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        開關磁阻電機控制系統在電動汽車中的應用

        時間:2016-1-29 9:37:00 來源:中國船舶網

          ★機電控制技術開關磁阻電機控制系統在電動汽車中的應用楊岳峰,孫即明,張奕黃(北京交通大學電氣工程學院,北京100044)了比較,并著重論述了!種適合用作牽引的開關磁阻電機控制系統,并在單片機AT89C51的基礎上采用TMS320LF2407新一代的DSP產品,使該控制器的可靠性更高,響應更快。)是一種以電池為動力的汽車,與燃油汽車有顯著的區別。電動汽車是涉及到機械、電力、電子、計算機控制等多種學科的高技術產品,電動汽車將勢必成為21世紀取代燃油汽車的主要交通工具。

          1開關磁阻電動機特性才逐漸發展起來的一種新型驅動裝置,它可以實現高精度、快響應、高效率以及高輸出的性能指標。對SRM的研究和開發已經引起了國際電工界的廣泛重視。

          典型的SRM原理,如所示,該系統采用的是12/8極三相開關磁阻電動機。S1、S2是電子開關,D1、D2是二極管,E是直流電源。電機磁阻隨著轉子磁極與定子磁極的中心線對準或錯開而變化,因為電感與磁阻成反比,當轉子磁極在定子磁極中心線位置時,相繞組電感大,當轉子極間中心線對準定子磁極中心線時,相繞組電感小。

          當定子A相磁極軸線OA與轉子磁極軸線Oa不重合時,開關S1、S2合上,A相繞組通電,電動機內建立起以OA為軸線的徑向磁場,磁通通過定子輒、定子極、氣隙、轉子極、轉子輒等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的,此時磁路的磁導小于定、轉子磁極軸線重合時的磁導,因此,轉子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產生的轉矩的作用,使轉子逆時針方向轉動,轉子磁極的軸線Oa向定子A相磁極軸線OA趨近。當Oa和OA軸線重合時,轉子已達到平衡位置。此時打開A相開關S1、S2,合上B相開關,即在A相斷電的同時B相通電,建立以B相定子磁極為軸線的磁場,電動機內磁場沿順時針方向旋轉,轉子在磁場磁拉力的作用下繼續沿著逆時針方向旋轉。可見,連續不斷地按A線就沿A―B―C一A的方向不斷移動,轉子則沿A一C一B―A的方向逆時針旋轉。如果按A―C―B一A的順序給定子各相繞組輪流通電,則磁場沿著A―C一B―A的方向轉動,轉子則沿著與之相反的A―B―C一A方向順時針旋轉。結合以上分析,本系統采用了開關磁阻電機控制系統。

          2電動汽車電機與控制器開關磁阻電動機調速系統2.1開關磁阻電機(SRM)SRM是SRD中實現機電能量轉換的部件,系雙凸極可變磁阻電動機,其定、轉子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉子無繞組也無永磁體,定子極上繞有集中繞組,徑向相對的兩個繞組可串聯構成一個兩極磁極,稱為“一相”。SRM可以設計成多種不同相數結構,且定、轉子的極數有多種不同的搭配。

          對于有自起動、四象限運行要求的驅動場合,定、轉子極數都應該有合理的組合方案。SRM結構外形如所示。

          2.2功率變換器功率變換器的作用是將電源提供的能量經適當轉換后提供給SRM,由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。由于SRM繞組電流是單向的,使得其功率變換器主電路不僅結構較簡單,而且相繞組與主開關器件是串聯的,因而可預防短路故障。

          2.3控制器采用德州儀器公司(TI公司)的TMS320LF2407,它集實時信號處理和控制器外設功能于一身,具有下列特點。

          基于高性能靜態CMOS技術,使得供電電壓降為3.3V,減小了控制器的功耗;0MIPS的執行速度使得指令周期縮短到33ns(頻率30MHz)從而提高了控制器的實時控制能力。

          了TMS320LF240X系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。

          兩個事件管理器模塊EVA和EVB,每個包括:兩個16為通用定時器;個16位的脈寬調制(PWM)通道。它們能夠實現:三相反相器控制;PWM的對稱和非對稱波形;當外部引腳PDPINTX出現低電平時能快速關閉PWM通道;可編程的PWM死區控制可以防止上下橋臂同時輸出觸發脈沖;3個捕獲單元。

          SRM的功率變換器主電路的結構形式,如所示blish轉換器se事件管g理器模塊適用于交流感應電機無有片內光電編碼器接口電路;16通道A/D電動車輛的一個顯著特點就是經常性地進行前進、剎車制動和倒車等。因此,電動車的驅動電機需要經常作電動和制動狀態切換。這就要求電動車驅纟2)續流期間刷直流電機、開關磁阻電機、步進電機、多級電機和逆變器。

          可擴展的外部存儲器(LF2407)總共有64KB子程序存儲器;64KB數據存儲器;64IKB數據存儲器;4KBI/O尋址空間。

          基于鎖相環的時鐘發生器。

          (13)高達40個可單獨編程或復用的通用輸入/輸出引腳(GPIO)。

          5個外部中斷(電機驅動保護、復位和兩個可屏蔽中斷)。

          電源管理包括3中低功耗模式,并且能獨立將外設器件轉入低功耗模式。

          這些特點使得TMSLF2407DSP特別適合于控制SRM電機,而且為和其他控制器通信提供了便利。

          3控制系統設計開關磁阻電機作為電動車驅動用電機,其控制系統與通用調速系統相比要復雜得多。系統硬件框圖,如所示。

          動用開關磁阻調速電機的控制器設計,同通用調速系統有很大的不同。通常它驅動電動機車輛前進,當需要減速或剎車時,要從電動狀態轉到制動狀態,同時把一部分能量回饋電池。如車輛下坡時,好能把它所具有的勢能通過制動發電回饋給電池,這種再生發電性能對提高電動車的行使范圍有重要意義。如果不能實現再生發電,則電動車的性能是不完善的。開關磁阻調速電機能很方便地實現制動發電,并且具有良好的制動效果。三相12/8結構SR電機只需變換各相導通角即可實現制動狀態。

          系統中使用三路彼此相隔15°機械角度的脈沖信號來反饋位置信號。通過F2407的捕獲單元(CAP1~3)對三路脈沖信號進行實時檢測來實現對轉子位置信號的檢測。CAP單元不僅能檢測信號的變化,而且還能記錄兩次信號變化的時間間隔,由此可以確定電機轉子的位置,計算出電機的實際運行速度,進而準確地控制各相的開通和關斷。為了實現電平的匹配和提高系統的抗干擾性能,編碼脈沖信號整形后通過光耦隔離輸入。

          3.2PWM調速控制策略采用PWM控制技術,對直流電壓源Us實施斬波,調節供電電壓U可實現對SRD系統的調壓調速控制。在SR電機的眾多調速方案中,PWM調壓調速具有簡單、易于實現的優點,同時調速性能較好。本電機采用三相6管制變換器主電路,適合PWM控制。我們在相繞組導通區引入PWM信號,PWM信號和相導通信號通過一個與門后形成了PWM控制的復合導通信號,其中ft為開通角,02為關斷角。PWM復合調制的電流斬波方式有兩種:斬單管方式和斬雙管方式。在斬單管時,復合導通信號只引入每相一個主開關的控制端上管(如V1)下管(如V2)直接引入導通信號。上管擔當電流斬波作用,斬波時繞組電流僅流過二極管續流。

          3.2.1斬單管方式的特點(1)續流期間,繞組兩端電壓近似為0因而電流脈動小,振動噪聲以及效率都比較令人滿意。在斬單管PWM調壓調速時,加在主電路上的平均電壓:因此控制占空比即可控制主電路上的平均電壓,以達到調壓調速的目的。

          清能量回饋電源3.2.2斬雙管方式的特點斬雙管時,復合導通信號同時引入上下兩管(如V1、V2)的控制端。斬波時,繞組電流經電源而續流,這種斬波方式的特點:續流期間,繞組兩端電壓近似為Us,因而電流脈動大,振動噪聲以及效率都較差。

          續流期間有能量回饋電源。

          采用斬單管的PWM調壓調速技術,理論上簡單明確,實現起來也很方便。這比傳統的角度控制方案有一定的優越性,易于用簡單的硬件電路來實現。本控制系統即采用了此方法。

          本樣機所使用的PID調節器經反復調試后,選擇了合適的參數,獲得良好的動態和靜態性能。PWM控制策略,一般使用在電動狀態。在本開關磁阻調速電機的制動狀態,我們同樣采用了PWM技術來控制制動電流及制動轉矩。制動電流反饋結合PI調節器和PWM回路構成了一個電流環,控制電機以一個恒定的制動電流進行制動。

          4試驗結果(1)電壓波形,如所示。從波形圖中可以得知,電機繞組的導通區間與斷區間的長度隨轉速的升高而減小。開關導通,整流橋的輸出電壓正向加在電機繞組兩端;開關斷后的電壓斬波續流期間,與電機繞組相連的兩開關只關斷一個,繞組為零電壓續流,當換相時與繞組相連的兩個開關都關斷,電源電壓反向作用在電機繞組兩端。

          5結束語在電動汽車中,驅動系統設計是很靈活的。除了本文討論的可以選擇不同的電機和控制技術以外,還可以選擇單電機或多電機系統,有減速器或沒有減速器,有變速器或沒有變速器,普通電機或電動輪等多種驅動方式。隨著研究的深入和新技術、新材料、新工藝的采用,電動汽車的性能將進一步提高,有可能成為下一世紀的理想交通工具。

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