AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计
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张关兵
中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司 湖北省武汉市 430056
摘 要： 本文从分析电动车驱动电机的技术特点及发展前景出发，对自平衡电动车电机驱动控制系统的安全性、硬件和软件设计进行了研究，在对其进行科学论证的基础上，最后运用直流无刷电机等相关器材进行了实验，结果证明自平衡电动车电机驱动控制系统运转平稳，效果良好。
关键词：电动车；驱动电机；控制系统；设计
电机驱动系统可堪称电动车的心脏。把驱动电机的控制系统设计完善，是把控电动车质量的关键所在。然而，由于电动车辆的类型不同，对驱动电机的控制系统的设计要求也会不尽相同。本文研究的是两轮自平衡电动车，主对驱动电机的控制系统设计进行探讨。
1 电动车驱动电机的技术特点及发展前景
用于自平衡电动车的中小功率电机主要有四种类型：即永磁同步电机、有刷直流电机、直流无刷电机、交流三相感应电机。
有刷直流电机具有技术成熟、控制简单的特点，但由于电刷和换向器需要经常维修，而且散热困难，目前已较少使用；交流三相感应电机具有运行可靠、功率大、转速快、结构简单等特点，相比有刷直流电机具有一定优势；直流无刷电机具有散热快、速度快、功率小等特点，一般多用于电动自行车；永磁同步电机属于永磁电机，具有效率高、体积小和动态响应特性好等优点[1]。
以上四种电机除有刷直流电机外，其它均需要配逆变器才能给予供电。随着电子数字技术在我国的快速发展，这些年，我国在逆变器供电技术方面也得到了迅速发展，并使其逐步融入到了电动车电机的控制系统之中；在电机方面也由常用的三相发展到了六相永磁电机，使电机优势性能得到了充分发
挥。主要体现在：一是由于绕组排布合理，
使转矩谐波减小；二是与三相电机体积相同
的情况下，功率的输出却比三相电机大；三
是在使用的可靠性方面比普通电机强。通过
对以上各种性能电动机的比较和对六相永磁
电机的功能特性的了解，使该电机在电动车
驱动控制系统中得到了广泛的应用，其应用
前景极为可观。
2 自平衡电动车电机驱动控制系统的
安全性设计
自平衡电动车是一种两个轮子同轴排
布，在没有动力作用下不能保持自身平衡，
只有在作动力作用时，才能保持平衡和直立
姿态的电动车。这种电动车设计，综合应用
了电机控制、机械力学等各个方面的知识。
其中，机械力学主要用于电动车机械部分的
设计；电机控制系统是电动车的执行单元，
在经过电机控制算法之后，才能控制电机做
出反应。要满足驱动这一要求，必须要安装
两台电机才能保证正常行驶和安全。这是因
为，假设电动车在行驶过程中，能够实现一
边轮子不能转动，而另一边照常，那么，电
动车零半径转向就可以实现。再从自平衡电
动车驱动控制系统的安全性、可靠性考虑，
六相永磁电机具备这种性能[2]。假如在六相电
机中的一个三相绕组发生故障，电机不会突
然失去动力。因为另一个三相绕组会保持正
常的工作状态，直至电动车能够顺利平稳地
实施减速并安全停车为止。由此可见，我们
在设计驱动电机的控制系统时，应充分考虑
安全性和可靠性因素。因此本文在设计中是
这样考虑的：
（1）对驱动控制系统进行冗余性设计。
根据设计原理，一般讲，电机中安装的两个
三相绕组要受两套三相整流装置的驱动，而
三相整流装置又要同时受到驱动控制器的控
制，这样一来，一旦控制器出现问题，发生
故障，驱动的正确信号不能及时发出，就会
导致整个控制系统不能保持正常运转。为了
使电动车的安全性和可靠性能确保万无一
失，那么，对驱动控制的整个系统进行冗余
性设计就成了必不可缺的要求；
（2）设计两套控制装置。自平衡电动
车的两台六相永磁电机是受驱动控制系统控
制，为了保证整个驱动控制系统达到安全性
和可靠性的万无一失，本文设计了两套控制
装置分别控制每台电机的三相绕组，从而形
成了“一保一”的管控架势。
3 自平衡电动车驱动控制系统的硬件
设计
3.1 驱动控制系统的硬件框架
自平衡电动车的驱动控制系统是一个相
对独立的闭环控制系统，其中硬件部分是该
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系统的基础。为了保障驱动控制系统的正常运行，一方面要通过实时性的确保来满足安全性要求，另一方面通过安装两套控制器来保障安全控制的对称性。为了实现自平衡电动车驱动控制系统的数据交换，在整车设计时还需考虑安装以DSP为核心驱动控制系统和以PIC单片机为核心的传感检测器，并留置数据通信接口[3]。
3.2 选择运算处理核心
为了保证电机控制系统和接受指令的实时性、精确性，正确选择一个运算处理核心，是做好自平衡电动
车驱动控制系统设计的关键。从目前情况看有两种选择：一是8或16位单片机；二是16位DSP。本设计从自平衡电动车驱动控制系统的适应性要求出发，选择了美国德州仪器公司的DSP——TMS320LF2407A芯片。
3.3 驱动电路设计
为了实现电机输入信号的放大，按照设计和电机参数的要求，本设计选取了开关速度较快的 POWER MOSFET组成三相整流桥，然后在 DSP发出的PWM信号控制下进行有序地导通，给电机提供足够驱动的电能。在实际电路中，往往采用的驱动芯片是 I R2136。由于该I R2136在芯片上集成了三对高低电压的输出通道；因此，在应用方式上，I R2136只要一块就可以驱动永磁同步电机中的一个三相绕组。此外I R2136还可以自举的方式解决高侧MOSFET（VT1、VT3、VT5）的导通问题。
此外，为了实现六相永磁电机的转速和电流双闭环控制，在电路设计上，还必须对电机的转速信号和电流信号分别设计反馈通路。
3.4 数据通讯
在自平衡电动车实际应用中，存在着各种数据交流。因此，在进行驱动控制系统的设计时，就必须考虑相应数据通讯的接口问题。主要有：（1）驱动控制器之间、检测传感器之间数据交换通讯接口；（2）
电动车控制系统与检测传感部分的通讯接口；（3）两组驱动控制系统之间的串行通信接口；（4）两组检测传感系统之间的串行通信接口；（5）TMS320LF2407A的SPI及SCI接口等等。
3.5 DC-DC电源转换
在自平衡电动车的驱动控制系统中，给
电机供电的是72V直流电源。为了满足电力驱
动部分和电子控制部分的供电，需要将其分
别转化为3.3V、5V和15V的直流电使用，而
在驱动控制系统中加入DC-DC电源转换模块
就可实现这一转换，甚至开关电源的转换。
开关电源控制模式有电压型PWM和电流型
PWM两种控制模式。电压型PWM只有一个
电压反馈闭环；电流型PWM是双闭环控制系
统，外环是电压闭环，内环是电流闭环，内
环受制于外环。
4 自平衡电动车驱动控制系统的软件
设计
4.1 系统架构
基于本驱动控制系统的运算处理核心硬
件，采用的DSP——TMS320LF2407A是TI公
司生产的。所以，本控制系统的软件只能是
TI 公司针对DSP——TMS320LF2407A硬件
平台编制的相应电机控制软件—— CCS2. 2
平台上用的 C语言和汇编语言。该软件主要
控制六相永磁电机以及控制六相永磁电机中
两个三项绕组的 DSP 芯片模块，实现两个控
制模块之间传递电机控制信息过程的SCI数据
总线的完成。
电动车质量排名4.2 电机控制系统子程序
根据图四所示，电机A和电机B的控制
程序可分别作为函数嵌入到电机控制子程序
中，从而实现电动车驱动控制系统的灵活配
置。对于A、B两种电机的控制函数，可按六
相永磁同步电机和六相直流无刷电机的控制
原理分别进行编程，设计各个通用或专用的
功能模块。如 永磁同步电机控制子程序中的
转速控制模块、电流坐标变换模块、 电流调
节模块、电压计算模块、PWM输出模块等。
直流无刷电机控制子程序的设计方式同永磁
同步电机控制子程序。
4.3 数据同步
由于A、B两台电机受制于两块
TMS320LF2407A的DSP芯片的控制，而且其
拓扑结构又是相互交叉的，所以就出现了同
一台电机由两块DSP同时控制的问题，给电
机的控制带来了一定的困难。只有解决数据
同步和协调的问题，这个困难才能解决（可
见图1）。
图1 两块DSP之间的数据同步机制图
DSP1
（增加时延）
同时向上位系统请求指令信息
DSP2
5 实验
本文按照自平衡电动车驱动控制系统的
硬件、软件体系，建立了以硬件电路板、实
验电机、仿真用计算机、DSP仿真器、三相
整流桥为主要器材实验系统。在本实验系统
中，通过使用直流无刷电机进行实验，电机
能平稳转动，电动车驱动控制效果良好。
参考文献：
[1]郑宏，张佳伟，徐文成.基于STM32的直
流无刷电机正弦波控制系统[J].电子器件，
2016（6）：1521-1526.
[2]吴雪松.电
动汽车用六相永磁电动机
SVPWM控制策略研究[D].
[3]张楠.基于DSP电动汽车永磁同步电机控
制系统的研究[D].天津理工大学，2014.
作者简介
张关兵： （1967.12—），男，湖北武汉人，本科，
工程师，中汽研汽车检验中心（武汉）
有限公司。研究方向：长期从事汽车测
试技术和标准化研究工作。
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