設(shè)計和發(fā)展一種基于雙處理器的電動機矢量中英文對照翻譯全文

1、    設(shè)計和發(fā)展一種基于雙處理器的電動機矢量中英文對照翻譯全文      設(shè)計和發(fā)展一種基于雙處理器的電動機矢量控制系統(tǒng)應(yīng)用于電動車輛中  羅文·羅伯茨和丹·佛斯曼  摘要:在電動車輛(EV)中,電動機調(diào)速的矢量控制方法被設(shè)計和發(fā)展。 以雙處理器為基礎(chǔ)(單片機80C196KC和數(shù)字信號處理器TMS320F2407) 的硬件系統(tǒng)被實現(xiàn)。在矢量控制的旋轉(zhuǎn)坐標系( M- T 坐標系)中，電機基本的數(shù)學(xué)公式被坐標轉(zhuǎn)換實現(xiàn)。進而推論轉(zhuǎn)子電流推導(dǎo)公式和轉(zhuǎn)矩公式。按照這些等式，

2、分別設(shè)計電機數(shù)學(xué)模型和轉(zhuǎn)子模型。由于這些模型，轉(zhuǎn)子電流導(dǎo)出的矢量變換控制方法在系統(tǒng)軟件中實現(xiàn),此外一些Matab/Simulink仿真被給出。仿真結(jié)果顯示電機矢量控制系統(tǒng)有比較好的靜態(tài)和動態(tài)的效果，而且轉(zhuǎn)子電流導(dǎo)出的矢量變換控制方法被實際驗證。  從1980年以來，由于節(jié)省能源和保護環(huán)境，電動車輛(EV)已經(jīng)成為世界關(guān)注的焦點。電動機控制系統(tǒng)是電動車輛的核心。電動車輛的電動機通常需要經(jīng)常發(fā)生的啟動/停止，經(jīng)常需要加速/減速,攀山時高的轉(zhuǎn)矩低的速度，在一般時低的轉(zhuǎn)力矩高速度，進而需要非常寬的速度操作的范圍。他們單獨成為一個體系。交流電機調(diào)速已經(jīng)成為調(diào)速控制系統(tǒng)的主流并且廣泛地被為電動車

3、輛接受。因為它高功率、高穩(wěn)定性、低的價格、高的效率和在各種不同的電動機調(diào)速之中是較成熟的技術(shù)。我們已經(jīng)了解轉(zhuǎn)矩的去藕控制和轉(zhuǎn)子電流, 所以矢量控制是一個普遍使用的方法。我們試著去設(shè)計一種矢量控制方法，使其應(yīng)用于雙處理器（單片機80C196KC和數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320F2407的電機系統(tǒng)。 1.系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)  控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：                 主要由所組成電源、三相鼠籠電機、變頻器、控制器及輔助系統(tǒng)。為三相四極 30kW 3600

4、r/min水冷卻電機特別地設(shè)計，用312V電源供電。三相PWM逆變器被設(shè)計了驅(qū)動，而且有低的諧波分量。雙處理器（單片機80C196KC和數(shù)字信號處理器TMS320F2407能完成所有電動機控制。輔助系統(tǒng)主要地包括冷卻系統(tǒng)和指示系統(tǒng)。 2.系統(tǒng)的硬件  2.1 主要線路  控制系統(tǒng)的主要線路如圖2所示，它采用一種普遍的三相電壓型變頻器,它主要功率模塊是IPM(智能模塊)。IPM由高速度、低的能源耗的IGBT，簡易的基極驅(qū)動和保護線路組成，IPM能完成過壓、短路、缺相和溫度的檢測、保護。在電機的矢量控制中，SKIIP PACK的IPM變頻器402GD0612358CTVU采用了

5、三個電流傳感器去采樣定子三相電流信號，以完成電機的矢量控制。          2.2 系統(tǒng)的微處理器控制器  控制系統(tǒng)采用雙處理器（單片機80C196KC和數(shù)字信號處理器TMS320F2407）。矢量控制中，數(shù)字信號處理器TMS320F2407能高速計算，可以完成應(yīng)用于電動車輛矢量控制的復(fù)雜的控制算法的計算。如果只有數(shù)字信號處理器TMS320F2407參加計算和控制,它的控制周期將會延長，而且它是很難完成電動機的高速實時控制的。因此,附加一個單片機80C196KC，他完成主要控制系統(tǒng)的控制。數(shù)字信號處理器TMS320F2407作為電

6、機矢量控制使用。  美國被德克薩斯公司，專門研制了新型數(shù)字信號處理器TMS320F2407，它是電機控制的專用芯片。數(shù)字信號處理器TMS320F2407是結(jié)合了微控制器外圍設(shè)備，它是建立在20 M IPS數(shù)子信號處理器上的一枚單一芯片,包括了脈沖寬度(PWM)調(diào)制器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和儲存器，提供數(shù)字驅(qū)動和電機控制算法。它還有四個捕獲模塊和十二個PWM輸出口，三個定時器可以被用作產(chǎn)生輸出信號，這三個定時器可以獨立工作，也可以同時或延時工作。每個定時器有六種不同的模式，支持對稱或不對稱模式。三對PWM口可以完成空間矢量調(diào)制，還要去驅(qū)動三相變頻器。在應(yīng)用于電動車輛的電動機矢量控制中，

7、數(shù)字信號處理器TM S320F2407主要完成坐標轉(zhuǎn)換、電流環(huán)、速度環(huán)和轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。通過輸出的PWM信號，最終控制開關(guān)器件IGBT的通斷。單片機80C196KC包括的資源(處理器， ROM或EPROM，隨機存取儲存器RAM，定時器，中斷源，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器和輸入/輸出口)構(gòu)成一個單一芯片，它擁有一定的先進的硬件和簡明的軟件。單片機80C196KC實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和主電路、數(shù)字信號處理器TMS320F2407和輔助系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)采集主要地包括驅(qū)動信號(例如P部件，R制動，N空轉(zhuǎn)，D驅(qū)動， S啟動，E緊急停車，加速，停車等)。各種傳感器采集系統(tǒng)的狀態(tài)信號和反饋信號(例如冷卻的溫度,過流, 直

8、流線電壓,IGBT溫度和高溫度)。單片機80C196KC的輸出信號控制主要的接觸器，或者通電，斷電，熱泵和制冷風(fēng)扇。  在單片機80C196KC和數(shù)字信號處理器TMS320F2407之間有一個數(shù)據(jù)交換的雙重的隨機存取儲存器,使得系統(tǒng)高效率而且沒有障礙。在微計算機80C196KC和個人計算機之間采用Max232實現(xiàn)數(shù)據(jù)溝通。 3.系統(tǒng)的軟件  控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)以算法設(shè)計為基礎(chǔ)。它主要包括主程序算法和矢量算術(shù)控制中斷算法。單片機80C196KC運行主程序，并運行管理主要的工作。數(shù)字信號處理器TMS320F2407用來實現(xiàn)中斷程序，并控制電機。 4.矢量控制  4.1

9、 電機的基本原理  盡管電機有非常簡單的結(jié)構(gòu),由于大量的變量和非線性雙重的因素，它的數(shù)學(xué)的模型很復(fù)雜。如圖3所示，靜止的坐標系(a, b, c)是三相系統(tǒng)坐標系，可以被轉(zhuǎn)換成靜止的坐標系（, ），假定此時參數(shù)和在同一方向。如果參數(shù)M和r有聯(lián)系，靜止的坐標系（, ）能被轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)坐標系（M，T）。同步旋轉(zhuǎn)坐標系（M，T）表示了著名的三相鼠籠電動機的數(shù)學(xué)電壓模型，公式如下：      (1)        如圖3所示：定子電壓空間矢量被分解成iM（電流分量）和iT（磁通分量，Im和iT分別與M和T有聯(lián)系，iM

10、和iT分別與M和T有聯(lián)系。  因為參數(shù)M是同步旋轉(zhuǎn)的，又和定子電流分量iM是相互聯(lián)系，電機的流量方程如下所示：             (2)  在等式(1)(2)中, Rs是每相定子阻抗，Rr是每相轉(zhuǎn)子阻抗，Ls是每相定子電感，Lr是轉(zhuǎn)子電感，Lm是互感，p是轉(zhuǎn)差率, um和ut分別是M和T定子電壓,im和it分別是M和T橋轉(zhuǎn)子電流，iM和iT分別是M和T定子電流，s是同步頻率,r是轉(zhuǎn)子頻率,s1=s-r是轉(zhuǎn)差率，M是定子參數(shù)M方向的磁通，T是定子參數(shù)T方向的磁通

11、，m是轉(zhuǎn)子參數(shù)M方向的磁通。  從等式：(1)(2), 我們能推出轉(zhuǎn)子電磁通和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩公式：                              (3)             

12、60;                 (4)  Tr是轉(zhuǎn)子時間常數(shù),P是極對數(shù)。  從等式：(3)(4),我們能得到下式：                         (5) 

13、0;我們能看見出Te依賴定子電流。  4.2 控制策略  轉(zhuǎn)子的控制(RFOC)叫做矢量控制，能用達到動態(tài)高效率的控制，我們采用RFOC矢量控制控制電機轉(zhuǎn)矩。通過等式(5)知，通常維持iM的一定的幅值，在Te和iT之間有一個線性關(guān)系，我們可以通過控制iT來控制Te，這使得控制非常精確（有穩(wěn)定的動態(tài)和暫態(tài)特性）。  矢量控制與角度變換有關(guān)系，使得交流電機可以和直流電機相似，其中iM系相似于直流電機中的勵磁電流，iT相當于電樞電流。結(jié)果，一個相對地簡單的實用的控制非常相似于一個特殊存在的直流電動機。數(shù)字信號處理器 TMS320F2407的作用是把定子變量（電流和角度）

14、轉(zhuǎn)變成一個流量模型，把定子變量與參考值作比較, 更新PI電流控制，把轉(zhuǎn)子速度與速度設(shè)定值作比較，更新PI速度控制。最后，電壓輸出將把PWM信號傳給電動機的智能模塊。數(shù)字信號處理器硬件產(chǎn)生的PWM信號。  這些運算法則很復(fù)雜，因此需要一個快速的處理器。控制系統(tǒng)的軟件指令能被數(shù)字信號處理器TMS320F2407短周期次的一個計算解決。在RFOC控制中達到最好的動態(tài)特性和比較少的諧波，電流觀測是非常重要的。從等式：(2)(3)知, 電流的精確值是很難被檢測的，尤其在低速區(qū)域內(nèi)，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動。為了這個原因，我們采用了一個閉環(huán)電流傳感器，提供了一個在兩個非常合乎需要的開環(huán)電流傳感器模型，（低頻時的電流模型和高頻時的電壓模型）之間的自動轉(zhuǎn)換。 因此電機的參數(shù)變化的問題被解決了。  電機轉(zhuǎn)力矩特性曲線如圖4所示。圖5展示了加速角和轉(zhuǎn)矩的線性關(guān)系。轉(zhuǎn)矩 信號T1和T2分別相對于x和y被輸出。圖4畫出了相對特性曲線，從車輛的啟動、加速，爬坡到穩(wěn)態(tài),電流分量和轉(zhuǎn)矩分量被控制完成轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)矩曲線也滿足電動車輛的能量特性。       5.結(jié)論  以雙處理器為基礎(chǔ)