基于dsp2407的电动汽车感应电机控制系统硬件设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于dsp2407的电动汽车感应电机控制系统硬件设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

来越多的关注，由于 PWM 逆变器的电压电流中含有不少的谐 波成分，这些谐波产生的转矩脉动作用在定转子上，使电机绕组产生振动而发出噪声。 人们为了解决此问题想出了两种方法，一个是提高开关频率，使之高于人耳能感受的范围，另一种方法就是使用随机脉冲频率PWM 技术，从改变谐波的频谱出发，使逆变器输出电压电流谐波均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。 不同交流调速控制策略比较 感应电机是较早用于电动汽车驱动的一种电机。 它的调速控制技术比较成熟，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点。 其控制技术主要有 V/F 控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制 D(TC)。 在 20 世纪 90 年代以前，主要以 PWM 方 式实现 V/F 控制和转差频率控制，但因转速控制范围小，转矩特性不理想。 因此不适合频繁起动、加减速的电动汽车。 近几年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。 矢量控制有最大效率控制和无速度传感器矢量控制 :前者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化，从而使电动机的损耗最小、效率最大。 后者是利用电动机电压、电流和电动机参数来估算出速度，不用速度传感器，从而达到简化系 统、降低 成本、提高可靠性的目的。 直接转矩控制克服了矢量控制中解耦 的思想，把转子磁通定向变换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。 由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。 异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势， 因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品 (尤其在美国 )。 如何准确、快速的辨识 异步电动机转子电阻，以提高整个矢量控制系统的鲁棒性，一直以来是国内外研究的重点。 与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压空间矢量和六边形磁链空间矢量概念，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。 此外，它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。 直接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但有低速转矩脉动大的缺点。 交流电机矢量控制系统常用方案及其比较 目前交流电机矢量控制方法应用较多、比较成熟的有四种。 它们基于不同的控制思路，有着各自的优缺点，应用于不同的领域。 下面对它们进行简要的总结和比较。 转差频率的矢量控制方案结构简单，不需要实际计算转子磁链的幅值和相位，避免了磁通的闭环控制，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统的水平。 然而间接磁场定向控制中对转子时间常数比较敏感，当控制器中这个参数不正确时，计算出的转差频率也不正确，得出的磁通旋转角度将出现偏差，即出现定向不 准的问题。 这种控制方法不适合高性能的电机控制系统。 气隙磁场定向矢量控制方案 气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在藕合，需要增加解耦 器，这使得它比转子磁通的控制方式复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气 隙磁通。 同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。 定子磁场定向的矢量控制方案 定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现且不包括对温度变化非常敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也 相对简单。 然而低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影响系统性能。 定子磁场定向的矢量控制系统适用于大范围弱磁运行的情况。 转子磁场定向的矢量控制方案 转子磁场定向的控制方案，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间 常数的影响较大，降低了系统的性能。 但是它达到了完全的解耦控制，无需增加解耦器，控制方式简单，具有较好动态性能和控制精度。 所以本设计 采用转子磁场定向的矢量控制。 交流伺服驱动技术的发展趋势 1．全数字化 采用新型高速微处理器 和专用数字信号处理器 (DSP)的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。 全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使伺服系统中应用现代控制理论的先进算法 (如最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等 )成为可能。 2．采用新型电力电子半导体器件 目前，伺服控制系统得输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管 (GTR)、功率场效应晶体管 (MOSFET)等。 这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的损耗，提高 了系统的响 应速度，降低了运行噪声。 尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已 经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块 (Intelligent Power Module， IPM)。 这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过电压、过电流保护及故障诊断等功能全部集成于一个不大的模块之中，其输入逻辑电平与 TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。 它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。 3．高度集成化 新的交流伺服系统产品改变了将伺服 系统化分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成多功能的控制单元。 同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变性能，既可以使用电动机本身配 置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。 高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统得安装与调试工作都得到了简化。 4．智能化 智能化是当前一切工业控制设备的流行趋势，交流伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。 最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先，它们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便；其次，它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性。 除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。 众所周知，闭环调节系统地参数整定是保证系统性能指标的重要环节，也 是需要耗费较多时间与精力的工作。 带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统地参数整定出来，并自动实现其最优化。 对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。 5．模块化和网络化 在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化 (Factory Automation， FA)技术在最近 10年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。 为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口 (如 RS． 232或 RS． 424接口等 )和专用的局域网接口。 这些接口的设置，显著地增强了伺服控制 单元与其他控制设备间的互连能力，从而与 CNC系统间的连接也由此变得十分简单，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。 也可以通过串行接口，与可编程控制器 (PLC)的数控模块相连 MJ。 本章小结 第 3 章 电动汽 车用功率模块的研究分析 电力电子技术是电动汽车的核心控制技术之一，电力电子器件的性能关系到汽车的可靠性，因此对器件的性能必须进行深入的了解，才能设计出性能优良的系统。 IGBT 以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点 ，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。 IGBT 的结构和工作原理 IGBT 绝缘栅双极型晶体管是把 MOSFET 和 BJT 器件集成在一个芯片上而构成的一种复合器件，它综合了 MOSFET 和 BJT 的各自优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、驱动电流小、耐压高和承受电流大等优点，代表了当前世界上电力电子器件发展的重要方向。 tttt0t1t2t3t0t1t2t3UiU iiCUC EUG E触 发 脉 冲 图 IGBT 开通与关断时动态波形图 开通过程 IGBT导通需要在栅极加适当的驱动电压，如上图所示在 t0时刻触发脉冲 Ui由栅极电阻提供导通需要的驱动电压 UGE，收内部结构影响， UGE并不能马上达到导通最大值，而是当 t1时刻达到栅极阈值电压。 此过程中集电极电流 ic从 0开始上升，且在 LE上感应出一个反电势随 ic的上升而增大，由于反电势方向是与 UGE相反，因此对 UGE的大小和上升率呈现抵消作用，同时它又制约和减缓了 ic的增长。 在 t2时刻 ic达到最 大值， UGE开始下降，并由此使 GC极等效电容放电，这相当于在驱动电路中增加了一种容性电流，使驱动电路内阻抗上的压降增加，造成UGE进一步降低，而在 t2 t3段上呈现一种上升趋势的凹形。 在 t3时刻 UCE下降到接 近于 0的管压降稳定值， iC也进入稳态值阶段，此时 IGBT进入饱和导通状态，抑制和阻碍 UGE上升的不利因素都已消失，故此 UGE能以较快的上升率进入到最大稳定值 ,至此 IGBT的开导过程结束。 通过上述分析可以看出， IGBT的 LE、 CGC和驱动电路电阻都将影响 IGBT的开通速度，为此应尽量选择 LE、 CGC小的 IGBT，同时也应采用内阻小的驱动电路。 关断过程 IGBT关断过程中的电压电流波形如上图所示。 在 t0′时刻系统输出关断触发 脉冲 Ui下降沿作用于栅极。 由于内部结构影响 UGE是以一定斜率下降，在 t0′~t1′期间 iC、 UCE维持不变，当 UGE下降到某一值，在 t1′时刻后 IGBT进入线性放大工作状态， UGE开始上升，由于 CGE+CGC的共同耦合电容效应，致使 UGE在 t1′~t2′一段时间内保持一种动态平衡状态。 而在 t2′时刻 UGE达到动态峰值时， iC按一定斜率下降至 0，同时 CGE+CGC的放电 作用消失， UGC自 t2′下降至 t3′时为 0值； UGE进入稳定状态，至此关断过程结束。 综上， IGBT的 CGE、 CGC都对关断过程起到延缓和阻碍作用。 因此，要选择CGE、 CGC小的 IGBT；另一个方面内阻小的驱动电路，能使 CGE、 CGC的充放电电流增加，可以加速 UGE下降和 UCE上升的速率。 电动车用 IGBT 功率模块的要求 电动汽车中所使用的 IGBT 模块，相对于传统工业应用，工作环境恶劣，对 IGBT 长期使用的可靠性提出了更高的要求。 汽车对功率模块的需求可大致划分为两大类。 技术 性需求 技术性指标指功率模块满足汽车在电气性能、环境限制、体积以及重量方面的要求，并且能够在性能、功率体积比、坚固耐用、质量、可生产性以及价格之间找到适当的平衡点。 1. 工作环境限制（高温、振动情况） IGBT 位于逆变器中，需要在高环境温度及机械冲击下，按照特定的汽车驱动工况，为混合系统的电机提供能量。 根据不同车辆设计，逆变器可 能放置在汽车尾箱、变速箱内或引擎盖下靠近内燃机的位置，而 电动汽车对功率模块最重要以及最赋挑战性的一个技术指标就是在不降低模块性能或缩减模块寿命的情况下，让其在冷却进风口温度为 105oC 的情况下正常运行。 因此，如果能扩大模块运行的温度范围 (40oC 至 125oC)，就会减轻设计者为模块提供单独制冷回路的负担。 这就对功率模块的功率密度及 散热设计提出了更高的要求。 2. 复杂的驱动工况 不同于工业应用中电机拖动， 电动 车辆驱动工况更复杂，例如对应城市 的工况，需要频繁切换于加速、减速、巡航间各个状态，通过 IGBT 的电流、电 压并非常量，而是随车辆工况反复循环波动， IGBT 模块需要在电流、电压循环 冲击下可靠运行。 加 速刹 车A c c e l e r a t i o nB r e a k i n gD C v o l t a g eM o t o r v o l t a g eM o t o r c u r r e n tC r u i s i n g巡 航Voltage[V] 电 压3 0 02 5 02 0 01 5 01 0 05 0002 0 0 4 0 06 0 0 8 0 005 01 0 01 5 02 0 02 5 0T i m e [ s ]时 间Current[A]电 流母 线 电 压电 机 电 压电 机 电 流图 汽车各工况下， IGBT 工作曲线。