專利名稱：電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)的制作方法
電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)技水領域本發(fā)明涉及一種電動汽車的控制系統(tǒng)，尤其涉及一種基于DSP的嵌入式電動汽車矢量控 制技術和PWM變頻技術相結合的變頻調速系統(tǒng)。
背景技術：
隨著能源結構和燃油汽車空氣污染方面的矛盾日益突出以及高能電池技術、現(xiàn)代電力電 子與電力傳動技術的發(fā)展，通過電動方式實現(xiàn)汽車中的傳動、調節(jié)和操縱已成為汽車的一個 重要發(fā)展方向。因此研究效率高、響應快、調速范圍廣、安全可靠的電動汽車驅動系統(tǒng)成為 必然。電動汽車的驅動系統(tǒng)大體可以分為直流驅動系統(tǒng)和交流驅動系統(tǒng)兩類。直流驅動系統(tǒng) 采用直流電機作為電動機，具有控制簡便、動態(tài)性能較好的特點至今仍然有廣泛的應用，但 是，由于直流電機換向器的存在，大大降低了系統(tǒng)的性能，限制了電機的最高轉速并且給驅 動系統(tǒng)的維護帶來了很多問題。相對于直流電機而言，交流電機具有體積小、功率大、效率 高、結構簡單、易于維護等優(yōu)點，但是傳統(tǒng)的交流驅動系統(tǒng)的調速方式如變壓調速、繞線式 異步電機轉子串電阻調速、串級調速、變極調速等等這些調速方式都存在著明顯的局限，隨 著交流變頻技術、功率電子器件和微處理器技術的迅速發(fā)展，交流電機控制技術也取得了突 破性進展，80年代后期和90年代，滑差控制、矢量控制、直接轉矩控制等交流電機的調控 技術日趨成熟，變頻調速成為當前交流調速技術的主要發(fā)展方向，其動態(tài)性能已經(jīng)達到或超 出了直流電機的水平，交流驅動系統(tǒng)正逐步取代直流驅動系統(tǒng)成為電動汽車驅動系統(tǒng)的主流。 電動汽車交流驅動系統(tǒng)由四個主要部分組成控制器、功率變換器、電動機及傳感器。電動 汽車對電氣傳動系統(tǒng)的要求一般有以下幾個方面1. 基速以下大轉矩以適應快速啟動、爬坡、加速、頻繁啟動等要求，基速以上小轉 矩、恒功率、寬范圍以適應高車速公路行駛和超車要求，即低速段恒轉矩和中高 速段恒功率特性，特性應能根據(jù)不同負荷率進行有級調節(jié)。2. 整個轉矩運行范圍內的效率最優(yōu)化，以謀求電池一次充電后的續(xù)駛距離盡可能長。3. 電機及電機控制裝置結構堅固、體積小、重量輕、免維護或少維護、抗顛簸震動。4. 汽車要適應各種路面，而路面狀況復雜多變，平路表現(xiàn)為恒轉矩負栽，路面凹凸 不平時則為不規(guī)則擾動，上下坡又表現(xiàn)為勢能負栽，因此，要求驅動控制系統(tǒng)的 負載適應能力特別強。目前世界上也有不少的公司和科研機構一直致力于電動汽車驅動系統(tǒng)的研究，如美國太 陽電公司、通用公司、日本豐田公司、中國的中科院電工研究所、北京理工科凌電動車輛股份有限公司等，總體來說，從國外引進的電動汽車電^Wt制器價格很貴，而且技術封鎖，不能很好與電動汽車匹配，同時采用的核心控制芯片也不是最新的，使得更優(yōu)4匕的算法無法實 現(xiàn)，而國內電機控制器的研究往往與汽車脫節(jié)，整車性能效果不好。目前電動汽車交流驅動系統(tǒng)主要采用VVVF(變壓變頻控制)、轉差頻率控制和矢量控制3 種變頻調速技術。VVVF技術基于交流電機的穩(wěn)態(tài)特性通過調節(jié)同步頻率(電源頻率)來實現(xiàn)調速，是一種 開環(huán)靜態(tài)調速，不能夠對變化的負栽轉矩進行實時調速。它可以用于啟動不頻繁和路面負載 變化不大的電動汽車驅動系統(tǒng)。在轉差頻率調速控制回路中，必須同時控制兩個變量 一個是轉差頻率A oo = co,- co; 另一個是定子電流I,。此外，還需滿足最大轉差頻率的限制。但是與VVVF變頻調速驅動系統(tǒng) 相比，它加進了利用轉差頻率的轉矩調節(jié)，動態(tài)特性有所改善，但由于其原理基于轉矩穩(wěn)態(tài) 特性，仍不能達到直流電機那樣的高動態(tài)性能。矢量控制調速驅動系統(tǒng)中，對于交流感應電動機，經(jīng)過復雜的矢量坐標變換，可得取MT (轉子旋轉磁場定向)為d-q軸的旋轉坐標系下的電磁轉矩表達式，即 T加二p"Us,/L2 (1)式中，L為電磁轉矩；Pn為磁極對數(shù)；！^為定子和轉子間等效互感；td為轉子磁鏈幅值； is,為定子電流交軸分量；L2為轉子等效電感。這與直流電動機的轉矩表達式形式相同，可以 像控制直流電動機那樣控制交流感應電動機。從上式可以看出，通過矢量變換可以把交流感 應電機轉矩控制分解成轉子磁鏈和定子交軸分量的控制。上式是從固定磁阻電機理論推導得 出的，在瞬態(tài)情況下也成立，所以矢量控制可以用于對動態(tài)特性要求較高的電氣控制系統(tǒng)。 對于用于以交通為目的的電動汽車，啟動頻繁，負載變化大，要求加減速迅速，采用矢量控 制技術是非常合適的。發(fā)明內容本發(fā)明的所要解決的問題是提供一種高效、高速、實用的基于DSP的嵌入式電動汽車矢 量控制變頻調速系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的技術方案是電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)包括DSP控制器、反旋轉變換模塊、兩相交流/三相交流變換模塊、PWM變換器、三相交流感應電才幾、磁鏈觀測器、電池組，駕駛員 油門信號經(jīng)過接口電路處理傳送到DSP控制器，經(jīng)過計算得到駕駛員操 縱的信號速度co、 c|>*，再和定子頻率信號co、轉子磁鏈c))進行比較，偏差信號通過DSP控 制器進行矢量計算產(chǎn)生轉子磁場定向坐標系(d/q坐標系)下解藕的兩相電流指令isd、 is,, 然后通過反旋轉變換模塊以相位信號p作為兩坐標系下的相位角進行矢量逆變換產(chǎn)生靜止oc /P坐標系下的兩相電流指令i,、 ie,再經(jīng)兩相交流/三相交流變換模塊，進行靜止a/P坐標 系下兩相交流變換到三相交流坐標u-v-w坐標系下三相交流,得到定子三相交流電流指令i"、 iB1、 i", PWM變換器按照三相交流電流指令中的幅值和頻率兩個方面把電池供給的直流電轉 換為驅動所需的交流電，以驅動電機并最后驅動車輪，磁鏈觀測器接受電流傳感器采集的三 相定子電流L、 iB、 ic,經(jīng)三相交流坐標u-v-w坐標系下三相交流變換到靜止ct/P坐標系下 兩相交流得到二相靜止坐標系電流i"、 iei，在經(jīng)同步旋轉變換并按轉子磁場定向，得到d-q 坐標系上的電流id、 iq,利用矢量控制方程獲得轉子i茲鏈4)和轉差頻率(Os信號，由Ws信號與 轉速傳感器實測的實測轉速信號co,相加得到定子頻率信號(0 ,再經(jīng)積分獲得轉子磁鏈的相位 信號即轉子磁場位置角p,并將轉子磁鏈cj)、定子頻率信號co傳送給DSP控制器，將相位信 號p傳送給反旋轉變換模塊。所述DSP控制器中，速度調節(jié)器根據(jù)給定速度和實際速度的偏差來決定使用不同的時間 常數(shù)Tn，這樣與只用單一的時間常數(shù)相比，具有超調小，調節(jié)快速的特點，當實際速度在給 定的某一范圍內時，使用小的Tn，使積分作用加強，偏差迅速減少到零，并且，當實際速度 大于給定速度時，可以使速度調節(jié)器快速退出飽和狀態(tài)。當實際速度在此范圍之外時，采用 大的Tn,時速度調節(jié)器盡量不進入深飽和狀態(tài)，從而使超調減少。所述PWM變換器采用IPM智能功率模塊或IGBT驅動電路。所述三相交流感應電機裝有溫度傳感器以在電機過熱時送出信號經(jīng)過接口電路處理送 到DSP，對IPM智能功率模塊或IGBT實現(xiàn)軟件關斷以使電機停止運行。 所述DSP控制器以TI公司的TMS320LF2407A為核心。本發(fā)明采用矢量控制方法，控制系統(tǒng)采用速度、磁鏈閉環(huán)控制，磁通觀測器采用電流結 構，即由三相定子電流和電機轉速求得轉子磁通的大小和相位，實現(xiàn)磁場定向，由于異步電 動機是一個多變量相互耦合的非線性環(huán)節(jié)，通過磁場定向可以將其解耦和線性化，從而進行 系統(tǒng)校正以獲得良好的動態(tài)性能；本發(fā)明通過對三相電流信號、電機轉速信號、踏板油門信 號等反饋輸入及駕駛控制器輸入輸出信號的讀取和判斷，DSP控制器對反饋信號的讀取實現(xiàn) 矢量控制，通過門信號隔離驅動電路控制IPM智能功率才莫塊或IGBT的輸出，從而實現(xiàn)電機的 平穩(wěn)運行。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明由電池組供電，由IPM智能功率模塊或IGBT構成直、交 轉換電路，通過傳感器和信號檢測接口電路模塊把采集回來的電流、速度信號送入DSP控制 器，在DSP程序中通過先進的矢量算法把電流、速度4言號轉換成轉子磁通的大小和相位，控 制門極信號驅動電路驅動IPM智能功率模塊或IGBT,產(chǎn)生變頻交流電壓驅動三相交流感應電 動機。DSP控制器通過對駕駛控制器踏板油門信號、剎車信號、變頻器溫度信號等反饋輸入 信號的讀取和判斷，進行相應的處理和操作，本發(fā)明體積小、重量輕、^W^磨損小、振動小、 壽命長、維護工作量小、效率高、調速范圍廣、響應快、無污染，通過對直接轉矩控制技術、 矢量控制技術的對比綜合性研究，解決了電動汽車驅動系統(tǒng)變頻調速的關鍵性技術問題，為 電動汽車的驅動系統(tǒng)增加一種更有效的新技術。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明圖1是本發(fā)明具體實施方式
的電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)方框圖。
具體實施方式
圖l是本發(fā)明具體實施方式
的矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)方框圖，如圖l所示，電動汽 車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)包括DSP控制器、反旋轉變換模塊、兩相交流/三相交流變換模 塊、PWM變換器、三相交流感應電機、磁鏈觀測器、電池組，電池組為144V或72V高能電池 組、高效三相輸出的智能功率模塊、75V (對應144V電池組)或38V (對應72V電池組)的 三相交流感應電機、PWM變換器采用IPM智能功率模塊或IGBT驅動電路、DSP控制器以TI公 司TMS320LF2407A為核心，還包括開關電源、A/D轉換接口電路、電機轉速接口電路、總線、 駕駛控制電路等(圖中未示出)。駕駛員^M皆油門信號經(jīng)過接口電路處理傳送到DSP控制器，經(jīng)過計算得到駕駛員操縱的 信號速度(0*、 cj)*，再和定子頻率信號w、轉子磁鏈cl)進行比較，偏差信號通過DSP控制器 進行矢量計算產(chǎn)生轉子磁場定向坐標系(d/q坐標系)下解藕的兩相電流指令isd、 U，然后 通過反旋轉變換模塊以相位信號p作為兩坐標系下的相位角進行矢量逆變換產(chǎn)生靜止a/P 坐標系下的兩相電流指令i,、 ie,再經(jīng)兩相交流/三相交流變換模塊，進行靜止a/p坐標系 下兩相交流變換到三相交流坐標u-v-w坐標系下三相交流，得到定子三相交流電流指令i"、 iB1、 iei, PWM變換器按照三相交流電流指令中的幅值和頻率兩個方面把電池供給的直流電轉 換為驅動所需的交流電，以驅動電機并最后驅動車輪，磁鏈觀測器接受電流傳感器采集的三相定子電流h、 iB、 ic,經(jīng)三相交流坐標u-v-w坐標系下三相交流變換到靜止a/P坐標系下兩相交流得到二相靜止坐標系電流i"、 ipi，在經(jīng)同步旋轉變換并按轉子磁場定向，得到d-q 坐標系上的電流ia、 i,，利用矢量控制方程獲得轉子^茲鏈4)和轉差頻率Ws信號，由Ws信號與 轉速傳感器實測的實測轉速信號co ,相加得到定子頻率信號w ,再經(jīng)積分獲得轉子^ t鏈的相位 信號即轉子磁場位置角p，并將轉子磁鏈cjj、定子頻率信號co傳送給DSP控制器，將相位信 號p傳送給反旋轉變換模塊。為了防止共模噪聲對IPM智能功率模塊或IGBT的干擾，在IPM控制電源端接一個至少無 極lOuF的退藕電容，該電容幫助過濾共模噪聲并提供IPM或IGBT柵極電路所需電流。為防止IPM會能功率模塊或IGBT各個器件之間相互千擾，給每個模塊單獨供電，并且數(shù) 字系統(tǒng)電源、A/D基準電壓、通訊模塊電源分別供應，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。為了防止汽車震動帶來的影響，控制系統(tǒng)整體和各個部件的安裝，都加固了并且進行了 防震設計。在系統(tǒng)中，為了保證系統(tǒng)的可靠運行，還在系統(tǒng)中加栽了電機過熱保護、IPM智能功率 模塊或IGBT過熱保護、電源欠壓保護、過流保護、短路保護等。當電機過熱時，裝在電機上的溫度傳感器送出的信號經(jīng)過接口電路的處理送到DSP，程 序對IGBT實現(xiàn)軟件關斷，電機停止運行。當蓄電池電壓低于設定值(當采用144V供電時為100V,當采用72V供電時為50V)時， 關斷IGBT并輸出故障信號給DSP，程序通過總線向駕駛室發(fā)出報警。當流過IGBT的電流超過數(shù)值并大于時間t。ff = lOus時，IGBT被程序有效的軟關斷。當發(fā)生負載短路或IGBT上下臂直通時，立即關斷IGBT并輸出故障信號，由DSP系統(tǒng)通 知駕駛室。由于采用了實時電;綠測技術RTC(Real time current control circuit)，^吏響 應時間小于lOOns。
權利要求
1、一種電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)，其特征在于所述電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)包括DSP控制器、反旋轉變換模塊、兩相交流/三相交流變換模塊、PWM變換器、三相交流感應電機、磁鏈觀測器，駕駛員踩踏油門信號經(jīng)過接口電路處理傳送到DSP控制器，經(jīng)過計算得到駕駛員操縱的信號速度ω*、ψ*，再和定子頻率信號ω、轉子磁鏈ψ進行比較，偏差信號通過DSP控制器進行矢量計算產(chǎn)生轉子磁場定向坐標系下解藕的兩相電流指令isd、isq，然后通過反旋轉變換模塊以相位信號p作為兩坐標系下的相位角進行矢量逆變換產(chǎn)生靜止α/β坐標系下的兩相電流指令iα、iβ，再經(jīng)兩相交流/三相交流變換模塊，進行靜止α/β坐標系下兩相交流變換到三相交流坐標u-v-w坐標系下三相交流，得到定子三相交流電流指令iA1、iB1、iC1，PWM變換器按照三相交流電流指令中的幅值和頻率兩個方面把電池供給的直流電轉換為驅動所需的交流電，以驅動電機并最后驅動車輪，磁鏈觀測器接受電流傳感器采集的三相定子電流iA、iB、iC，經(jīng)三相交流坐標u-v-w坐標系下三相交流變換到靜止α/β坐標系下兩相交流得到二相靜止坐標系電流iα1、iβ1，在經(jīng)同步旋轉變換并按轉子磁場定向，得到d-q坐標系上的電流id、iq，利用矢量控制方程獲得轉子磁鏈ψ和轉差頻率ωs信號，由ωs信號與轉速傳感器實測的轉速信號ω1相加得到定子頻率信號ω，再經(jīng)積分獲得轉子磁鏈的相位信號p，并將轉子磁鏈ψ、定子頻率信號ω傳送給DSP控制器，將相位信號p傳送給反旋轉變換模塊。
2、 如權利要求1所述電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)，其特征在于所述DSP控制 器中，速度調節(jié)器根據(jù)給定速度和實際速度的偏差來決定使用不同的時間常數(shù)t n。
3、 如權利要求1或2所述電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)，其特征在于所述PWM 變換器釆用IPM智能功率模塊或IGBT驅動電路。
4、 如權利要求3所述電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)，其特征在于所述三相交流 感應電機裝有溫度傳感器以在電機過熱時送出信號經(jīng)過接口電路處理送到DSP，對IPM 智能功率模塊或IGBT實現(xiàn)軟件關斷以使電機停止運行。
5、 如權利要求4所述電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)，其特征在于所述DSP控制 器以TI公司的TMS320LF2407A為核心
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電動汽車矢量控制交流變頻調速系統(tǒng)，包括DSP控制器、反旋轉變換模塊、兩相交流/三相交流變換模塊、PWM變換器、三相交流感應電機、磁鏈觀測器、電池組，控制系統(tǒng)采用速度、磁鏈閉環(huán)控制，磁通觀測器采用電流結構，即由三相定子電流和電機轉速求得轉子磁通的大小和相位，實現(xiàn)磁場定向，由于異步電動機是一個多變量相互耦合的非線性環(huán)節(jié)，通過磁場定向可以將其解耦和線性化，從而進行系統(tǒng)校正以獲得良好的動態(tài)性能，通過對直接轉矩控制技術、矢量控制技術的對比綜合性研究，解決了電動汽車驅動系統(tǒng)變頻調速的關鍵性技術問題，為電動汽車的驅動系統(tǒng)增加一種更有效的新技術。
文檔編號B60L15/00GK101264737SQ20081006524
公開日2008年9月17日 申請日期2008年2月4日 優(yōu)先權日2008年2月4日
發(fā)明者劉長文 申請人:深圳市陸地方舟電動車有限公司;劉長文