1、2011-2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛项目报告题 目： 基于 TMS320F28035 电动汽车用电机控制器 学校： 重庆大学 组别： 专业组 应用类别： 先进控制类 平台： C2000 题 目： 基于 TMS320F28035 电动汽车电机控制器 摘要：21 世纪，纯电动汽车已经成为了解决燃油车辆带来的能源和环境问题的最有希望的方案之一。而电动汽车电机控制器又是纯电动汽车的核心部分。本设计以 TI 公司的 TMS320F28035 为控制核心，设计了一款用于电动汽车的低压电机控制器，采用先进的弱磁控制算法和效率优化策略，实现了电机在整个运行范围内输出最大转矩和达到
2、较高的效率。Abstract：ELECTRIC vehicles (EV) are seen as a possible step towards the solution of the pollution problem in urban environment. And the motor controller is core of the electric vehicle. Based on TMS320F28035 ,we design a motor controller used in low voltage EV. With the advanced control scheme
3、 ,we can get the maximum torque in the whole speed range and the maximum efficiency.1 引言1.1 系统设计的背景20 世纪 90 年代以来，汽车作为人类最重要的代步和交通工具，在全球范围内得到蓬勃快速发展。其实世界汽车工业总共发展了 100 多年，已经成为世界上许多国家的支柱产业，在人类经济生活和生产中发挥着举足轻重的作用。进入 21 世纪，在今后的 50 年里，全球人口将从 60 亿增加到 100 亿，汽车的数量将从 7 亿增加到 25 亿。如果这些车辆使用内燃机的话，他们所需要的石油将不可估量，它们所排出
4、的尾气将无法处理，它们将对我们的环境造成巨大的伤害。这些问题迫使人们去寻找 21 世纪可持续发展的道路交通工具。另外，由于能源资源日益消耗，迫使人们重新考虑未来汽车的动力来源，世界各国都竞相积极地研制新能源汽车，从而来替代燃料汽车。由于新能源汽车清洁无污染，能源形式多样并且能量比重高，结构简单而且维护方便，是 21 世纪最有发展潜力的汽车。近二十多年来，西方工业发达国家政府把电动汽车的研究开发看作解决环境问题和能源问题的一种有效手段，在经济上给予大力支持。美国政府至今已出资数百亿美元支持汽车厂商和相关厂商进行电动汽车技术的开发研究。美国三大汽车公司 1991 年联合成立了美国先进电池联合体，投
5、入了 4.5 亿美元，其中政府拨款 2.25 亿美元，共同开发镍镉、镍氢、锌空气电池、燃科电池等各种高性能蓄电池。日、法、德等国各大公司也投入巨资研究开发高性能电池。在电动汽车整车研究开发方面，至 90 年代末期，国外大汽车公司已开发生产了 100多种型号的纯电动汽车、燃料电动汽车和混合动力汽车(表 1)。其中，已有 10多种纯电动汽车车型投入商业化生产；近年来，燃料电池电动汽车成为新的开发热点，美国计划到 2010 年市场上燃料电池汽车占市场 4%份额，达到 60 万辆，日本政府发布燃料电池汽车发展计划-2010 年 5 万辆，2020 年 500 万辆；在纯电动汽车和燃料电池汽车因技术和成
6、本问题尚未进入批量生产情况下，为了尽快降低燃油汽车的排放，美日等国正在广泛研制混合动力汽车，目前已经开始小批量商业化生产。近些年来，国外著名的汽车厂商都在研制各类电动汽车，并取得了一定的成就。如日本的丰田公司在 1997 年 12 月推出了世界上第一款批量生产的混合动力轿车 PRIUS，并在 2000 年后开始出口北美、欧洲。我国从“九五”期间就有计划地开展了电动汽车关键技术的攻关和整车研制工作，“十五”，“十一五”期间，我国已将电动汽车列入“863”重大科技攻关项目。国家科委、计委在“八五“、“九五“期间组织了纯电动汽车的攻关，现在又将纯电动汽车列入“十五“国家863计划电动汽车重大专项。国
7、内大型汽车企业、高等院校、研究单位对纯电动汽车的研究也热情高涨，通过多轮试制，力争在“十五“结束时实现电动汽车的产业化。“十五“目标是：解决关键技术，完成可实用的电动汽车的开发，并实现产业化。主要研究内容：电动汽车的总体设计；先进的电池技术；电动机及控制驱动系统；整车监控与管理系统、使用环境与配套技术等。 电动汽车是新能源汽车中的一种，采用电力进行驱动，具有无排放、噪音低、能量转换效率高等特点，是当前研究讨论的热点。但是目前电动汽车还不如内燃机汽车技术完善，主要原因是车载电池成本过高，寿命过短。而且单节电池的储能容量很低，需要装载多节电池，占据车身总重量，并且一次充电后续驶里程也不理想。于是各
8、种原因造成了电动汽车的成本一直居高不下。电池租赁的营销策略的提出，可能打破这一瓶颈，而且从发展长远的角度看，随着科技的不断进步，电动汽车现在存在的问题将会逐步得到解决，价格和使用成本也会随着技术的成熟、电动汽车的普及和大批量生产逐步降低，价廉物美的电动汽车前景令人瞩目同时异步电机由于其体积小、结构简单、坚固可靠、成本低、易于维护等优点，被越来越多的厂商用做电动汽车的驱动电机。但是相对于国外，国内对于电动汽车电机驱动控制器的研究还比较落后，很多国内电动汽车厂商都依靠从国外进口电动汽车电机控制器来组装电动汽车，而自身的研发能力不强。因此对电动汽车电机控制器的研究显得非常重要。1.2 系统设计的目的
9、目前，电动汽车感应电机及驱动控制器通常采用两种控制方法：转子磁场定向矢量控制和直接转矩控制。转子磁场定向适量控制具有类似直流电机的转矩控制特性，得到了广泛的应用。当前多数电动汽车控制器采用大电压加 IGBT来驱动电机，在带来大转矩的同时，也带来了安全隐患。一旦发生漏电，对人体的伤害将是致命的。本系统设计的目的是：采用额定电压为 48V 的低压电机作为电动轿车的驱动电机，以 TI 公司生产的 DSP 芯片 TMS320F28035 作为核心控制芯片，设计一款用于纯电动汽车的控制器及转子磁场定向矢量控制系统。并对整个控制算法进行优化改进，在提高电动汽车安全性的同时实现电动汽车在运行过程中能提供尽可
10、能大的转矩和达到比较高的效率。1.3 系统设计需要解决的问题本系统设计学要解决的问题： 以 TI 公司生产的 DSP 芯片 TMS320F28035 芯片作为控制核心，大电流MOSFET 作为功率器件，完成本系统电动汽车电机控制器硬件部分的设计 完成电动汽车电机控制器控制算法的编写，实现电动汽车控制器要求的功能，包括在电动汽车运行过程中实现大转矩输出，高效率以及各种保护功能。 对本系统设计进行试验台实验和实车路试实验。2 系统方案 本系统总体方案为：本系统设计的主要功能有：电子加速，刹车，档位功能，过流保护，欠压保护，过热保护，限流运行，限温运行，CAN 通行功能和能量回馈功能。系统设计的整体
11、设计思路如图 1 所示：图 1 系统设计整体思路2.1 系统设计电压等级的选择目前电动汽车电压等级有：48V，72V，300V 等，当前多数电动汽车控制器采用大电压加 IGBT 来驱动电机，在带来大转矩的同时，也带来了安全隐患。一旦发生漏电，对人体的伤害将是致命的。同时采用高电压对整个电动汽车的绝缘性能要求非常高，因此成本将大大增加。从安全角度出发，因此本系统设计选择低压 48V 作为驱动电压。本系统设计采用 16 节 3.3V 的磷酸铁锂电池串联来作为电动汽车的驱动电压。图 2 为实际驱动电压实物图;图 2 48V 电池实物图2.2 系统设计主驱电机的选择电动机是电机驱动系统的核心，其性能、
12、效率、重量直接影响电动汽车的性能。目前电动汽车使用的电机主要有直流电动机，感应电动机，永磁无刷电动机和开关磁阻电动机,对各种电机特点简要介绍如下： 直流电动机有刷直流电动机具有调速性能好、控制简单、技术成熟等优点，在早期开发的电动汽车上大量采用直流电动机进行驱动。有刷直流电动机的缺点存在电刷和机械换向器，不但限制了电机过载能力与速度的进一步提高，而且寿命低、维护成本高；另外，由于损耗存在于转子上，使得散热困难，限制了电机转矩质量比的进一步提高。因此，在新研制的电动汽车上已基本不采用有刷直流电动机。 永磁无刷电动机永磁无刷直流电动机是一种具有直流电动机的调速特性的高性能电动机。它的主要优点是没有
13、电刷及相关机械结构，没有换向火花，寿命长，运行可靠，维护简便。但是永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，功率范围较小；而且永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机；永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。 开关磁阻电动机开关磁阻电动机是一种新型电动机，可控参数多，调速性能好、控制方便、结构简单、成本低、运转效率高、易于在很宽转速范围内实现高效节能控制。但是由于其磁极端部的严重磁饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使开关磁阻电机设计和控制
14、非常困难和精细，而且开关磁阻电机经常引起噪声问题。因为受到国内电机发展水平和电机价格的限制，目前国内将开关磁阻电机应用到电动汽车上的比较少。 感应电动机感应电动机是应用得最广泛的电动机。感应电机有绕线式和鼠笼式两种类型，鼠笼式感应电机在电动汽车上的应用最为广泛。感应电机没有滑环、换向器等部件，结构简单，运行可靠，经久耐用。转速可达到 1200015000r/min。可采用空气冷却或液体冷却方式。对环境的适应性好，并能够实现再生反馈制动。与同样功率的直流电动机相比较，效率较高，质量减轻一半左右，价格便宜，维修方便。感应电动机的低成本、高可靠性及免维护等特性使其在电动汽车上得到了广泛的应用。三相感
15、应电动机的缺点是：矢量控制算法复杂，对处理器运算速度要求较高，造成控制系统的成本较高。表 1 为目前使用的各种电动汽车用电动机的比较，其性能以 0-5 分来评比。直流电机感应电机永磁无刷电机开关磁阻电机功率密度 2.5 3.5 5 3.5效率 2.5 3.5 5 3.5可控性 5 4 5 3可靠性 3 5 4 5成熟性 5 5 4 4成本 4 5 3 4功率范围 4 5 4 4总评 26 31 29 27表 1 各种电动汽车用电动机性能的比较 45通过上述分析可知：异步电动机具有体积小、结构简单、坚固可靠、成本低、易于维护等优点，并且随着变频调速技术的发展，让异步电动机的控制方法越来越完善，使
16、异步电机有着优异的启动和调速性能，高效率、高功率因数和节能，有着广泛的应用范围。本课题选用低压大电流鼠笼式异步电机作为电动汽车电机驱动。采用电机的主要参数为：额定电压 48V 的 4 极鼠笼式异步电机，额定频率100HZ,最高转速 6000rpm，启动转矩 85N.M，额定功率 5KW,峰值功率 20KW,最大电流 500A，额定线电流有效值 133A。图 3 为实际电机实物图:图 3 48V 电机实物图2.3 系统设计主控芯片的选择本系统设计采用 TI 公司的 DSP 芯片 TMS320F28035 作为电动汽车异步电机的电机控制器的主控芯片。该芯片速该芯片是 TI 公司专门为电机驱动开发设
17、计的一款 DSP 芯片其速度快，成本低，完全能满足系统要求，该芯片具有以下一些特点：.高性能 32 位 CPU，1616 位和 3232 位 MAC 操作，1616 位双通道MAC（乘累加运算），采用哈佛总线结构 ,快速的中断响应和处理 ,统一的存储模式 用 C/C+和汇编语言，代码效率高。 .装置和系统低消耗，单独的 3.3V 供电 ，没有上电顺序要求，先进的仿真性能， 分析和断点功能，可通过硬件实时调试,增强性的控制模块 ，增强的PWM 模块，HRPWM，增强性的脉冲编码模块 ，ADC 转换模块 2.4 系统设计主控制策略的选取2.41 异步电机矢量控制策略矢量控制理论是从异步电机内部的机
18、电能量转换、电机统一理论和空间矢量理论基础上发展起来的，理论基础严谨。矢量控制技术完全模仿对直流电机的控制技术，用矢量变换的方式，把异步电机定子电流解耦成互相独立的产生激磁的分量和产生转矩的分量，分别控制着两个分量就可以实现对异步电机的转矩控制和磁链控制的解耦，从而实现理想的动态性能。在理想的情况下矢量控制的异步电机传动类似于他励直流电动机传动。在直流电机中，若忽略电枢效应和磁场饱和，则输出转矩可被表示为：(式 2-1)fatIkTe式中 Ia为电枢电流，I f是励磁电流。直流电机的构造决定了励磁电流 If产生的磁链 与电枢电流 Ia是垂直的，当控制电流 Ia以控制转矩时，磁链 不受影f f响
19、。异步电机是多变量，非线性，强耦合系统，控制起来远比直流电机复杂。异步电机矢量控制示意图如图 4图 4 异步电机矢量控制示意图将异步电机放在同步旋转坐标系（d-q）上进行控制，如果将 Ids 定向在转子磁链 的方向且与 Iqs垂直，则稳态时正弦量就变成了直流量，这样异步电机就r具有了直流电机的特性，可获得类似直流电机的特性。此时异步电机的转矩可表示为：（式 2-qsdeIkT2）其中 为同步旋转坐标系按转子磁场定向后 d 轴电流， 为同步旋转坐标系*dsI *qsI按转子磁场定向后 q 轴电流，这意味着当控制 时，只会影响实际的转矩电流*qsIIqs,而不会影响磁链 ，当控制电流 时，只会影响
20、磁链 ，而不会影响电流r*dsIr的转矩分量。图 5 动汽车异步电机矢量控制原理系统框图2.42 空间矢量 SVPWM 调制技术目前 PWM 开关信号的获得最常见的有正弦脉宽调制 (SPWM)和空间矢量脉宽调制(SVPWM)。其中，SVPWM 是将逆变器和电动机看成一个整体，建立逆变器开关模式和电机电压空间矢量的内在联系，通过控制逆变器的开关模式，使电机的定子电压空间矢量沿圆形轨迹运动，从而明显降低转矩脉动，与传统的 SPWM 相比，其开关器件的开关次数可以减少 1/3，直流电压的利用率可提高 15%，能获得较好的谐波抑制效果，且易于实现数字化控制。2.43 高速时电机的弱磁控制当电机要求运行
21、在基速以上时，由于直流母线电压的限制和反电动势的影响，就需要转子磁场随着转速的上升而下降，即所谓的弱磁运行。电动汽车对电机驱动系统的弱磁运行性能有较高要求，有限的供电电压无法提供电机转速升高所需的不断升高的转子反电势，因此需要选择适当的弱磁方法在满足电机及逆变器的电压和电流限制条件下得到尽可能大的电机转矩输出，功率输出及良好的系统动静态特性。在电动汽车中，电机逆变器的母线电压易受电机运行工矿和电池特性的影响而产生一定范围的电压波动,为了能在全速度范围内保持电机转矩可控性，特别是在高速弱磁区，需要留一定的电压余量以保证电机定子电流转矩及励磁分量的动静态性能 。目前最为常见的异步电机高速弱磁方法是
22、假定母线电压不变的前提下按照磁链与速度成反比的关系进行的高速弱磁控制在以转子磁场定向矢量控制下有以下公式： （式 2-3）（式 2-4）高速时电阻压降可以忽略，从以上两式可得： （式 2-5）采用转子磁场定向后： （式 2-6）电机高速运行时， 则： （式 2-7）从式 3-9 可以看出采用磁链与速度成反比的弱磁控制时，只有在空载时才能保证 U 恒定不变，U 随电机负载增加而增加，另外逆变器母线电压是波动的这给电机弱磁控制增加了难度。通过以上分析可以看出，传统弱磁方法并不能在整个电动汽车运行过程中产生最大的转矩，因此本文采用先进的弱磁控制算法，其控制框图如图 6 所示：SdSqsqILIRUq
23、dd12SdqSsILUSdSdMrIsr12SqrI图 6 本系统设计采用的弱磁控制原理框图同过判断 d 轴和 q 轴电压来判断系统是否进入弱磁区，在进入弱磁区后，通过 PI 调节器来自动调节励磁电流和转矩电流的分配。（1）在恒转矩区域，电机运行在基速以下，在这个区域电机所需电压矢量的幅值没有超过 ，电机运行只受电流限制圆的限制，有能力保证 ，maxsu sdi达到其额定值，产生最大转矩。整个恒转矩区域电机电流分配如方程sqi（3.21）所示：（2-8）2max2maxli sdrtessdrefstsqdrte iIiI（2）恒功率区，弱磁区 1（ ），随着转速的增加，电机所1sbs需要的电压矢量越来越大，当 时，电机运行所需要的电压矢量幅值与aseds相等。如果转速在增加，电机运行所需要的电压矢量幅值将大于 ，调maxsu maxsu节器 PI(e)将调整电机所需的电压矢量幅值使其不超过最大电压 。PI(e)调节as器将自动减小励磁电流 从而保证电机若需电压不超过最大电压限制，这将导sdi致 减小， 减小。同时在该区域转矩电流 将增加， 将增加这也意味着sdisqusqisdu
