2012年第40卷第1期
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驱动控制
rive and control
纯电
动汽车三相
异步
电动机矢
量控制
61收稿日期:2011－12－19
项目资助：江西省科技厅产业项目(S00551)
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。
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 －yu ，XIAO Jing (Nanchang University ，Nanchang 330031，China )
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 DSP＇s features were fully used ，and through the ration-al designs for the software and hardware ，the system was made to be fully fuctional ，highly effective and reliable．Experiments results 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。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。
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 坐标系。在MT 坐标系下，
，并反馈到控制端，对给定的控制信号的励磁分量i m 和转矩分量i t 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 )到两相同步旋转坐标系(MT )的变换方程式:
i m i []
t =
N 2N 3cos θsin θ－sin θcos []
θ1－12－120槡32－槡3 2i A i B i c 式中:N 2、N 3分别为两相系统和三相系统每相绕组的有效匝数;θ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。PWM 波是一种脉宽可调的脉冲波，用于交流电动机的电压控制，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
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纯电动汽
车三相异步电动机矢
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62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:α=
正脉宽PWM 周期=周期值－比较值周期值使用比较单元产生PWM 波，占空比的计算公式:α=正脉宽PWM 周期=周期值－比较值－死区
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
。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，TMS320LF2407A 将对六路互补的触发脉冲进行关断。TMS320LF2407A 内置采样、保持的10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 ，
TMS320LF2407A 进行分析处理。例如当温度高于45ħ时，TMS320LF2407A 输出高电平信号，
经过GPIO 通道，开启冷却风扇，低于40ħ时，则输出低电平信号，关闭冷却风扇。
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
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－S /SP50，工作电压为ʃ5V 。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 3．3V 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
。
图2电流采样电路图
2．2．2温度采样电
路图3
温度采样电路图
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
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45ħ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40ħ时，则输出低电平信号，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+5V 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。U a 、
U b 为二相采样电压，分别与U w1(0 1．65V 之间)和U
w2
图4过压欠压保护电路图
(1．65 3．3V 之间)相比较，输出高(低)电平。当U a 大于U w1，小于U w2时，U 0为高电平，并将此信号送给PDPINTB ，事件管理模块正常工作；当U a 小于U w1或者U a 大于U w2时，U 0为低电平信号，PDPINTB
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汽车结构图D
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动机
矢量控制
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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i A 、i B 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 C =－(i A +i B )计算出i C 。通过“3/2变换”和“交/直变换”将电流i A 、i B 、i C 转换成旋转坐标系MT 中的直流分量i m 、i t ，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n 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－磁链位置计算求出。转矩控制的电流T 轴给定值由转速给定值与
实际转速的偏差经过速度PI 调节器调节所得。
T 轴
及图5矢量控制软件结构图
M 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，详细地讲诉了PWM 波形的产生步骤，及每个变化的过程
。图6PWM 中断流程图
4系统仿真
仿真模型如图7所示
。图7矢量控制总仿真模型仿真用的异步电动机主要参数如下：额定功率P n =15kVA ，额定电压U n =460V ，额定频率f n =60Hz ，额定转速N =3000r /min ，定子电阻R s =0．087Ω，转子电阻R r =0．228Ω，定子漏感L s =0．8mH ，转子漏感L r =0．8mH ，定转子互感L m =34．7mH ，机械转动惯量J =1．662kg ·m 2
，极对数p =2，PID 调节器的参数为P =20，I =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
好图8定子磁链运行区域及轨迹的正弦特性，转矩具
有瞬时响应特性，电机转速的动态响应
快并且稳定波动较小。实验及仿真验证了该系统在调速
控制中的可行性，并且该系统在昌河ideal 车上进行测试，到达了稳定运行的要求。(下转第69页)
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基
于
的
超声
波电动机新型
驱动器
69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
时由于本驱动器采用推挽电路来驱动电机，所以孤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
。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41．3kHz ，输入电压12
V ，输入电流1．0A ，电机转速161r /min 。MOSFET 的
栅图5超声波电动机小型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调
速性能，调速曲线如图7所示，具有较好的线性
。(a )MOSFET 驱动波
形(b )两相电机驱动电压波形
图6实验波
形(a )f =42．0
kHz (b )f =42．4
kHz (c )f =42．8kHz
图7固定频率下的调压调速曲线
4结语本文基于MSP430单片机，设计了一种新型平台的超声波电动机小型驱动器，并很好地驱动了
TRUM60型超声波电动机。该驱动器增加了调压调速功能，具有体积小、结构简单、调试方便等优点，并留有丰富的控制接口，为后续丰富和完善驱动器功能奠定了基础。
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2003，25(1):36－38．作者简介：俞浦(1983－)，男，硕士研究生，研究方向为航空航天测量工作。
(上接第63页
)图9电压、电流、转矩、速度仿真结果图
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2004．作者简介：万晓凤(1964－)，教授，硕士生导师，主要研究方向为计算机控制。
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