jī)兩相電流，通過(guò)線性光耦檢測(cè)直流母線電壓，提高了采樣的準(zhǔn)確性和可靠性;通過(guò)CAN通信與電池管理智能儀表系統(tǒng)進(jìn)行相互通信，將要顯示的數(shù)據(jù)傳送到液晶屏顯示，通過(guò)觸摸屏在線修改相關(guān)參數(shù)并傳送到DSP，控制相關(guān)外設(shè)單元的工作，從而方便直觀地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互功能。下面對(duì)幾個(gè)主要電路的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。3.1驅(qū)動(dòng)電

10、路設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。采用IR21363S芯片同時(shí)驅(qū)動(dòng)六路PWM信號(hào)，電路分為前后兩級(jí)，前級(jí)是DSP輸出PWM信號(hào)，IR21363S輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào);后級(jí)是IR21363S的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管進(jìn)行同相放圖2電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制硬件整體框圖大，V、W兩相的三極管放大電路與之相同5。首先為了承受低壓大電流，逆變器采用MOS-FET并聯(lián)結(jié)構(gòu);為了同時(shí)驅(qū)動(dòng)六路PWM信號(hào)，采用IR21363S作為PWM驅(qū)動(dòng)芯片，簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性;采用霍爾和磁環(huán)配合方式其中COM端為電壓采樣，用于檢測(cè)是否過(guò)流，檢測(cè)信號(hào)輸入ITRIP端。當(dāng)有過(guò)流信號(hào)時(shí)，ITRIP端電壓大于0.5V，此時(shí)IR21363S將關(guān)

11、閉PWM輸出，同時(shí)輸出一個(gè)低電平故障指示信號(hào)，該信號(hào)輸入到3期陳瓊良等:基于DSP的純電動(dòng)車(chē)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)·99·DSP的功率保護(hù)端口TZ1，DSP檢測(cè)到該信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況減小PWM占空比或者將PWM輸出設(shè)置為高阻態(tài)，從而從軟硬件兩個(gè)方面對(duì)控制電路和功率電路進(jìn)行雙重保護(hù)。圖3基于IR21363S的驅(qū)動(dòng)電路圖3.2電流采樣電路設(shè)計(jì)采用霍爾和磁環(huán)配合方式檢測(cè)異步電機(jī)兩相電流，霍爾輸出信號(hào)用屏蔽線進(jìn)行傳輸，然后通過(guò)RC濾波電路進(jìn)行濾波，以減少信號(hào)所受到的干擾，與電流傳感器模塊方案相比降低了系統(tǒng)成本，提高了AD采樣的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)工作的可靠性。采用的霍爾元件是TLE4990，電

12、路如圖4所示。在電路中還增加了過(guò)流比較電路，過(guò)流時(shí)將輸出故障信號(hào)給DSP，DSP及時(shí)處理從而防止過(guò)流損壞系統(tǒng)。器件穩(wěn)定后，通過(guò)引腳控制繼電器吸合接通控制器的強(qiáng)電部分，使MOSFET三相逆變驅(qū)動(dòng)橋開(kāi)始工作，并開(kāi)始輸出PWM信號(hào)，如圖5所示。圖6繼電器控制電路4軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括主程序、6定時(shí)器中斷程序和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序，具體程序流程圖如圖6所示。圖4霍爾元件采樣電路圖3.3電源主接觸器控制電路設(shè)計(jì)因?yàn)檎麄€(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中同時(shí)存在強(qiáng)電和弱電，如果上電順序不當(dāng)，可能會(huì)使DSP等器件燒毀，所以系統(tǒng)對(duì)上電時(shí)序有非常嚴(yán)格的要求。本系統(tǒng)上電順序?yàn)?首先通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)控制繼電器接通控制器的弱電部

13、分，給DSP等低壓器件供電，此時(shí)DSP程序開(kāi)始運(yùn)行，完成系統(tǒng)初始化，等待輸出PWM的命令。程序延時(shí)一段時(shí)間，等到弱電圖6電機(jī)控制程序流程圖主程序主要進(jìn)行系統(tǒng)初始化和各個(gè)功能模塊的初始化，進(jìn)行電動(dòng)車(chē)啟動(dòng)和速度給定控制，并通過(guò)CAN通信向電動(dòng)車(chē)智能儀表發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信息。·100·定時(shí)器中斷程序主要先進(jìn)行AD采樣各參數(shù)，判斷故障信號(hào)并及時(shí)進(jìn)行處理，再根據(jù)踏板給定信號(hào)來(lái)判斷工況，選擇進(jìn)入電動(dòng)模式或能量回饋模式，執(zhí)行完畢最后中斷返回。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序是系統(tǒng)電動(dòng)模式下的程序，當(dāng)工況判定進(jìn)入電動(dòng)模式時(shí)，進(jìn)入無(wú)速度傳感器矢量控制模塊，其中根據(jù)控制所需，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)矢量、弱磁升速和效率優(yōu)化算法，執(zhí)

14、行完畢返回。息，對(duì)于分析故障原因提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。44卷5實(shí)驗(yàn)結(jié)果(CH1:電機(jī)相電壓，CH3:電機(jī)相電流)本系統(tǒng)在奧拓改裝車(chē)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，車(chē)身后面裝配16節(jié)3.3V磷酸鐵鋰電池作為供電電源。車(chē)身前面安裝電機(jī)和控制器，如圖8所示，裝配采用Y接法的DM15234型電機(jī)，額定功率5kW，額定頻率100Hz，磁極對(duì)數(shù)為2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8圖9。圖9帶載啟動(dòng)加速松踏板過(guò)程中的相電壓和相電流波形圖10所示是實(shí)車(chē)路試記錄下的信息，經(jīng)過(guò)整理繪制的曲線，可以看出車(chē)輛踩下加速踏板開(kāi)始起動(dòng)，車(chē)速隨之快速上升，而后松踏板，車(chē)速借著慣性緩慢減小，具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在整個(gè)速度范圍內(nèi)，本驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，較好地實(shí)現(xiàn)了

15、設(shè)計(jì)要求。圖10實(shí)車(chē)路試加速給定和車(chē)速曲線6結(jié)論本文在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段綜合考慮了各種工作情況，用戶使用、性能指標(biāo)及成本，采用TMS320F2808實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)速度快、功能強(qiáng)大;在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用模塊化編程的思想，將各個(gè)功能模塊分任務(wù)執(zhí)行，由項(xiàng)目管理程序統(tǒng)一計(jì)劃調(diào)度，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。最后實(shí)驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)和實(shí)車(chē)路試證明本驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)性能良好。圖8可以看出電機(jī)在帶載穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，電壓和電流波形較為理想，波形中的毛刺和畸變都很小，控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性能。圖9中展示了車(chē)身啟動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程，踩油門(mén)40%給定帶載啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)步升高，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)，而后100%給定加速運(yùn)行，轉(zhuǎn)速快速上升，最后松踏板停止，整

16、個(gè)過(guò)程調(diào)節(jié)平穩(wěn)快速。車(chē)內(nèi)安裝了電子加速、剎車(chē)踏板，檔位開(kāi)關(guān)，還裝配了液晶儀表實(shí)時(shí)顯示整車(chē)狀態(tài)，同時(shí)為了方便對(duì)整車(chē)進(jìn)行調(diào)試，配備了車(chē)載電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)CAN通信，將控制系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行數(shù)據(jù)及控制參數(shù)實(shí)時(shí)顯示并記錄下來(lái)，以及故障和報(bào)警信參考文獻(xiàn)1張千帆，崔淑梅，宋立偉，等國(guó)內(nèi)電動(dòng)助力車(chē)研究概況及展J微電機(jī)，1999，32(3):2425望2陳冰，冬雷，楊棟低速下異步電機(jī)無(wú)速度傳感器矢量控制研J西北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，37(1):4548究3李珂，張承慧，崔納新電動(dòng)汽車(chē)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高速區(qū)快響應(yīng)控J電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(6):4146制策略4ZhangJian，WenXuhui，HuaYangAnovelspeedsensorless