基于TMS320F28035电动汽车电机控制器

2011-2012德州仪器C2000及MCU创新设计大赛项目报告题目：基于TMS320F28035电动汽车用电机控制器学校：重庆大学组别：专业组应用类别：先进控制类平台： C2000 题目：基于TMS320F28035电动汽车电机控制器摘要：21世纪，纯电动汽车已经成为了解决燃油车辆带来的能源和环境问题的最有希望的方案之一。

而电动汽车电机控制器又是纯电动汽车的核心部分。

本设计以TI公司的TMS320F28035为控制核心，设计了一款用于电动汽车的低压电机控制器，采用先进的弱磁控制算法和效率优化策略，实现了电机在整个运行范围内输出最大转矩和达到较高的效率。

Abstract：ELECTRIC vehicles (EV) are seen as a possible step towardsthe solution of the pollution problem in urban environment. And the motor controller is core of the electric vehicle. Based on TMS320F28035 ,wedesign a motor controller used in low voltage EV. With the advanced controlscheme ,we can get the maximum torque in the whole speed range and the maximum efficiency.1引言1.1系统设计的背景20世纪90年代以来，汽车作为人类最重要的代步和交通工具，在全球范围内得到蓬勃快速发展。

其实世界汽车工业总共发展了100多年，已经成为世界上许多国家的支柱产业，在人类经济生活和生产中发挥着举足轻重的作用。

进入21世纪，在今后的50年里，全球人口将从60亿增加到100亿，汽车的数量将从7亿增加到25亿。

如果这些车辆使用内燃机的话，他们所需要的石油将不可估量，它们所排出的尾气将无法处理，它们将对我们的环境造成巨大的伤害。

这些问题迫使人们去寻找21世纪可持续发展的道路交通工具。

另外，由于能源资源日益消耗，迫使人们重新考虑未来汽车的动力来源，世界各国都竞相积极地研制新能源汽车，从而来替代燃料汽车。

由于新能源汽车清洁无污染，能源形式多样并且能量比重高，结构简单而且维护方便，是21世纪最有发展潜力的汽车。

近二十多年来，西方工业发达国家政府把电动汽车的研究开发看作解决环境问题和能源问题的一种有效手段，在经济上给予大力支持。

美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。

美国三大汽车公司1991年联合成立了美国先进电池联合体，投入了4.5亿美元，其中政府拨款2.25亿美元，共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃科电池等各种高性能蓄电池。

日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。

在电动汽车整车研究开发方面，至90年代末期，国外大汽车公司已开发生产了100多种型号的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车(表1)。

其中，已有10多种纯电动汽车车型投入商业化生产；近年来，燃料电池电动汽车成为新的开发热点，美国计划到2010年市场上燃料电池汽车占市场4%份额，达到60万辆，日本政府发布燃料电池汽车发展计划--2010年5万辆，2020年500万辆；在纯电动汽车和燃料电池汽车因技术和成本问题尚未进入批量生产情况下，为了尽快降低燃油汽车的排放，美日等国正在广泛研制混合动力汽车，目前已经开始小批量商业化生产。

近些年来，国外著名的汽车厂商都在研制各类电动汽车，并取得了一定的成就。

如日本的丰田公司在 1997 年 12 月推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车 PRIUS，并在 2000 年后开始出口北美、欧洲。

我国从“九五”期间就有计划地开展了电动汽车关键技术的攻关和整车研制工作，“十五”，“十一五”期间，我国已将电动汽车列入“863”重大科技攻关项目。

国家科委、计委在"八五"、"九五"期间组织了纯电动汽车的攻关，现在又将纯电动汽车列入"十五"国家863计划电动汽车重大专项。

国内大型汽车企业、高等院校、研究单位对纯电动汽车的研究也热情高涨，通过多轮试制，力争在"十五"结束时实现电动汽车的产业化。

"十五"目标是：解决关键技术，完成可实用的电动汽车的开发，并实现产业化。

主要研究内容：电动汽车的总体设计；先进的电池技术；电动机及控制驱动系统；整车监控与管理系统、使用环境与配套技术等。

电动汽车是新能源汽车中的一种，采用电力进行驱动，具有无排放、噪音低、能量转换效率高等特点，是当前研究讨论的热点。

但是目前电动汽车还不如内燃机汽车技术完善，主要原因是车载电池成本过高，寿命过短。

而且单节电池的储能容量很低，需要装载多节电池，占据车身总重量，并且一次充电后续驶里程也不理想。

于是各种原因造成了电动汽车的成本一直居高不下。

电池租赁的营销策略的提出，可能打破这一瓶颈，而且从发展长远的角度看，随着科技的不断进步，电动汽车现在存在的问题将会逐步得到解决，价格和使用成本也会随着技术的成熟、电动汽车的普及和大批量生产逐步降低，价廉物美的电动汽车前景令人瞩目同时异步电机由于其体积小、结构简单、坚固可靠、成本低、易于维护等优点，被越来越多的厂商用做电动汽车的驱动电机。

但是相对于国外，国内对于电动汽车电机驱动控制器的研究还比较落后，很多国内电动汽车厂商都依靠从国外进口电动汽车电机控制器来组装电动汽车，而自身的研发能力不强。

因此对电动汽车电机控制器的研究显得非常重要。

1.2系统设计的目的目前，电动汽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。

本系统设计的目的是：采用额定电压为48V的低压电机作为电动轿车的驱动电机，以TI公司生产的DSP芯片TMS320F28035作为核心控制芯片，设计一款用于纯电动汽车的控制器及转子磁场定向矢量控制系统。

并对整个控制算法进行优化改进，在提高电动汽车安全性的同时实现电动汽车在运行过程中能提供尽可能大的转矩和达到比较高的效率。

1.3系统设计需要解决的问题本系统设计学要解决的问题：①以TI公司生产的DSP芯片TMS320F28035芯片作为控制核心，大电流MOSFET作为功率器件，完成本系统电动汽车电机控制器硬件部分的设计②完成电动汽车电机控制器控制算法的编写，实现电动汽车控制器要求的功能，包括在电动汽车运行过程中实现大转矩输出，高效率以及各种保护功能。

③对本系统设计进行试验台实验和实车路试实验。

2系统方案本系统总体方案为：本系统设计的主要功能有：电子加速，刹车，档位功能，过流保护，欠压保护，过热保护，限流运行，限温运行，CAN通行功能和能量回馈功能。

系统设计的整体设计思路如图1所示：图1 系统设计整体思路2.1系统设计电压等级的选择目前电动汽车电压等级有：48V，72V，300V等，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。

同时采用高电压对整个电动汽车的绝缘性能要求非常高，因此成本将大大增加。

从安全角度出发，因此本系统设计选择低压48V作为驱动电压。

本系统设计采用16节3.3V的磷酸铁锂电池串联来作为电动汽车的驱动电压。

图2为实际驱动电压实物图;图2 48V电池实物图2.2系统设计主驱电机的选择电动机是电机驱动系统的核心，其性能、效率、重量直接影响电动汽车的性能。

目前电动汽车使用的电机主要有直流电动机，感应电动机，永磁无刷电动机和开关磁阻电动机,对各种电机特点简要介绍如下：①直流电动机有刷直流电动机具有调速性能好、控制简单、技术成熟等优点，在早期开发的电动汽车上大量采用直流电动机进行驱动。

有刷直流电动机的缺点存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且寿命低、维护成本高；另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。

因此，在新研制的电动汽车上已基本不采用有刷直流电动机。

②永磁无刷电动机永磁无刷直流电动机是一种具有直流电动机的调速特性的高性能电动机。

它的主要优点是没有电刷及相关机械结构，没有换向火花，寿命长，运行可靠，维护简便。

但是永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，功率范围较小；而且永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机；永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。

③开关磁阻电动机开关磁阻电动机是一种新型电动机，可控参数多，调速性能好、控制方便、结构简单、成本低、运转效率高、易于在很宽转速范围内实现高效节能控制。

但是由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使开关磁阻电机设计和控制非常困难和精细，而且开关磁阻电机经常引起噪声问题。

因为受到国内电机发展水平和电机价格的限制，目前国内将开关磁阻电机应用到电动汽车上的比较少。

④感应电动机感应电动机是应用得最广泛的电动机。

感应电机有绕线式和鼠笼式两种类型，鼠笼式感应电机在电动汽车上的应用最为广泛。

感应电机没有滑环、换向器等部件，结构简单，运行可靠，经久耐用。

转速可达到12000～15000r/min。

可采用空气冷却或液体冷却方式。

对环境的适应性好，并能够实现再生反馈制动。

与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。

感应电动机的低成本、高可靠性及免维护等特性使其在电动汽车上得到了广泛的应用。

三相感应电动机的缺点是：矢量控制算法复杂，对处理器运算速度要求较高，造成控制系统的成本较高。

表1为目前使用的各种电动汽车用电动机的比较，其性能以0-5分来评比。

表1 各种电动汽车用电动机性能的比较[4][5]通过上述分析可知：异步电动机具有体积小、结构简单、坚固可靠、成本低、易于维护等优点，并且随着变频调速技术的发展，让异步电动机的控制方法越来越完善，使异步电机有着优异的启动和调速性能，高效率、高功率因数和节能，有着广泛的应用范围。

本课题选用低压大电流鼠笼式异步电机作为电动汽车电机驱动。

采用电机的主要参数为：额定电压48V的4极鼠笼式异步电机，额定频率100HZ,最高转速6000rpm，启动转矩85N.M，额定功率5KW,峰值功率20KW,最大电流500A，额定线电流有效值133A。