电动汽车电机控制器方案设计说明书汇总

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：

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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：

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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 ≠ 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。

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2.1.3 系统框图

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系统原理框图

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系统程序框图

2.1.4 程序流程图

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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：

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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。

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原理框图如下图所示：

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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：

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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：

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该模块涉及的文件有：

C 文件： aci_fe.c， aci_fe.h

IQmath库文件： IQmathLib.h， IQmath.lib

使用的变量描述：

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磁通估计器的整体框图如下：

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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：

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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：

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C文件： aci_se.c， aci_se.h

IQmath库文件： IQmathLib.h， IQmath.lib

所使用的变量描述：

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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。

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正反转时的转子磁通角波形

程序流程图如下图所示：

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3.3 CLARK

_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 output

void (*calc)(); // Pointer to calculation function

} PIDREG3;

typedef PIDREG3 *PIDREG3_handle;

数据格式：

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? PID原理和实现方法：

PID控制系统框图如下：

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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

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u(t)是PID的输出

upresat(t)是饱和之前的输出

e(t)是参考量和反馈量之差

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：

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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

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其中T是采样周期。

软件流程图如下图所示：

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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：

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? C Version File Names： svgen_dq.c， 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 switching function

_iq Tc; // Output： reference phase-c switching function

void (*calc)(); // Pointer to calculation function

} SVGENDQ;

typedef SVGENDQ *SVGENDQ_handle;

? 各变量的数据格式

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? 软件流程图如下

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? 模块原理：

三相电压逆变器如下图所示：

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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：

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开关管导通顺序和对应线电压和相电压之间的关系如下：

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对应电压关系：

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用矩阵形式表示如下：

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空间矢量的6个60°扇区如下图所示，其中的矢量为基础空间矢量。

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其中T1、T3分别是U0、U60的持续作用时间，T0是空矢量的持续时间。这些时间可以使用下面的方法计算：

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因为U0=U60=电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪，所以有如下

关系：

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在U0和U60之间时，t1和t2计算如下，T1、T3分别为U0和U120作用的时间。

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在U60和U120之间时，t1和t2计算如下，T2、T3分别为U60和U120作用的时间。

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如果定义X、Y、Z如下：

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在不同区间时t1和t2与X、Y、Z之间的对应关系如下：

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通过CLARK逆变换，得到电压Vref1、Vref2、Vref3如下：

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定子参考电压的电动汽车电机控制器方案设计说明书（原创） - ZZ - 狂风悟浪分量如下：

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电压Vref1、Vref2、Vref3如下

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如果Vref1 > 0，则a=1，否则a=0

如果Vref2 > 0，则b=1，否则b=0

如果Vref3 > 0，则c=1，否则c=0

可变区间的定义为：sector = 4?c+2?b+a

三个相电压关系如下：

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空间矢量PWM模块被分成以下几个部分：

l 划分区间

l 计算X、Y和Z

l 计算t1和t2

l 决定占空比taon、tbon和tcon

l 将占空比传给Ta、Tb和Tc

占空比计算如下：

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3.10 CAN通信和液晶显示程序

采用CAN通信将要显示的数据送到液晶显示屏进行显示。

程序流程图如下图所示：

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3.11 方向控制程序

按键程序，通过判断两个按键的情况来选择正转、反转。状态如下： 状态

正转开关

反转开关

不输出 0 0 反转 0 1 正转 1 0

不输出 1 1

程序流程图如下图所示：

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4 软件调试说明

4.1 ACI3_1（恒压频比控制程序）调试说明 系统可以调节的变量和作用列表表示如下：

变量名 名称

- ZZ - 狂风悟浪 范围 作用

SpeedRef

速度给定 -1~1

改变电机工作

ISR_FREQUENCY

中断频率

0~20KHz

改变PWM频率和主中断频率 P

电机极数

根据电机决定

影响控制器工作性能

BASE_FREQ

电机额定频率

根据电机决定

决定电机的工作频率

4.2 ACI3_4（无速度传感器矢量控制程序）调试说明 系统可以调节的变量和作用列表表示如下：

变量名 名称 范围 作用

IdRef

磁通给定 -1~1

决定磁通给定值的大小

IqRef

转矩给定 -1~1

决定转矩给定值的大小 open

开环标志 0、1

1速度开环，0速度闭环

pid1_id

Id的pid结构体 -1~1

改变Id的PID参数

pid1_iq

Iq的pid结构体

-1~1

改变Iq的PID参数

ilg2_vdc1

AD采样结构体 -1~1

改变AD通道个数、AD通道转换顺序、偏移量大小

ISR_FREQUENCY

中断频率

0~20KHz

改变PWM频率和主中断频率

RS、RR、LS、LR、LM、P

电机参数

根据电机决定

决定控制器控制性能

BASE_VOLTAGE

电机额定电压 48

决定控制器控制性能

BASE_CURRENT

电机额定电流

根据电机决定

决定控制器控制性能

BASE_FREQ

电机额定频率

根据电机决定

决定电机的工作频率

5 软件调试效果 5.1压频控制程序

（1） 可以控制电机从零速度至2倍额定转速下稳定工作。

（2） 电机稳定工作时相电流较理论值偏大。

（3） 电机带负载能力较小。

5.2适量控制程序

（4） 电机可以从零速度开始平稳启动。

（5） 增大转矩给定电机的输出转矩增大，加速度增大。

（6） 电机转速可以稳定在1500rpm左右。

（7） 转速太高电机容易发生自激故障。

（8） 启动时如果踏板踩下角度过大，电机容易发生自激。

（9） 增加了过流保护和自激保护，控制器不易出现烧毁现象。

6 软件问题及需要改进之处

6.1 上弱电和强电后，踩踏板前电机会转动，并有时反转，有时正转。

正确给定磁通分量和转矩分量：首先检测踏板是否踩下，如果踏板未踩下，判断估计转速是否小于200rpm，如果是，则将定子电流励磁分量IdRef给为0.1或者其他值，使电机在比较小的负载下停止转动。当踩下踏板时，定子电流励磁分量给为2.8或更大值，使电机可以带载起动，同时因为踏板踩下时转矩分量成比例的增加，所以电机正转。在高速状态下，将磁通给定IdRef减小，电机转速可以继续升高，同时相电流会减小。在额定转速以上采用弱磁控制，正在调试中。

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6.2 当踏板突然踩下和突然松开时容易产生自激震荡。 预防措施：

修改电机参数和PID参数防止超调过大自激振荡。

故障保护措施：

自己振荡原因是电机转矩无法克服负载转矩，电流频率一直增加，可到500Hz以上，电流幅值也一直变大，当大到一定成都时造成过流危险。自激振荡时，电流频率急剧增大，估计转速也会急剧增大，程序中判断估计转速的值，当大于2500rpm时就将Id和Iq的PID输出给为0，则PWM输出变为0，电机停止转动，起到过流保护作用，从而防治自激现象发生。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1zog.html