纯电动汽车三相异步电动机矢量控制

电动汽车由车体、电驱动装置（电动机）、可充 电电池、充电器和控制系统五大部分组成。其中控 制系统是电动车的重要组成部分，决定着整车的性 能。异步电动机具有价格低、维护容易、体积小的优 点，已经成为多数交流驱动电动汽车的首选。本文 基于交流异步电动机的上述优点，选用三相交流异 步电动机，运用矢量控制原理，对电动汽车控制系统 进行研究分析。
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源自文库
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ＤＳＰ Ｐ２４０７Ａ
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速度和位置传感嚣 ＣＡＰ４．５
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图１硬件系统控制电路结构框图
图１中系统利用ＳＣＩ串口与显示模块相连，定 时向ＳＣＩ上发送电机信息（电流、电压、转速、故障代
关闭冷却风扇。
２．２．３油门采样电路
油门采样是通过油门踏板即一个滑动变阻器对
＋５ Ｖ电压进行分压，向控制器输入正值的电压信
号，经过滤波通过电压跟随器进入到
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的ＡＤ采样通道。其电路图与温 度采样电路相似。
２．３过压和欠压保护电路设计
过压和久压保护电路图如图４所示。眈、％为
二相采样电压，分别与Ｕ。。（０—１．６５ Ｖ之间）和％
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ将对六路互补的触发脉冲进行关断。
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ内置采样、保持的ｌＯ位模数
转换模块ＡＤＣ，１６个模拟输入通道。电流、电压、温
度、电子油门等信号经过信号处理电路，通过ＡＤ通
道进入ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，ＴＭＳ３２０ＬＦ＇２４０７Ａ进行分析
纯电动汽车三相异步电动机矢量控制 处理。例如当温度高于４５℃时，ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ输 出高电平信号，经过ＧＰＩＯ通道，开启冷却风扇，低
期值和比较器的比较值来产生。其中周期值用于控
制ＰＷＭ波的频率（或周期），比较值控制ＰＷＭ波的 脉宽。因此，比较值必须小于或等于周期值。由于
使用比较器的不同，产生ＰＷＭ波有使用定时器比
较寄存器和使用比较单元两种方法。后者可产生加
死区的ＰＷＭ波。 使用定时器比较寄存器产生ＰＷＭ波，占空比
的计算公式：
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步旋转坐标系（ＭＴ）的变换方程式：
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【ｉ。Ｊ ２瓦【“ｎ ｐ
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式中：Ⅳ２、，ｖ，分别为两相系统和三相系统每相绕组 的有效匝数；０为转子磁链位置。 １．２电机控制芯片及空间矢量ＰＷＭ波形的生成
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ是ＴＩ公司生产的１６位定点 数字信号处理器，有两个专为电动机控制而设计的 事件管理器ＥＶＡ和ＥＶＢ。它们都是由两个１６位通 用定时器、１个可快速封锁输出的外部引脚和８个 １６位的脉宽调制（ＰＷＭ）输出口组成；具有可编程 死区功能，用于防止上、下桥臂直通；另有３个捕捉 单元和１个光电位置编程器接口。
一
．
图２电流采样电路图
２．２．２温度采样电路
温度采样电路图如图
３所示，温度采样是通过 一个固定在控制器散热片 上的热电耦测温。温度信
图３温度采样电路图
号通过温度采样电路进入到ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，再对
其进行分析处理。当温度值超过４５。Ｃ时，
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ通过Ｉ／Ｏ输出高电平信号开启冷 却风扇；当温度值低于４０℃时，则输出低电平信号，
讲诉了ＰＷＭ波形的产生步骤，及每个变化的过程。
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图６ ＰＷＭ中断流程图
４系统仿真
图５矢量控制软件结构图
仿真模型如图７所示。
纯
电 动 汽
器的参数为Ｐ＝２０，１＝２，Ｄ＝０。 仿真结果如图８、图９所示。图８表明磁链运
行为圆形轨迹，且幅值稳定，图９表明电流具有很好
且该系统在昌河ｉｄｅａｌ车上进行测试，到达了稳定运ｉ
标系。在ＭＴ坐标系下，将定子电流矢量分解为控
制励磁电流分量的ｉ。和控制转矩电流分量的ｉ；。 这样就实现了像直流电动机的控制方式和效果。
定子电流信号经“Ｃｌａｒｋｅ变换”和“Ｐａｒｋ变换”，
并反馈到控制端，对给定的控制信号的励磁分量ｉ。
和转矩分量ｉ。进行修正，从而达到类似于直流电动 机的工作状况。其中由三相坐标系（ＡＢＣ）到两相同
肘轴电流给定值与电流反馈值的偏差经过电流ＰＩ
调节器调节，分别得到旋转坐标系（Ｍ／Ｔ）下的相电
压分量，再经过直／交变换转换成静止坐标系统的定
制相电压分量，并利用ＳＶＰＷＭ技术，产生ＰＷＭ控
制信号来控制逆变器。
３．２程序流程图
系统程序流程图主要包括主程序、ＰＷＭ中断、
故障中断等。ＰＷＭ中断流程图如图６所示，详细地
关键词：纯电动汽车；矢量控制；ＤＳＰ 中图分类号：ＴＭ３４３＋．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－７０１８（２０１２）０１－００６１－０３
Ｔｈｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ＥＶ ＡＣ Ｍｏｔｏｒ
ＷＡＮ Ｘｉａｏ－ｆｅｎｇ，ＺＨＵ Ｊｕｎ一弘，ＸＩＡＯ Ｊｉｎｇ （Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｅｈａｎｇ ３３００３ １，Ｃｈｉｎａ）
ＰＷＭ波是一种脉宽可调的脉冲波，用于交流电 纯电动汽车三相异步电动机矢量控制 动机的电压控制，它保持脉冲波的频率或周期不变， 通过调整脉冲的宽度来调整电压。ＰＷＭ波是由 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ通过设定定时器周期寄存器的周
万方数据
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ｕ—ＰＷＭ周期一
周期值
使用比较单元产生ＰＷＭ波，占空比的计算公
式：
。一正然童一周塑笪＝丝筮值＝延匡
ｕ—ＰＷＭ周期一
周期值
通过式子，确定占空比，就能得到所需要的波
形。
２系统硬件设计
２．１系统控制电路 硬件系统的控制电路由ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ为核
心构成，结构图如图１所示。
ｌ电子油门ｂ－ Ａ，Ｄ Ｅ、，Ｂ
触萱掌电相 ∞１２年第加卷第ｌ期乙歹歹驱动笋丝∥
…一…………………………一…………………………………………………………………ｃ－＜，／／粥ｆ，垆ｄ，ａ∥蹋易噶占＾；够。……：
纯电动汽车三相异步电动机矢量控制
万晓凤，朱俊裕，肖 京
（南昌大学，江西南昌３３００３１）
摘要：基于矢量控制三相异步电动机原理，设计开发了以控制电机专用芯片为核心的电动汽车控制系统。充 分利用ＤＳＰ特点，通过对控制系统合理的软、硬件设计，使其具有功能齐全、效率高、可靠性高的优点。实验运行表 明系统设计合理、工作可靠，达到实际上路运行的要求。
行的要求。
（下转第６９页）｛６３
万方数据
丝壁皇塑…．婴１２主曼竺！曼三塑……～…………～……一…．．……．．一
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由于孤极电压为交流电，所以孤极电压采集后
必须经整流滤波电路变成直流电后送至ＭＳＰ４３０，同
醚ＲＩ颦Ｄ时由于本驱动器采用推挽电路来驱动电机，所以孤
于４０℃时，则输出低电平信号，关闭冷却风扇。
６２
ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ通过正交编码通道ＣＡＰ，对电
动机的角位移和转速等信息进行检测。 ２．２采样电路的设计
由于ＤＳＰ只能处理数字量，所以必须经过采样 电路将要检测的各种信号，通过转换，变成ＤＳＰ可 识别的信号。采样电路由电流采样、温度采样、油门 采样、转速和电机位置采样组成。 ２．２．１电流采样电路
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ＡＣ ｍｏｔｏｒ ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｗｈｉｃｈ ｕｓｅｄ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｃｈｉｐ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｈｅ ＤＳＰ７Ｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｆｕｌｌｙ ｕｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｄｅ－ ｓｉｇｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ。ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ Ｗａｓ ｍａｄｅ ｔｏ ｂｅ ｆｕｌｌｙ ｆｕｃｔｉｏｎａｌ，ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｒｅ· ｓｕｉｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｒｕｎｎｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ；ｖｅｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ＤＳＰ
０引 言
随着汽车数量的急剧增加，能源和环境问题日 益严峻，迫切需求一种低碳和节能的交通工具。电 动车是一种安全、经济、清洁的绿色交通工具，在能 源、环保、节能和降噪方面有其独特的优越性和竞争 力，必将逐渐取代现在的燃油车辆而成为新的主要 交通工具。
１系统工作原理
１．１交流异步电动机的矢量控制原理 矢量控制的基本原理是将交流异步电动机经模
型转换模拟成直流电动机，再用类似于直流电动机 的控制方法来对它进行控制。通过坐标变换，将三 相静止轴ＡＢＣ坐标系转换成两相同步旋转轴ＭＴ坐
收稿日期：２０１ｌ—１２一１９ 项目资助：江西省科技厅产业项目（Ｓ００５５１）
圈４过压欠压保护电路图
（１．６５—３．３ Ｖ之间）相比较，输出高（低）电平。当
仉大于以。，小于％时，‰为高电平，并将此信号
送给ＰＤＰＩＮＴＢ，事件管理模块正常工作；当虬小于
玑。或者以大于％时，％为低电平信号，ＰＤＰＩＮＴＢ
万方数据
……堕堕皇型…．竺皇差竺碧塑！．塑一………………………………………………………：！级矍塾麓曼∥…：
电流采样电路如图２所示。图２采用的是ＬＥＭ 传感器，型号为ＨＡＳ４００一Ｓ／ＳＰＳ０，工作电压为±５ Ｖ。 传感器检测Ａ、Ｂ两相电流，电流信号转化为电压信 号。电压信号经过低通滤波电路、集成运放的电压 偏置电路，变为０—３．３ Ｖ之间，最后通过电压跟随器 进入ＴＭｓ３２０ＬＦ２４０７Ａ，ＡＤ模块把它变成相应的数 值，再对其进行分析处理。
速１６１ ｒ／ｍｉｌｌ ｃＭＯＳＦＥＴ的栅
驱动电源外观
极波形及最终的输出电压波形如图６所示。由图可
见，栅极信号无毛刺，且占空比为４５％。施加孤极 电压反馈电路后，电机工作运行稳定，速度变化可稳
定在５％以内。测试了电机在固定频率下的调压涮
接受到低电平信号后立即通知事件管理模块关闭 ＰＷＭ输出通道，停止工作。
３系统软件设计
３．１矢量控制软件实现 图５为矢量控制软件结构图，定子电流的以、ｉ。
由电流传感器测量检测，经过ＤＳＰ的Ａ／Ｄ转换器转 换成数字量，由ｉ。＝一（ｉ。＋ｉ。）计算出ｉｃ。通过“３／２ 变换”和“交／直变换”将电流ｉ。、ｉ曰、ｉ。转换成旋转坐 标系ＭＴ中的直流分量ｉ。、ｉ。，并反馈给电流控制环。 电动机的机械角位移由编码器测得，并将其转换成 转速凡后反馈给速度控制环，作为速度控制环的负 反馈量。在得到用于Ｐａｒｋ变换和Ｐａｒｋ逆变换计算 的磁链位置时，由于异步电动机的转子与转子磁链 存在转速差，必须通过电流一磁链位置计算求出。 转矩控制的电流７１轴给定值由转速给定值与实际 转速的偏差经过速度Ｐｌ调节器调节所得。丁轴及
码等），便于电机的调试和检测。 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ事件管理模块ＥＶＢ产生六路
互补的触发脉冲，脉冲通过ＰＷＭ７—１２通道，进入驱 动电路和三相逆变电路得到所需要的波形，使得三 相异步电动机稳定工作。驱动电路反馈的电机运行
信号，经过ＰＤＰＩＮＴＢ通道回到ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ并
进行分析处理。例如反馈回电机运行故障的信号，
极电压采集时最好实现隔离，采用ＴＬ４３１加４Ｎ３５ 实现电压隔离采集，孤极电压反馈电路如图４所示。
ＲＪ
４Ｎ３５
Ｙ“。
图４孤极电压反馈电路图
３实验结果
实际制作的驱动器如
图５所示，用此驱动器驱动
ＴＲＵＭ６０型超声波电动机。
电机技术指标如下：驱动频
率４１．３ ｋＨｚ，输入电压１２
一 ～～
ｖ，输入电流】．０ Ａ，电机转图５超声波电动机小型