電動(dòng)車用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王毅，王立國(guó)，徐殿國(guó)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，廣東深圳518055)

    摘要：根據(jù)電動(dòng)車對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一套三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器利用一種含微分運(yùn)算的矢量控制方法，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性。實(shí)驗(yàn)表明：控制器可滿足電動(dòng)車的高功率密度、高轉(zhuǎn)速、快速動(dòng)態(tài)調(diào)速性能等技術(shù)指標(biāo)。

    關(guān)鍵詞：感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)；電動(dòng)車；矢量控制

中圖分類號(hào)：TM346    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A  文章編號(hào)：1004-7018(2008)07-0045-02

 

 

    0引  言

 

    電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)車的核心部分，它體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的電機(jī)制造水平和控制水平。國(guó)外在這方面已做了多年的研究，目前已有一些成熟的控制系統(tǒng)，但國(guó)內(nèi)僅在近幾年才涉足該領(lǐng)域[1-3]。電動(dòng)車所用電機(jī)可分為永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻電動(dòng)機(jī)及感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等多種，鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因具有價(jià)格低、維護(hù)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)體積小等優(yōu)點(diǎn)，故它在電動(dòng)車領(lǐng)域中被廣泛采用，本文的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)就是針對(duì)該種電機(jī)設(shè)計(jì)的。由于電動(dòng)車系統(tǒng)要求電機(jī)控制部分應(yīng)具有較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及較小的靜態(tài)誤差，因此本文在功率輸出部分采用了大功率IGBT三相逆變橋的結(jié)構(gòu)[4]，其中IGBT的開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)到10kHz。為提高對(duì)IGBT驅(qū)動(dòng)的可靠性，驅(qū)動(dòng)電路采用了模塊形式。為了能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法，中央處理器選用TI公司專門用于電機(jī)控制的DSPF2407A芯片。在對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的控制策略方面，由于磁場(chǎng)定向矢量控制方法發(fā)展得比較成熟，其控制性能可滿足電動(dòng)車系統(tǒng)的要求，因此本文采用了該方法。為了抑制電機(jī)參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響，本系統(tǒng)采用了一種改進(jìn)的含微分運(yùn)算的磁場(chǎng)定向控制算法[5,6]。

 

    1 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

 

    由于電動(dòng)車的供電電源為鋰電池，而三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)需要的工作電源為三相對(duì)稱、可調(diào)幅調(diào)頻的正弦電源，因此，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中必須把直流電源逆變成三相交流電源。本文的電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的額定功率為23 kW，峰值功率可達(dá)60 kW。車載鋰電池的額定輸出電壓為310 V，系統(tǒng)允許電壓工作范圍為250～350 V。

 

 

    圖1中由1、2、3部分組成三相橋臂，可通過(guò)控制IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)將直流母線電壓轉(zhuǎn)換為三相正弦PWM脈沖的任務(wù)；反之，在剎車制動(dòng)期間，也可將此三個(gè)橋臂作為高頻整流器使用，即將電機(jī)發(fā)出的三相正弦電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，從而對(duì)電池進(jìn)行回饋充電。圖中第4部分為能量回饋控制電路，即可以根據(jù)電池電壓的具體情況來(lái)控制電池充電電流的大小。本文采用IcBT作為三相逆變橋的功率單元，其額定電流為300 A，****可達(dá)400A(低溫)，耐壓為1 OOO V。IGBT的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路采用了與IGBT配套的驅(qū)動(dòng)模塊，每個(gè)模塊可驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂，并且各驅(qū)動(dòng)模塊可共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，這極大地簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

 

    圖2為控制電路原理圖。控制電路的核心采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP-F2407A。由DSP對(duì)電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速、故障等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與處理，同時(shí)它還可產(chǎn)生PWM及其它控制信號(hào)，并可通過(guò)CAN總線與車載的其它控制模塊通信。

 

 

    2 控制策略

 

    本文采用磁場(chǎng)定向矢量控制方法，利用文獻(xiàn)[5，6]中的電機(jī)模型：

 

 

    控制系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。其中，虛框里的內(nèi)容為本文算法的核心，勵(lì)磁控制部分由式(1)完成，轉(zhuǎn)矩控制部分由式(2)完成，磁鏈估算部分由式(3)、式(4)完成。

 

 

    3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

    本文所用的鼠籠式三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為：額定輸出功率23 kW；額定