CN101264737B - 电动汽车矢量控制交流变频调速系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车矢量控制交流变频调速系统，包括DSP控制器、反旋转变换模块、两相交流/三相交流变换模块、PWM变换器、三相交流感应电机、磁链观测器、电池组，控制系统采用速度、磁链闭环控制，磁通观测器采用电流结构，即由三相定子电流和电机转速求得转子磁通的大小和相位，实现磁场定向，由于异步电动机是一个多变量相互耦合的非线性环节，通过磁场定向可以将其解耦和线性化，从而进行系统校正以获得良好的动态性能，通过对直接转矩控制技术、矢量控制技术的对比综合性研究，解决了电动汽车驱动系统变频调速的关键性技术问题，为电动汽车的驱动系统增加一种更有效的新技术。

Description

电动汽车矢量控制交流变频调速系统

技术领域

本发明涉及一种电动汽车的控制系统，尤其涉及一种基于DSP的嵌入式电动汽车矢量控制技术和PWM变频技术相结合的变频调速系统。 

背景技术

随着能源结构和燃油汽车空气污染方面的矛盾日益突出以及高能电池技术、现代电力电子与电力传动技术的发展，通过电动方式实现汽车中的传动、调节和操纵已成为汽车的一个重要发展方向。因此研究效率高、响应快、调速范围广、安全可靠的电动汽车驱动系统成为必然。电动汽车的驱动系统大体可以分为直流驱动系统和交流驱动系统两类。直流驱动系统采用直流电机作为电动机，具有控制简便、动态性能较好的特点至今仍然有广泛的应用，但是，由于直流电机换向器的存在，大大降低了系统的性能，限制了电机的最高转速并且给驱动系统的维护带来了很多问题。相对于直流电机而言，交流电机具有体积小、功率大、效率高、结构简单、易于维护等优点，但是传统的交流驱动系统的调速方式如变压调速、绕线式异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速等等这些调速方式都存在着明显的局限，随着交流变频技术、功率电子器件和微处理器技术的迅速发展，交流电机控制技术也取得了突破性进展，80年代后期和90年代，滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调控技术日趋成熟，变频调速成为当前交流调速技术的主要发展方向，其动态性能已经达到或超出了直流电机的水平，交流驱动系统正逐步取代直流驱动系统成为电动汽车驱动系统的主流。电动汽车交流驱动系统由四个主要部分组成：控制器、功率变换器、电动机及传感器。电动汽车对电气传动系统的要求一般有以下几个方面： 

1.基速以下大转矩以适应快速启动、爬坡、加速、频繁启动等要求，基速以上小转矩、恒功率、宽范围以适应高车速公路行驶和超车要求，即低速段恒转矩和中高速段恒功率特性，特性应能根据不同负荷率进行有级调节。 

2.整个转矩运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶距离尽可能长。 

3.电机及电机控制装置结构坚固、体积小、重量轻、免维护或少维护、抗颠簸震动。 

4.汽车要适应各种路面，而路面状况复杂多变，平路表现为恒转矩负载，路面凹凸不平时则为不规则扰动，上下坡又表现为势能负载，因此，要求驱动控制系统的负载适应能力特别强。 

目前世界上也有不少的公司和科研机构一直致力于电动汽车驱动系统的研究，如美国太阳电公司、通用公司、日本丰田公司、中国的中科院电工研究所、北京理工科凌电动车辆股份有限公司等，总体来说，从国外引进的电动汽车电机控制器价格很贵，而且技术封锁，不能很好与电动汽车匹配，同时采用的核心控制芯片也不是最新的，使得更优化的算法无法实现，而国内电机控制器的研究往往与汽车脱节，整车性能效果不好。 

目前电动汽车交流驱动系统主要采用VVVF(变压变频控制)、转差频率控制和矢量控制3种变频调速技术。 

VVVF技术基于交流电机的稳态特性通过调节同步频率(电源频率)来实现调速，是一种开环静态调速，不能够对变化的负载转矩进行实时调速。它可以用于启动不频繁和路面负载变化不大的电动汽车驱动系统。 

在转差频率调速控制回路中，必须同时控制两个变量：一个是转差频率Δω＝ω₁-ω；另一个是定子电流I₁。此外，还需满足最大转差频率的限制。但是与VVVF变频调速驱动系统相比，它加进了利用转差频率的转矩调节，动态特性有所改善，但由于其原理基于转矩稳态特性，仍不能达到直流电机那样的高动态性能。 

矢量控制调速驱动系统中，对于交流感应电动机，经过复杂的矢量坐标变换，可得取MT(转子旋转磁场定向)为d-q轴的旋转坐标系下的电磁转矩表达式，即： 

T_em＝p_nL_mΨ_rdi_sq/L₂                 (1) 

式中，T_em为电磁转矩；p_n为磁极对数；L_m为定子和转子间等效互感；Ψ_rd为转子磁链幅值；i_sq为定子电流交轴分量；L₂为转子等效电感。这与直流电动机的转矩表达式形式相同，可以像控制直流电动机那样控制交流感应电动机。从上式可以看出，通过矢量变换可以把交流感应电机转矩控制分解成转子磁链和定子交轴分量的控制。上式是从固定磁阻电机理论推导得出的，在瞬态情况下也成立，所以矢量控制可以用于对动态特性要求较高的电气控制系统。对于用于以交通为目的的电动汽车，启动频繁，负载变化大，要求加减速迅速，采用矢量控制技术是非常合适的。 

发明内容

本发明的所要解决的问题是提供一种高效、高速、实用的基于DSP的嵌入式电动汽车矢量控制交流变频调速系统。 

本发明所采用的技术方案是：电动汽车矢量控制交流变频调速系统包括DSP控制器、反旋转变换模块、两相交流/三相交流变换模块、PWM变换器、三相交流感应电机、磁链观测器、电池组，驾驶员踩踏油门信号经过接口电路处理传送到DSP控制器，经过计算得到驾驶员操纵的信号速度ω*、ψ*，再和定子频率信号ω、转子磁链ψ进行比较得出偏差信号，偏差信号通过DSP控制器进行矢量计算产生转子磁场定向坐标系(d/q坐标系)下解藕的两相电流指令i_sd、i_sq，然后通过反旋转变换模块以相位信号p作为两坐标系下的相位角进行矢量逆变换产生静止α/β坐标系下的两相电流指令i_a、i_β，再经两相交流/三相交流变换模块，进行静止α/β坐标系下两相交流变换到三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流，得到定子三相交流电流指令i_A1、i_B1、i_C1，PWM变换器按照三相交流电流指令中的幅值和频率两个方面把电池供给的直流电转换为驱动所需的交流电，以驱动电机并最后驱动车轮，磁链观测器接受电流传感器采集的三相定子电流i_A、i_B、i_C，经三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流变换到静止α/β坐标系下两相交流得到二相静止坐标系电流i_a1、i_β1，在经同步旋转变换并按转子磁场定向，得到d-q坐标系上的电流i_d、i_q，利用矢量控制方程获得转子磁链ψ和转差频率ω_s信号，由ω_s信号与转速传感器实测的实测转速信号ω₁相加得到定子频率信号ω，再经积分获得转子磁链的相位信号即转子磁场位置角p，并将转子磁链ψ、定子频率信号ω传送给DSP控制器，将相位信号p传送给反旋转变换模块。 

所述DSP控制器中，速度调节器根据给定速度和实际速度的偏差来决定使用不同的时间常数τn，这样与只用单一的时间常数相比，具有超调小，调节快速的特点，当实际速度在给定的某一范围内时，使用小的τn，使积分作用加强，偏差迅速减少到零，并且，当实际速度大于给定速度时，可以使速度调节器快速退出饱和状态。当实际速度在此范围之外时，采用大的τn，时速度调节器尽量不进入深饱和状态，从而使超调减少。 

所述PWM变换器采用IPM智能功率模块或IGBT驱动电路。 

所述三相交流感应电机装有温度传感器以在电机过热时送出信号经过接口电路处理送到DSP，对IPM智能功率模块或IGBT实现软件关断以使电机停止运行。 

所述DSP控制器以TI公司的TMS320LF2407A为核心。 

本发明采用矢量控制方法，控制系统采用速度、磁链闭环控制，磁通观测器采用电流结构，即由三相定子电流和电机转速求得转子磁通的大小和相位，实现磁场定向，由于异步电动机是一个多变量相互耦合的非线性环节，通过磁场定向可以将其解耦和线性化，从而进行系统校正以获得良好的动态性能；本发明通过对三相电流信号、电机转速信号、踏板油门信号等反馈输入及驾驶控制器输入输出信号的读取和判断，DSP控制器对反馈信号的读取实现矢量控制，通过门信号隔离驱动电路控制IPM智能功率模块或IGBT的输出，从而实现电机的平稳运行。 

本发明的有益效果是：本发明由电池组供电，由IPM智能功率模块或IGBT构成直、交转换电路，通过传感器和信号检测接口电路模块把采集回来的电流、速度信号送入DSP控制器，在DSP程序中通过先进的矢量算法把电流、速度信号转换成转子磁通的大小和相位，控制门板信号驱动电路驱动IPM智能功率模块或IGBT，产生变频交流电压驱动三相交流感应电动机。DSP控制器通过对驾驶控制器踏板油门信号、刹车信号、变频器温度信号等反馈输入信号的读取和判断，进行相应的处理和操作，本发明体积小、重量轻、机械磨损小、振动小、寿命长、维护工作量小、效率高、调速范围广、响应快、无污染，通过对直接转矩控制技术、矢量控制技术的对比综合性研究，解决了电动汽车驱动系统变频调速的关键性技术问题，为电动汽车的驱动系统增加一种更有效的新技术。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明： 

图1是本发明具体实施方式的电动汽车矢量控制交流变频调速系统方框图。 

具体实施方式

图1是本发明具体实施方式的矢量控制交流变频调速系统方框图，如图1所示，电动汽车矢量控制交流变频调速系统包括DSP控制器、反旋转变换模块、两相交流/三相交流变换模块、PWM变换器、三相交流感应电机、磁链观测器、电池组，电池组为144V或72V高能电池组、高效三相输出的智能功率模块、75V(对应144V电池组)或38V(对应72V电池组)的三相交流感应电机、PWM变换器采用IPM智能功率模块或IGBT驱动电路、DSP控制器以TI公司TMS320LF2407A为核心，还包括开关电源、A/D转换接口电路、电机转速接口电路、总线、驾驶控制电路等(图中未示出)。 

驾驶员踩踏油门信号经过接口电路处理传送到DSP控制器，经过计算得到驾驶员操纵的信号速度ω*、ψ*，再和定子频率信号ω、转子磁链ψ进行比较得出偏差信号，偏差信号通过DSP控制器进行矢量计算产生转子磁场定向坐标系(d/q坐标系)下解藕的两相电流指令i_sd、i_sq，然后通过反旋转变换模块以相位信号p作为两坐标系下的相位角进行矢量逆变换产生静止α/β坐标系下的两相电流指令i_a、i_β，再经两相交流/三相交流变换模块，进行静止α/β坐标系下两相交流变换到三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流，得到定子三相交流电流指令i_A1、i_B1、i_C1，PWM变换器按照三相交流电流指令中的幅值和频率两个方面把电池供给的直流电转换为驱动所需的交流电，以驱动电机并最后驱动车轮，磁链观测器接受电流传感器采集的三相定子电流i_A、i_B、i_C，经三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流变换到静止α/ β坐标系下两相交流得到二相静止坐标系电流i_a1、i_β1，在经同步旋转变换并按转子磁场定向，得到d-q坐标系上的电流i_d、i_q，利用矢量控制方程获得转子磁链ψ和转差频率ω_s信号，由ω_s信号与转速传感器实测的实测转速信号ω₁相加得到定子频率信号ω，再经积分获得转子磁链的相位信号即转子磁场位置角p，并将转子磁链ψ、定子频率信号ω传送给DSP控制器，将相位信号p传送给反旋转变换模块。 

为了防止共模噪声对IPM智能功率模块或IGBT的干扰，在IPM控制电源端接一个至少无极10uF的退藕电容，该电容帮助过滤共模噪声并提供IPM或IGBT栅极电路所需电流。 

为防止IPM智能功率模块或IGBT各个器件之间相互干扰，给每个模块单独供电，并且数字系统电源、A/D基准电压、通讯模块电源分别供应，以提高系统的抗干扰能力。 

为了防止汽车震动带来的影响，控制系统整体和各个部件的安装，都加固了并且进行了防震设计。 

在系统中，为了保证系统的可靠运行，还在系统中加载了电机过热保护、IPM智能功率模块或IGBT过热保护、电源欠压保护、过流保护、短路保护等。 

当电机过热时，装在电机上的温度传感器送出的信号经过接口电路的处理送到DSP，程序对IGBT实现软件关断，电机停止运行。 

当蓄电池电压低于设定值(当采用144V供电时为100V，当采用72V供电时为50V)时，关断IGBT并输出故障信号给DSP，程序通过总线向驾驶室发出报警。 

当流过IGBT的电流超过数值并大于时间t_off＝10us时，IGBT被程序有效的软关断。 

当发生负载短路或IGBT上下臂直通时，立即关断IGBT并输出故障信号，由DSP系统通知驾驶室。由于采用了实时电流检测技术RTC(Real time current control circuit)，使响应时间小于100ns。 

Claims (5)

1.一种电动汽车矢量控制交流变频调速系统，其特征在于：所述电动汽车矢量控制交流变频调速系统包括DSP控制器、反旋转变换模块、两相交流/三相交流变换模块、PWM变换器、三相交流感应电机、磁链观测器，驾驶员踩踏油门信号经过接口电路处理传送到DSP控制器，经过计算得到驾驶员操纵的信号速度ω*、ψ* ，再和定子频率信号ω、转子磁链ψ进行比较得出偏差信号，偏差信号通过DSP控制器进行矢量计算产生转子磁场定向坐标系下解藕的两相电流指令i_sd、i_sq，然后通过反旋转变换模块以相位信号p作为两坐标系下的相位角进行矢量逆变换产生静止α/β坐标系下的两相电流指令i_a、i_β，再经两相交流/三相交流变换模块，进行静止α/β坐标系下两相交流变换到三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流，得到定子三相交流电流指令i_A1、i_B1、i_C1，PWM变换器按照三相交流电流指令中的幅值和频率两个方面把电池供给的直流电转换为驱动所需的交流电，以驱动电机并最后驱动车轮，磁链观测器接受电流传感器采集的三相定子电流i_A、i_B、i_C，经三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流变换到静止α/β坐标系下两相交流得到二相静止坐标系电流i_a1、i_β1，在经同步旋转变换并按转子磁场定向，得到d-q坐标系上的电流i_d、i_q，利用矢量控制方程获得转子磁链ψ和转差频率ω_s信号，由ω_s信号与转速传感器实测的转速信号ω₁相加得到定子频率信号ω，再经积分获得转子磁链的相位信号p，并将转子磁链ψ、定子频率信号ω传送给DSP控制器，将相位信号p传送给反旋转变换模块。

2.如权利要求1所述电动汽车矢量控制交流变频调速系统，其特征在于：所述DSP控制器中，速度调节器根据给定速度和实际速度的偏差来决定使用不同的时间常数τn。

3.如权利要求1或2所述电动汽车矢量控制交流变频调速系统，其特征在于：所述PWM变换器采用IPM智能功率模块或IGBT驱动电路。

4.如权利要求3所述电动汽车矢量控制交流变频调速系统，其特征在于：所述三相交流感应电机装有温度传感器以在电机过热时送出信号经过接口电路处理送到DSP，对IPM智能功率模块或IGBT实现软件关断以使电机停止运行。

5.如权利要求4所述电动汽车矢量控制交流变频调速系统，其特征在于：所述DSP控制器以TI公司的TMS320LF2407A为核心。 

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