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 - 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：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丰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。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- ZZ - 狂风悟浪电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创）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：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（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：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 MfuncPeriod; / 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 PWMGEN;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IPARK定义如下：typedef struct _iq Alpha; / Output：stationary d