[優(yōu)秀畢業(yè)論文]電動(dòng)汽車異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的的研究

1、畢 業(yè) 論 文電動(dòng)汽車異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的的研究系 別 電氣工程系 專 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 機(jī)電3082 姓 名 學(xué) 號(hào) 摘要隨著 我 國 汽車保有量急劇增加，能源和環(huán)境問題將更加突出。人們迫切需要尋求一種低排放和節(jié)約能源的交通工具。電動(dòng)汽車(ev)以其在節(jié)能和環(huán)保方面的巨大優(yōu)勢(shì)，已成為世界各國競(jìng)相研究的重要熱點(diǎn)，必將成為21世紀(jì)重要的交通工具之一。電機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 系統(tǒng)是電動(dòng)汽車最關(guān)鍵的部分之一，它將決定整車的性能.20世紀(jì)90年代以后，國外電動(dòng)汽車開始使用的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來取代直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，已成為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流。目前，我國交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究在滿足電動(dòng)汽車特殊要求方面還處于研究階段。本

2、論 文 根 據(jù)異步電機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用電機(jī)統(tǒng)一理論、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換以及在坐標(biāo)變換理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的矢量控制理論，深入地研究電動(dòng)汽車交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制的技術(shù)與方法。研究 過 程 中主要采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制方法，通過矢量運(yùn)算，做到分別控制dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的磁場(chǎng)電流分量lm與轉(zhuǎn)矩電流分量1t，對(duì)交流異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)類似直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制與調(diào)節(jié)，以獲得快速響應(yīng)和精確控制的目標(biāo).為 實(shí)現(xiàn) 電 動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制要求快速敏捷、實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)，研究中選用了ti公司的電機(jī)控制專用dsp芯片tms320lf2407作為系統(tǒng)的核心控制芯片、高性能的智能功率模塊(ipm)逆變功率器件，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)

3、的主回路、控制電路。在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中考慮了電磁干擾和電磁兼容問題。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，運(yùn)用matlab6.0中的動(dòng)態(tài)仿真工具simulink對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的速度響應(yīng)和位置控制能力。研究 中 設(shè) 計(jì)開發(fā)的以高性能的dsp芯片tms320lf2407為核心、基于矢量控制原理的電動(dòng)汽車異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出用一種新型的pwm調(diào)制方法一電壓空間矢量法(svpwm)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)的高性能可靠控制關(guān)鍵詞: 矢量控制 電壓空間矢量法 數(shù)字信號(hào)處理器 目 錄目錄摘要1第一章緒論41.1引言41.2國內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀41.3電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概述51.4

4、本課題的意義和內(nèi)容9第二章 矢量控制92.1矢量控制原理92.2矢量控制方式11第三章dsp和pwm技術(shù)123.1 dsp123. 2 pwm技術(shù)15第四章 汽車電子調(diào)節(jié)器174.1單片式cm0s汽車電子調(diào)節(jié)器17第五章系統(tǒng)抗干擾和電磁兼容問題235.1電磁干擾(emi)分析235.2電磁兼容性24第六章矢量控制系統(tǒng)的仿真研究286.1 matlab6.0仿真工具簡(jiǎn)介28參考文獻(xiàn)30第一章 緒論1.1引言目前，全 世界汽車石油消耗量占世界石油消耗量的一半以上，而石油資源僅能供人類使用43年左右，不到21世紀(jì)中葉，汽車燃用石油的時(shí)代將會(huì)結(jié)束。我國是一個(gè)石油匾乏的國家，從1993年起，我國己成為石

5、油“凈進(jìn)口國”，2000年我國的石油進(jìn)口量占總用量的30%以上。據(jù)世界能源組織預(yù)測(cè)，2010年中國石油進(jìn)口量將超過1.5億噸、占總用量50%以上，到2002年進(jìn)口石油量將超過4億噸、占80%以上。燃油汽車排放的co, nox, hc, pb, s僅、co 0,，等.已成為大氣污染的主要因素。隨著汽車保有量集聚增加，能源和環(huán)境問題將更加突出，我們迫切需要尋求一種低排放和節(jié)約能源的交通工具，開發(fā)電動(dòng)汽車是解決這一問題的有效途徑之一80 年代 以 來，電動(dòng)汽車0-c:a的研制熱潮在全世界范圍內(nèi)興起，其中在歐洲、北美和日本等部分國家水平比較高、發(fā)展較快，如法國標(biāo)志一雪鐵龍，德國bwm,vw，美國的三大

6、汽車公司，日本的本田、豐田和日產(chǎn)等，正逐步由樣車試制向小批量商業(yè)化生產(chǎn)的方向發(fā)展。我國從1991年起，己將電動(dòng)汽車的研制開發(fā)列入“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，而到1996年，科技部更將其列為“九五”及跨世紀(jì)國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程。近年來，我國正在不斷地開發(fā)一些高技術(shù)、高標(biāo)準(zhǔn)的電動(dòng)汽車及其系統(tǒng)，如電動(dòng)大客車、微型客車、電動(dòng)輕型客車、中型電動(dòng)小客車等。電動(dòng) 汽 車 包括純電動(dòng)汽車(ev-e lectricalv ehicle),混合電動(dòng)汽車(hev-hybrid electrical vehicle)和燃料電池汽車(fcv-fuel cell vehicle)三種型式，它是理想的零排放或低排放車輛。純電

7、動(dòng)汽車在發(fā)展中受到了技術(shù)上的制約，有限的行駛里程和較長(zhǎng)的充電時(shí)間使得它們的普及遇到困難。燃料電池汽車具有低排放、低噪音，其甲醇燃料有廣泛的來源，以及可再生等重大優(yōu)勢(shì)，已成為世界各大汽車集團(tuán)新世紀(jì)激烈競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，被喻為21世紀(jì)改變?nèi)祟惿畹氖蟾呖萍贾祝a(chǎn)業(yè)化仍需要較長(zhǎng)的時(shí)間。混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是將新技術(shù)和老技術(shù)結(jié)合的最可行的產(chǎn)物，它同時(shí)具有純電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的優(yōu)點(diǎn)，既具有純電動(dòng)汽車的高效率和低排放的性能，還具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的行駛里程長(zhǎng)和快速補(bǔ)充燃料的性能?；旌想妱?dòng)汽車成為當(dāng)前解決節(jié)能、環(huán)保問題切實(shí)可行的過渡方案。1.2國內(nèi)外電動(dòng)汽車的發(fā)展現(xiàn)狀90 年 代 以 來 ，日本、美國、歐洲

8、各大汽車公司紛紛開始研制混合動(dòng)力型汽車 。日本豐hl汽車公司率先于1997年12月將混合動(dòng)力型prius轎車投放本國市場(chǎng)， 2000年初又開始投放北美市場(chǎng)，并將月產(chǎn)由1000輛調(diào)升到月產(chǎn)2000輛，三 年內(nèi)銷售了45萬輛。計(jì)劃到2005年時(shí)，混合動(dòng)力汽車達(dá)到年產(chǎn)30萬輛。在日本 ，除了豐田公司以外，本田、日產(chǎn)等大公司也分別研制了自己的混合動(dòng)力汽車 21di 11 1，其中本田公司己投產(chǎn)insight混合動(dòng)力汽車，被美國環(huán)?？偸鹪u(píng)為200 1年美國十大節(jié)能汽車的第一名，第二名則為豐m汽車公司的prius混合動(dòng)力 汽車。美 國 能 源 部 與三大汽車公司于1993年簽訂了混合動(dòng)力汽車開發(fā)合同，啟動(dòng)

9、下一 代汽車合作伙伴(pngv)項(xiàng)目，迄今己開發(fā)出多種形式的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，例如克菜斯勒的esx3、福特的prodigy 2000、通用的plecept和benz等，pngv項(xiàng)目在hev性能仿真、汽車集成動(dòng)力模塊等技術(shù)領(lǐng)域取得了顯著成就。歐洲 各 大 汽車廠商爭(zhēng)先恐后地推出了本公司研制的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，法國psa集團(tuán)先后推出了貝靈格型和xsara型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車，德國的bosch等著名的零部件公司也積極與大汽車公司聯(lián)手開發(fā)混合動(dòng)力電動(dòng)汽車技術(shù)。專家普遍評(píng)價(jià):混合動(dòng)力電動(dòng)汽車是21世紀(jì)初汽車產(chǎn)業(yè)界的一場(chǎng)革命，只有混合動(dòng)力電動(dòng)汽車刁能滿足新世紀(jì)之初對(duì)汽車的環(huán)保與節(jié)能要求。在 國 內(nèi) ，“電動(dòng)

10、汽車技術(shù)研究”是國家科委“八五”科技攻關(guān)項(xiàng)目。在清華大學(xué)的組織下，研制出7輛16座電動(dòng)輕型客車;“九五”期間，東風(fēng)汽車公司承擔(dān)并完成了國家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“電動(dòng)轎車概念車設(shè)汁”的整車(bf)研制工作。“九五”末期我國在電動(dòng)汽車的三大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域(電池、電機(jī)、電控系統(tǒng))取得突破。科技部己將電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化列為“十五”國家863重大科技攻關(guān)項(xiàng)目，“十五”期間，國家計(jì)劃投入近10億元來支持電動(dòng)汽車的前瞻性研究。要求混合動(dòng)力電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并通過國家汽車產(chǎn)品型式認(rèn)證。在 “九 五 ”科技攻關(guān)計(jì)劃的推動(dòng)下，我國開發(fā)出多種電控發(fā)動(dòng)機(jī)，在電機(jī)控制方面取得了重大突破，電池管理系統(tǒng)的研究也取得一定的進(jìn)展。但

11、在雙能量源混合動(dòng)力電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的自動(dòng)控制方面剛剛起步，包括控制算法的研究和控制器的開發(fā)，還未有完 整的系統(tǒng)。1.3電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的概述1.3.1電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電動(dòng) 汽 車 是以車載電源為動(dòng)力，用電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項(xiàng)要求的車輛。它是涉及到機(jī)械、電力、電子、計(jì)算機(jī)控制等多種學(xué)科的高科技產(chǎn)品。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括蓄電池技術(shù)及電池管理，車體技術(shù)，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。電動(dòng)汽車是由車體、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池和能量管理系統(tǒng)組成的，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是最關(guān)鍵的部分之一。電動(dòng) 汽 車 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(:.1-(a51(sai(221 (4) 61”由牽引電機(jī)、控制系統(tǒng)(

12、包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、控制器及傳感器)、機(jī)械減速及傳動(dòng)裝置、車輪等構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)接收加速踏板(相 當(dāng)于燃油車的油門)、剎車和pdrn(停車、前進(jìn)、到車、空擋)、轉(zhuǎn)向盤的輸出信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)處理，輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，再通過機(jī)械傳動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)車輪。1.3.2電動(dòng)汽車工況對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特殊要求電機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 系統(tǒng)除了具有普通電氣傳動(dòng)的共性外，還應(yīng)滿足電動(dòng)汽車特定用途的要求。電動(dòng)汽車是一種在陸地上露天運(yùn)行、結(jié)構(gòu)緊湊、具有車載能源的行走機(jī)械，工況復(fù)雜。既要能高速飛馳，又要能頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、上下坡、快速超車、緊急剎車;既要能適應(yīng)雪天、雨天、盛夏、嚴(yán)冬、雪后撒鹽等惡劣天氣條件，又要能承受道路的

13、顛簸震動(dòng)，還要保證司乘人員的舒適與安全。電動(dòng)汽車的核心，是要用電氣傳動(dòng)系統(tǒng)取代機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)，用電池代替汽油作為車載能源，在零排放或少排放的前提下，滿足燃油汽車各項(xiàng)性能、價(jià)格指標(biāo)的要求。因此，所設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)要求51(1) 基 速 以下大轉(zhuǎn)矩以適應(yīng)快速啟動(dòng)、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等要求，基速以上小轉(zhuǎn)矩、恒功率、寬范圍以適應(yīng)最高車速和公路飛馳、超車等要求。(2) 整 個(gè) 轉(zhuǎn)矩/轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)的效率最優(yōu)化，以謀求電池一次充電后的續(xù)駛里程盡可能長(zhǎng)。(3) 電 機(jī) 及電控裝置結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、體積小、重量輕、抗顛簸振動(dòng)。(4) 操 縱 性能符合司機(jī)駕駛習(xí)慣，運(yùn)行平穩(wěn)，乘坐舒適，電氣系統(tǒng)失效

14、保障措施完善。(5) 單 位 功率的系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格盡可能的低。各種 電 動(dòng) 汽車所要求的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)輸出特性曲線如圖1-1所示。可見，電動(dòng)汽車馳動(dòng)電機(jī)典型的輸出特性主要包括兩個(gè)工作區(qū):(1)基速以下的恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)，該區(qū)間主要保證電動(dòng)汽車的載重能力。(2)基速以上的恒功率工作區(qū)，該區(qū)間保證電動(dòng)汽車有充足的加速空間。中型車圖 1- 1 不 同 汽 車的 驅(qū) 動(dòng) 輸 出 特 性fi g. 1 -1 d r iv e o ut pu t t ra i t of d i ff er ent vehicle電動(dòng) 汽 車 用電動(dòng)機(jī)與一般工業(yè)用電機(jī)的比較:電動(dòng) 汽 車 驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要有4-5倍的過載以滿足短時(shí)加速

15、行駛與最大爬坡度的要求;而工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)只要求2倍過載就可以了。電動(dòng) 汽 車 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速要求達(dá)到在公路上巡航時(shí)基速的4-5倍;工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)只要求達(dá)到恒功率時(shí)基速的2倍。電動(dòng) 汽 車 驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)根據(jù)車型與駕駛員的駕駛習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì);而工業(yè)電機(jī)通常只根據(jù)典型的工作模式進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。電動(dòng) 汽 車 驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求有高的功率密度和好的效率圖(在較寬的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)都有較高的效率)，從而能夠降低車重，延長(zhǎng)續(xù)駛里程:而工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常對(duì)功率密度、效率及成本進(jìn)行綜合考慮，在額定工作點(diǎn)附近對(duì)效率進(jìn)行優(yōu)化。電動(dòng) 汽 車 驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求可控性高、穩(wěn)態(tài)精度高、動(dòng)態(tài)性能好;而工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)只有某一種特定的性能要求。電動(dòng)

16、 汽 車 驅(qū)動(dòng)電機(jī)被安裝在機(jī)動(dòng)車上，空間小，工作在高溫、壞天氣及頻繁振動(dòng)等的惡劣的工作條件下;而工業(yè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常在某個(gè)固定的位置工作。1.3.3電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中各種電機(jī)性能研究目前 在 電 動(dòng)汽車中，主要的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)itt(3211y:1(491大體也可以分為直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng).下表是對(duì)各種主要驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能比較:表 1- 1 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī)性能比較table/-1 drive motor capability compare直流電機(jī)(o m)異步電機(jī)(i m)永磁同步電機(jī)(p msm )開關(guān)磁阻電機(jī)(s r m )優(yōu)

17、點(diǎn)控制簡(jiǎn)單，只用電壓控制，不需檢測(cè)磁極位置，小容量系統(tǒng)造價(jià)低結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低廉，可高速運(yùn)行，調(diào)速范圍大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，維護(hù)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟體積小， 重量輕， 功率密度大。低速輸出轉(zhuǎn)矩人，效率高，維護(hù)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固。效率高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，價(jià)格低，免維護(hù)缺點(diǎn)有整流電刷，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適合高速、大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，效率低，環(huán)境適應(yīng)性差，維護(hù)難，容量增大造價(jià)大幅增加且制造困難控制復(fù)雜，容量小時(shí)效率降低，制動(dòng)困難高速運(yùn)行較im復(fù)雜，需檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，永磁體有退磁問題，造價(jià)較高噪音大，輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大從各 驅(qū) 動(dòng) 電機(jī)性能特點(diǎn)看，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由于其控制簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)性能好，70年代就已經(jīng)實(shí)用化。隨著電力電子技術(shù)和電機(jī)矢

18、量控制理論的完善，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)越性日益明顯。相對(duì)于直流電機(jī)而言，交流電機(jī)具有體積小、功率大、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)隨著現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，其動(dòng)態(tài)性能己經(jīng)達(dá)到或超過了直流電機(jī)的水平。交流電機(jī)克服了直流電機(jī)因換向器帶來的缺點(diǎn)，因此得到了廣泛的應(yīng)用，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正逐步取代直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)成為電動(dòng)汽車的主流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng).表 1-2 主 要 公 司電 動(dòng) 汽 車 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 資料table 1-2 drive motor data of ev in leading company公司名稱車型推出年份電機(jī)類型電機(jī)功率(k w )電機(jī)轉(zhuǎn)速(rpm)通用汽車ev-i轎車1996 im 10

19、0 7000/13000本iii ev plus轎車1998 pm sm 49 1700/8750厄桑altra ev旅行轎車1998 pmsm 62 13000人眾g olf iv概念車1998 im 52.51150 6000112000沃爾沃fl6貨車1997 im 65/185 4000/8000,i5鐵龍saxo轎車dc 11/20 1600/5500由表 卜2 看出，在電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，各大公司主要使用的是交流電機(jī)，可以見 ，今后絕大部分的電動(dòng)汽車都將采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。而在電動(dòng)汽車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采 用交流異步電機(jī)和采用永磁同步電機(jī)是兩大主流傾向。交 流 異 步電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固

20、、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便等突出優(yōu)點(diǎn)，經(jīng) 被廣泛應(yīng)用在電動(dòng)車矢量控制系統(tǒng)中。與交流異步電機(jī)相比較，永磁同步電機(jī)體沙 ，重量輕，功率密度大，低速輸出轉(zhuǎn)矩大，效率高，維護(hù)簡(jiǎn)單;但其高速運(yùn)行與步電 機(jī)復(fù)雜，需檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極位置，永磁體有退磁問題，造價(jià)高。目前在電動(dòng)汽車應(yīng) 用較多的是交流異步電機(jī)。.1.3.4電 機(jī)主要調(diào)速控制方法總體 上 ， 電動(dòng)汽車對(duì)其電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能要求較高，主要包括:(1 ) 調(diào) 速范圍寬，無級(jí)變速:(2 ) 在 恒轉(zhuǎn)矩，恒功率區(qū)都可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行并保持高效率:(3 ) 動(dòng) 態(tài)響應(yīng)快，系統(tǒng)魯棒性好。傳 統(tǒng)的交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速方式有:變壓調(diào)速、繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、級(jí)調(diào)

21、速、變極調(diào)速等等，但這些調(diào)速方式都存在著明顯的局限。隨著交流變頻技術(shù)、率電子器件和微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機(jī)控制技術(shù)也取得了突破性進(jìn)展.l頻調(diào)速成為當(dāng)前交流調(diào)速技術(shù)的主要發(fā)展方向，在電動(dòng)汽車電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中得到廣應(yīng)用。常用 的電機(jī)控制方法主要分為標(biāo)量控制方法、矢量控制方法以及直接轉(zhuǎn)矩控制。、電動(dòng)汽車對(duì)功率器件，1“的要求:在過 去幾十年里，功率半導(dǎo)體器件技術(shù)有了很大的發(fā)展。這些功率器件在功率額值以及性能方面有了革命性進(jìn)展，在現(xiàn)有的功率器件中，功率二極管作為自由開關(guān)用而其他功率器件，如晶閘管、gto bjt mosfet igbt sit sith mct, ipm等，;是外部可控的，對(duì)高性

22、能的功率器件的研究正在進(jìn)行。在選 用電力驅(qū)動(dòng)的功率器件時(shí)，必須考慮以下幾項(xiàng)要求:額定 值 額定電壓根據(jù)蓄電池銘牌規(guī)定的電壓、充電時(shí)的最大電壓和再生制動(dòng)的最大電壓確定，而電流的額定值取決于電動(dòng)機(jī)額定功率的峰值以及所并聯(lián)的功率件的個(gè)數(shù)，當(dāng)這些器件并聯(lián)時(shí)，其導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)特性必須匹配好;轉(zhuǎn)換 效率 開關(guān)頻率較高，可減少濾波器的體積，并有利于滿足電磁干擾限制1要求。當(dāng)開關(guān)頻率高于20khz時(shí)，可避免出現(xiàn)噪聲;功率 損耗 導(dǎo)通時(shí)的壓降或損耗應(yīng)降到最小，同時(shí)開關(guān)損耗應(yīng)盡可能小。由于的開關(guān)頻率會(huì)增加開關(guān)損耗，開關(guān)頻率在iokhz時(shí)可使能量密度，嗓聲及電磁干達(dá)到最優(yōu)。漏電電流應(yīng)限制在1ma以內(nèi)，以使斷開狀態(tài)的

23、損耗最小。基極 、門極的可驅(qū)動(dòng)性 期間應(yīng)考慮到簡(jiǎn)單和安全的基極或門極驅(qū)動(dòng)。相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)或?yàn)橛|發(fā)電壓、電流或?yàn)榫€性電壓、電流。電壓驅(qū)動(dòng)模式能耗非常的低，通常被優(yōu)先采用。態(tài)特 性 期間的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)足夠的好。以允許有較高的dudt和較高的didt能力，并容易進(jìn)行并聯(lián)。內(nèi)部的續(xù)流二極管應(yīng)該和外部的主器件具有相似的動(dòng)態(tài)特性;堅(jiān) 固 功率器件應(yīng)該有足夠的抗過載能力以承受過電壓時(shí)的巨大能量，并能在過流時(shí)通過快速熔斷半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲加以保護(hù)，它應(yīng)不用和盡量少用緩沖電路。由于電動(dòng)汽車頻繁的加速減速，功率器件會(huì)引起頻繁的熱循環(huán)沖擊，它應(yīng)在這種條件下可靠地工作;成 熟性 與 成本 由于功率器件的成本占整個(gè)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)

24、系統(tǒng)的大部分，所以功率器件應(yīng)該盡量經(jīng)濟(jì)。最近的一些功率器件如高性能的mct等，還不能成熟的應(yīng)用于電動(dòng)汽車;.1.3.5電動(dòng)汽車對(duì)逆變器性能的要求:功率 回 路 就是逆變裝置，用來給電機(jī)提供電源，通過編寫電機(jī)的控制軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及位置的控制。按照 逆 變 器直流濾波環(huán)節(jié)的不同結(jié)構(gòu)，可以將逆變器分為電壓源逆變器(vsi)和電流源逆變器(csi) 兩類。其中，電流源逆變器由于直流濾波電感的存在.輸出電壓可迅速反向，因而無需增加設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)再生能量回饋;但也因?yàn)殡姼械拇嬖冢沟媚孀兤鞯膭?dòng)態(tài)性能受到限制。由于電流源逆變器輸出電流非正弦，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題使其低速時(shí)的性能較差.而電壓源逆變器由

25、于其簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、低廉的成本、較佳的電流響應(yīng)性能，結(jié)合磁場(chǎng)定向控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)大范圍平滑調(diào)速等優(yōu)良性能，更適用于電動(dòng)汽車需要的高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，因而也是本課題主要討論的逆變器。1.4本課題的意義和內(nèi)容鑒于我國電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，自主研究高性能電動(dòng)汽車交流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)是非常重要的。本文以異步電機(jī)為基礎(chǔ)，依據(jù)矢量控制原理，設(shè)計(jì)、開發(fā)一套基于dsp芯片tms320lf2407為核心的電動(dòng)汽車異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng).論文 的 第 一章介紹了國內(nèi)外電動(dòng)汽車發(fā)展現(xiàn)狀，分析了電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，過對(duì)各種電機(jī)進(jìn)行了比較，總結(jié)出電動(dòng)車對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求;第二章對(duì)用于電動(dòng)車交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略矢量

26、控制技術(shù)進(jìn)行了分析:第三章介紹了dsp和pwm技術(shù)，并詳細(xì)介紹了電壓空間矢量(svpwm)技術(shù);第四章設(shè)計(jì)了一種基于高速數(shù)字信號(hào)處理器的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)控制器;第五章研究了系統(tǒng)的抗干擾和電磁兼容;第六章對(duì)矢量控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。第二章 矢量控制2.1矢量控制原理常用的矢量控制原理121有轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理、轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理、氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制原理、定子磁場(chǎng)定向矢量控制原理以及電壓定向的矢量控制原理。2.1.1轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制原理對(duì)于一般電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)而言，從轉(zhuǎn)矩到轉(zhuǎn)速近似為一個(gè)積分環(huán)節(jié)，其積分的時(shí)間常數(shù)由電機(jī)和負(fù)載的機(jī)械慣量決定，為不可控量，因此轉(zhuǎn)矩控制性能的好壞直接關(guān)系到一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)

27、的動(dòng)靜態(tài)特性。交流 電 機(jī) 的轉(zhuǎn)矩一般和定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)及其夾角有關(guān)。因此，要想控制轉(zhuǎn)矩，必先檢測(cè)和控制磁通。在磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)中，一般把d一9坐標(biāo)系放在同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)上，把靜止坐標(biāo)系中的各交流量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流量，并使d軸與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向重合，此時(shí)轉(zhuǎn)子磁通4軸分量為零(vi, = 0 )。目前大多數(shù)矢量控制系統(tǒng)都采用此方法。它的優(yōu)點(diǎn)是使系統(tǒng)達(dá)到完全的解禍控制，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)子磁通的檢測(cè)精度受轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)的影響較大，在某種程度上影響了系統(tǒng)的性能。該控制原理的出發(fā)點(diǎn)是，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。在運(yùn)行狀態(tài)突變的動(dòng)態(tài)過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩之所以出現(xiàn)偏差，是因?yàn)殡姍C(jī)中出現(xiàn)了暫態(tài)電流，它阻礙

28、著運(yùn)行狀態(tài)的突變，影響了動(dòng)作的快速性。在控制過程中，保持電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子和氣隙磁場(chǎng)中一個(gè)不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就和穩(wěn)態(tài)時(shí)工作一樣，主要由轉(zhuǎn)差率決定。其基本控制思想是以定子電流的幅值、相位和頻率為控制量，保持電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大小不變，而改變磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，以此控制電機(jī)，可得到無延時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。這種方法可以低速穩(wěn)定運(yùn)行，因而在許多接近零速運(yùn)行的系統(tǒng)中廣泛采用這種方法。但由于矢量控制方程沒有變，系統(tǒng)性能同樣受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。2.1.2轉(zhuǎn)差頻率矢量控制原理該控制原理的出發(fā)點(diǎn)是，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩主要取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率。在運(yùn)行狀態(tài)突變的動(dòng)態(tài)過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩之所以出現(xiàn)偏差，是因?yàn)殡姍C(jī)中出現(xiàn)了暫態(tài)電流，它阻礙著

29、運(yùn)行狀態(tài)的突變，影響了動(dòng)作的快速性。在控制過程中，保持電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子和氣隙磁場(chǎng)中一個(gè)不變，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩就和穩(wěn)態(tài)時(shí)工作一樣，主要由轉(zhuǎn)差率決定。其基本控制思想是以定子電流的幅值、相位和頻率為控制量，保持電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)大小不變，而改變磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，以此控制電機(jī)，可得到無延時(shí)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。這種方法可以低速穩(wěn)定運(yùn)行，因而在許多接近零速運(yùn)行的系統(tǒng)中廣泛采用這種方法。但由于矢量控制方程沒有變，系統(tǒng)性能同樣受到轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響。2.1.3氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制原理將d軸定向于氣隙磁場(chǎng)方向的控制方法即為氣隙磁場(chǎng)定向矢量控制原理。這類系統(tǒng)要比基于轉(zhuǎn)子磁通的控制方式復(fù)雜，但是它卻具有某些狀態(tài)能直接測(cè)量的優(yōu)點(diǎn).例如氣隙

30、磁通。同時(shí)電機(jī)磁通的飽和程度與氣隙磁通一致，故基于氣隙磁通的控制方式更適合于處理飽和效應(yīng)。2.1.4定子磁場(chǎng)定向矢量控制原理這種控制方法是將參考坐標(biāo)的d軸放在定子磁場(chǎng)方向上，此時(shí)，定子磁通的r軸分量為零。通過檢測(cè)電機(jī)端的電壓、電流量計(jì)算出所需磁通，同時(shí)可以降低轉(zhuǎn)子參數(shù)對(duì)檢測(cè)精度的影響，該種控制方法成為近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題。2.3.5電壓定向矢量控制原理上述 磁 場(chǎng) 定向矢量控制的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)達(dá)到了完全的解禍控制，但缺點(diǎn)是系統(tǒng)的控制需要采用旋轉(zhuǎn)矢量變換，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如果使參考坐標(biāo)的d軸和定子電壓矢量的方向重合，則可以得到在過渡過程中也保持磁通恒定的動(dòng)態(tài)控制規(guī)律，即電壓矢量控制。2.2矢量控

31、制方式矢量變換控制.3114)5,l是在電機(jī)統(tǒng)一理論、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和坐標(biāo)變換理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有先進(jìn)性、新穎性和實(shí)用性的特點(diǎn)，矢量控制的思想就是將異步電機(jī)模擬成直流電動(dòng)機(jī)來進(jìn)行控制。通過三相靜止軸系abc.-*兩相靜止軸系a(3-+兩相同步旋轉(zhuǎn)軸系mt兩次坐標(biāo)變換。在mt坐標(biāo)系下面，將定子電流矢量分量分解為按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)直流分量w , ill，并對(duì)其加以控制?？刂?l，相當(dāng)于控制磁通;控制ill相當(dāng)于控制轉(zhuǎn)矩。這樣，便將異步電動(dòng)機(jī)的多變量強(qiáng)禍合的非線性系統(tǒng)進(jìn)行了解禍控制，實(shí)現(xiàn)象直流電動(dòng)機(jī)的控制方式及效果。以上 即 為 矢 量 控制的基本原理和控制方程式。可見在mt坐標(biāo)系中，轉(zhuǎn)子的

32、磁鏈只決定于定子電流勵(lì)磁分量lm ，而電機(jī)的轉(zhuǎn)矩只與轉(zhuǎn)子磁鏈t2，以及定子電流的轉(zhuǎn)矩分量itl有關(guān)。在m軸上的勵(lì)磁分量和t軸上的轉(zhuǎn)矩分量之間已解除了禍合關(guān)系而互相獨(dú)立，因此電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制可以分別通過對(duì)定子電流在m, t軸上的分量獨(dú)立進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)，其情況與直流電動(dòng)機(jī)完全相似。只是由于轉(zhuǎn)子繞組有時(shí)間常數(shù)t2的存在，控制定子勵(lì)磁電流im來改變甲:，存在一定的延時(shí)。但是若控制tm、使磁通保持恒定，則通過控制iti可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)控制，從而使異步電動(dòng)機(jī)具有如同直流電動(dòng)機(jī)那樣的控制特性。本試 驗(yàn) 中 ，我們采取了轉(zhuǎn)速開環(huán)和磁通閉環(huán)，而且?guī)俣葌鞲衅鞯目刂品绞?而無速度傳感器的控制方式則是通過電流與速

33、度建立的模型來估算當(dāng)前的速度，從而實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)。控 制系 統(tǒng) 根據(jù)電流模型進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁鏈的觀測(cè)，通過檢測(cè)定子電流，并經(jīng)三相坐標(biāo)系(abc)到轉(zhuǎn)子磁鏈定向的兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(m t)的變換，得到 在 m t坐標(biāo)系上電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量hi和勵(lì)磁分量lml，根據(jù)電流模型即可得電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈，并經(jīng)過式(2-25)計(jì)算出轉(zhuǎn)差。:，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量和磁通分量通過各自的調(diào)節(jié)器輸出，并通過兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換到兩相靜止坐標(biāo)系，再利用電壓空間矢量法來控制脈寬值，從而控制異步電動(dòng)機(jī)。第三章 dsp和pwm技術(shù)隨著80年代dsp(數(shù)字信號(hào)處理)芯片出現(xiàn)和發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的得到了巨大的提高，許多新系統(tǒng)、

34、新算法應(yīng)運(yùn)而生，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。和早期的dsp芯片相比，現(xiàn)在的dsp芯片在成本、體積、工作電壓、重量和功耗都有了很大程度的下降，而且軟件和硬件開發(fā)工具不斷完善。某些芯片己經(jīng)具有相應(yīng)的集成開發(fā)環(huán)境，它支持?jǐn)帱c(diǎn)的設(shè)置和程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和dma的訪問及程序的單部運(yùn)行和跟蹤等.并且可以采用高級(jí)語言編程，有些廠家甚至提供了通用的函數(shù)庫及各種算法子程序和各種接口程序，這使得應(yīng)用軟件開發(fā)更為方便，開發(fā)時(shí)間大大縮短，提高了產(chǎn)品開發(fā)的效率。目前，dsp芯片己廣泛應(yīng)用于通信、自動(dòng)控制、航天航空、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。3.1 dsp3.1.1 dsp簡(jiǎn)介1978年，ami公司宣布的s2811是世界上第一個(gè)ds

35、p芯片。在這種芯片中，還沒有現(xiàn)在dsp芯片中所必須的單周期乘法器。在后來的二十幾年中，dsp的芯片得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。現(xiàn)在dsp的生產(chǎn)廠家很多，其中最著名的四家:ti(德州儀器)公司、ad(模擬器件)公司、motoro以摩托羅拉)公司、lucent technologies(朗訊技術(shù))公司。在眾 多 的 dsp芯片中，最成功的應(yīng)為美國德州儀器公司的tms320系列產(chǎn)品。ti公司自從1982年推出第一代dsp芯片tms32010后，推出了從tms320cix到tms320c8x多代dsp芯片。ti公司在幾年前還提出了“dsp解決方案”(dsps)的理念，并將公司的戰(zhàn)略重心轉(zhuǎn)向了dsp. ti的

36、系列dsp產(chǎn)品是世界上最有影響的dsp芯片，ti公司的dsp市場(chǎng)份額占50%左右。tm s 32 0lf/lc24oxa系列的dsp芯片是ti公司推出的c2000系列dsp中的一個(gè)子系列，是ti公司針對(duì)數(shù)字電機(jī)控制而設(shè)計(jì)的。lf/lc240xa將高性能的dsp內(nèi)核和豐富的微控制器外設(shè)功能集于單片1c之中。從而為傳統(tǒng)的多微處理器單元(mcu)和昂貴的多片設(shè)計(jì)的理想替代產(chǎn)品。lf/lc240x執(zhí)行速度可以達(dá)到30mips。3.1.2 dsp特點(diǎn)dsp(r)uh u9nw是一種特別適合與進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。以dsp芯片為核心構(gòu)造的數(shù)字信號(hào)處

37、理系統(tǒng)，可集數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和高速實(shí)時(shí)處理為一體，能充分體現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的優(yōu)越性，能很好地滿足各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，dsp芯片正在向高性能、高集成化及低成本的方向發(fā)展，各種各類通用及專用的新型dsp芯片在不斷推出，應(yīng)用技術(shù)和開發(fā)手段在不斷完善。同時(shí)各dsp生產(chǎn)廠家相繼把dsp核(core)的概念應(yīng)用于dsp領(lǐng)域，即dsp生產(chǎn)商把dsp核(一般是dsp的cpu部分)和客戶要求的存儲(chǔ)器(包括cache, ram, rom, flash, eprom等以及固化的用戶軟件)、外設(shè)(包括串行口、并行口、主機(jī)接口、dma、定時(shí)器)和控制邏輯電路組成用戶專用的dsp，從而提高asic的應(yīng)用水準(zhǔn)、增加

38、產(chǎn)品保密性、提高可靠性、降低成本、縮短開發(fā)周期。dsp芯片一般具有以下主要特點(diǎn)：采用哈佛結(jié)構(gòu):將程序指令與數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間分開，各有自己的地址與數(shù)據(jù)總線，這就使得處理指令和數(shù)據(jù)可以并行操作，從而大大提高了處理效率。流水技術(shù)：與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，dsp芯片廣泛采用流水線技術(shù)支持流水線操作使取 指、譯碼、訪問數(shù)據(jù)和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行，從而減少了指令執(zhí)行時(shí)間，增強(qiáng)了處理器的處理能力。. 快 速 的乘累加運(yùn)算：dsp中都設(shè)置了硬件乘法器，乘和累加可以在單個(gè)指令周期 內(nèi) 完 成 ， 使 得 dsp非常適合于數(shù)字信號(hào)處理;. 循 環(huán) 尋址和位倒序技求:為了滿足fft、卷積等數(shù)字信號(hào)處理的特殊要求，當(dāng)前 的

39、d sp 大 多 在 指令系統(tǒng)中設(shè)置了循環(huán)尋址和位倒序指令:. 高 速 數(shù)據(jù)傳輸能力:新型的dsp大多設(shè)置了單獨(dú)的dma總線及其控制器，在不影 響 或 基 本 不 影 響dsp處理速度的情況下，作并行的數(shù)據(jù)傳送，這為dsp之間 的 串 聯(lián) 和 并 聯(lián) 提供了方便;. 良 好 的仿真開發(fā)技術(shù):為了方便用戶的設(shè)計(jì)與調(diào)試，許多dsp在片上設(shè)置了jtag 仿 復(fù)接 口 和 高 級(jí)語言編譯器:當(dāng)然 ， 與 通用地微處理器相比，dsp芯片地其他通用功能相對(duì)較弱些。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)是以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，因此具有數(shù)字信號(hào)處理的全部?jī)?yōu)點(diǎn):1. 接 口 方便。dsp系統(tǒng)與其他以現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)地系統(tǒng)或設(shè)備都是

40、相互兼容 ，系 統(tǒng) 擴(kuò) 展 方 便 快捷。2. 編 程 方便。dsp系統(tǒng)中的可編程dsp芯片可使設(shè)計(jì)人員在開發(fā)過程中靈活方 便 地 對(duì) 軟 件 進(jìn) 行修改和升級(jí)。3. 穩(wěn) 定 性好。dsp系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)，受環(huán)境溫度以及噪聲的影響較小， 可 靠 性 高 ;4. 精 度 高.16位數(shù)字系統(tǒng)可達(dá)到10s的精度;5. 可 重 復(fù)性好。模擬系統(tǒng)的性能受元器件參數(shù)性能變化的影響比較大，而數(shù)字系統(tǒng) 基 本 _l 不 受 影 響，因此數(shù)字系統(tǒng)便于測(cè)試、調(diào)試和大規(guī)模生產(chǎn);6. 集 成 方便。dsp系統(tǒng)中的數(shù)字部件有高度的規(guī)范性，便于大規(guī)模集成。ds p系 統(tǒng) 在通信、語音、圖像、雷達(dá)、工業(yè)控制、儀器儀

41、表、生物醫(yī)學(xué)等許多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。3.1.3電機(jī)控制專用芯片tms 32 0l f2407芯片是texasi nstruments公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器tms320c2xx系家族中的一種，主要特性如下:采用 高 性 能靜態(tài)cmos技術(shù)，使得供電電壓降為3.3v ,減小了控制器的功耗;30m工ps的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns (30 mhz)，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。片內(nèi) 高 達(dá) 32k字的flash程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5k 字的數(shù)據(jù)程序ram,5 44字的雙口ram (daram)和2k字的單口ram (saram)o兩個(gè) 事 件 管理器模塊eva和evb

42、，每個(gè)包括:兩個(gè)16位通用定時(shí)器;8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(pwm)通道。他們能夠?qū)崿F(xiàn):三相反相器控制;pwm的對(duì)稱和非對(duì)稱波形:當(dāng)外部引腳pdpintx出現(xiàn)低電平時(shí)快速關(guān)閉pwm通道;可編程的pwm死區(qū)控制以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖;3個(gè)捕獲單元;片內(nèi)光電編碼器接口電路;16通道ad轉(zhuǎn)換器.事件管理模塊適用于控制交流感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級(jí)電機(jī)和逆變器。可擴(kuò) 展 的 外部存儲(chǔ)器(lf2407)共192k字:64k字程序存儲(chǔ)器;64k數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器;64k字uo尋址空mo看門 狗 定 時(shí)器模塊(wdt)10 位 a/ d轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管

43、理器來觸發(fā)的兩個(gè)通道輸入a/d轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的a/d轉(zhuǎn)換器。控 制器 局 域網(wǎng)絡(luò)(can)2 .0b 模塊串行 通 信 接口(so)16 位 的串 行外設(shè)接口模塊(spi)基 于 鎖 相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器高達(dá) 40 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(gpio)5個(gè) 外 部 中斷(電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷)電源 管 理 模塊包括3種低功耗模式，并且能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式作 為電 機(jī) 數(shù)字控制的專用芯片，tms320lf2407的最大特色在于內(nèi)置了兩個(gè)功能強(qiáng)大的事件管理模塊(event manager)，其完備的功能使得tms320lf2407幾乎可以實(shí)現(xiàn)各種電機(jī)的控

44、制。ev模塊主要由通用定時(shí)器單元、比較單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元組成。一、 通 用 定時(shí)器單元每個(gè) 事 件 管理模塊有兩個(gè)通用定時(shí)器(.p) 。定時(shí)器x( eva,x= 1,2 ;對(duì)evb,x= 3,4)包括:一個(gè) 16 位的定時(shí)器增/減計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器txcnt，可讀寫;一個(gè) 16 位的定時(shí)器比較寄存器(雙緩沖，帶影子寄存器)txcmpr，可讀寫;一個(gè) 16 位的定時(shí)器周期寄存器(雙緩沖，帶影子寄存器)txpr，可讀寫:一個(gè) 16 位的定時(shí)器控制寄存器txcon，可讀寫;可選 擇 內(nèi)部或是外部輸入時(shí)鐘;用于 內(nèi) 部 或外部時(shí)鐘輸入的可編程的預(yù)定標(biāo)器(qrescaler)控制 和 中 斷邏

45、輯用于4個(gè)可屏蔽的中斷一下溢、溢出、定時(shí)器比較和周期中斷;可選 擇 方 向的輸入引腳tdirx(當(dāng)用雙向計(jì)數(shù)式時(shí)用來選擇向上或向下計(jì)數(shù)).二、 比 較 單元事件 管 理 器(eva)模塊中有3個(gè)全比較單元(比較單元1,2 和3),e vb模塊中同樣也有3個(gè)全比較單元(比較單元4, 5和6)。每個(gè)比較單元都有兩個(gè)相關(guān)的pwm輸出。比較單元的時(shí)基由通用定時(shí)器i (eva模塊)和通用定時(shí)器3 (evb模塊)提供。每 個(gè) 模 塊的比較單元包括:3個(gè) 1 6位 的比較寄存器，它們各自帶了一個(gè)可讀/寫的影子存儲(chǔ)器;一個(gè) 可 讀 /寫的比較控制寄存器一個(gè) 16 位的比較方式控制寄存器6個(gè) 比 較 /pwm(

46、三態(tài))輸出引腳控制 和 中 斷邏輯三 、正 交 編碼脈沖電路正交 編 碼 脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率等信息。正交編碼脈沖是兩個(gè)頻率變化且正交(相位相差900)的脈沖。當(dāng)它由電機(jī)軸上的光電編碼器產(chǎn)生時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向可通過檢測(cè)兩個(gè)脈沖序列中的哪一列先到達(dá)來確定，角位置和轉(zhuǎn)速可由脈沖數(shù)和脈沖頻率來確定.3. 2 pwm技術(shù)pwm控制技術(shù)10)67)( 1411 17)(25) 47)69，大致可以分為三類，正弦pwm(包括電壓，電流或磁通的正弦為目標(biāo)的各種pwm方案，多重pwm也應(yīng)歸于此類)，優(yōu)化pwm及隨機(jī)pwm.正弦pwm己為人們所熟知，其旨在改善輸出電壓、電流波形

47、，降低電源系統(tǒng)諧波的多重pwm技術(shù)在大功率變頻器中有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。而優(yōu)化pw 所追求的 則是實(shí)現(xiàn)電流諧波畸變率(thd)最小、電壓利用率最高、效率最優(yōu)及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小以及其它特定優(yōu)化目標(biāo)。隨機(jī)pwm方法的原理是隨機(jī)改變開關(guān)頻率使電機(jī)電磁噪音近似為限帶白噪聲(在線性頻率坐標(biāo)系中，各頻率能量分布是均勻的)，盡管噪音的總 分貝數(shù)未變，但以固定開關(guān)頻率為特征的有色噪音強(qiáng)度大大削弱.正因?yàn)槿绱思词乖趇gbt已被廣泛應(yīng)用的今天，對(duì)于載波頻率必須限制在較低頻率的場(chǎng)合，隨機(jī)pwm仍然有其特殊的價(jià)值(直接轉(zhuǎn)矩控制即為一例)。隨著 新 型 電力電子器件的不斷涌現(xiàn)以及微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，pwm變頻技術(shù)也獲得了飛速發(fā)

48、展，目前主要有三種形式:基于正弦波對(duì)三角波脈寬調(diào)制的spwm控制、基于電流滯環(huán)跟蹤的chpwm控制和電壓空間矢量svpwm控制。一 、pwm 技術(shù)sp w m 法是從電源的角度出發(fā)，著眼于如何生成一個(gè)可以調(diào)壓調(diào)頻的三相正弦波電源。spwm波形的生成有許多方法，例如等效面積法、自然采樣法、規(guī)則采樣法等等。自然采樣spwm法采用正弦波作為調(diào)制波，以等腰三角波作為載波，利用比較法以正弦波和三角波瞬時(shí)值相等的時(shí)刻即兩個(gè)波形交點(diǎn)作為跳變時(shí)刻，獲得經(jīng)調(diào)制的幅值相等、面積按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖信號(hào)。中值規(guī)則采樣法的基本思想是，將三角載波周期的中點(diǎn)(三角波的負(fù)峰值或正峰值)時(shí)刻對(duì)正弦采樣形成階梯波來代替正弦

49、波.自然采樣spwm法雖能確切反映正弦脈寬調(diào)制的原始方法，但其開關(guān)時(shí)刻求取困難，不適合微機(jī)實(shí)時(shí)控制，而中值規(guī)則采樣法偏離自然采樣法較小，脈寬的計(jì)算方法簡(jiǎn)單，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)比較方便，運(yùn)算量小，實(shí)時(shí)性好，是人們常用的一種spwm方法。二 、電 流追蹤型pwm技術(shù)電流 追 蹤 型pwm技術(shù)的基本思想是將一個(gè)正弦波定子電流給定信號(hào)和定子電流實(shí)測(cè)信號(hào)比較，若實(shí)際電流大于給定值，則通過逆變器開關(guān)器件的動(dòng)作使之減少;反之，則使之增加，電流追蹤pwm變頻器由通常的pwm電壓源型變頻器和電流控制環(huán)組成。電流 追 蹤 型的pwm控制根據(jù)電流控制環(huán)(acr)的結(jié)構(gòu)分為兩種方式:電流滯環(huán)跟蹤pwm和電流同步采樣pwm控

50、制。采 用電 流 滯環(huán)追蹤pwm控制，實(shí)際電流與給定電流的偏差值是固定的，但逆變器的開關(guān)頻率是變化的。開關(guān)頻率的大小與滯環(huán)寬度有關(guān)，環(huán)寬越小，電流控制的精度就越高，而開關(guān)頻率也就越大。由于受到功率器件允許開關(guān)頻率的限制，故環(huán)寬不可能選得很小。另外滯環(huán)控制的輸出電流不能太小，因?yàn)楫?dāng)給定電流太小時(shí)，滯環(huán)的調(diào)節(jié)作用將消失。為了克服這些缺點(diǎn)，可以采用電流同步采樣pwm控制，它不是依據(jù)偏差值的大小，而是根據(jù)偏差值符號(hào)，經(jīng)d觸發(fā)器以固定頻率將比較結(jié)果送至驅(qū)動(dòng)電路，故其開關(guān)頻率固定不變.該種控制實(shí)際電流與給定電流的偏差值是變化的，但當(dāng)功率器件具有足夠高的開關(guān)頻率時(shí)，變頻器的實(shí)際輸出電流能夠快速跟隨給定值。電

51、流 追 蹤 pwm技術(shù)的特點(diǎn):硬件簡(jiǎn)單，電流控制響應(yīng)快，可以實(shí)現(xiàn)電壓和磁通的自動(dòng)跟蹤控制:缺點(diǎn)是電流諧波比較大。三 、電 壓空間矢量pwm電壓 空 間 矢量svpmw控制是一種與spw控制不同的新穎的脈寬調(diào)制方法。它不是局限于如何使逆變器輸出按正弦規(guī)律變化的電源，而是將逆變器和電機(jī)看成一個(gè)整體，基于電壓空間矢量概念，用八種基本電壓空間矢量合成期望的電壓空間矢量，建立逆變器功率器件的開關(guān)狀態(tài)和空間矢量，并依據(jù)電機(jī)的定子磁鏈?zhǔn)噶颗c定子電壓之間的關(guān)系，直接達(dá)到控制電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶糠到坪愣?、頂點(diǎn)沿圓形軌跡運(yùn)動(dòng)、平均速度可調(diào)的目的，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)近似恒磁通變壓變頻調(diào)速。第四章 汽車電子調(diào)節(jié)器4.

52、1單片式cm0s汽車電子調(diào)節(jié)器在當(dāng)前汽車電子化程度已成為國際上衡量汽車先進(jìn)水平的重要標(biāo)準(zhǔn)的前提下，各國都竟相發(fā)展這一行業(yè)，不斷應(yīng)用高新技術(shù)，提高汽車電氣化性能，以求獲得更大的市場(chǎng)。正是在這樣的環(huán)境下刺激和推動(dòng)了汽車電子這一行業(yè)不斷向前發(fā)展。 眾所周知，穩(wěn)定性差和壽命短是目前汽車電壓調(diào)節(jié)器的通病，調(diào)節(jié)器的不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出電壓的不穩(wěn)定，從而使整車用電設(shè)備的電源電壓存在很大的波動(dòng)，這對(duì)整車電路的正常工作是不利的，同時(shí)也會(huì)降低用電沒備的壽命。調(diào)節(jié)器的壽命短不僅會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定也是不利的。 將電壓調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)成單片cmos集成電路，從而減小了調(diào)節(jié)器的體積，使其可以和交流發(fā)電機(jī)制

53、作在一起。這樣既提升了調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性，提高了整車供電質(zhì)量，有效延長(zhǎng)了汽車電子設(shè)備的使用壽命，又適應(yīng)了當(dāng)前汽車交流發(fā)電機(jī)體積小而輸出功率大的發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)該設(shè)計(jì)還適應(yīng)了當(dāng)前調(diào)節(jié)器“高性能、多功能、大功率、長(zhǎng)壽命”的追求目標(biāo)。4.1.1 電路原理與結(jié)構(gòu) 汽車電子調(diào)節(jié)器的原理框圖如圖1所示。 當(dāng)汽車啟動(dòng)加入輸入電壓后，基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓提供給內(nèi)部電路使用；誤差放大器接收輸出電壓信號(hào)；過流保護(hù)電路取樣功率管的輸出電流；熱保護(hù)電路檢查電路的溫度；誤差放大、過流安全區(qū)保護(hù)和過熱保護(hù)電路共同送入功率管，當(dāng)其中只要有一種異常現(xiàn)象出現(xiàn)，調(diào)整管將關(guān)斷，起到調(diào)整電壓和保護(hù)作用。4.1.2電路設(shè)計(jì)1 前端基準(zhǔn)源

54、該設(shè)計(jì)的芯片電路中的前端基準(zhǔn)電壓源是為了提供一個(gè)對(duì)電源電壓和溫度而言都很穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓給后續(xù)的差分比較電路，再由差分比較電路將其與取樣自發(fā)電機(jī)輸出的電壓進(jìn)行比較來控制發(fā)電機(jī)的輸出，其電路如圖2所示。圖2中m1，m2，m5組成鏡像電流源，使流過三管的電流相等，均為i；m3，m4組成電壓鉗制電路，使a，b兩點(diǎn)的電壓保持一致。鏡像電流源和電壓鉗制電路一起組成一個(gè)ptat源，用它的正溫度系數(shù)去補(bǔ)償p-n結(jié)的負(fù)溫度系數(shù)，從而得到基本上不隨溫度變化的基準(zhǔn)電壓。2 差分比較電路 差分比較級(jí)電路的功能是將來自前端基準(zhǔn)電壓源的基準(zhǔn)電壓和發(fā)電機(jī)的取樣電壓進(jìn)行比較。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓低于14 v時(shí)，勵(lì)磁電流調(diào)整管正常

55、工作，流過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流迅速上升，發(fā)電機(jī)輸出電壓也迅速升高。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓達(dá)到14 v時(shí)，使差分輸出電壓足以驅(qū)動(dòng)后續(xù)控制電路控制勵(lì)磁電流調(diào)整管柵極接地，將其柵極電流分走，降低了發(fā)電機(jī)動(dòng)子繞組的勵(lì)磁電流，從而降低了發(fā)電機(jī)輸出電壓，達(dá)到電壓調(diào)節(jié)功能。其電路如圖3所示3 發(fā)電機(jī)輸出電壓取樣電路 汽車調(diào)節(jié)器的功能是調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，將其控制在某一值附近。既然要控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓，就需要取樣發(fā)電機(jī)的輸出。電子調(diào)節(jié)器的電壓取樣方式有兩種，即取樣發(fā)電機(jī)的輸出電壓和取樣蓄電池的電壓。在分離器件調(diào)節(jié)器中大多采用雙取樣法，在本設(shè)計(jì)中前端基準(zhǔn)電壓源已提供了一個(gè)精確的比較電壓，所以取樣交流發(fā)電機(jī)輸出

56、電壓即可。取樣電路如圖4所示。圖4中電阻r5，r6和m13組成節(jié)能電路，當(dāng)汽車停止工作時(shí)，這部分電路切斷調(diào)節(jié)器電路與蓄電池的連接，避免了蓄電池電量的流失。4 溫度保護(hù)電路 功率器件處理的是高壓和大電流，高壓和大電流會(huì)引起器件溫度的升高，當(dāng)溫度高到一定程度時(shí)器件會(huì)因過熱而損壞，所以在含有功率器件的集成電路中要設(shè)計(jì)過熱保護(hù)電路對(duì)其進(jìn)行溫度保護(hù)。功率管的溫度保護(hù)電路如圖5所示。由于mos器件的溫度特性較好，其參數(shù)(主要是閾值電壓)隨溫度的變化都很小，所以這部分電路采用pnp管實(shí)現(xiàn)。電路中將q5管的b，c極相連構(gòu)成一個(gè)p-n結(jié)，對(duì)功率管的溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)功率管的溫度達(dá)到極限溫度(此處取150)時(shí)通過該

57、p-n結(jié)電壓控制nmos管m15(此管也是作開關(guān)管使用)導(dǎo)通，分走功率管柵極的輸入電流，使流過功率管的電流降低，從而降低功率管的溫度，達(dá)到對(duì)功率管的過熱保護(hù)作用。5 過流、過壓保護(hù) 調(diào)節(jié)器中功率管的過流、過壓保護(hù)電路如圖6所示。圖6中m17管為勵(lì)磁電流調(diào)整管(即大功率管)，電阻r9和m16組成過流保護(hù)電路，電阻r14穩(wěn)壓管dz2和m16管組成對(duì)功率管的過壓保護(hù)電路，其中m16和m14管一樣也是作開關(guān)管使用。4.1.3 整體電路及仿真1 電路整合 根據(jù)以上對(duì)該調(diào)節(jié)器芯片各部分的設(shè)計(jì)，將它們組合在一起就是要設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)器整體電路，如圖7所示。2 功能驗(yàn)證 模擬驗(yàn)證波形如圖8所示，其中橫坐標(biāo)是發(fā)電機(jī)輸出電壓，縱坐標(biāo)是勵(lì)磁調(diào)節(jié)管基極電壓的變化。圖8(a)為固定溫度下驗(yàn)證波形，圖8(b)為全溫度下驗(yàn)證波形。由圖8可見，當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出端電壓未達(dá)到調(diào)節(jié)電壓時(shí)，調(diào)節(jié)器基極電位接近零電位，此時(shí)調(diào)整管截止。由圖8(b)可得，調(diào)節(jié)器在不同的工作溫度下，調(diào)節(jié)器仍能獲得良好的調(diào)節(jié)性能。3結(jié)語 提出一種單片式cmos汽車電子調(diào)節(jié)器，該芯片主要是通過控制調(diào)整管的導(dǎo)通與截止來調(diào)整發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈中電流的大小，進(jìn)而穩(wěn)定輸出端電壓。用該芯片構(gòu)成的汽車發(fā)電系統(tǒng)具有可靠性高，外圍元件數(shù)目少，成本低，使用方便等特點(diǎn)，對(duì)于打破國外對(duì)汽車電子核心技術(shù)的壟斷