电动汽车速度闭环控制系统设计

一篇小论文,介绍速度闭环控制。

现代驱动与控制

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电动汽车速度闭环控制系统设计李成学杨大柱吴文民解放军汽车管理学院 ( 3 0 23 1 1)

De i n o os -o p V l c t n r lS s e f rW h e o o s o s g f Cl e l o e o iy Co t o y t m o e lM t r fEVLiChe g e Y g a hu Wu We n xu an D z nmi n Au omob l a g me n tt t t ie M na e ntI s iu e

摘

要：阐述了基于TM￥ 2 L 2 0 P 3 0 F 4 7DS的无刷直

路的验证试验，证明了构建方案的可行性和有效性。

流电机速度闭环控制系统的仿真系统没汁，出了系统给各组成部分的工作原理及其工作流程。后，理论分最在析的基础上进行了相应的试验研究，出了具体的测试给

数据与波形等实验结果，从而充分证实了此控制系统的可行性和实用性。 关键词：电动汽车 MA L仿真 T ABAbs r c:Th e o i l s d l o o t o y t m ta t e v l c t c o e o p c n r ls s e y

1基于MA L B T A的B DC系统模型的 L M建立

永磁无刷直流电机

速度调节

在 Ma l b .的S mu i k境下，用S m. ta 71 i ln环利 i

P we y tm T Ob X o S se o lO丰富的模块库，分析 r在

f ra B o LDCM a e n DS b s d o P TM S 2 F 4 7 wa e i n d 3 0 2 0 sd s e . gT e p ro ma c s o e c n r l y t m r u rc l h e f r n e f t o to s e we e n me i a l h s y su i d b s n i ln .F n ly t e d sg e o to t d e y u i g s mu i k i a l, h e i n d c n r l s s e wa x e i n a l n e tg t d o o o y y t m s e p r me t l i v s i a e n apr t t pe y mo o . t u rc l n x e i n e u t s o d t er t r Bo h n me ia d e p rme t s l h we h i a r sc nsse y whih po ii l o

n r e h ea i lt d o it nc c stvey c f m d t e f sbiiy an i

B DC L M数学模型的基础上，建立B DC L M控制系统仿真模型，具体结构框图如图1。BL DCM建模仿真系统采用速度闭环控制方

案，转速环由P调节器构成， I根据模块化建模的思想，将控制系统分割为各独立的功能子模块。 图l L C为B D M建模的整体控制框图，其主要功能模块包括： L B DCM本体、变器、度调节、逆速解

p a t a i t f h r p s d c n r l y t m. r c i b l y o ep o o e o to se c i t s Ke wo d:El c rc v h c e Br s l s o o y r s e ti e i l u h e s DC m t r S e d r g l t n M ATL B S M ULl p e e u a i o A I NK

码器、门极驱动、 W P M波形控制等。通过这些模电动汽车一般由车体、动、驱电池和控制四个子系统构成。控制管理子系统是整个系统运行块的有机整合，即可在 MalbSmuik t/i l中搭建出 a n BL DCM控制系统的仿真模型，实现闭环的控并

的智能核心，其作用是根据各种传感信息，合理控制其余各子系统的工作，以获得E V良好的动、 静态运行特性和能量利用率。电机驱动子系统是电动车行驶的执行机构，在很大程度上决定了 整车的运行性能和效率。本文在分析电动汽车的轮式驱动特点和电机控制策略的基础上，用利

制算法，以下讨论各关键功能模块的作用。11解码器模块 .在永磁无刷直流电机中，利用转子位置传感

器对电机位置进行检测，对输出信号进行逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各绕组按顺序导通，保证电机连续工作。无刷直流电机的

MA L B SMU I强大的仿真功能， T A/I L NK设计了基于 TM￥ 2 LF 4 7DS的轮毂电机驱动控制 30 2 0 P

运转是通过霍尔元件来判定转子位置，然后通过逆变器给B D M供电。 L C在整个控制系统的仿

系统的速度闭环控制仿真系统，并进行了实际电.

真模型中，必须保证霍尔电势元件能及时正确地

2 . 08 4 2 0年第 6《机技 7》期电 l c

一篇小论文,介绍速度闭环控制。

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现代驱动与控制

图1 MalbSmuik L CM仿真建模整体控制结构框图 t/i l中B D a n

对转子位置进行判断并把测得的信号传输给信号处理单元产生所需的P WM波形。解码器模块的

12门极驱动模块 .

门极驱动模块的作用是把从解码器传送过来的三个信号通过与非门进行逻辑判定，即把三个信号通过逻辑判断得到Q~ 6个信号， 1Q这6逻辑框图如图 3对三相桥的无刷直流电机的逆变。

作用就是处理从霍尔 ( HAL ) L元件中产生的脉冲信号h、 b h。 a h、 c分别用高电平“” 1和低电平“” 0表示，三个信号周期为3 0, 6。三信号互差6。 0。

HAL元件产生的信号通过图2 L所示的逻辑变换得￣ e 、 mfb e 三个输出，] 1mfa e 、 mfc真值表如表 l。

器而言，任意时刻始终有2个功率管导通，而另外 4" 5则处于不导通状态。因此，当高电平有效时， 通过门极驱动模块就可以把从H L￣件输出的 A L三个信号最终转化为适合于无刷直流电机控制的所需信号，真值表如表2其中2“ 0 0 0 (个 000”

图2解码器结构框图

图3门极驱动模块结构框图 表 2门极驱动模块真值表出Em f C 0

表 l解码器真值表

输ha O h b 0

入h c O E fa m O

输

输

入Q 20

输Q30

出Q 40

Em f b 0

E E E Ql mfa mfb mf cO 0 0 O

Q50

Q 60

O0 O 1 1 1 l

01 1 0 O 1 l

10 1 O 1 O 1

0. 1 . 1+l +1 O 0

. 1+1 O O . 1+1 0

+10 +1 1 0 - 1 O.

O1 l

. 1+1 0 0 . 1+1 0

+1O +1 . 1 0 — 1 0

00 0 l l O 0

O1 1 O O O O

0l 0 O O 1 O

l0 0 0 l O O

l0 1 O 0 O O

0O O 1 O 】 O

—

+1 +1 O O

《

电机技术》2 0年第 6 5 08期 2

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现代驱动与控制为无效状态 )。

。{ m/ . 多，调节时间加长。值太大时，当P电机系统将趋于不稳定；若值太小，会降低电机系统的响应速度，电机动作缓慢积分时问常数 I小时，太系统

13 P M波形控制器模块 . W P M波形控制器模块的作用是根据需要给 W无刷直流电机提供 P M波，刷直流电机的转 W无矩只与方波的电流成正比，电流的频率和相位则由转子位置决定。

将不稳定，荡次数较多；振但太大时，积分作用对电机系统性能的影响减少，利于消除系统的不

稳态误差，难以获得较高的控制精度。 本系统通过试凑法来确定P参数， I先将I值调到零， P取为很小的一个值，给系统一个阶并

逆变器的控制一般采用三角波与直流信号相比较的方法，即电流调节器输出的电压信号与载频三角波信号相比较，生等幅、宽、产等等距的 P WM信号，制逆变器中的各功率开关。控

跃信号，看系统的响应，如果响应太慢 .稳态误差大，可以增大 P数，果系统振荡，减则系如则

根据上述原理，可以设计一个产生P WM波的波形控制器，其结构框图如图4。

小P系数。一直调节到系统响应比较快，稳态误差较小为止。然后增大I系数，使稳态误差变小，但不能引起系统振荡。经过调试两个系数分别为：度凋节积分系数K 1,度调节比例系数速=7速

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本文所构建的速度闭环凋速系统的框架下’

进行系统的仿真研究，现给出其中两个典型运行工况下的仿真结果。 在系统空载起动，时施加负载，进入稳短并

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I 1.

态运行工况下，设定转速为2 0/ 时的仿真实 8r i m nI1 P￣ .4 WM波形生成结构框图

验。度从零开始逐渐加速， 01时，一个速在 .S给 3 Nm的负载信号 .其转速响应曲线如图5。

由图4知，门极驱动模块传送来的信号可从作为转换开关转换条件，来判定转换开

关的用

输出， W由P M波就可以实现对逆变器的半桥斩波。

{

2仿真试验结果在图1所示的仿真试验电路中， L C B D M为浙江卧龙公司生产的轮毂式无刷直流电机，体具

从曲线可以看出，该起动阶段系统保持转矩恒定，度从零开始逐渐加速， 0 1时，速在 .S施

参数为：动机功率为09 W,子相绕组电阻电 .k定

}3 l Nm的负载，速迅速下降， l l转但在速度调节器的作用下具有自适应能力，统在出现扰动时，系

R 0 Q,= .定子相绕组自感L= .02, 8 0 1L转动惯量 0J 00 8 g1,擦转矩 F=00 1= .0 k .I摩 T .0Nm/,对数 s极 p 8直流 9 V电源供电。=, 6

能迅速恢复到平衡状态，最终维持在设定转速 2 0/ h 8r下稳定运行，时测定占空比为0。 mi此 . 6

对于速度闭环调节器，根据电动车的性能特点，比例系数P增大，会使电机系统的动作灵敏，运行速度加快。系统稳定的情况下，大 P,在增值

在系统空载起动进入稳态运行工况下，也设定转速为2 0/ 的仿真实验。 8r i m n待进入稳态后， 可得如图6图8示的仿真结果，~所此时的占空比同样经测定为06 .。

有利于减少稳态误差，提高电机的控制精度。但随着P的增大，系统响应过程中的振荡次数会增.

图6相定子电流仿真波形，图中可以看为A从

2 6.2 0 0 8年第 6期《机技术》电

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现代驱动与控制强的抗干扰能力，能进行自应调节，并适具有较强的鲁棒性。采用该B Dc L M仿真模型，以十可分便捷地实现、证控制算法，验改换或改进控制策略，只需对部分功能模块进行替换或修改， 因此，它为分析和设计B DC L M控制系统提供了有效的手段和工具，也为整车控制系统的设计和调试提供了重要的参考价值。

图6 A相定子电流仿真波形

3实测试验结果 本试验电路板如图 9示。系统调试电源所本采用免维护封闭式阀控铅酸蓄电池，7×1V 1Ah 2 ×8,电压为 9伏；节总 6 BLDCM的额定功率为 0 k额定转速为3 0/ n . W, 9 6r mi。

出定子电流在起动初期电流较大，是因为电机这

的感应电动势

尚未建立，起动电流大有利于电机快速起动，然后再慢慢转入平衡状态，平衡后的电流值为 1 A。 . 9图 9采用功率 M OS T的试验电路板 FE

图7为感应电动势的仿真波形，电机转动在初期，迅速建立感应电动势，感应电动势波形为梯形波。图中可以看出，从感应电动势是一组非常理想的梯形波，电动势约为3、 3, o

利用 TM￥ 2 P 4 7 3 0 D S 2 0 A芯片，上必要 加

的外围电路，成整体 DS控制系统，图 1构 P如 0所示。其中P M信号利用Ds W P自带的 1路独立 2

的P WM波， W M1 WMl引脚输出控制由P一 P 2个的P WM波形。电流采样信号通过ADc口输端入，制信号通过转子位置传感器输出接至控DS的IO口。P M波形经过驱动电路 I 1 0 P/ W R2 3

图8为转速响应曲线，由图可知，转速从零平稳上升到设定的转速。 由以上两个典型仿真研究结果可以看出，在设定的转速下，系统响应快速且平稳，相电流和

反电动势波形较为理想。起动阶段系统保持转矩恒定，因而没有造成较大的转矩和相电流冲击， P速度调节器的限幅作用十分有效； I空载稳速运行时，由于存在系统的摩擦转矩，因而此时的电

放大，然后由I 2 3按要求的馈电顺序控制功 R 10率模块I F 2 0实现对永磁无刷直流轮毂电机 R P 5, ( D C相应定子的正确馈电。 B L M)

磁转矩平均值不为零；转速在速度调节器的作用下具有自适应能力，在系统出现扰动时能迅速恢复到平衡状态，最终维持在额定转速设定下稳定运行。

仿真结果还表明：波形符合理论分析，系统能平稳运行，具有较好的静、动态特性、具有很

图l硬件控制系统框图 O

系统中驱动电路功率器件选用 I P 5, RF 2 0《机技术》2 0年第 6 7电 08期 2

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现代驱动与控制DS的l路全比较 P P 2 WM输出经过高速光耦隔离后接至驱动集成模块I 10当两电机的电流、 R23。

, 0

,/ 9

当设定转速为2 0/ , 8 r i空载起动， m n占空比为06￣实测波形如图 l.。 .H, 11 4由图1和图1可知， P出的 P M波形稳 l 2 DS输 w

过电压、电压等保护信号产生时，

欠先硬件封锁其对应的I 23的输出， R 10同时接至对应的DS的 PP I A或 P I B引脚。件设计中的主程 DP NT DPNT软序部分完成系统初始化、成电机电流AD采样完结果处理、成驱动轮轮速的计算和闭环控制完算法及其实施。 T定时器下溢中断服务程序完成从 1 l/ O口分

定，符合设计要求，中间的阴影部分为干扰产生的毛刺，结果不产生影响。波状态符合设计对斩要求。

图 1为在转速 2 0/ n电机 A相输出的相 3 8r mi下电流波形图，测电流值为 1 A,实 .电流波形比较 9稳定，要指出的是电流波形周边有毛刺，由需是

别读取电机位置信号、并完成上述延迟换相和换相锁定以及没定两电机的AC TRA/控制字和 B AD采样等。 经过十次 T定时器周期中断起动相应的两电 1机的电流 AD采样等。按照上述图示和分析，基于DS 2 0的轮对 P 4 7

电流中的高次谐波所引起，不会对结果产生影响。 4图1为转速2 0/ ne 8r mii电机A l相输出的感应电动势波形，可以看出感应电动势是比较理想的梯形波，本符合理想波形，速平稳后，时基转此A相实测电压值为3 V 3。

将图 6图7仿真研究的结果和图 1、 l和的 3图 4的实验结果相比较，看出实际波形和仿真结果可

式驱动的速度闭环控制系统进行了试验。轮毂电机配用标准 3 01轮胎，验结果如下： 0—2试

基本一致，由此证明所构建的速度闭环控制的仿真模型的正确性。参考文献

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图 1转速 20/ 输出的P 1 8r mi WM的波形

Ip n f n Wh e Moo y tm o c o E C, VS 1 o me t — e l t r se f rMir V[] E 8 o I SBe ln, 00 . ri 2 1

一图 l转速 2 0/ n - 2 8r mi下 wM的斩波波形图 P图1转速2 0/ F 3 8r r A相输出的相电流波形图 m

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业大学硕士论文， 0 451. 20. 0 (稿 H期： 0 8 0 .8收 2 0 .62 )

作者简介：成学，, 9 5生，南信阳人，师，士，究方李男 17年河讲硕研图 1转速 2 0/ n相输出的感应电动势波形 4 8 r下A mi

向为电气控制、智能仪器和电动汽车控制系统研究。

2 8 2 0 0 8年第 6期《电机技 7》 I c

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