开关磁阻电机控制系统在电动汽车中的应用

核心提示：　　★机电控制技术开关磁阻电机控制系统在电动汽车中的应用杨岳峰，孙即明，张奕黄（北京交通大学电气工程学院，北京100044）了比较，并着重论述了！种适合用作牵引的开关磁阻电机控制系统，并在单片机AT8

　　★机电控制技术开关磁阻电机控制系统在电动汽车中的应用杨岳峰，孙即明，张奕黄（北京交通大学电气工程学院，北京100044）了比较，并着重论述了！种适合用作牵引的开关磁阻电机控制系统，并在单片机AT89C51的基础上采用TMS320LF2407新一代的DSP产品，使该控制器的可靠性更高，响应更快。）是一种以电池为动力的汽车，与燃油汽车有显著的区别。电动汽车是涉及到机械、电力、电子、计算机控制等多种学科的高技术产品，电动汽车将势必成为21世纪取代燃油汽车的主要交通工具。

　　1开关磁阻电动机特性才逐渐发展起来的一种新型驱动装置，它可以实现高精度、快响应、高效率以及高输出的性能指标。对SRM的研究和开发已经引起了国际电工界的广泛重视。

　　典型的SRM原理，如所示，该系统采用的是12/8极三相开关磁阻电动机。S1、S2是电子开关，D1、D2是二极管，E是直流电源。电机磁阻随着转子磁极与定子磁极的中心线对准或错开而变化，因为电感与磁阻成反比，当转子磁极在定子磁极中心线位置时，相绕组电感最大，当转子极间中心线对准定子磁极中心线时，相绕组电感最小。

　　当定子A相磁极轴线OA与转子磁极轴线Oa不重合时，开关S1、S2合上，A相绕组通电，电动机内建立起以OA为轴线的径向磁场，磁通通过定子辄、定子极、气隙、转子极、转子辄等处闭合。通过气隙的磁力线是弯曲的，此时磁路的磁导小于定、转子磁极轴线重合时的磁导，因此，转子将受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力产生的转矩的作用，使转子逆时针方向转动，转子磁极的轴线Oa向定子A相磁极轴线OA趋近。当Oa和OA轴线重合时，转子已达到平衡位置。此时打开A相开关S1、S2，合上B相开关，即在A相断电的同时B相通电，建立以B相定子磁极为轴线的磁场，电动机内磁场沿顺时针方向旋转，转子在磁场磁拉力的作用下继续沿着逆时针方向旋转。可见，连续不断地按A线就沿A―B―C一A的方向不断移动，转子则沿A一C一B―A的方向逆时针旋转。如果按A―C―B一A的顺序给定子各相绕组轮流通电，则磁场沿着A―C一B―A的方向转动，转子则沿着与之相反的A―B―C一A方向顺时针旋转。结合以上分析，本系统采用了开关磁阻电机控制系统。

　　2电动汽车电机与控制器开关磁阻电动机调速系统2.1开关磁阻电机（SRM）SRM是SRD中实现机电能量转换的部件，系双凸极可变磁阻电动机，其定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成。转子无绕组也无永磁体，定子极上绕有集中绕组，径向相对的两个绕组可串联构成一个两极磁极，称为“一相”。SRM可以设计成多种不同相数结构，且定、转子的极数有多种不同的搭配。

　　对于有自起动、四象限运行要求的驱动场合，定、转子极数都应该有合理的组合方案。SRM结构外形如所示。

　　2.2功率变换器功率变换器的作用是将电源提供的能量经适当转换后提供给SRM，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电。由于SRM绕组电流是单向的，使得其功率变换器主电路不仅结构较简单，而且相绕组与主开关器件是串联的，因而可预防短路故障。

　　2.3控制器采用德州仪器公司（TI公司）的TMS320LF2407，它集实时信号处理和控制器外设功能于一身，具有下列特点。

　　基于高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；0MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns（频率30MHz）从而提高了控制器的实时控制能力。

　　了TMS320LF240X系列DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。

　　两个事件管理器模块EVA和EVB，每个包括：两个16为通用定时器；个16位的脉宽调制（PWM）通道。它们能够实现：三相反相器控制；PWM的对称和非对称波形；当外部引脚PDPINTX出现低电平时能快速关闭PWM通道；可编程的PWM死区控制可以防止上下桥臂同时输出触发脉冲；3个捕获单元。

　　SRM的功率变换器主电路的结构形式，如所示blish转换器se事件管g理器模块适用于交流感应电机无有片内光电编码器接口电路；16通道A/D电动车辆的一个显著特点就是经常性地进行前进、刹车制动和倒车等。因此，电动车的驱动电机需要经常作电动和制动状态切换。这就要求电动车驱纟2）续流期间刷直流电机、开关磁阻电机、步进电机、多级电机和逆变器。

　　可扩展的外部存储器（LF2407）总共有64KB子程序存储器；64KB数据存储器；64IKB数据存储器；4KBI/O寻址空间。

　　基于锁相环的时钟发生器。

　　（13）高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚（GPIO）。

　　5个外部中断（电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断）。

　　电源管理包括3中低功耗模式，并且能独立将外设器件转入低功耗模式。

　　这些特点使得TMSLF2407DSP特别适合于控制SRM电机，而且为和其他控制器通信提供了便利。

　　3控制系统设计开关磁阻电机作为电动车驱动用电机，其控制系统与通用调速系统相比要复杂得多。系统硬件框图，如所示。

　　动用开关磁阻调速电机的控制器设计，同通用调速系统有很大的不同。通常它驱动电动机车辆前进，当需要减速或刹车时，要从电动状态转到制动状态，同时把一部分能量回馈电池。如车辆下坡时，最好能把它所具有的势能通过制动发电回馈给电池，这种再生发电性能对提高电动车的行使范围有重要意义。如果不能实现再生发电，则电动车的性能是不完善的。开关磁阻调速电机能很方便地实现制动发电，并且具有良好的制动效果。三相12/8结构SR电机只需变换各相导通角即可实现制动状态。

　　系统中使用三路彼此相隔15°机械角度的脉冲信号来反馈位置信号。通过F2407的捕获单元（CAP1~3）对三路脉冲信号进行实时检测来实现对转子位置信号的检测。CAP单元不仅能检测信号的变化，而且还能记录两次信号变化的时间间隔，由此可以确定电机转子的位置，计算出电机的实际运行速度，进而准确地控制各相的开通和关断。为了实现电平的匹配和提高系统的抗干扰性能，编码脉冲信号整形后通过光耦隔离输入。

　　3.2PWM调速控制策略采用PWM控制技术，对直流电压源Us实施斩波，调节供电电压U可实现对SRD系统的调压调速控制。在SR电机的众多调速方案中，PWM调压调速具有简单、易于实现的优点，同时调速性能较好。本电机采用三相6管制变换器主电路，适合PWM控制。我们在相绕组导通区引入PWM信号，PWM信号和相导通信号通过一个与门后形成了PWM控制的复合导通信号，其中ft为开通角，02为关断角。PWM复合调制的电流斩波方式有两种：斩单管方式和斩双管方式。在斩单管时，复合导通信号只引入每相一个主开关的控制端上管（如V1）下管（如V2）直接引入导通信号。上管担当电流斩波作用，斩波时绕组电流仅流过二极管续流。

　　3.2.1斩单管方式的特点（1）续流期间，绕组两端电压近似为0因而电流脉动小，振动噪声以及效率都比较令人满意。在斩单管PWM调压调速时，加在主电路上的平均电压：因此控制占空比即可控制主电路上的平均电压，以达到调压调速的目的。

　　清能量回馈电源3.2.2斩双管方式的特点斩双管时，复合导通信号同时引入上下两管（如V1、V2）的控制端。斩波时，绕组电流经电源而续流，这种斩波方式的特点：续流期间，绕组两端电压近似为Us，因而电流脉动大，振动噪声以及效率都较差。

　　续流期间有能量回馈电源。

　　采用斩单管的PWM调压调速技术，理论上简单明确，实现起来也很方便。这比传统的角度控制方案有一定的优越性，易于用简单的硬件电路来实现。本控制系统即采用了此方法。

　　本样机所使用的PID调节器经反复调试后，选择了合适的参数，获得良好的动态和静态性能。PWM控制策略，一般使用在电动状态。在本开关磁阻调速电机的制动状态，我们同样采用了PWM技术来控制制动电流及制动转矩。制动电流反馈结合PI调节器和PWM回路构成了一个电流环，控制电机以一个恒定的制动电流进行制动。

　　4试验结果（1）电压波形，如所示。从波形图中可以得知，电机绕组的导通区间与断区间的长度随转速的升高而减小。开关导通，整流桥的输出电压正向加在电机绕组两端；开关断后的电压斩波续流期间，与电机绕组相连的两开关只关断一个，绕组为零电压续流，当换相时与绕组相连的两个开关都关断，电源电压反向作用在电机绕组两端。

　　5结束语在电动汽车中，驱动系统设计是很灵活的。除了本文讨论的可以选择不同的电机和控制技术以外，还可以选择单电机或多电机系统，有减速器或没有减速器，有变速器或没有变速器，普通电机或电动轮等多种驱动方式。随着研究的深入和新技术、新材料、新工艺的采用，电动汽车的性能将进一步提高，有可能成为下一世纪的理想交通工具。