洪俊杰，陳思哲，郭壯志，李惜玉，黃旭珍

(1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州510006;2.南京航空航天大學(xué)，南京210026)

0 引 言

我國(guó)汽車行業(yè)石油消費(fèi)量占全國(guó)石油總消費(fèi)量1/3 以上，在石油供應(yīng)緊張、節(jié)能減排任務(wù)艱巨的大背景下，發(fā)展電動(dòng)汽車十分緊迫［1］。目前我國(guó)已經(jīng)超越美國(guó)成為CO2第一排放大國(guó)［2］，在外交談判中，生態(tài)環(huán)境和全球氣候變暖將成為沉重的包袱。2008 年，我國(guó)汽車保有量約6 467 萬(wàn)輛，碳排放高達(dá)4.5 億噸，按照目前汽車的保有量增長(zhǎng)速度，到2020年，我國(guó)汽車保有量將增加到1.5 億輛，碳排放則將高達(dá)10 億噸。

在國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能減排、建設(shè)低碳城市的背景下，向新能源汽車轉(zhuǎn)型是我國(guó)發(fā)展低碳城市的重要途徑之一。與傳統(tǒng)燃油汽車相比，電動(dòng)汽車具有排放少、效率高、削峰平谷作用的優(yōu)點(diǎn)，加之我國(guó)具有豐富的鋰資源和國(guó)家政策支持，電動(dòng)汽車將成為我國(guó)新能源汽車轉(zhuǎn)型的首選。

電動(dòng)汽車三大關(guān)鍵技術(shù)包括整車技術(shù)(包括底盤、車身輕量化技術(shù))、電池技術(shù)、電機(jī)與控制技術(shù)，同時(shí)，永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)與其他類型電機(jī)相比，具有明顯優(yōu)勢(shì)［3］，本文將展開(kāi)對(duì)車用PMSM 控制器的研究。

文獻(xiàn)［4］采用矢量控制的方法控制車用PMSM，可以看到電機(jī)電流波形較好，但并未看到其轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)速控制效果。文獻(xiàn)［5］則采用了直接轉(zhuǎn)矩控制PMSM，更加適合于電動(dòng)汽車的應(yīng)用工況，不過(guò)因?yàn)橹苯愚D(zhuǎn)矩控制中采用了滯環(huán)比較器，轉(zhuǎn)矩和磁鏈存在高頻干擾不可避免。相比較其他控制方法，電流預(yù)測(cè)控制方法具有預(yù)見(jiàn)性和目的性，且具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)、易實(shí)現(xiàn)，甚至理論上可以實(shí)現(xiàn)零電流誤差控制的優(yōu)點(diǎn)［6］，特別適合于要求電流控制器具有高動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的系統(tǒng)。電動(dòng)汽車通常對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性有較高的要求，而對(duì)其穩(wěn)態(tài)精度沒(méi)有太高的要求(因?yàn)檎酆现岭姍C(jī)控制器輸出端的負(fù)載慣量較大，可以濾除一定的高頻噪聲)，因此電流預(yù)測(cè)控制方法是理想的選擇。

本文將以PMSM 為控制對(duì)象，以電流預(yù)測(cè)控制為方法，分別從硬件和軟件兩方法設(shè)計(jì)控制器。

1 PMSM 的電流預(yù)測(cè)控制

1.1 PMSM 的模型

PMSM 直交軸電流表達(dá)式:

式中:Td，Tq，γ 為Td=Ld/R，Tq=Lq/R，γ =Lq/Ld，且Ld，Lq，R 分別為電機(jī)直軸電感、交軸電感與直交軸繞組電阻;ω(t)為電機(jī)的動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度;ψf為電機(jī)的轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈;id(t)，iq(t)為電機(jī)的直、交軸電流;ud(t)，uq(t)為電機(jī)的直、交軸電壓。

記I(t)=［id(t)，iq(t)］T，V(t)=［ud(t)，uq(t)］T。

PMSM 的連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)模型可以簡(jiǎn)化:

假設(shè)伺服控制器的采樣周期為Ts，并對(duì)式(2)進(jìn)行離散化，可得PMSM 的直交軸電流的離散時(shí)間表達(dá)式:

1.2 電流預(yù)測(cè)控制的實(shí)現(xiàn)

在第k 個(gè)時(shí)刻，將8 個(gè)電壓矢量Vj［k］，j∈{0，1，…，7}(參考文獻(xiàn)［7］)分別代入式(3)，可得:

因此對(duì)于PMSM，應(yīng)用式(4)可得到第k +1 個(gè)時(shí)刻8 個(gè)對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)電流矢量Ij［k +1］。經(jīng)過(guò)Ts周期后，電流矢量由Ij［k］轉(zhuǎn)向Ij［k+1］。定義電流矢量軌跡:

同時(shí)，還可以得到相應(yīng)的電流誤差矢量，定義為參考電流矢量與預(yù)測(cè)電流矢量的差值。即:

式中:I*［k］為第k個(gè)采樣時(shí)刻的參考電流矢量，I*［k］=［k］［k］］。

式(6)中電流誤差矢量的直交軸分量分別:

記電流誤差矢量的模為ρ［k+1］，并將k +1 換為k，則:

記選擇電壓矢量的價(jià)值函數(shù)為J，且:

那么此時(shí)被選擇的電壓矢量就是滿足式(9)的第j 個(gè)電壓矢量Vj［k］。

2 控制器的軟件設(shè)計(jì)

PMSM 的電流預(yù)測(cè)控0 制原理圖如圖1 所示。與通常的電機(jī)控制器相同的是:它同樣需要檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的角度、速度和三相繞組的電流，并將三相繞組電流通過(guò)坐標(biāo)變換至兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直交軸電流，再通過(guò)預(yù)測(cè)控制選擇一組最優(yōu)的開(kāi)關(guān)矢量來(lái)控制逆變器。

圖1 基于電流無(wú)差拍預(yù)測(cè)控制的軟件原理框圖

控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)包括主程序和中斷服務(wù)子程序。主程序主要進(jìn)行硬件和變量初始化，給各個(gè)控制寄存器賦初值，對(duì)運(yùn)算過(guò)程中使用的各種變量分配地址并設(shè)置相應(yīng)的初值。主程序?yàn)橐粋€(gè)無(wú)限的循環(huán)，它通過(guò)連續(xù)運(yùn)行EPWM1 的零中斷來(lái)起動(dòng)循環(huán)輸出PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)以控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在程序中，首先完成驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)的設(shè)定、DSP 寄存器的初始化。而子程序的功能是實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體功能的小程序，整個(gè)系統(tǒng)由多個(gè)功能單元組成，因此也有多個(gè)子程序。

控制器主流程圖如圖2 所示。首先定義聲明軟件模塊，初始化系統(tǒng)的定時(shí)器，并使能定時(shí)器中斷，然后給系統(tǒng)的基本參數(shù)賦值，對(duì)軟件模塊進(jìn)行初始化，再校驗(yàn)電流采樣單元的電流采樣值，最后允許中斷并等待中斷程序的到來(lái)。

圖2 控制器軟件主流程圖

由圖3 可見(jiàn)，當(dāng)EPWM1 的計(jì)零中斷發(fā)生時(shí)，主程序允許并接受此中斷，程序轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。在中斷服務(wù)子程序中，系統(tǒng)首先做現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，接著檢測(cè)、采樣電機(jī)的三相繞組的電流值和直流母線電壓的電壓值，并通過(guò)Clarke 和Park 變換，將三相繞組電流轉(zhuǎn)換為兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直交軸電流，為后面的電流預(yù)測(cè)控制提供反饋電流。然后，通過(guò)DSP 的SPI 口讀取旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片AD2S1205 中的角度和轉(zhuǎn)速信號(hào)。至此，電機(jī)的直交軸電流、轉(zhuǎn)子的角度和轉(zhuǎn)速信號(hào)已經(jīng)通過(guò)軟件獲得，而電機(jī)自身的一些參數(shù)已經(jīng)提前獲知，因此，可以通過(guò)電流預(yù)測(cè)控制算法得到下個(gè)控制周期所需要的功率開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)。

圖3 中斷服務(wù)程序流程圖

3 測(cè)試平臺(tái)與結(jié)果

3.1 控制器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

控制器由驅(qū)動(dòng)板和控制板組成。驅(qū)動(dòng)板包括了可以滿足IGBT 實(shí)現(xiàn)可靠的最佳驅(qū)動(dòng)所必需的電子元件，例如:極低的門極電阻以實(shí)現(xiàn)最小的開(kāi)關(guān)損耗，門極箝位，有源箝位二極管(IGBT 瞬間關(guān)斷時(shí)發(fā)生的瞬態(tài)電壓)，Vce短路電壓監(jiān)控。此外還包括用于關(guān)斷電平設(shè)置的元件及用于設(shè)置反響時(shí)間和死區(qū)時(shí)間的元器件。

圖4 為三相IGBT 功率開(kāi)關(guān)模塊的單相上下橋IGBT 管驅(qū)動(dòng)電路原理框圖。從控制板傳送過(guò)來(lái)的PWM 信號(hào)需要通過(guò)隔離電路，以減少控制板與驅(qū)動(dòng)板之間的電磁干擾。另外，由于控制板的PWM 信號(hào)電平與IGBT 管動(dòng)作電平之間的差異，需要在兩者之間加上信號(hào)電平轉(zhuǎn)換。該電平轉(zhuǎn)換電路的供電電源是經(jīng)過(guò)DC -DC 變換的直流電源。各個(gè)IGBT的集電極均配置了有源箝位電路，用于箝制IGBT瞬間關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的反向感應(yīng)電壓。同時(shí)，還對(duì)IGBT 集電極的電位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果電壓過(guò)低將做出欠壓保護(hù)，而當(dāng)單相的上下橋IGBT 直通時(shí)，將進(jìn)行短路保護(hù)，這兩種保護(hù)信號(hào)均能觸發(fā)故障信號(hào)，由SO 管腳輸出。

圖4 單相上下橋IGBT 驅(qū)動(dòng)電路原理框圖

圖5 為由六路IGBT 模塊與驅(qū)動(dòng)板組成的三相逆變模塊實(shí)物圖。

圖5 驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖

電源板與控制板實(shí)物圖如圖6 所示，它們之間通過(guò)排針和排座相連接。

圖6 電源板與控制板

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果

自主研發(fā)的控制器用于控制被測(cè)電機(jī)的運(yùn)行，被測(cè)電機(jī)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 被測(cè)電機(jī)主要參數(shù)

負(fù)載電機(jī)是一臺(tái)75 kW 的感應(yīng)電機(jī)，采用ABB的變頻器控制其運(yùn)行。測(cè)功平臺(tái)實(shí)物圖如圖7 所示，扭矩傳感器用于檢測(cè)負(fù)責(zé)扭矩的輸出。

圖7 測(cè)功平臺(tái)實(shí)物圖

自主研發(fā)的控制器的實(shí)物圖如圖8 所示。主要由控制器電源、控制單元和功率逆變器組成，圖中的仿真器用于連接仿真軟件Code composer studio 與控制器，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信和控制器的仿真調(diào)試?？刂破髋c被測(cè)電機(jī)統(tǒng)一采用一套水冷裝置，通過(guò)水循環(huán)將熱量帶至散熱片，再通過(guò)風(fēng)扇向散熱片吹風(fēng)，使系統(tǒng)溫度保持在正常工作范圍內(nèi)。

圖8 控制器的實(shí)物圖

在本實(shí)驗(yàn)中，被測(cè)電機(jī)運(yùn)行于轉(zhuǎn)矩模式，負(fù)載電機(jī)運(yùn)行于轉(zhuǎn)速模式。圖9 為當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r/min、轉(zhuǎn)矩為50 N·m 時(shí)通過(guò)CCS 軟件的示波器截圖得到的實(shí)驗(yàn)波形，橫坐標(biāo)單位均為s，縱坐標(biāo)均采用標(biāo)幺值表示。圖9 中，Channel1:電機(jī)A 相繞組電流，額定電流200 A;Channel2:電機(jī)轉(zhuǎn)子角度，標(biāo)幺值1 表示360°;Channel3:電機(jī)轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min;Channel4:電機(jī)交軸電流iq，額定電流200A。

圖9 n=1 500 r/min，T= 50 N·m 時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖9(a)中可以看出，電機(jī)A 相繞組的電流正弦度好;從圖9(b)中Channel3 曲線可以看出電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn);從圖9(b)中Channel4 曲線觀察到力矩(交軸電流)輸出也平穩(wěn)。證明轉(zhuǎn)矩輸出效果良好。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了電流預(yù)測(cè)控制方法的原理，設(shè)計(jì)了基于電流預(yù)測(cè)控制的控制器軟件算法及硬件平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性和有效性。

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