李才強，劉和平

(重慶大學，重慶400044)

0 引 言

電動汽車具有無污染、噪聲低等特點。21世紀，發(fā)展電動汽車是人類解決能源危機與大氣污染的主要途徑之一［1－2］。高密度、高效率、寬調速的車輛牽引電機及其控制系統(tǒng)是電動汽車的心臟。異步電動機以其結構簡單、運行可靠、經久耐用在電動汽車上得到了廣泛的應用［5－6］。電動汽車運行對驅動控制器及其算法有特殊要求:要求有優(yōu)良的轉矩控制特性，來滿足電動汽車頻繁起動、停車、加速減速、能量回饋、低速大轉矩爬坡、高速恒功率運行等工況。在起動和加速時應具有高功率密度，在電動汽車速度平穩(wěn)運行時，輸出功率要小，但要求高效率。很顯然，這種應用環(huán)境與其他場合的要求存在顯著差異。

目前，電動轎車感應電機及驅動控制器通常采用兩種控制方法:轉子磁場定向矢量控制和直接轉矩控制。轉子磁場定向適量控制具有類似直流電機的轉矩控制特性，得到了廣泛的應用。當前多數(shù)電動汽車控制器采用大電壓加IGBT來驅動電機，在帶來大轉矩的同時，也帶來了安全隱患。一旦發(fā)生漏電，對人體的傷害將是致命的。本文采用額定電壓為48 V的低壓電機作為電動轎車驅動電機，以TI公司生產的DSP芯片TMS320F2808作為核心控制芯片，采用SVPWM技術和電壓型逆變器，設計了一款用于純電動轎車的控制器及轉子磁場定向矢量控制系統(tǒng)。降低了控制系統(tǒng)的成本，同時提高了整個電動轎車的安全性，并進行了裝車試驗，效果良好。

1 基于轉子磁場定向的異步電動機矢量控制

在同步旋轉坐標系d－q坐標系下，為了實現(xiàn)間接矢量控制的解耦控制，取轉子總磁鏈ψr的方向為d軸，q軸為逆時針旋轉90°，即垂直于轉子磁鏈ψr，則定子電壓和轉子磁鏈方程可表示［4］:

本文采用SVPWM控制方式，與SPWM相比，應用SVPWM技術，電機電流諧波更小，而且電壓型逆變器直流母線的電壓的利用率得到了提高［3－4］。

1.1 轉子磁鏈位置角

轉子磁場定向后，轉子磁鏈位置角θ=∫(ωs+ωr)dt，其中轉差頻率ωs通過式(4)來計算，在Simulink中搭建仿真模型如圖1所示。

圖1 轉子磁鏈位置角仿真模型

在MATLAB/Simulink中搭建整個控制器仿真圖，如圖2所示。

圖2 轉子磁場定向矢量控制仿真模型

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設計

控制器主芯片采用TMS320F2808 DSP芯片，功率板采用12個低壓大電流的MOSFET并聯(lián)，提高了系統(tǒng)過流能力，控制器可以承受600 A的電流，降低了系統(tǒng)成本。采用IR公司生產的IR21363S作為MOSFET的驅動芯片，IR21363S有三個獨立的高壓側和低壓側輸出信號，可同時輸出6路PWM波，同時具有硬件過流保護，提高控制器的可靠性和穩(wěn)定性。電流采樣采用霍爾和磁環(huán)配合的方式，并通過RC濾波電路進行濾波，降低了控制器成本，提高了AD采樣的準確性和控制器的可靠性。通過CAN通信與觸摸屏液晶顯示器進行相互通信，實現(xiàn)了控制器的人機交互功能。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

2.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

3 仿真和實驗結果分析

本系統(tǒng)實驗采用16節(jié)3.3 V的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)作為供電電源。仿真和實驗電機參數(shù):采用4極Y型連接的三相鼠籠電機，PN=5 kW，UN=48 V，fN=68 Hz，額定轉速為2 040 rad/s，轉子電阻0.002 732 1 Ω，定子電阻 0.003 123 65 Ω 定子和轉子漏感均為0.000 008 139H，定轉子之間的互感為0.000 273 163H。

3.1 仿真分析

對圖2的電動汽車矢量控制系統(tǒng)進行仿真分析，仿真波形如圖5所示。

仿真時將電機電流有效值限制在400 A，沒有超出控制器能承受的最大電流600 A，電機轉速給定為2 000 r/min，先讓電機空載起動，在0.7 s時給電機加50 N·m負載。從圖5中可以看出電機起動時轉矩很大，幾乎達到100 N·m，滿足電動轎車起動要求。電機轉速超調量非常小，在突加負載時電機轉速能穩(wěn)定在給定轉速，可見電機調速性能優(yōu)良。

圖5 電動轎車矢量控制系統(tǒng)仿真波形

3.2 實驗分析

實驗采用泰克公司的數(shù)字存儲示波器(型號DPO4034)和500 A電流探頭(型號TCPA400)，該數(shù)字存儲示波器帶U盤接口，可用U盤存儲采集數(shù)據(jù)。測試時三相相電壓經過RC濾波后測得，R=10 kΩ，C=100 nF。實驗結果如圖6所示。

圖6 帶載運行時相電流和相電壓波形

實驗測得電機在800轉時，輸出轉矩為90.55 N·m;3 200 r/min時，輸出轉矩為45.32 N·m。從圖6中我們可以看出，電機在帶負載運行時，電壓和電流波形為較理想的正弦波，本控制系統(tǒng)具有良好的性能。

4 仿真和裝車調試中遇到的問題及解決方法

4.1 仿真過程中遇到的問題

仿真過程中在計算轉子磁鏈位置角時，如果直接用式(4)來計算轉差，由于初始時刻ψr=0，這將導致式(4)分母為零，仿真時將報錯。解決方法是初始時讓ψr=ψr+0.000 001，然后再代入式(4)計算。由于0.000 001非常小，不會對仿真結果產生影響。

在仿真時檢測回來的轉速ωr在計算磁鏈角位置時必須乘以極對數(shù)p，不然將導致轉子磁鏈位置角計算不準確。

4.2 裝車調試過程遇到的問題及解決方法

本文研究的控制器和電機在奧拓改裝車上進行裝車調試，如圖7所示。遇到的問題及解決方法如下:

圖7 實際裝車調試圖

(1)裝車調試時不踩踏板電機都有抖動過程

原因分析:由電流采樣不準以及轉矩分量和磁通分量分解誤差引起。因為此時給了轉矩分量和磁通分量，所以會有一個轉矩加在轉子上，但是該轉矩又不足以使得電機起動，所以就產生了抖動過程;如果將不踩踏板時的磁通分量和轉矩分量都給得很小，則不會抖動，但是，在踏板松完的時候就會有磁通分量瞬變，會發(fā)生自激，導致大電流。

解決方法:改善相電流采樣精度，保證在零電壓點的采樣準確。在保證相電流準確的前提下，調整磁通估計的電機參數(shù)，使得轉矩分量和磁通分量完全解藕。

(2)行駛過程中加速過快自激問題。調試時，猛踩加速踏板燒毀控制器

原因分析:起動時必須要在瞬時產生很大的轉矩，才能使得汽車快速起動，此時轉矩分量就是要變化快，但是太快又會產生自激現(xiàn)象，加速過程中如果踩踏板太快電機將發(fā)生自激，將產生大電流，有燒壞控制器的危險，并會發(fā)生刺耳的聲音。

解決方法:修改控制參數(shù)，減緩轉矩的變化過程，同時協(xié)調起動時轉矩的快速性要求。

(3)裝車調試時，起初電動轎車在屋內無法起動。后來將方向打直后可以輕易的起動。路試過程中電動車能正常直路起動、轉彎起動。當轉彎角度太大時所需要的起動轉矩大，導致起動轉矩無法滿足。

原因分析:電動轎車不能在任何情況下產生足夠大的起動轉矩。

解決方法:修改控制器參數(shù)，進一步提高起動轉矩;大轉矩需要大電流，提高硬件電路板所能承受的最大電流，以滿足大轉矩需要控制器提供大電流的要求。

(4)電動轎車的200 A主接觸器在調試過程中很容易被燒毀。

原因分析:由于系統(tǒng)電容容量很大，開電瞬間必然對電容充電，直流電流沖擊很大，通過示波器捕捉此電流能達到200～300 A，因此容易燒毀接觸器。

解決方法:設計合適的接觸器電路，減小上電瞬間的直流脈沖電流。對以上問題進行分析解決后，在實驗臺上進行測試，電機連接在試驗臺上，控制器與電機連接，加載器采用磁粉加載器(型號CZ100)，轉矩轉速測量儀采用型號為NC－3扭矩測量儀，加速踏板用電位器模擬。進行實驗時，電位器旋轉到最大，控制器一直為最大加載狀態(tài)，電機加速到空載轉速最高值，增加磁粉加載器的加載電流，增加磁粉加載器的加載轉矩，將轉速拉低，測試電機短時運行時不同轉速下的轉矩。實驗測得轉矩如圖9所示。

圖8 實測轉矩曲線圖

試驗過程中，直流接觸器已沒有出現(xiàn)燒毀的情況，從圖8中可以看出，控制系統(tǒng)具有良好的起動性能，轉矩脈動比較小，控制器的性能得到改善，性能良好。

5 結 語

本文以純電動轎車低壓電機為對象研究了轉子磁場矢量控制算法的適用性，基于TMS320F2808矢量控制的電動轎車感應電機驅動控制器硬件設計簡便可靠。對控制器和低壓電機進的裝車和實驗調試，證明該控制器具有良好的性能，較寬的調速范圍和恒轉矩區(qū)域，以及較高的安全性，基本滿足電動轎車的要求。

［1］ Chan C C.The State of the Art of Electric，Hybrid and Fuel Cell Vehicles［J］.Proceeding of the IEEE，2007，95(4):704 － 718.

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［3］ Walivadekar V N，Manjunath H，Babu V S，et al.Development of transistorized PWM inverter fed induction motor drive for electric vehicle－ a case study［C］//Proceedings of the 1996 international Conference on power Electronics.1996:741 －747.

［4］ 阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制技術－運動控制系統(tǒng)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009:133－142.

［5］ 諸自強.陳清泉院士論文選集:現(xiàn)代電動車、電機驅動及電力電子技術［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005:5－7.

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