电动轿车用异步电动机矢量控制系统研究

李才强，刘和平

(重庆大学，重庆400044)

0 引 言

电动汽车具有无污染、噪声低等特点。21世纪，发展电动汽车是人类解决能源危机与大气污染的主要途径之一［1－2］。高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统是电动汽车的心脏。异步电动机以其结构简单、运行可靠、经久耐用在电动汽车上得到了广泛的应用［5－6］。电动汽车运行对驱动控制器及其算法有特殊要求:要求有优良的转矩控制特性，来满足电动汽车频繁起动、停车、加速减速、能量回馈、低速大转矩爬坡、高速恒功率运行等工况。在起动和加速时应具有高功率密度，在电动汽车速度平稳运行时，输出功率要小，但要求高效率。很显然，这种应用环境与其他场合的要求存在显著差异。

目前，电动轿车感应电机及驱动控制器通常采用两种控制方法:转子磁场定向矢量控制和直接转矩控制。转子磁场定向适量控制具有类似直流电机的转矩控制特性，得到了广泛的应用。当前多数电动汽车控制器采用大电压加IGBT来驱动电机，在带来大转矩的同时，也带来了安全隐患。一旦发生漏电，对人体的伤害将是致命的。本文采用额定电压为48 V的低压电机作为电动轿车驱动电机，以TI公司生产的DSP芯片TMS320F2808作为核心控制芯片，采用SVPWM技术和电压型逆变器，设计了一款用于纯电动轿车的控制器及转子磁场定向矢量控制系统。降低了控制系统的成本，同时提高了整个电动轿车的安全性，并进行了装车试验，效果良好。

1 基于转子磁场定向的异步电动机矢量控制

在同步旋转坐标系d－q坐标系下，为了实现间接矢量控制的解耦控制，取转子总磁链ψr的方向为d轴，q轴为逆时针旋转90°，即垂直于转子磁链ψr，则定子电压和转子磁链方程可表示［4］:

本文采用SVPWM控制方式，与SPWM相比，应用SVPWM技术，电机电流谐波更小，而且电压型逆变器直流母线的电压的利用率得到了提高［3－4］。

1.1 转子磁链位置角

转子磁场定向后，转子磁链位置角θ=∫(ωs+ωr)dt，其中转差频率ωs通过式(4)来计算，在Simulink中搭建仿真模型如图1所示。

图1 转子磁链位置角仿真模型

在MATLAB/Simulink中搭建整个控制器仿真图，如图2所示。

图2 转子磁场定向矢量控制仿真模型

2 系统实现

2.1 系统硬件设计

控制器主芯片采用TMS320F2808 DSP芯片，功率板采用12个低压大电流的MOSFET并联，提高了系统过流能力，控制器可以承受600 A的电流，降低了系统成本。采用IR公司生产的IR21363S作为MOSFET的驱动芯片，IR21363S有三个独立的高压侧和低压侧输出信号，可同时输出6路PWM波，同时具有硬件过流保护，提高控制器的可靠性和稳定性。电流采样采用霍尔和磁环配合的方式，并通过RC滤波电路进行滤波，降低了控制器成本，提高了AD采样的准确性和控制器的可靠性。通过CAN通信与触摸屏液晶显示器进行相互通信，实现了控制器的人机交互功能。系统硬件框图如图3所示。

图3 系统硬件框图

2.2 系统软件设计

系统软件采用C语言编写，系统程序流程图如图4所示。

图4 系统程序流程图

3 仿真和实验结果分析

本系统实验采用16节3.3 V的磷酸铁锂电池串联作为供电电源。仿真和实验电机参数:采用4极Y型连接的三相鼠笼电机，PN=5 kW，UN=48 V，fN=68 Hz，额定转速为2 040 rad/s，转子电阻0.002 732 1 Ω，定子电阻 0.003 123 65 Ω 定子和转子漏感均为0.000 008 139H，定转子之间的互感为0.000 273 163H。

3.1 仿真分析

对图2的电动汽车矢量控制系统进行仿真分析，仿真波形如图5所示。

仿真时将电机电流有效值限制在400 A，没有超出控制器能承受的最大电流600 A，电机转速给定为2 000 r/min，先让电机空载起动，在0.7 s时给电机加50 N·m负载。从图5中可以看出电机起动时转矩很大，几乎达到100 N·m，满足电动轿车起动要求。电机转速超调量非常小，在突加负载时电机转速能稳定在给定转速，可见电机调速性能优良。

图5 电动轿车矢量控制系统仿真波形

3.2 实验分析

实验采用泰克公司的数字存储示波器(型号DPO4034)和500 A电流探头(型号TCPA400)，该数字存储示波器带U盘接口，可用U盘存储采集数据。测试时三相相电压经过RC滤波后测得，R=10 kΩ，C=100 nF。实验结果如图6所示。

图6 带载运行时相电流和相电压波形

实验测得电机在800转时，输出转矩为90.55 N·m;3 200 r/min时，输出转矩为45.32 N·m。从图6中我们可以看出，电机在带负载运行时，电压和电流波形为较理想的正弦波，本控制系统具有良好的性能。

4 仿真和装车调试中遇到的问题及解决方法

4.1 仿真过程中遇到的问题

仿真过程中在计算转子磁链位置角时，如果直接用式(4)来计算转差，由于初始时刻ψr=0，这将导致式(4)分母为零，仿真时将报错。解决方法是初始时让ψr=ψr+0.000 001，然后再代入式(4)计算。由于0.000 001非常小，不会对仿真结果产生影响。

在仿真时检测回来的转速ωr在计算磁链角位置时必须乘以极对数p，不然将导致转子磁链位置角计算不准确。

4.2 装车调试过程遇到的问题及解决方法

本文研究的控制器和电机在奥拓改装车上进行装车调试，如图7所示。遇到的问题及解决方法如下:

图7 实际装车调试图

(1)装车调试时不踩踏板电机都有抖动过程

原因分析:由电流采样不准以及转矩分量和磁通分量分解误差引起。因为此时给了转矩分量和磁通分量，所以会有一个转矩加在转子上，但是该转矩又不足以使得电机起动，所以就产生了抖动过程;如果将不踩踏板时的磁通分量和转矩分量都给得很小，则不会抖动，但是，在踏板松完的时候就会有磁通分量瞬变，会发生自激，导致大电流。

解决方法:改善相电流采样精度，保证在零电压点的采样准确。在保证相电流准确的前提下，调整磁通估计的电机参数，使得转矩分量和磁通分量完全解藕。

(2)行驶过程中加速过快自激问题。调试时，猛踩加速踏板烧毁控制器

原因分析:起动时必须要在瞬时产生很大的转矩，才能使得汽车快速起动，此时转矩分量就是要变化快，但是太快又会产生自激现象，加速过程中如果踩踏板太快电机将发生自激，将产生大电流，有烧坏控制器的危险，并会发生刺耳的声音。

解决方法:修改控制参数，减缓转矩的变化过程，同时协调起动时转矩的快速性要求。

(3)装车调试时，起初电动轿车在屋内无法起动。后来将方向打直后可以轻易的起动。路试过程中电动车能正常直路起动、转弯起动。当转弯角度太大时所需要的起动转矩大，导致起动转矩无法满足。

原因分析:电动轿车不能在任何情况下产生足够大的起动转矩。

解决方法:修改控制器参数，进一步提高起动转矩;大转矩需要大电流，提高硬件电路板所能承受的最大电流，以满足大转矩需要控制器提供大电流的要求。

(4)电动轿车的200 A主接触器在调试过程中很容易被烧毁。

原因分析:由于系统电容容量很大，开电瞬间必然对电容充电，直流电流冲击很大，通过示波器捕捉此电流能达到200～300 A，因此容易烧毁接触器。

解决方法:设计合适的接触器电路，减小上电瞬间的直流脉冲电流。对以上问题进行分析解决后，在实验台上进行测试，电机连接在试验台上，控制器与电机连接，加载器采用磁粉加载器(型号CZ100)，转矩转速测量仪采用型号为NC－3扭矩测量仪，加速踏板用电位器模拟。进行实验时，电位器旋转到最大，控制器一直为最大加载状态，电机加速到空载转速最高值，增加磁粉加载器的加载电流，增加磁粉加载器的加载转矩，将转速拉低，测试电机短时运行时不同转速下的转矩。实验测得转矩如图9所示。

图8 实测转矩曲线图

试验过程中，直流接触器已没有出现烧毁的情况，从图8中可以看出，控制系统具有良好的起动性能，转矩脉动比较小，控制器的性能得到改善，性能良好。

5 结 语

本文以纯电动轿车低压电机为对象研究了转子磁场矢量控制算法的适用性，基于TMS320F2808矢量控制的电动轿车感应电机驱动控制器硬件设计简便可靠。对控制器和低压电机进的装车和实验调试，证明该控制器具有良好的性能，较宽的调速范围和恒转矩区域，以及较高的安全性，基本满足电动轿车的要求。

［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.

［2］ Mutoh N，Kaneko S，Miyazaki T，et al.A torque controller suitable for dlectric vehicles［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，1997，44(1):54 －63.

［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，陈伯时.电力拖动自动控制技术－运动控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2009:133－142.

［5］ 诸自强.陈清泉院士论文选集:现代电动车、电机驱动及电力电子技术［M］.北京:机械工业出版社，2005:5－7.

［6］ 王克奇，曲发义.电动汽车交流驱动系统［J］.东北林业大学学报，2002，30(5):73－76.