基于直流无刷电机的电动车智能驱动系统设计

收稿日期:2008-10
作者简介:万文斌(1952—),男,副教授,博士,研究方向为电机控制和电力电子应用技术。

基于直流无刷电机的电动车智能驱动系统设计
万文斌,刘瑞芳
(合肥工业大学,安徽合肥230009)
摘要:文章利用数字信号处理器(DSP ),设计出一无位置传感器的直流无刷电动汽车驱动系统智能控制器。

软件实现闭环控制,节减硬件成本。

实验结果表明,该系统灵活性高,稳定性好,运行性能良好。

关键词:电动汽车;DSP;直流无刷电机;智能控制器
中图分类号:T M926 文献标识码:B 文章编号:1006-2394(2009)03-0007-03
D esi gn of an I n telli gen t D r i ve Syste m for Electr i c Veh i cles Ba sed
on Brushless DC M otor
WAN W en 2bin,L I U Rui 2fang
(Hefei University of Technol ogy,Hefei 230009,China )
Abstract:A contr oller of the brushless DC mot ors f or electric vehicle intelligent drive syste m without a r ot or posi 2ti on sens or by using digital signal p r ocess or (DSP )is designed .The cl osed 2l oop contr ol is i m p le mented by the s oft w are,s o it can save hardware cost .Experi m ental results show good flexibility,stability and operati onal perf or mance of the syste m.
Key words:electric vehicles;DSP;brushless DC mot or;intelligent contr oller
1　反电势过零点法检测转子位置
在BLDC M 中,绕组的反电动势通常是正负交变
的;当某相绕组的反电动势过零时,转子直轴恰好与该相绕组轴线重合。

因此只要检测到各相反电势的过零点,就可获知转子的若干个关键位置,从而省去转子位置传感器,实现无位置传感器BLDC M 的控制。

反电势在1个周期内有2个过零点,且每个过零点都超前下个换相点30电角度。

只要能检测到反电势的过零点就可以确定电机转子的位置和下次换相的时间,这就是反电势过零点检测法的基本原理。

2　硬件设计
基于DSP 的无刷直流电动机控制系统主要由DSP 及主控电路、功率驱动电路、功率主电路、三相逆变电路、转子位置检测、模拟开关输入电路、脚踏板电路、串行通信电路及故障显示电路等组成,如图1所示。

该硬件系统用于电动汽车上,其功率电源为60V 直流铅蓄电池,实验控制对象是由华中科技大学辜承林教授所设计的大功率稀土永磁无位置传感器无刷直
流新型轮毂电机,额定功率为3k W ,转子磁钢采用钕
铁硼永磁材料,为三相八对磁极结构;定子电枢绕组为三相星型接法,采用“两两导通三相六状态”运行方式。

考虑到系统的稳定性、安全性、抗干扰性和维护等方面的因素,该系统有控制部分和功率部分两部分组成,进行了强弱电分开。

使用两块PCB 板,一块是逻辑板,一块是功率板。

3　软件设计
本系统的软件调试是在TI 提供的软件开发环境CCS v2.0(Code Composer Studi o versi on 2.0)下进行的。

通过软件实现双闭环控制,节约硬件成本。

图1　硬件电路示意图
・
7・2009年第3期 仪表技术
对于无刷直流电机的控制系统的软件设计主要由如下几部分构成:DSP 事件管理器初始化程序、变频起动程序、闭环换向调节程序、中断服务程序、电流环以及速度环调节程序。

对于DSP 的初始化主要完成系统时钟、看门狗、I/O 端口、系统中断、事件管理器的各个控制寄存器及其中断的设置,以及软件中各变量的初始化和辅助寄存器的设置等功能。

具体的主程序流程图如图2所示。

图2　主程序流程图
闭环换向调节程序由DSP 负责根据采集到的信
号,根据反电动势算法对电机进行换向调节。

中断服务程序的作用是根据定时器的下溢中断而产生ADC 中断。

而ADC 中断主要负责对采集信号的A /D 转换,为DSP 根据反电动势算法进行换向提供所需数据。

电流环调节器的主要作用是限制电机的最大电流,调节对象的动态结构,加快系统的动态响应;在电机的起动过程中,使电机在所能允许的最大电流下“恒流”起动,保证起动的快速性;在转速的调节过程中,使电流跟随电流给定的变化。

速度环调节程序负责对于无位置传感器的无刷直流电机的速度调节,主要是使转速跟随给定值变化,稳态无静差。

4　实验结果及分析
4.1　实际转速与DSP 所计算出的转速比较
为了验证DSP 对转速计算的准确性和控制精度,
也为了验证所使用的控制方法的有效性,我们对DSP 工作进行实时监控,通过检测运行过程中任一时刻当前的转速n (r/m in,由扭矩仪获得)和DSP 程序中一个电周期的时间T (计数器数值),并比较二者的关系来加以验证。

二者满足如下换算关系:
　60/n (s/r )=T 38(对磁极)375/1000000(s/r )(1)
整理得
T =100000/n
(2)
表1　实际转速与DSP 所计算出的转速比较(换算成DSP 内部时间)
转速(r/m in )
由式(1)计算的T ′
T ′/6(取整)
当前DSP 计算出的
T /6(单位75
μs )166602100991835469189
210476797824041769682504006664280357595829633856543303035048366273454440025041404662153535576
174
29
30
通过表1中T ′/6和DSP 算出的T /6的比较,二者
的值比较接近(相对于75
μs 的时间单位来说可以认为忽略),我们可以认为DSP 在当前系统配置和工作
下对电机转速的判断是真实可靠的。

4.2　不同转速下的波形对比
对比图3(a )和图3(b )可以看出,在高转速下波形变差,所受的干扰、毛刺噪声也较低转速时大,可能会对反电势的检测造成一定困难。

3(a )　同步加速到可以切换时的端电压波形(转速120r/min 左右)
・
8・仪表技术 2009年第3期
图3(b )　空载加速到500r/m in 的端电压及滤波后波形
(上面的为滤波后的波形)
4.3　带载对波形的影响
对比图4(a )和图4(b )可以看出,带载条件下电压波形变差同时伴有毛刺和脉动,消磁过程较为明显,即使使用了加速退磁方法也不能完全消除消磁影响。

图4(a )　空载加速到200r/m in 的端电压及滤波后波形
(上面的为滤波后的波形
)
4(b )　带载(扭矩36Nm )加速到200r/m in 的端电压波形
通过以上两组图片的对比,不难发现:低转速、空载条件下波形好,反电势比较明显,过零点检测不易出错,对电机的连续控制也不会出现超前或者滞后;高转速以及带载条件下系统电压波形中毛刺和脉动都明显
增多,电机绕组换相瞬间消磁过程比较明显,可能对反
电势过零点的检测产生不良影响,不过在未淹没反电势信号的情况下,系统还能正常运行。

5　总结与展望
(1)目前只是基本实现了对控制性能的要求,需
要进一步完善控制性能。

(2)三段式起动中可能由于反电动势与外同步信号相位差过大而造成电机失步,需要更深入的切换策略研究,优化加速曲线。

(3)本文针对所使用的电机通过优化加速曲线实现了电机的顺利起动,但对不同电机、不同负载其优化曲线可能不再适用,更换实验对象需要重新调整,因而需要研究更具通用性的方法。

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1997.
(丁云编发)
(上接第6页)5　结束语
根据以上分析,PTP 协议和P I 控制算法用MCU 实现,频率补偿时钟用FPG A 实现。

该FPG A 在尽可能靠近LAN 电缆的位置获取和发送I EEE1588数据包,同时记录数据包发送和接收的时间戳,该时间戳能够维持I EEE1588协议和保持LX I 仪器系统的同步。

参考文献:
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(丁云编发)
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9・2009年第3期 仪表技术。