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电动汽车交流感应电机驱动系统的研究

时间:2017/8/11 14:21:00   来源:本网   添加人:admin

  现代电动汽车是汽车、电力拖动、功率电子、智能控制、化学能源、计算机、新材料工程技术最新成果的集成产物。它清洁无污染,能量效率高,能源多样化,结构简单,维护方便,是21世纪的重要新型绿色环保交通工具。电动汽车已引起世界各有关部门的广泛关注,汽车制造商正在积极研究其广泛应用的可能性。其中电动汽车电机驱动系统是其研究的关键技术之一。电动汽车电机驱动系统是一种转矩控制系统,即车辆在行驶过程中,驾驶员是通过控制电动机的转矩来实现汽车的起步、加速、减速等一系列的操作,所以快速、准确、可靠地控制驱动电机的转矩,在电动汽车研制中是至关重要的。

  1电动汽车电机驱动控制系统的发展目前,中国电动车辆以直流电机驱动为主。虽然直流电机易于控制,但是由于采用机械换向结构,限制了电机的过载能力与速度的进一步提高,其最高转速大概在6000-8000r/min之间,只是三相感应电机最高转速的一半甚至更低。机械换向结构需要收稿曰期:2006-04-21业博士生,研究方向为新型传动技术。定期维护,维护困难,并要产生火花,尤其是对无线电的干扰,这对高度智能化的未来电动汽车是致命的弱点。另外,直流电机及其驱动系统体积大,制造成本高,速度范围有限,质量重,能量密度较低。所有这些因素都限制和妨碍了直流电机在电动汽车中的进一步应用。交流电机驱动系统与直流电机系统相比,它具有以下优点:1)交流驱动系统的批量生产价格将与直流系统相当;2)交流电机的可靠性约为直流电机的6倍;3)整个交流驱动系统的可靠性约为直流驱动系统的2倍;4)直流斩波调速系统的维护保养费用约为交流系统的2.5倍。因此交流电机驱动系统必将成为21世纪电动汽车驱动系统的主流。

  2交流感应电机驱动系统2.1系统结构控制系统结构图父流感应电机驱动系统主要由动力电池组、三相功率逆变器、三相交流异步电机、电机控制器、辅助系统组成,如所示。动力电池一般选择铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池等。三相功率逆变器一般采用绝缘栅极晶体管IGBT以及驱动、自检测、自保护功能融合在一起的智能功率模块IPM.三相交流异步电机一般采用结构简单、维修方便的笼型电机。

  2.2控制器自嵌入式DSP进入电机控制领域,1990年代以来,DSP在交流驱动系统中开始使用。由于交流感应电机的数学模型是非线性强耦和的,因而其控制较为复杂。通过单一普通的单片机难以实现较好的实时性和快速性控制效果。美国IT公司1997年推出的高性能16位数字信号处理器TMS320C240具有较强的运算能力和快速实时处理能力,特别适合于三相交流感应电动机的高性能控制,而且充分考虑了优化电机控制所需的硬件结构。数字信号处理器(DSPTMS320C240是一种高速专用微处理器,运算功能强大,能实现高速输入和高速数据传输。TMS320C240主要包括算术逻辑单元ALU,寄存器集,辅助算术逻辑单元RALU,乘法器,乘法移位器,累加器,加法移位器,时钟锁相环电路,事件管理器(3个16位定时器,9个比较单元,12路PWM输出,2路与光电编码器接口的编码单元),双10位A/D转换器,串行口,WATCHDOG等。TMS320C240内部有两路16通道的10位高速A/D转换器,两路可同时进行转换,每次转换时间最短为6.6ys,矢量控制系统中,通过快速采集感应电机定子三相(或两相)电流,由CPU进行坐标变换及矢量变换的运算后得到电流反馈值,实现对定子电流的幅值和矢量角的相位控制,因此可较好地提高调速的动态性能。同时,由于TMS320C240具有快速数据处理能力和运算能力,使得较复杂的控制算法编程更加方便,大大简化了硬件电路。DSP的控制原理如所示。

  3矢量控制方法矢量变换控制是一种影响广泛的交流电机变频调速控制策略,能够实现对交流电动机的电磁转矩进行有效控制。1971年德国学者F.Blashke提出交流电机的磁场定向即矢量变换控制的原理,矢量变换控制以异步感应电机的双轴理论为依据,在同步旋转坐标系中把定子电流矢量分解为两个分量,一个分量与转子磁链重合,称为励磁电流分量;另一个分量与转子磁链矢量垂直,称为转矩电流分量。通过控制定子电流矢量在旋转坐标系中的位置及大小,即可控制励磁电流分量和转矩电流分量的位置及幅值的大小,实现对磁场和转矩的解耦控制。以异步电动机为例由其转矩方程式:可知定子电流矢量在转子磁链垂直方向上的分量SlnZ与转子磁链相互作用产生电磁转矩,定义转矩电流分量lTi=SlnZ2;沿方向的分量CsZ%产生转子磁链,定义励磁电流分量lMi=COsZ2,如所示。

  定子电流——1信号处理系统保护中断驱动保护中断AD转换中断功率器件同步旋转坐标系定时器中断中断处理DSP系统控制功能结构图选择同步旋转坐标系M-T,横坐标轴M与转子磁链矢量重合。控制定子电流矢量在旋转坐标系中的位置及大小,从而控制它的两个分量ln、lMl的大小,进而控制异步电动机的磁通和转矩,实现对磁通和转矩控制的解耦。

  如所示为矢量变换控制原理框图。定子电流的转矩分量给定值iT1和励磁分量的给定值1都是旋转坐标系中给出的,iT1是速度调节器(ASR)的输出,1与转子磁链给定成比例,可直接给出。励磁电流和转矩电流的调节也是在同步旋转坐标系中进行的。两个电流调节器(ACR1,ACR2)的输出即为定子电压矢量给定值在同步旋转坐标系中的两个分量,uT1,uM1,uT1,uM1经旋转坐标系向静止坐标系变换,再经二相、三相变换得到定子电压的三相瞬时给定值u:,ub,u,此为变频器的输入信号。电流反馈信矢量变换控制原理图号在静止坐标系中得到,经三相/二相变换,再经静止坐标系向旋转坐标系变换,得到两个电流分量的反馈量1M11T1,进而控制感应电机的磁通和转矩,满足电动汽车的动力特性。

  4结束语交流感应电动机由于结构坚固、体积小,可通过优化控制策略获得较高的系统效率,所以电动汽车越来越多地采用交流感应电机驱动系统。国外对这种驱动系统的研究已取得了一定成果,我国在这方面的研究才刚刚起步。随着功率电子技术和微处理器技术的发展,交流驱动发展趋势为数字化、模块化、智能化。