[硕士论文]基于DSP的电动汽车用交流电机直接转矩控制器的(精)

武汉理工大学硕士学位论文基于DSP的电动汽车用交流电机直接转矩控制器的研制姓名：王先进申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：全书海20050501武汉理工大学硕士学位论文摘要电动汽车以电能为能源，具有零排放无污染的突出优点，开发前景十分广阔。驱动电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分。基于ＤＳＰ的电动汽车用交流电机的直接转矩控制是电机高性能交流变频调速的新技术之一。本论文以电动汽车用交流电机驱动系统为研究对象，将直接转矩控制思想运用于电动汽车驱动系统。并结合电动汽车的实际情况，以ＤＳＰ为控制核心，采用合理的控制算法，开发了一套交流电机控制设备，对其结构和性能进行了初步探讨和分析。主要研究内容如下：根据电动汽车所要达到的性能指标，分析了电动汽车驱动系统和各种驱动电机的优缺点，讨论了交流调速技术的发展和现状，采用空间电压矢量分析方法分析了直接转矩控制的基本原理结构及其算法。研究了电动汽车驱动力和相应驱动电机功率的计算。分析了电动汽车在不同速度范围采用的磁链模型。结合电动汽车的实际要求，实现了高、中、低、空、倒的五个速度挡位控制及油门输入控制。在Ｍａｔｌａｂ环境中建立了仿真系统，验证这些控制算法，取得了较好的效果。设计了电动汽车用交流电机直接转矩控制系统的总体结构．开发了一套实验系统。该系统以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ型ＤＳＰ为核心的弱电电路和以ＩＰＭ模块为主的强电电路所组成。设计完成档位、油门给定模块、检测模块和通讯模块等，并使该硬件平台具有一定的抗干扰能力。并做了交流电机控制实验，试验结果验证了该硬件电路的可靠性。完成系统的软件设计。运用Ｃ语言和汇编语言混合编程的方式，完成初始化模块、档位、油门采样模块、测速模块、通讯模块等。电动汽车给定１、２档时分别采用ｉ—Ｈ和甜一ｉ磁链模型，在全速档位时使用“一九磁链模型。采用三种磁链模型切换的控制策略，保证了电动汽车在恒转矩状态下具有较大的起动转矩和爬坡提速性能，在恒功率状态下具有较大的速度输出。整个程序运行稳定。本论文通过对电动汽车交流电机驱动系统的研究，将直接转矩控制方案与ＤＳＰ控制技术有机的结合，具有较大的实际应用价值。关键词：电动汽车、交流电机、直接转矩控制、ＤＳＰ、混合编程武汉理工大学硕士学位论文ＡｂｓｔｒａｃｔＥｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｕｓｅｓｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙａｓｉｔｓｅｎｅｒｇｙｓｏｕｒｃｅ，ｓｏｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｇｉｖｅｓｉｔｓｐｒｏｍｉｎｅｎｔａｄｖａｎｔａｇｅｓｔｏｚｅｒｏ・ｌｅｔ＆ｎｏｎ—ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ．Ｆｏｒｅｇｒｏｕｎｄｏｆｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ＆ｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｉｓｑｕｉｔｅａｍｐｌｉｔｕｄｅ．Ｔｈｅｈａｒｄ…ｃｏｒｅｏｆｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｉｓｄｒｉｖｅａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｍｏｔｏｒ．ＤｉｒｅｃｔＴｏｒｑｕｅＣｏｎｔｒｏｌ（ＤＴＣ）ｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒｂａｓｅｄｏｎＤＳＰｉｓｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡＣ…ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ－－一ｒａｔｅｏｆｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ．ＴｈｅｔｈｅｓｉｓａｎａｌｙｓｅｓｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒａｔＥｌｅｃｔｒｉｃａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｂａｓｅｄｏｎＤＴＣ．Ａｓｕｉｔｏｆｓｙｓｔｅｍｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｍｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｃｏｒｅｄａｒｏｕｎｄｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＳＰ）ｃｏｍｂｉｎｅｄ、Ⅳｉｍｆａｃｔｕａｌｃｏｍｐｌｅｘｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｙｓｔｅｍｉｓｐｒｉｍａｒｉｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｃｏｎｔｃｎｔｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｉｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘｎｅｅｄｅｄｂｙＥｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｎａｌｙｓｅｓｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅａｎｄａｄｖａｎｔａｇｅａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｏｆａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｍｏｔｏｒ，ｆｕｒｔｈｅｒｅｘｐｏｕｎｄｓｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＡＣ－－－・－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ・・・－一ｒａｔｅｏｆｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ．ＫｅｙｓｔｏｎｅａｎｄａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｏｆＤＴＣａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｗａｙｏｆｓｐａｃｅｖｏｌｔａｇｅｖｅｃｔｏｒ．Ｔｈｅｔｈｅｓｉｓａｌｓｏｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｄｒｉｖｅａｎｄｐｏｗｅｒｏｆｉｎｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒ．ＭａｇｎｅｔｉｃｃｈａｉｎａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｒｉｔｈｍｅｔｉｃｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｔｅｓｃｏｐｅｏｆｍｏｔｏｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄｔｏｍｅｅｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｒｏｕｇｈｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ．ＣｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＮｃｔｕａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐｅｅｄｇｅａｒｓａｎｄａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｉｎｐｕｔａｒｅｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｉｎｔｉｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｉｎｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆ～【ＡＴＬＡＢｔｏｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｓｅｃｏｎｔｒｏｌａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｏｆＤＴＣｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｍａｄｅｕｐｏｆｃｉｒｃｕｉｔｃｏｒｅｄａｒｏｕｎｄＤＳＰ（ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ）ａｎｄｃｉｒｃｕｉｔｃｏｒｅｄａｒｏｕｎｄＩＰＭ，ｗｈｉｃｈｒｅａｌｉｚｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｇｉｖｅｎｓｐｅｅｄｇｅａｒ，ｇｉｖｅｎａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．ｎｌｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍｕｓｅｓｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｍｏｔｏｒａＳｃｏｎｔｒｏｌｏｂｊｅｃｔ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｖａｌｉｄａｔｅｓｃｒｅｄｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｒｎ．Ｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ粥ｆｏｌｌｏｗｓ：ｍｏｄｕｌｅｓｏｆｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ．ｇｅａｒ，ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓａｍｐｌｉｎｇ，ｓｐｅｅｄｍｅａＳｕｒｅｍｅｎｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｅｔｃａｒｅｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｍｉｎｇｌｅｄＣｌａｎｇｕａｇｅａｎｄａｓｓｅｍｂｌｙｌａｎｇｕａｇｅ．Ⅵ僵ｅｎｇｉｖｅｎＧｅａｒ１．ｓｏｆｔｗａｒｅａｄｏｐｔｓｆ一，ｚｍａｇｎｅｔｉｃｃｈａｉｎｍｏｄｕｌｅ．ＷｈｅｎｇｉｖｅｎＧｅａｒ２。ｓｏｆｔｗａｒｅａｄｏｐｔｓＵ—ｆｍａｇｎｅｔｉｃｃｈａｉｎｍｏｄｕｌｅ．ＷｈｅｎｇｉｖｅｎＧｅａｒｆｕｌｌｓｐｅｅｄｓ，ｓｏｆｔｗａｒｅａｄｏｐｔｓ“一ｎｍａｇｎｅｔｉｃＩＩ武汉理工大学硕士学位论文ｃｈａｉｎｍｏｄｕｌｅ．Ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｇｎｅｔｉｃｃｈａｉｎｍｏｄｕｌｅｓｗｉｔｃｈａｓｓｕｒｅｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓｂｉｇｇｉｓｈｆｉｒｓｔ－ｊｕｍｐｔｏｒｑｕｅａｎｄｃｌｉｍｂｉｎｇ—ｓｌｏｐｅｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｗｈｅｎｉｔｋｅｅｐｓｃｏｎｓｔａｎｔｔｏｒｑｕｅｓｔａｔｅ；ｔｈｅｒｅｉｓｂｉｇｇｉｓｈｓｐｅｅｄｏｕｔｐｕｔｗｈｅｎｉｔｋｅｅｐｓｃｏｎｓｔａｎｔｐｏｗｅｒｓｔａｔｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅｗｈｏｌｅｐｒｏｇｒａｍｍｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｓｔａｂｌｙ．ＡＣ…ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ…ｒａｔｅｏｆｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇＤＴＣａｎｄＤＳＰｐｅｒｆｅｃｔｌｙ，ｗｉｌｌｈａｖｅｅｎｏｒｍｏｕｓｐｒａｃｔｉｃａｌｖａｌｕｅｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＫｅｙＷｏｒｄ：ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ，ＩｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｔｏｒ，ＤＴＣ，ＤＳＰ，ＭｉｎｇｌｅｄＰｒｏｇｒａｍｍｅＩＩＩ武汉理工大学硕士学位论文１．１课题来源和意义第１章绪论本论文的课题来源于国家８６３项目电动汽车开发下的“基于ＤＳＰ的电动汽车用交流电机直接转矩控制器的开发”项目。电动汽车以电能为能源，具有零排放无污染的突出优点，开发前景十分阔。驱动电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分。早期的电动汽车主要采用直流电机驱动。直流电机存在过载能力小、维护困难、转矩质量比小等缺陷。而交流电机具有体积小、结构简单、坚固耐用、运行可靠、制造成本低、易于维护等优点。交流电机变频调速技术具有优异的起动和调速性能、高效率、高功率因数和节能效果，得到了广泛的使用。本课题希望开发出一种采用直接转矩控制技术的电机控制器，控制交流电机作为电动汽车的驱动设备，满足其控制系统对动态性能和静态性能的要求。直接转矩控制发展较晚，大都侧重于系统的介绍及仿真实现。交流电机直接转矩控制系统作为新一代交流电机调速系统，在理论和应用实践方面，还存在一些问题，如低速性能不理想，转速、转矩脉动，如何合理的根据实际可能的开关频率和微机运算速度选择最佳开关状态，以及实现全数字化控制等方面都有不少问题值得进一步研究和探讨。本文就是在这方面展开工作。１．２电动汽车驱动系统概述电动汽车实现零排放，能有效地避免空气污染。电动汽车在车辆性能方面也具有优势：电动汽车的转矩响应迅速、加速快，比燃油汽车高出２个数量级；电机可分散配置，可直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向Ⅲ。由于信息技术和控制技术的广泛应用，电动汽车的安全性和可靠性大幅提高。电动汽车显示出的优越性和具有强大的竞争力使之成为２１世纪各国政府大力支持发展的交通工具。图１－１为电动汽车结构原理图。电动汽车配备燃料电池和辅助电池，使用电动机通过传动系统驱动车辆行驶。正常行驶时，由燃料电池发动机系统输出电能驱动电动机。电动汽车在下坡、巡航等状态时，燃料电池发动机系统对辅助电池充电；在启动和爬坡等状态时，使用燃料电池发动机系统和辅助电池同时供电以保证电动机输出大扭矩。驱动系统由驱动电机及其控制器组成。驱动电机控制器采集档位、油门信号，经过控制算法输出ＰＷＭ信号给功率变换器来驱动电动机运转。武汉理工大学硕士学位论文①燃料电池发动机系坑图卜１电动汽车结构原理图１．２．１电动汽车对驱动电机的基本要求电动汽车在运行过程中频繁起动和加减速操作，对驱动系统的要求是很高的。具体有如下要求：１．电动汽车用电动机应具有瞬时功率大、过载能力强（过载３￣４倍）、加速性能好，使用寿命长的特点。２．电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。３．电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动汽车具有最佳能量的利用率。４．电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电的续驶里程。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等”】。１．２．２各类电机性能比较驱动电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分。它的性能直接影响电动汽车的性能指标。目前，电动汽车用驱动电机主要有直流电动机、感应电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机四类【３１。电动汽车用电机逐渐由直流向交流发展，直流电动机基本上已经被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所取代。各种电机性能如表卜１所示。直流电机结构简单，技术成熟，具有交流电动机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性。但是，直流电动机价格高、体积和质量大，在电动汽车上的应用受到了限制。武汉理工大学硕士学位论文表１—１各种电机性能比较‘４【语趴电机直流电机