电动汽车无速度传感器矢量控制系统
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* i* 到 i sq 、 和相应的反馈量进行比较后， 经 PI sd ， * U* 调 节 得 到 U sd 、 再 经 PAＲK 逆 变 换 得 到 sq ，
Sx =
{0 ， 下桥臂导通
1， 上桥臂导通
（ Sa 、 Sb 、 Sc ） 共 根据 6 个开关管的开关模式， 有 8 个开关组合， 包括 6 个非零矢量 U1 （ 001 ） 、 U2 （ 011 ） 、 U3 （ 010 ） 、 U4 （ 110 ） 、 U5 （ 100 ） 、 U6 （ 101 ） U7 （ 111 ） 。 按照恒功率 和 2 个零矢量 U0 （ 000 ） 、 6 个非零矢量在空间上互差 60° ， 幅值 变换可知， 为 U 3 槡 2
— 40 —
1
SVPWM 工作原理
空间矢量脉宽调制 （ SVPWM ） 技术是把逆变
器和交流电机视为一体， 以圆形旋转磁场为目标 来控制逆变器的工作， 通过控制逆变器的开关模 式， 从而交替使用不同的电压空间矢量来实现的 。 与传统的正弦脉宽调制 （ SPWM ） 相比， 其开关器 件的开关次数可以减少 1 /3 ， 直流电压的利用率 可提高 15% ， 转矩脉动明显降低， 能获得较好的 谐波抑制效果， 且易于实现数字化控制 b， c） 为 关函数 S x （ x = a，
Abstract： According to the requirement of wide speed range，high reliability and high efficiency of electric vehicle，a kind of efficiency optimization algorithm for speed sensorless vector control （ SVC） system was presented． The principle and control strategy of the system were deeply analyzed． The entire system included the power module of the main circuit，current and voltage acquisition circuits，protection circuit，and controller area network （ CAN ） communication module． The TMS320F2812 chip was seclected as the core of the controller． The experimental results showed that the efficiency optimization algorithm was feasible，and the system has a good dynamic performance achieving the desired design goals． Key words： electric vehicle； efficiency optimization； control strategy
实际输出电压中所含的谐波分量最 矢量 U s 时， 且逆变器的开关次数最少 。 按照平行四边 小， 形合 成 法 则， 可 以 用 两 个 相 邻 电 压 矢 量 （ UX ， U X + 60 ） 和两个零电压矢量（ O000 ， O111 ） 表示任意电 压空间矢量 U s 。 将这些电压矢量及其方向作于 图 2 。以第Ⅰ扇区内的期望输出电压矢量（ U s ） 为 PWM 的周期 例， 设 U s 与扇区起始边的夹角为 θ， U0 的作用时间为 t1 ， U60 的作用时间为 t2 ， 为 T， 零 矢量的作用时间为 t0 ， 且 t1 + t2 + t0 = T 。 则 U s 、 t1 、 t2 的表达式分别为 t1 t2 t0 U s = U0 + U60 + O000 （ O111 ） T T T 2 Us T π t1 = 槡 sin（ － θ） Ud 3 2 Us T t2 = 槡 sinθ Ud
［3 ］
和力矩计 算 最 优 磁 通 的 效 率 优 化 模 块 ， 加大了 电动汽车的续航能力 。 驱动系统的原理框图如 图 3 所示 。
3
3． 1
硬件设计
控制系统整体框图
（ 2） （ 3） （ 4）
驱动系统的硬件电路可分为主电路和控制 电路两 部 分 。 主 电 路 由 平 波 电 路 和 功 率 逆 变 模块构成 。 功率模块采用 FP100 Ｒ12 KT3 ， 该功 率模 块 中 包 含 有 7 个 IGBT （ 6 个 逆 变 功 率 IGBT ， 1 个制动 回 路 IGBT ） 和 一 个 负 温 度 系 数 （ NTC ） 的 热 敏 电 阻 。 控 制 电 路 的 核 心 芯 片 为 TMS320 F2812 ， 其 中 2812 的 事 件 管 理 器 A 能 够产 生 3 对 互 补 的 PWM 波 控 制 电 机 定 子 电 流 ； 模数转换器 （ ADC ） 单 元 实 时 采 集 驱 动 器 的 输出电流和直流 母 线 的 电 压 ， 为系统的闭环控 制提供通路 ； 中断 能 迅 速 响 应 系 统 的 故 障 中 断 使系 统 的 可 靠 性 提 高 ； 2812 的 控 制 器 局 信号 ， 域网 （ CAN ） 单元 使 驱 动 器 可 以 通 过 CAN 总 线 和车载管理系统实时的通信 。 图 4 为系统的硬
摘 要： 针对电动汽车要求驱动系统具有宽调速范围 、 高可靠性与高效率等特点， 提出了一种效率优化
刘诗敏， 李优新， 黎
的无速度传感器矢量控制（ SVC） 系统。介绍了该系统的原理， 提出了相应控制策略， 完成了系统硬件和软件 包括主电路功率模块、 电流电压采集电路、 方案设计。整个系统以 TMS320F2812 DSP 芯片为核心控制器件， 保护电路、 控制器局域网络（ CAN） 通信模块等部分。 试验结果表明， 效率优化算法可行， 系统具有良好的动 态性能， 达到了预期设计目标。 关键词： 电动汽车； 效率优化； 控制策略 中图分类号： TM 301． 2 文献标志码： A 6540 （ 2013 ） 06004005 文章编号： 1673-
Speed Sensorless Vector Control System of Electric Vehicle
LIU Shimin， LI Youxin， LI Mian， FENG Jie， WANG Shengqiang （ College of Information Technology，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006 ，China）
图4
系统的硬件结构框图 图5 电流采样电路
3． 2
电流检测 3． 3
驱动系统属于电流和转速闭环控制系统， 且 所以电 转速是通过输出电流和电压计算得到的， 流检测的精确度直接影响控制系统的实时性和准 确性。由于三相输出电流之和为 0 ， 所以只需要 W 相） ， 采集两相电流 （ 本系统采集的是 V、 输出 S。 霍尔元件 电流的检测采用霍尔元件 HAL200采集的电压信号经电阻分压后送给 ＲC 低通滤波 电路， 再将信号传给由运放 TL082C 组成的一阶 反向低通滤波器。 电机定子的输入电流为正弦 波， 但 DSP 的 ADC 只能采集正的电压值， 所以在 使输出电 滤波器的输出端加入了电阻叠加网络， 压满足 DSP 的输入范围。 考虑 DSP 的 ADC 输入 电压的最大范围值， 在 ADC 之前使用了二极管 M5C 来保证输入电压满足要求， 使 DSP 安全可靠 的运行。具体的电流采样电路如图 5 所示。
2
无速度传感器矢量控制策略
在无 速 度 传 感 器 矢 量 控 制 策 略 中 ， 转速是
利用采样的定子 电 压 和 电 流 通 过 一 定 的 运 算 取消了低可靠性且价格昂贵的速度 获得的，
图1 三相电压源逆变器主电路
iv ， iw ） 和 电 压 传 感 器 。 采 样 的 三 相 电 流 （ iu ， （ Uu， Uv， U w ） 经 过 CLAＲK 变 换 后 得 到 i sα 、 i sβ （ 1） U sβ ， 和 U sα 、 再通过磁链观测器求得转子磁链 和转子 磁 链 角， 磁链观测器的输出作为转速 计 算 电 机 的 转 速 ωr。 反 馈 回 观测器 的 输 入， 来的转 速 与 给 定 转 速 相 减 后， 经 PID 调 节 得
0
引
言
［ 1 ］
点， 提出了一种带效率优化算法的无速度传感器矢 4 极异步电机为控制 量控制系统， 并以一台 30 kW、 对象， 通过试验证明了采用该算法的无速度传感器 矢量控制系统的可行性与优越性。
电动车的关键技术主要包括车身、 驱动系统、 能 源系统和能量管理系统的设计 。设计一款具有高 可靠性、 高效率、 高功率密度和宽调速范围的驱动器 是提高电动汽车性能的关键技术之一。在异步电机 控制系统中， 需采用转速闭环控制来提高系统的性 因此需在电机上安装速度传感器来测量转速。 能， 但精密的速度传感器价格昂贵， 且增加了系统的尺 寸和复杂度， 使系统的可靠性降低， 不适合工作在恶 劣的环境下。无速度传感器矢量控制 （ Sensorless Vector Control， SVC） 调速技术吸收了传统变压变频 是目前最热 调速技术和矢量控制调速技术的优点， 门的研究课题之一。但采用标准矢量控制策略的矢 量控制驱动器存在轻载低效的问题， 在电动汽车上 应用并不理想。因此， 本文针对电动汽车的应用特
新能源汽车技术EMCA
2013 ， 40 （ 6 ）
电动汽车无速度传感器矢量控制系统
勉， 冯 杰， 王胜强 ( 广东工业大学 信息工程学院， 广东 广州 510006 )
［2 ］
。
图 1 为三相电压源逆变器主电路图。 定义开
2013 ， 40 （ 6 ）
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
dc
。用相邻基本电压矢量表示电压空间
U* U* 送 到 SVPWM 信 号 发 生 器 中 ， 通过 sα 、 sβ ， DSP 计 算 出 相 应 的 SVPWM 波 形 ， 从而为逆变 器提供驱动信号。 考虑到电动汽车大部分时间运行在高速小 且异步电机运行在基频以上时 ， 力矩的情况下 ，
［4］ 其损耗是 转 子 磁 链 的 凸 函 数 ， 在保证输出力 矩的要求 下 ， 控制系统中加入了根据电机转速
— 42 —
过流保护电路
系统采用了硬件保护 、 软件保护和 IGBT 单 管过流保护 。 硬件保护电路如图 6 所示 ， 输出电 流经过 霍 尔 传 感 器 转 换 成 电 压 信 号 通 过 运 放 LM239D 与给定 的 两 个 安 全 参 考 电 压 值 进 行 比 较， 若输出电流超过最大 （ 最小 ） 值 ， 则运放输出 低电平送至 TMS320F2812 的 / PDPINTA 引脚 ， 从 而封锁 PWM 输 出 ， 使 IGBT 关 断 。 较 高 精 度 的 参考电压 能 有 效 防 止 保 护 误 动 作 ， 由 TL431 组 成的稳压电路能提供相对于电阻分压更高精度 的参考电压输出 。 软件保护是指 DSP 多次采样 到输出电流大于最大值时 ， 程序使 PWM 输出成 DS 端 电 压 会 迅 速 升 高阻状态 。 IGBT 过 流 时 ， 高， 通过检测 DS 端的电压能对单管过流进行有 效保护 。
图2
电压空间矢量图
件结构框图 。
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图3
驱动系统的原理框图
Sx =
{0 ， 下桥臂导通
1， 上桥臂导通
（ Sa 、 Sb 、 Sc ） 共 根据 6 个开关管的开关模式， 有 8 个开关组合， 包括 6 个非零矢量 U1 （ 001 ） 、 U2 （ 011 ） 、 U3 （ 010 ） 、 U4 （ 110 ） 、 U5 （ 100 ） 、 U6 （ 101 ） U7 （ 111 ） 。 按照恒功率 和 2 个零矢量 U0 （ 000 ） 、 6 个非零矢量在空间上互差 60° ， 幅值 变换可知， 为 U 3 槡 2
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SVPWM 工作原理
空间矢量脉宽调制 （ SVPWM ） 技术是把逆变
器和交流电机视为一体， 以圆形旋转磁场为目标 来控制逆变器的工作， 通过控制逆变器的开关模 式， 从而交替使用不同的电压空间矢量来实现的 。 与传统的正弦脉宽调制 （ SPWM ） 相比， 其开关器 件的开关次数可以减少 1 /3 ， 直流电压的利用率 可提高 15% ， 转矩脉动明显降低， 能获得较好的 谐波抑制效果， 且易于实现数字化控制 b， c） 为 关函数 S x （ x = a，
Abstract： According to the requirement of wide speed range，high reliability and high efficiency of electric vehicle，a kind of efficiency optimization algorithm for speed sensorless vector control （ SVC） system was presented． The principle and control strategy of the system were deeply analyzed． The entire system included the power module of the main circuit，current and voltage acquisition circuits，protection circuit，and controller area network （ CAN ） communication module． The TMS320F2812 chip was seclected as the core of the controller． The experimental results showed that the efficiency optimization algorithm was feasible，and the system has a good dynamic performance achieving the desired design goals． Key words： electric vehicle； efficiency optimization； control strategy
实际输出电压中所含的谐波分量最 矢量 U s 时， 且逆变器的开关次数最少 。 按照平行四边 小， 形合 成 法 则， 可 以 用 两 个 相 邻 电 压 矢 量 （ UX ， U X + 60 ） 和两个零电压矢量（ O000 ， O111 ） 表示任意电 压空间矢量 U s 。 将这些电压矢量及其方向作于 图 2 。以第Ⅰ扇区内的期望输出电压矢量（ U s ） 为 PWM 的周期 例， 设 U s 与扇区起始边的夹角为 θ， U0 的作用时间为 t1 ， U60 的作用时间为 t2 ， 为 T， 零 矢量的作用时间为 t0 ， 且 t1 + t2 + t0 = T 。 则 U s 、 t1 、 t2 的表达式分别为 t1 t2 t0 U s = U0 + U60 + O000 （ O111 ） T T T 2 Us T π t1 = 槡 sin（ － θ） Ud 3 2 Us T t2 = 槡 sinθ Ud
［3 ］
和力矩计 算 最 优 磁 通 的 效 率 优 化 模 块 ， 加大了 电动汽车的续航能力 。 驱动系统的原理框图如 图 3 所示 。
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3． 1
硬件设计
控制系统整体框图
（ 2） （ 3） （ 4）
驱动系统的硬件电路可分为主电路和控制 电路两 部 分 。 主 电 路 由 平 波 电 路 和 功 率 逆 变 模块构成 。 功率模块采用 FP100 Ｒ12 KT3 ， 该功 率模 块 中 包 含 有 7 个 IGBT （ 6 个 逆 变 功 率 IGBT ， 1 个制动 回 路 IGBT ） 和 一 个 负 温 度 系 数 （ NTC ） 的 热 敏 电 阻 。 控 制 电 路 的 核 心 芯 片 为 TMS320 F2812 ， 其 中 2812 的 事 件 管 理 器 A 能 够产 生 3 对 互 补 的 PWM 波 控 制 电 机 定 子 电 流 ； 模数转换器 （ ADC ） 单 元 实 时 采 集 驱 动 器 的 输出电流和直流 母 线 的 电 压 ， 为系统的闭环控 制提供通路 ； 中断 能 迅 速 响 应 系 统 的 故 障 中 断 使系 统 的 可 靠 性 提 高 ； 2812 的 控 制 器 局 信号 ， 域网 （ CAN ） 单元 使 驱 动 器 可 以 通 过 CAN 总 线 和车载管理系统实时的通信 。 图 4 为系统的硬
摘 要： 针对电动汽车要求驱动系统具有宽调速范围 、 高可靠性与高效率等特点， 提出了一种效率优化
刘诗敏， 李优新， 黎
的无速度传感器矢量控制（ SVC） 系统。介绍了该系统的原理， 提出了相应控制策略， 完成了系统硬件和软件 包括主电路功率模块、 电流电压采集电路、 方案设计。整个系统以 TMS320F2812 DSP 芯片为核心控制器件， 保护电路、 控制器局域网络（ CAN） 通信模块等部分。 试验结果表明， 效率优化算法可行， 系统具有良好的动 态性能， 达到了预期设计目标。 关键词： 电动汽车； 效率优化； 控制策略 中图分类号： TM 301． 2 文献标志码： A 6540 （ 2013 ） 06004005 文章编号： 1673-
Speed Sensorless Vector Control System of Electric Vehicle
LIU Shimin， LI Youxin， LI Mian， FENG Jie， WANG Shengqiang （ College of Information Technology，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006 ，China）
图4
系统的硬件结构框图 图5 电流采样电路
3． 2
电流检测 3． 3
驱动系统属于电流和转速闭环控制系统， 且 所以电 转速是通过输出电流和电压计算得到的， 流检测的精确度直接影响控制系统的实时性和准 确性。由于三相输出电流之和为 0 ， 所以只需要 W 相） ， 采集两相电流 （ 本系统采集的是 V、 输出 S。 霍尔元件 电流的检测采用霍尔元件 HAL200采集的电压信号经电阻分压后送给 ＲC 低通滤波 电路， 再将信号传给由运放 TL082C 组成的一阶 反向低通滤波器。 电机定子的输入电流为正弦 波， 但 DSP 的 ADC 只能采集正的电压值， 所以在 使输出电 滤波器的输出端加入了电阻叠加网络， 压满足 DSP 的输入范围。 考虑 DSP 的 ADC 输入 电压的最大范围值， 在 ADC 之前使用了二极管 M5C 来保证输入电压满足要求， 使 DSP 安全可靠 的运行。具体的电流采样电路如图 5 所示。
2
无速度传感器矢量控制策略
在无 速 度 传 感 器 矢 量 控 制 策 略 中 ， 转速是
利用采样的定子 电 压 和 电 流 通 过 一 定 的 运 算 取消了低可靠性且价格昂贵的速度 获得的，
图1 三相电压源逆变器主电路
iv ， iw ） 和 电 压 传 感 器 。 采 样 的 三 相 电 流 （ iu ， （ Uu， Uv， U w ） 经 过 CLAＲK 变 换 后 得 到 i sα 、 i sβ （ 1） U sβ ， 和 U sα 、 再通过磁链观测器求得转子磁链 和转子 磁 链 角， 磁链观测器的输出作为转速 计 算 电 机 的 转 速 ωr。 反 馈 回 观测器 的 输 入， 来的转 速 与 给 定 转 速 相 减 后， 经 PID 调 节 得
0
引
言
［ 1 ］
点， 提出了一种带效率优化算法的无速度传感器矢 4 极异步电机为控制 量控制系统， 并以一台 30 kW、 对象， 通过试验证明了采用该算法的无速度传感器 矢量控制系统的可行性与优越性。
电动车的关键技术主要包括车身、 驱动系统、 能 源系统和能量管理系统的设计 。设计一款具有高 可靠性、 高效率、 高功率密度和宽调速范围的驱动器 是提高电动汽车性能的关键技术之一。在异步电机 控制系统中， 需采用转速闭环控制来提高系统的性 因此需在电机上安装速度传感器来测量转速。 能， 但精密的速度传感器价格昂贵， 且增加了系统的尺 寸和复杂度， 使系统的可靠性降低， 不适合工作在恶 劣的环境下。无速度传感器矢量控制 （ Sensorless Vector Control， SVC） 调速技术吸收了传统变压变频 是目前最热 调速技术和矢量控制调速技术的优点， 门的研究课题之一。但采用标准矢量控制策略的矢 量控制驱动器存在轻载低效的问题， 在电动汽车上 应用并不理想。因此， 本文针对电动汽车的应用特
新能源汽车技术EMCA
2013 ， 40 （ 6 ）
电动汽车无速度传感器矢量控制系统
勉， 冯 杰， 王胜强 ( 广东工业大学 信息工程学院， 广东 广州 510006 )
［2 ］
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图 1 为三相电压源逆变器主电路图。 定义开
2013 ， 40 （ 6 ）
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
dc
。用相邻基本电压矢量表示电压空间
U* U* 送 到 SVPWM 信 号 发 生 器 中 ， 通过 sα 、 sβ ， DSP 计 算 出 相 应 的 SVPWM 波 形 ， 从而为逆变 器提供驱动信号。 考虑到电动汽车大部分时间运行在高速小 且异步电机运行在基频以上时 ， 力矩的情况下 ，
［4］ 其损耗是 转 子 磁 链 的 凸 函 数 ， 在保证输出力 矩的要求 下 ， 控制系统中加入了根据电机转速
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过流保护电路
系统采用了硬件保护 、 软件保护和 IGBT 单 管过流保护 。 硬件保护电路如图 6 所示 ， 输出电 流经过 霍 尔 传 感 器 转 换 成 电 压 信 号 通 过 运 放 LM239D 与给定 的 两 个 安 全 参 考 电 压 值 进 行 比 较， 若输出电流超过最大 （ 最小 ） 值 ， 则运放输出 低电平送至 TMS320F2812 的 / PDPINTA 引脚 ， 从 而封锁 PWM 输 出 ， 使 IGBT 关 断 。 较 高 精 度 的 参考电压 能 有 效 防 止 保 护 误 动 作 ， 由 TL431 组 成的稳压电路能提供相对于电阻分压更高精度 的参考电压输出 。 软件保护是指 DSP 多次采样 到输出电流大于最大值时 ， 程序使 PWM 输出成 DS 端 电 压 会 迅 速 升 高阻状态 。 IGBT 过 流 时 ， 高， 通过检测 DS 端的电压能对单管过流进行有 效保护 。
图2
电压空间矢量图
件结构框图 。
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2013 ， 40 （ 6 ）
图3
驱动系统的原理框图