王艷 許燁 王世國(guó) 李素雙

摘 要：文章針對(duì)低速電動(dòng)汽車，設(shè)計(jì)了一款基于DSP芯片的交流異步電機(jī)控制器。根據(jù)低速電動(dòng)車運(yùn)行環(huán)境、使用便捷性及安全性的要求，給出電機(jī)控制器的整體設(shè)計(jì)方案和詳細(xì)的電路實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)踐證明，該款控制器對(duì)電機(jī)適用性強(qiáng)，效率高，各種保護(hù)功能齊全。

關(guān)鍵詞：新能源；交流異步電機(jī)；電機(jī)控制器；DSP

引言

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的興起，電動(dòng)汽車以低成本運(yùn)營(yíng)，綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)進(jìn)入到人們的生活中。低速電動(dòng)車作為一種新型的代步工具，在農(nóng)村占據(jù)了很大的市場(chǎng)。但是低速電動(dòng)車目前使用的電機(jī)及控制器大多為直流有刷控制系統(tǒng)。直流有刷控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是電機(jī)維護(hù)費(fèi)用高，最高轉(zhuǎn)速低，爬坡能力有限，這些因素一直制約著低速電動(dòng)車的推廣。交流異步電機(jī)控制系統(tǒng)可以有效克服直流有刷控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，但是價(jià)格偏高。本設(shè)計(jì)在電路設(shè)計(jì)及器件選型上做了大量的分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，提供了一種操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的低速電動(dòng)車用交流異步電機(jī)控制器。

1 電機(jī)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車電機(jī)控制器主要工作方式為扭矩控制方式。工作原理為：采集車輛油門踏板的信號(hào)和電機(jī)速度傳感器信號(hào)作為輸入，根據(jù)檢測(cè)到的電機(jī)U、V、W的相電流做閉環(huán)反饋，得到電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要的PWM波形。同時(shí)，電機(jī)控制器需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的溫度信號(hào)、電流大小、控制器的溫度信號(hào)、電壓信號(hào)等，保障控制系統(tǒng)的安全及行車的安全。為了方便實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)參數(shù)的匹配設(shè)置及整車特性的設(shè)置，專門設(shè)計(jì)了CAN總線通信電路，提高了控制器使用的方便性及故障定位的便捷性。本設(shè)計(jì)共由三部分組成，控制板、功率板及電容?；谏鲜龉δ?，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

控制器的主芯片采用TI公司的TMS320LF2406，該款芯片將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案?？刂破鞯耐鈬娐分饕ǎ耗M量檢測(cè)電路、開(kāi)關(guān)量檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速采集電路及CAN通信電路、參數(shù)存電路。

1.1 模擬量檢測(cè)電路

模擬量檢測(cè)電路通過(guò)運(yùn)放完成對(duì)輸入油門踏板信號(hào)的采集功能。如圖2所示。

圖2 模擬量檢測(cè)電路原理圖

1.2 電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)電路是電機(jī)控制器系統(tǒng)的重要組成部分，電路如圖3所示。電流采樣的準(zhǔn)確性影響電機(jī)相電壓矢量三角形的閉合性，即影響電機(jī)的效率及運(yùn)行的平穩(wěn)性。但是由于集成的電流傳感器價(jià)格比較貴，本設(shè)計(jì)采用Allegro公司的A1326芯片，配合磁環(huán)進(jìn)行電流的檢測(cè)，通過(guò)改變磁環(huán)的磁場(chǎng)氣隙，可以調(diào)整電流的檢測(cè)范圍。實(shí)踐證明，使用該電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的準(zhǔn)確采集。

1.3 電壓檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路可以通過(guò)檢測(cè)電池的端電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的過(guò)欠壓報(bào)警，如圖4所示。由于蓄電池的工作電壓范圍比較寬，為了準(zhǔn)確檢測(cè)到最高電壓和最低電壓，本設(shè)計(jì)采用了雙運(yùn)放分段采集的方式。其中，低電壓由U8A檢測(cè)，高電壓由U8B部分電路檢測(cè)。低電壓段輸出：V0=（R58*（1/（R57+R45）+1/R58+1/R56）*Vi+）-R58/R56*VREF。高電壓段輸出：V1=（R49*（1/R52+1/R49+1/R50）*Vi+）-R49/R50*VREF。其中，Vi+=R48/（R37+R48）*Udc，VREF=3.0Vdc。此種檢測(cè)方法大大提高了電壓的采集精度，而且電路簡(jiǎn)單，器件便宜。

圖4 電壓檢測(cè)電路原理圖

1.4 溫度檢測(cè)電路

圖5為電機(jī)溫度檢測(cè)電路。將電機(jī)溫度傳感器信號(hào)從motor_temp信號(hào)端引入。通過(guò)更改R2、R3電阻的值，可以實(shí)現(xiàn)匹配不同型號(hào)的溫度傳感器，如PT100，KTY84等。

圖5 溫度檢測(cè)電路原理圖

1.5 轉(zhuǎn)速采集電路

本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的場(chǎng)合是低速電動(dòng)車，所以電機(jī)使用的轉(zhuǎn)速傳感器大多數(shù)為編碼器。采集電路如圖6所示。通過(guò)設(shè)置電阻R172、R62、R66和R67，以及R173、R61、R64和R65的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電壓類型編碼器的信號(hào)采集。

圖6 轉(zhuǎn)速采集電路原理圖

1.6 CAN通信電路

CAN通信電路采用CAN收發(fā)電路82C250實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。在CAN的輸出端增加共模濾波電感L10，增強(qiáng)了CAN總線的抗干擾性。

1.7 參數(shù)存儲(chǔ)電路

參數(shù)存儲(chǔ)功能使用EEPROM芯片ST93C66，如圖8所示。通過(guò)CAN總線傳入的設(shè)置參數(shù)，存儲(chǔ)在非易失性EEPROM中，以適應(yīng)對(duì)不同電機(jī)參數(shù)的匹配。同時(shí)，電機(jī)及控制器如果出現(xiàn)故障，也可以將故障代碼存儲(chǔ)在該EEPROM中，然后通過(guò)CAN總線發(fā)送出去，方便用戶對(duì)設(shè)備的故障定位及檢修。

圖8 參數(shù)存儲(chǔ)電路原理圖

2 結(jié)束語(yǔ)

文章詳細(xì)論述了采用 TMS320LF2406 DSP為核心的低速車交流異步電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)，給出了模擬量采集、電流采集、電壓采集、CAN通信等電路的設(shè)計(jì)方法及器件選型。本電機(jī)控制器通過(guò)臺(tái)架測(cè)試及實(shí)際車輛道路測(cè)試，證明硬件電路工作可靠，控制器效率達(dá)到95%以上，各種保護(hù)功能完善。通過(guò)CAN總線進(jìn)行電機(jī)匹配設(shè)置及故障讀取，增強(qiáng)了控制器的可操作性，方便了用戶使用。圖9為該款控制器安裝圖。

圖9 控制器實(shí)車安裝圖

參考文獻(xiàn)

[1]王曉明.電動(dòng)機(jī)的DSP控制：TI公司DSP應(yīng)用（第2版）[M].北京航天大學(xué)出版社，2009.

[2]"Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor using TMS320F240"Texas Instrument 1998，3.

作者簡(jiǎn)介：王艷（1978-），黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，研究方向：電動(dòng)驅(qū)動(dòng)及控制。