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1、电动汽车电机控制器方案设计说明书电动汽车电机控制器方案设计说明书 1 引言随着常规能源的日益减少和环境污染的日益严重，世界各国的环保意识逐渐增强，电动汽车以其零排放的优点受到世界各国的重视，并成为未来车辆的一个发展趋势。传统的电动汽车多采用直流电机，其中最多的是有刷他励直流电机，因为存在电刷，导致电机的寿命和效率降低，目前比较新的无刷直流电机，这种电机寿长，效率比较高，但是因为位置传感器的安装精度不够导致控制效果不是很好和寿命短的问题。无速度传感低压交流驱动器，比传统的直流系统相比。目前研究比较多的是交流异步电机及其控制器，与直流电机相比，交流异步电机具有效率高，相同功率等级下成本低等优点，交

2、流系统低速恒转矩模式有效攻克了直流无刷启动力矩不足的问题。高速恒功率模式使整机效率更加优越。随着交流电机控制算法的日益完善，其控制性能可以和直流电机相媲美，交流异步电机在电动汽车上的广泛应用成为发展趋势。本系统采用无速度传感器矢量控制策略，提高电机工作效率，采用SVPWM技术，提高电压利用率，并减少谐波干扰，并克服了传统直流系统电动车启动力矩不足的缺点。2 硬件总体说明系统总共分为三块电路板叠成立体方式实现。2.1功率变化电路总体说明2.1.1 功能介绍此功率电路采用三相相移120度2.1.2 理论依据ACI3_1的简易系统图如图1所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ -

3、狂风悟浪图1 ACI3_1的简易系统图图1所示为三相感应电机驱动的完整系统图。使用了一个三相电压源逆变器来控制三相感应电机， DSP输出六路PWM信号控制逆变器的六个MOSFET的通断，从而控制电机电压。还有一个捕获输入脚用来捕获电机速度传感器的输出以测量电机转速，但在实际调试时没有使用速度传感器，所以没有速度反馈，整个系统是一个开环系统。感应电机的等效电路如图2所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪图2 感应电机的等效电路在V/Hz控制中，感应电动机的转速由可调节的定子电压大小和对应的频率大小一起控制，其中磁通量在固定状态总是保持预期值。假设定子电阻(Rs)为

4、0，产生气隙磁通的磁化电流近似等于定子电压与频率比。它们的矢量关系式(for steady-state 分析) 为：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪如果感应电动机运行在线性磁场区域，则Lm是不变的。那么，等式(1)可以在数值方面被简化为：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪由此推出关系式：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪为了保持电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪不变，电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪的比值在不同的转速也要不变。当转速增大时，为

5、了保持电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪的比值不变，则定子电压必须要按比例增大。然而，频率（或同步转速）不是真正的转速，因为存在转差s。在空载时，s很小，转速接近同步转速。因此，简单的开环恒压频比控制系统不能精确地控制存在负载转矩的转速，需要加入速度传感器。在实际中，定子电压与频率的比率通常基于这些变量的额定值。V/Hz典型轮廓曲线如图3所示。主要地，V/Hz特性曲线有三个转速范围，如下图所示，其中电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪为截止频率，电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪为额定频率，电动汽车电机控制

6、器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪为定子电压，电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪为定子额定电压：在0-电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪时，定子电阻压降不能被忽略，需通过增加Vs来补偿。所以，V/Hz 特性曲线是非线性的。我们可以从Rs 0的稳态等效电路中解析计算出截止频率(fc)和适当的定子电压。在电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪-电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪（基频）时，则遵循V/Hz不变关系。图上的斜度代表了等式（2）中的气隙磁通量。在大于电动汽车电

7、机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪（基频）Hz时, 为了避免定子绕组绝缘击穿，定子电压必须最多只能等于额定值，所以不能继续保持Vs/f比率不变。于是，导致气隙磁通将会减少，不可避免地引起转矩相应地降低。这区域通常被称为弱磁升速区，电机在此区域为恒功率运行。电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪2.1.3 系统框图电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪系统原理框图电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪系统程序框图2.1.4 程序流程图电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪

8、2.2 ACI3_4（无速度传感器矢量控制程序）总体说明2.2.1 功能介绍系统采用无速度传感器矢量控制技术驱动异步电机转动。通过加速踏板给定转矩，带大负载时踏板踩下角度大，控制器输出转矩大，相反带小负载时踏板踩下角度大，控制器输出转矩小。无速度传感器矢量控制系统动态性能好，效率高，是目前异步电机控制领域中技术最先进的控制方法。2.2.2 理论依据理论上，感应电机的磁场定向控制有两种，直接磁场定向和间接磁场定向，用来定向的磁场可以是转子磁场、定子磁场和气隙磁场。在间接磁场定向控制中需要通过估计或计算转子转速来估计转差率s，进而计算同步转速，而没有磁通估计。直接磁场定向控制中，同步转速根据磁通角

9、进行计算，磁通角可以根据磁通估计或磁通传感器测量得到。系统的关键模块是磁通评估器。交流电机直接转子磁场定向控制的基础是将总磁场定向在以同步速度旋转的d轴上，这样电磁转矩和磁通可以分别由同步旋转坐标系中定子电流的d轴分量和q轴分量独立控制。如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪转子磁场定向控制中的定子电流和转子磁通向量2.2.3 系统框图控制系统整体结构图如下，使用六路PWM信号控制三相逆变器的六个MOSFET，三项逆变器将48V直流电逆变成三相正弦交流电，驱动异步电机旋转。采用三个AD采样通道分别采样A、B相电流和母线电压，作为反馈量估算转子磁通角和转子转

10、速并调节PWM占空比。电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪原理框图如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪直接转子磁场定向系统原理框图系统程序模块框图如下如所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪系统程序框图2.2.4 程序流程图 3 软件模块说明3.1 ACI_FE该模块是一个是基于反电动势反向逼近积分的三相感应电机的磁通评估器，该模块可以同时产生转子角，通过积分补偿器引入补偿电压以减小纯积分器和定子电阻测量的误差，因此，磁通估计器可以在很大的转速范围内工作，即使是转速很低的情况。模块的输入输出量如

11、下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪该模块涉及的文件有：C 文件： aci_fe.c， aci_fe.hIQmath库文件： IQmathLib.h， IQmath.lib使用的变量描述：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪磁通估计器的整体框图如下：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪在静止坐标系中转子磁链主要是通过对电压型中的反电动势积分得到的。通过使用积分补偿器提供补偿电压，可以对纯积分器和定子电阻测量的误差进行处理。程序流程图如下：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪

12、3.2 ACI_SE模块作用：这个软件模块是基于数学模型的三相感应电机的速度评估器，该评估器的精度依赖于电机的关键参数。模块的输入输出量如下：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪C文件： aci_se.c， aci_se.hIQmath库文件： IQmathLib.h， IQmath.lib所使用的变量描述：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪模块原理开环速度评估器是基于静止坐标系中的感应电机的机械方程，精确的机械参数是必不可少的，否则将会产生稳态转速误差，但是，这个评估器的结构与其他高级技术相比更加简单。电动汽车电机控制器方案设计说明书

13、（原创） - ZZ - 狂风悟浪正反转时的转子磁通角波形程序流程图如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪3.3 CLARK? 作用：将两相电流值由三相abc坐标系转换到两相静止电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪坐标系。? 模块的输入输出量如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? C Version File Names： clarke.c， clarke.h? IQmath library files for C： IQmathLib.h， IQmath.lib? 变量定义电动汽车电机控制

14、器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪3.4 FC_PWM_DRV? 作用：根据占空比产生空间矢量PWM输出。? C Version File Names： f281xpwm.c， f281xpwm.h (for x281x)f280xpwm.c， f280xpwm.h (for x280x)? IQmath library files for C： N/A? 变量定义结构体变量PWMGEN定义如下：typedef struct Uint16 PeriodMax; / Parameter： PWM Half-Period in CPU clock cycles (Q0)int16 M

15、funcPeriod; / Input： Period scaler (Q15)int16 MfuncC1; / Input： PWM 1&2 Duty cycle ratio (Q15)int16 MfuncC2; / Input： PWM 3&4 Duty cycle ratio (Q15)int16 MfuncC3; / Input： PWM 5&6 Duty cycle ratio (Q15)void (*init)(); / Pointer to the init functionvoid (*update)(); / Pointer to the update function P

16、WMGEN;typedef PWMGEN *PWMGEN_handle;? 各个变量的数据格式电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪3.5 I_PARK? 作用：将电压由d-q旋转坐标系变换到电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪旋转坐标系。? 该模块的输入和输出变量如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? C Version File Names： ipark.c，ipark.h? IQmath library files for C： IQmathLib.h，IQmath.lib? 变量定义结构体变量

17、IPARK定义如下：typedef struct _iq Alpha; / Output： stationary d-axis stator variable_iq Beta; / Output： stationary q-axis stator variable_iq Angle; / Input： rotating angle (pu)_iq Ds; / Input： rotating d-axis stator variable_iq Qs; / Input： rotating q-axis stator variablevoid (*calc)(); / Pointer to calc

18、ulation function IPARK;typedef IPARK *IPARK_handle;? 变量类型如下：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪3.6 ILEG2_DCBUS_DRV? 作用：这个模块同时进行三通道的AD转换，转换过程中使用了可以编程设置的增益（gain）和偏置（offset）。AD转换由EPWM1 CNT_zero（定时器为0）事件启动。转换结果表示两个相电流和母线电压。使用的是GP Timer 1? 模块的输入输出量如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? C Version File Names

19、： f281xileg_vdc.c， f281xileg_vdc.h (for x281x) f280xileg_vdc.c， f280xileg_vdc.h (for x280x)? IQmath library files for C： N/A? 变量定义结构体变量ILEG2DCBUSMEAS定义如下：typedef struct int16 ImeasAGain; / Parameter： gain for Ia (Q13)int16 ImeasAOffset; / Parameter： offset for Ia (Q15)int16 ImeasA; / Output： measure

20、d Ia (Q15)int16 ImeasBGain; / Parameter： gain for Ib (Q13)int16 ImeasBOffset; / Parameter： offset for Ib (Q15)int16 ImeasB; / Output： measured Ib (Q15)int16 VdcMeasGain; / Parameter： gain for Vdc (Q13)int16 VdcMeasOffset; / Parameter： offset for Vdc (Q15)int16 VdcMeas; / Output： measured Vdc (Q15)in

21、t16 ImeasC; / Output： computed Ic (Q15)Uint16 ChSelect; / Parameter： ADC channel selectionvoid (*init)(); / Pointer to the init functionvoid (*read)(); / Pointer to the read function ILEG2DCBUSMEAS;typedef ILEG2DCBUSMEAS *ILEG2DCBUSMEAS_handle;? 变量数据格式如下：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪程序流程图如下：电动汽车电

22、机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪 3.7 PARK? 作用：将变量由两相静止坐标系转换到两相旋转坐标系。? 输入输出量如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? C Version File Names： park.c， park.h? IQmath library files for C： IQmathLib.h， IQmath.lib? 变量定义结构体变量PARK定义如下：typedef struct _iq Alpha; / Input： stationary d-axis stator variable_iq Beta; / I

23、nput： stationary q-axis stator variable_iq Angle; / Input： rotating angle (pu)_iq Ds; / Output： rotating d-axis stator variable_iq Qs; / Output： rotating q-axis stator variablevoid (*calc)(); / Pointer to calculation function PARK;typedef PARK *PARK_handle;变量数据格式如下：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪3.

24、8 PID_REG3? 作用：该模块用为32位带抗积分饱和功能的数字PID控制器，可以单独配置为PI或PD控制器，使用了逐渐逼近的方法。? 输入输出量：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? C Version File Names： pid_reg3.c， pid_reg3.h? IQmath library files for C： IQmathLib.h， IQmath.lib? 变量定义：结构体变量PID_REG3定义如下：typedef struct _iq Ref; / Input： Reference input_iq Fdb; / Input： Fe

25、edback input_iq Err; / Variable： Error_iq Kp; / Parameter： Proportional gain_iq Up; / Variable： Proportional output_iq Ui; / Variable： Integral output_iq Ud; / Variable： Derivative output_iq OutPreSat; / Variable： Pre-saturated output_iq OutMax; / Parameter： Maximum output_iq OutMin; / Parameter： Mi

26、nimum output_iq Out; / Output： PID output_iq SatErr; / Variable： Saturated difference_iq Ki; / Parameter： Integral gain_iq Kc; / Parameter： Integral correction gain_iq Kd; / Parameter： Derivative gain_iq Up1; / History： Previous proportional outputvoid (*calc)(); / Pointer to calculation function PI

27、DREG3;typedef PIDREG3 *PIDREG3_handle;数据格式：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? PID原理和实现方法：PID控制系统框图如下：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪其中：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪u(t)是PID的输出upresat(t)是饱和之前的输出e(t)是参考量

28、和反馈量之差Kp是比例系数Ti积分时间（或复位时间）Td是微分系数Kc是积分补偿系数将上述方程使用反向逼近的方法来离散化，则方程变为如下形式：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪 电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪定义电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪则电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪 电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪

29、其中T是采样周期。软件流程图如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪3.9 SVGEN_DQ（SVPWM模块）? 作用：这个模块用来计算合适的占空比，该占空比用于产生一个使用空间矢量PWM技术的给定定子参考电压。定子参考电压由电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪来描述，即Ualpha和Ubeta。? 这个模块的输入输入变量如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? C Version File Names： svgen_dq.c，

30、svgen_dq.h? IQmath library files for C： IQmathLib.h， IQmath.lib? 变量定义结构体SVGENDQ定义如下：typedef struct _iq Ualpha; / Input： reference alpha-axis phase voltage_iq Ubeta; / Input： reference beta-axis phase voltage_iq Ta; / Output： reference phase-a switching function_iq Tb; / Output： reference phase-b swi

31、tching function_iq Tc; / Output： reference phase-c switching functionvoid (*calc)(); / Pointer to calculation function SVGENDQ;typedef SVGENDQ *SVGENDQ_handle;? 各变量的数据格式电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? 软件流程图如下电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪? 模块原理：三相电压逆变器如下图所示：电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪空间矢量PWM用来按照一定的顺序驱动三个上桥臂的MOSFET导通，每相的下桥臂和同一相的上桥臂相反，中间有个死区时间，最终在定子绕组中产生近似的正弦波电流，并在定子绕组中产生旋转磁场。系统等效电路如下图所示：电动汽车电