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基于F2407aDSP的全数字混合动力电动汽车驱动系统的设计.pdf

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基于F2407aDSP的全数字混合动力电动汽车驱动系统的设计.pdf
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归 嘴 卿 棋 瞬 界 》 每 妙 件 年 导 月 系 统 应 用 多 业 鱼 鱼 丛 尸 率 丝 鱼 基 于 尸 的 全 数 字 混 合 动 力 电 动 汽 车 驱 动 系 统 的 设 计 一 漏 工 大 学 电 力 电 子 国 家 专 业 实 验 室 胡 庆 波 吕 征 宇 印 摘 要 在 混 合 动 力 电 动 汽 车 驱 动 系 统 中 , 本 文 采 用 了 的 电 路 结 构 。 同 时 , 由 构 成 的 全 数 字 控 制 系 统 , 实 现 了 电 动 、 发 电 等 工 作 模 式 。 实 验 结 果 表 明 , 该 系 统 性 能 可 靠 , 满 足 混 合 动 力 电 动 汽 车 的 驱 动 要 求 。 关 键 词 混 合 动 力 电 动 汽 车 电 动 无 刷 直 流 电 机 ‘ , 叨 咖 面 中 图 分 类 号 ‘ 〕 【 文 献 标 识 码 文 章 编 码 一 一 一 引 盲 随 着 城 市 环 境 污 染 问 题 的 日 益 严 重 , 汽 车 尾 气 的 控 制 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 , 很 多 国 家 都 开 展 了 电 动 汽 车 ‘ 一 的 研 究 。 但 是 电 动 汽 车 存 在 续 驶 里 程 短 、 动 力 性 能 差 等 弱 点 , 加 之 成 本 太 高 , 目 前 还 无 法 大 批 量 投 人 市 场 。 为 了 兼 顾 传 统 燃 油 汽 车 和 电 动 汽 车 的 优 点 , 国 内 外 都 开 始 进 行 混 合 动 力 汽 车 的 研 究 。 混 合 动 力 电 动 汽 车 是 目 前 解 决 低 排 放 、 大 幅 度 地 降 低 污 染 最 有 效 最 现 实 的 一 种 环 保 交 通 工 具 , 它 不 仅 具 有 续 驶 里 程 长 的 优 点 , 还 能 发 挥 出 更 好 的 动 力 性 能 。 混 合 动 力 电 动 汽 车 同 时 拥 有 电 机 驱 动 和 内 燃 机 驱 动 , 对 电 机 驱 动 系 统 不 仅 要 求 具 有 较 高 的 重 量 比 功 率 , 而 且 既 能 作 电 动 机 运 行 , 还 能 作 发 电 机 运 行 。 本 文 所 介 绍 的 混 合 动 力 系 统 采 用 芯 片 构 成 主 控 制 器 , 同 时 选 用 公 司 的 模 块 作 为 功 率 器 件 实 现 了 基 于 无 刷 直 流 电 机 , 的 控 制 系 统 。 实 验 结 果 表 明 , 该 系 统 设 计 合 理 , 性 能 可 靠 。 竹 的 控 制 服 理 转 子 采 用 永 磁 体 激 磁 , 功 率 密 度 高 , 控 制 简 单 , 调 速 性 能 好 , 既 具 备 交 流 电 动 机 的 结 构 简 单 、 运 行 可 靠 、 维 护 方 便 等 特 点 , 又 具 备 直 流 电 机 的 运 行 效 率 高 、 无 励 磁 损 耗 以 及 调 速 性 能 好 等 诸 多 优 点 , 故 广 泛 应 用 于 车 辆 驱 动 , 家 用 电 器 等 方 面 。 如 图 所 示 , 通 常 的 无 刷 直 流 电 机 具 有 ‘ 的 反 电 动 势 波 形 , 在 每 相 反 电 动 势 的 最 大 处 通 人 电 流 , 就 能 产 生 恒 定 的 电 磁 转 矩 , 其 转 矩 表 达 式 如 下 式 。 几 。 。 口 其 中 是 电 机 的 电 磁 转 矩 , 、 、 。 分 别 是 每 相 】 怕 创 日 系 统 应 用 《 变 频 器 世 界 》 年 月 图 三 相 反 电 势 和 电 流 波 形 的 反 电 动 势 , 、 、 。 分 别 是 每 相 的 电 流 值 , 。 是 电 机 的 角 速 度 。 因 此 , 当 电 机 反 电 动 势 纯 梯 形 分 布 时 , 其 力 矩 与 电 流 的 大 小 成 正 比 。 但 是 , 通 常 情 况 下 电 机 的 反 电 动 势 不 是 纯 梯 形 分 布 , 另 外 , 由 于 电 机 绕 组 电 感 的 存 在 使 得 电 流 在 换 相 时 存 在 脉 动 , 从 而 造 成 较 大 的 转 矩 脉 动 。 已 有 大 量 的 文 献 〔 一 对 的 换 相 转 矩 脉 动 抑 制 进 行 了 讨 论 。 调 速 中 另 一 个 必 须 知 道 的 是 电 机 转 子 轴 位 置 , 一 般 通 过 检 测 电 机 的 霍 尔 信 号 来 获 得 , 并 以 此 进 行 电 机 的 换 相 控 制 。 主 电 路 以 及 控 制 策 略 图 是 整 个 系 统 的 主 电 路 图 , 本 系 统 中 , 的 驱 动 采 用 了 的 电 路 结 构 。 与 常 规 三 相 桥 的 驱 动 方 式 不 同 , 通 过 控 制 电 路 的 输 出 电 流 , 即 电 感 , 上 的 电 流 来 使 获 得 近 乎 直 流 的 电 流 , 以 此 来 获 得 尽 可 能 好 的 力 矩 控 制 效 果 。 图 、 、 分 别 是 电 感 , 电 容 。 以 及 电 机 母 线 端 电 流 波 形 。 图 恒 流 控 制 下 各 元 件 电 流 波 形 制 , 其 开 关 工 作 在 低 频 条 件 下 。 通 过 对 电 感 电 流 的 控 制 可 以 减 少 电 机 启 动 时 的 冲 击 电 流 , 减 少 启 动 转 矩 的 脉 动 。 反 向 充 电 模 式 当 整 个 系 统 的 内 燃 机 开 始 工 作 后 , 后 端 处 于 发 电 状 态 。 此 时 工 作 于 开 关 状 态 , 不 导 通 , , 作 为 。 。 电 路 的 二 极 管 工 作 。 通 过 控 制 电 路 的 输 出 电 压 和 电 感 , 上 的 电 流 可 以 使 电 路 工 作 于 恒 压 、 恒 流 等 模 式 , 从 而 实 现 对 蓄 电 池 的 恒 压 限 流 、 恒 流 和 浮 充 三 段 式 充 电 方 式 。 此 时 后 端 的 三 相 桥 电 路 工 作 于 不 控 整 流 状 态 下 。 制 动 模 式 当 车 辆 需 要 停 止 或 刹 车 时 , 通 过 反 向 对 蓄 电 池 充 电 来 进 行 制 动 , 其 工 作 方 式 与 反 向 充 电 模 式 类 似 。 此 时 电 机 内 相 反 电 动 势 与 相 电 流 反 相 位 , 其 电 磁 转 矩 起 制 动 作 用 , 从 而 可 以 使 电 机 很 快 的 停 下 来 。 圈 之 勺 达 划 系 玩 土 甩 峪 下 面 来 分 析 该 电 路 的 工 作 原 理 。 正 向 电 动 模 式 此 时 工 作 于 开 关 状 态 , 不 导 通 , 作 为 电 路 的 二 极 管 。 通 过 控 制 电 感 , 上 的 电 流 和 电 容 。 上 的 电 压 可 以 实 现 电 路 的 恒 流 、 恒 压 控 制 。 此 时 , 后 端 的 电 路 根 据 电 机 的 三 相 霍 尔 信 号 进 行 换 相 控 系 统 软 硬 件 设 计 软 件 设 计 控 制 程 序 由 个 部 分 组 成 主 程 序 的 初 始 化 、 定 时 中 断 程 序 和 与 周 边 资 源 的 数 据 交 换 程 序 。 主 程 序 主 程 序 先 完 成 系 统 的 初 始 化 、 口 控 制 信 号 管 理 、 内 各 个 控 制 模 块 寄 存 器 的 设 置 等 , 然 后 进 入 循 环 程 序 , 并 在 这 里 完 成 系 统 参 数 的 保 存 。 定 时 中 断 程 序 定 时 中 断 程 序 是 整 个 控 制 程 序 的 核 心 内 容 , 在 这 里 实 现 电 流 环 、 速 度 环 采 样 控 制 以 及 的 换 相 控 制 、 信 号 生 成 、 电 感 连 续 、 断 续 控 制 , 工 作 模 式 的 选 择 , 软 件 过 流 、 过 压 的 保 护 , 以 及 与 上 位 控 制 器 的 通 讯 等 。 中 断 控 制 程 序 周 期 为 协 , 即 《 变 绷 世 界 》 年 月 系 统 应 用 开 关 频 率 为 。 其 中 每 个 开 关 周 期 完 成 电 流 环 的 采 样 和 开 关 信 号 的 输 出 , 每 个 开 关 周 期 完 成 一 次 速 度 环 控 制 。 控 制 信 号 采 用 规 则 采 样 调 制 方 法 生 成 。 数 据 交 换 程 序 数 据 交 换 程 序 主 要 包 括 与 上 位 机 的 通 讯 程 序 、 中 参 数 的 存 储 。 其 中 通 讯 可 以 采 用 一 或 总 线 接 口 , 根 据 特 定 的 通 讯 协 议 接 受 上 位 机 的 指 令 , 并 根 据 要 求 传 送 参 数 。 的 数 据 交 换 通 过 的 口 完 成 。 硬 件 设 计 以 及 周 边 资 源 整 个 系 统 的 控 制 电 路 由 十 组 成 。 其 中 主 要 用 于 系 统 空 间 的 选 通 信 号 以 及 开 关 驱 动 信 号 的 输 出 控 制 等 。 作 为 控 制 核 心 , 接 受 上 位 机 信 息 后 判 断 系 统 的 工 作 模 式 , 并 转 换 成 的 开 关 信 号 输 出 , 该 信 号 经 隔 离 电 路 后 直 接 驱 动 模 块 给 电 机 供 电 。 另 外 用 于 参 数 的 保 存 和 用 户 信 息 的 存 储 。 功 率 电 路 系 统 的 功 率 器 件 选 用 了 公 司 模 块 , 其 内 部 集 成 个 开 关 管 , 耐 压 , 耐 流 。 驱 动 选 用 驱 动 芯 片 , 内 含 过 流 的 三 段 式 保 护 电 路 。 系 统 的 辅 助 电 源 采 用 反 激 式 开 关 电 源 , 主 要 供 电 包 括 系 统 所 有 开 关 管 的 驱 动 电 源 , 和 以 及 其 他 控 制 芯 片 的 电 源 和 采 样 以 及 三 相 霍 尔 的 工 作 电 源 。 采 样 电 路 本 系 统 需 要 采 样 电 感 上 的 电 流 , 另 外 需 要 对 蓄 电 池 电 压 和 电 机 端 输 人 电 压 进 行 采 样 , 从 而 完 成 电 路 的 恒 流 、 恒 压 等 控 制 功 能 。 采 样 电 路 采 用 霍 尔 传 感 器 并 经 模 拟 电 路 处 理 在 一 的 电 压 范 围 内 , 再 送 人 的 采 样 口 。 转 子 位 置 检 测 电 路 电 机 位 置 反 馈 采 用 双 极 性 锁 存 型 霍 尔 元 件 , 在 电 机 的 每 相 绕 组 处 都 安 放 一 个 元 件 。 霍 尔 信 号 根 据 电 机 转 子 磁 极 的 极 性 来 产 生 方 波 信 号 。 霍 尔 元 件 安 放 的 位 置 通 常 有 ’ 和 ’ 之 分 。 通 过 判 断 方 波 信 号 跳 变 的 极 性 来 获 取 换 相 信 息 , 同 时 记 录 方 波 脉 冲 的 个 数 来 计 算 电 机 的 转 速 , 从 而 实 现 电 机 速 度 的 闭 环 控 制 。 保 护 电 路 系 统 的 保 护 分 为 软 硬 件 保 护 , 由 于 硬 件 保 护 速 度 较 快 , 通 常 用 于 驱 动 信 号 的 直 接 封 锁 。 从 保 护 等 级 来 分 , 可 以 分 系 统 级 保 护 和 驱 动 级 保 护 , 其 中 , 驱 动 级 保 护 是 通 过 驱 动 芯 片 特 有 的 保 护 功 能 来 实 现 的 。 系 统 级 保 护 包 括 控 制 器 的 过 流 、 过 压 、 欠 压 , 过 温 以 及 霍 尔 元 件 故 障 等 保 护 。 实 验 结 果 实 验 中 采 用 了 宁 波 欣 达 集 团 乐 邦 电 机 厂 的 , 其 额 定 功 率 为 , 最 大 功 率 , 额 定 转 矩 , 额 定 转 速 , 额 定 电 流 。 额 定 电 压 , 通 过 蓄 电 池 组 供 电 。 整 个 驱 动 系 统 采 用 芯 片 控 制 , 其 开 关 频 率 为 , 电 感 一 抖 , 电 容 。 二 。 功 率 模 块 选 用 公 司 的 低 损 耗 模 块 , 其 内 部 是 一 个 半 桥 电 路 , 具 有 低 引 线 电 感 的 封 装 结 构 。 系 统 散 热 采 用 水 冷 。 图 是 正 向 电 动 时 电 感 上 的 电 流 , 此 时 电 流 连 续 , 图 是 电 流 连 续 时 二 极 管 。 两 端 的 电 压 波 形 , 可 以 看 出 几 乎 没 有 尖 峰 电 压 。 图 是 电 感 电 流 不 连 续 时 侣 系 统 应 用 《 变 频 器 世 界 》 年 月 能 力 上 都 有 了 很 大 程 度 的 提 高 。 整 个 系 统 不 仅 具 有 正 向 电 动 的 功 能 , 同 时 具 有 反 向 充 电 和 制 动 功 能 。 实 验 结 果 表 明 该 系 统 设 计 合 理 , 适 应 混 合 动 力 电 动 汽 车 的 应 用 要 求 。 图 关 断 时 的 电 压 波 形 的 波 形 , 图 是 电 流 断 续 时 二 极 管 。 两 端 电 压 波 形 。 图 是 电 机 轻 载 时 的 相 电 流 波 形 , 其 电 流 较 为 平 稳 。 图 , 图 分 别 是 在 导 通 和 关 断 时 的 电 压 波 形 , 其 开 关 时 间 都 在 左 右 , 且 关 断 时 没 有 尖 峰 电 压 。 参 考 文 献 , , , 一 刘 忠 祥 , 邱 阿 瑞 , 柴 建 云 , 王 同 勋 在 混 合 动 力 汽 车 电 机 控 制 中 的 应 用 电 子 技 术 应 用 , 一 【 梁 秀 玲 , 李 优 新 , 王 鸿 贵 等 新 型 可 调 磁 永 磁 无 刷 直 流 电 动 机 在 电 动 汽 车 中 的 应 用 厂 一 ‘ 东 工 业 大 学 学 报 , , 一 一 , 川 川 , , 一 一 , 一 , 一 , 一 阳 ’ , , 一 【 」 , 川 川 一 ’ , , 一 夏 长 亮 , 文 德 , 王 娟 基 于 自 适 应 人 工 神 经 网 络 德 无 刷 直 流 电 机 换 相 转 矩 波 动 抑 制 新 方 法 中 国 电 机 工 程 学 报 , , 一 」 , , 坦 ’ , , 一 结 束 语 本 系 统 控 制 上 采 用 的 数 字 结 构 , 电 路 设 计 简 单 , 紧 凑 , 满 足 了 大 功 率 的 实 时 控 制 要 求 。 同 时 全 数 字 化 的 控 制 , 使 系 统 在 控 制 精 度 、 功 能 和 抗 干 扰 作 者 简 介 胡 庆 波 一 男 双 向 低 压 大 电 流 变 换 器 、 术 研 究 。 浙 江 大 学 博 士 研 究 生 从 事 伺 服 系 统 、 混 合 动 力 等 相 关 技
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