电动汽车矢量控制交流变频调速系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电动汽车矢量控制交流变频调速系统，包括ＤＳＰ控制器、反旋转变换模块、两相交流／三相交流变换模块、ＰＷＭ变换器、三相交流感应电机、磁链观测器、电池组，控制系统采用速度、磁链闭环控制，磁通观测器采用电流结构，即由三相定子电流和电机转速求得转子磁通的大小和相位，实现磁场定向，由于异步电动机是一个多变量相互耦合的非线性环节，通过磁场定向可以将其解耦和线性化，从而进行系统校正以获得良好的动态性能，通过对直接转矩控制技术、矢量控制技术的对比综合性研究，解决了电动汽车驱动系统变频调速的关键性技术问题，为电动汽车的驱动系统增加一种更有效的新技术。

【技术实现步骤摘要】
电动汽车矢量控制交流变频调速系统的制作方法电动汽车矢量控制交流变频调速系统技水领域本专利技术涉及一种电动汽车的控制系统，尤其涉及一种基于DSP的嵌入式电动汽车矢量控 制技术和PWM变频技术相结合的变频调速系统。
技术介绍
随着能源结构和燃油汽车空气污染方面的矛盾日益突出以及高能电池技术、现代电力电 子与电力传动技术的发展，通过电动方式实现汽车中的传动、调节和操纵已成为汽车的一个 重要发展方向。因此研究效率高、响应快、调速范围广、安全可靠的电动汽车驱动系统成为 必然。电动汽车的驱动系统大体可以分为直流驱动系统和交流驱动系统两类。直流驱动系统 采用直流电机作为电动机，具有控制简便、动态性能较好的特点至今仍然有广泛的应用，但 是，由于直流电机换向器的存在，大大降低了系统的性能，限制了电机的最高转速并且给驱 动系统的维护带来了很多问题。相对于直流电机而言，交流电机具有体积小、功率大、效率 高、结构简单、易于维护等优点，但是传统的交流驱动系统的调速方式如变压调速、绕线式 异步电机转子串电阻调速、串级调速、变极调速等等这些调速方式都存在着明显的局限，随 着交流变频技术、功率电子器件和微处理器技术的迅速发展，交流电机控制技术也取得了突 破性进展，80年代后期和90年代，滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调控 技术日趋成熟，变频调速成为当前交流调速技术的主要发展方向，其动态性能已经达到或超 出了直流电机的水平，交流驱动系统正逐步取代直流驱动系统成为电动汽车驱动系统的主流。 电动汽车交流驱动系统由四个主要部分组成控制器、功率变换器、电动机及传感器。电动 汽车对电气传动系统的要求一般有以下几个方面1. 基速以下大转矩以适应快速启动、爬坡、加速、频繁启动等要求，基速以上小转 矩、恒功率、宽范围以适应高车速公路行驶和超车要求，即低速段恒转矩和中高 速段恒功率特性，特性应能根据不同负荷率进行有级调节。2. 整个转矩运行范围内的效率最优化，以谋求电池一次充电后的续驶距离尽可能长。3. 电机及电机控制装置结构坚固、体积小、重量轻、免维护或少维护、抗颠簸震动。4. 汽车要适应各种路面，而路面状况复杂多变，平路表现为恒转矩负栽，路面凹凸 不平时则为不规则扰动，上下坡又表现为势能负栽，因此，要求驱动控制系统的 负载适应能力特别强。目前世界上也有不少的公司和科研机构一直致力于电动汽车驱动系统的研究，如美国太 阳电公司、通用公司、日本丰田公司、中国的中科院电工研究所、北京理工科凌电动车辆股份有限公司等，总体来说，从国外引进的电动汽车电^Wt制器价格很贵，而且技术封锁，不能很好与电动汽车匹配，同时采用的核心控制芯片也不是最新的，使得更优4匕的算法无法实 现，而国内电机控制器的研究往往与汽车脱节，整车性能效果不好。目前电动汽车交流驱动系统主要采用VVVF(变压变频控制)、转差频率控制和矢量控制3 种变频调速技术。VVVF技术基于交流电机的稳态特性通过调节同步频率(电源频率)来实现调速，是一种 开环静态调速，不能够对变化的负栽转矩进行实时调速。它可以用于启动不频繁和路面负载 变化不大的电动汽车驱动系统。在转差频率调速控制回路中，必须同时控制两个变量 一个是转差频率A oo = co,- co; 另一个是定子电流I,。此外，还需满足最大转差频率的限制。但是与VVVF变频调速驱动系统 相比，它加进了利用转差频率的转矩调节，动态特性有所改善，但由于其原理基于转矩稳态 特性，仍不能达到直流电机那样的高动态性能。矢量控制调速驱动系统中，对于交流感应电动机，经过复杂的矢量坐标变换，可得取MT (转子旋转磁场定向)为d-q轴的旋转坐标系下的电磁转矩表达式，即 T加二pUs,/L2 (1)式中，L为电磁转矩；Pn为磁极对数；！^为定子和转子间等效互感；td为转子磁链幅值； is,为定子电流交轴分量；L2为转子等效电感。这与直流电动机的转矩表达式形式相同，可以 像控制直流电动机那样控制交流感应电动机。从上式可以看出，通过矢量变换可以把交流感 应电机转矩控制分解成转子磁链和定子交轴分量的控制。上式是从固定磁阻电机理论推导得 出的，在瞬态情况下也成立，所以矢量控制可以用于对动态特性要求较高的电气控制系统。 对于用于以交通为目的的电动汽车，启动频繁，负载变化大，要求加减速迅速，采用矢量控 制技术是非常合适的。
技术实现思路
本专利技术的所要解决的问题是提供一种高效、高速、实用的基于DSP的嵌入式电动汽车矢 量控制变频调速系统。本专利技术所采用的技术方案是电动汽车矢量控制交流变频调速系统包括DSP控制器、反旋转变换模块、两相交流/三相交流变换模块、PWM变换器、三相交流感应电才几、磁链观测器、电池组，驾驶员 油门信号经过接口电路处理传送到DSP控制器，经过计算得到驾驶员操 纵的信号速度co、 c|>*，再和定子频率信号co、转子磁链c))进行比较，偏差信号通过DSP控 制器进行矢量计算产生转子磁场定向坐标系(d/q坐标系)下解藕的两相电流指令isd、 is,, 然后通过反旋转变换模块以相位信号p作为两坐标系下的相位角进行矢量逆变换产生静止oc /P坐标系下的两相电流指令i,、 ie,再经两相交流/三相交流变换模块，进行静止a/P坐标 系下两相交流变换到三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流,得到定子三相交流电流指令i、 iB1、 i, PWM变换器按照三相交流电流指令中的幅值和频率两个方面把电池供给的直流电转 换为驱动所需的交流电，以驱动电机并最后驱动车轮，磁链观测器接受电流传感器采集的三 相定子电流L、 iB、 ic,经三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流变换到静止ct/P坐标系下 两相交流得到二相静止坐标系电流i、 iei，在经同步旋转变换并按转子磁场定向，得到d-q 坐标系上的电流id、 iq,利用矢量控制方程获得转子i兹链4)和转差频率(Os信号，由Ws信号与 转速传感器实测的实测转速信号co,相加得到定子频率信号(0 ,再经积分获得转子磁链的相位 信号即转子磁场位置角p,并将转子磁链cj)、定子频率信号co传送给DSP控制器，将相位信 号p传送给反旋转变换模块。所述DSP控制器中，速度调节器根据给定速度和实际速度的偏差来决定使用不同的时间 常数Tn，这样与只用单一的时间常数相比，具有超调小，调节快速的特点，当实际速度在给 定的某一范围内时，使用小的Tn，使积分作用加强，偏差迅速减少到零，并且，当实际速度 大于给定速度时，可以使速度调节器快速退出饱和状态。当实际速度在此范围之外时，采用 大的Tn,时速度调节器尽量不进入深饱和状态，从而使超调减少。所述PWM变换器采用IPM智能功率模块或IGBT驱动电路。所述三相交流感应电机装有温度传感器以在电机过热时送出信号经过接口电路处理送 到DSP，对IPM智能功率模块或IGBT实现软件关断以使电机停止运行。 所述DSP控制器以TI公司的TMS320LF2407A为核心。本专利技术采用矢量控制方法，控制系统采用速度、磁链闭环控制，磁通观测器采用电流结 构，即由三相定子电流和电机转速求得转子磁通的大小和相位，实现磁场定向，由于异步电 动机是一个多变量相互耦合的非线性环节，通过磁场定向可以将其解耦和线性化，从而进行 系统校正本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电动汽车矢量控制交流变频调速系统，其特征在于：所述电动汽车矢量控制交流变频调速系统包括ＤＳＰ控制器、反旋转变换模块、两相交流／三相交流变换模块、ＰＷＭ变换器、三相交流感应电机、磁链观测器，驾驶员踩踏油门信号经过接口电路处理传送到ＤＳＰ控制器，经过计算得到驾驶员操纵的信号速度ω＊、ψ＊，再和定子频率信号ω、转子磁链ψ进行比较，偏差信号通过ＤＳＰ控制器进行矢量计算产生转子磁场定向坐标系下解藕的两相电流指令ｉ↓［ｓｄ］、ｉ↓［ｓｑ］，然后通过反旋转变换模块以相位信号ｐ作为两坐标系下的相位角进行矢量逆变换产生静止α／β坐标系下的两相电流指令ｉ↓［α］、ｉ↓［β］，再经两相交流／三相交流变换模块，进行静止α／β坐标系下两相交流变换到三相交流坐标ｕ－ｖ－ｗ坐标系下三相交流，得到定子三相交流电流指令ｉ↓［Ａ１］、ｉ↓［Ｂ１］、ｉ↓［Ｃ１］，ＰＷＭ变换器按照三相交流电流指令中的幅值和频率两个方面把电池供给的直流电转换为驱动所需的交流电，以驱动电机并最后驱动车轮，磁链观测器接受电流传感器采集的三相定子电流ｉ↓［Ａ］、ｉ↓［Ｂ］、ｉ↓［Ｃ］，经三相交流坐标ｕ－ｖ－ｗ坐标系下三相交流变换到静止α／β坐标系下两相交流得到二相静止坐标系电流ｉ↓［α１］、ｉ↓［β１］，在经同步旋转变换并按转子磁场定向，得到ｄ－ｑ坐标系上的电流ｉ↓［ｄ］、ｉ↓［ｑ］，利用矢量控制方程获得转子磁链ψ和转差频率ω↓［ｓ］信号，由ω↓［ｓ］信号与转速传感器实测的转速信号ω↓［１］相加得到定子频率信号ω，再经积分获得转子磁链的相位信号ｐ，并将转子磁链ψ、定子频率信号ω传送给ＤＳＰ控制器，将相位信号ｐ传送给反旋转变换模块。...

【技术特征摘要】
1、一种电动汽车矢量控制交流变频调速系统，其特征在于所述电动汽车矢量控制交流变频调速系统包括DSP控制器、反旋转变换模块、两相交流/三相交流变换模块、PWM变换器、三相交流感应电机、磁链观测器，驾驶员踩踏油门信号经过接口电路处理传送到DSP控制器，经过计算得到驾驶员操纵的信号速度ω*、ψ*，再和定子频率信号ω、转子磁链ψ进行比较，偏差信号通过DSP控制器进行矢量计算产生转子磁场定向坐标系下解藕的两相电流指令isd、isq，然后通过反旋转变换模块以相位信号p作为两坐标系下的相位角进行矢量逆变换产生静止α/β坐标系下的两相电流指令iα、iβ，再经两相交流/三相交流变换模块，进行静止α/β坐标系下两相交流变换到三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流，得到定子三相交流电流指令iA1、iB1、iC1，PWM变换器按照三相交流电流指令中的幅值和频率两个方面把电池供给的直流电转换为驱动所需的交流电，以驱动电机并最后驱动车轮，磁链观测器接受电流传感器采集的三相定子电流iA、iB、iC，经三相交流坐标u-v-w坐标系下三相交流变换到静止α/β坐标系下两相交流得到二相...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘长文，
申请(专利权)人：深圳市陆地方舟电动车有限公司，
类型：发明
国别省市：94[中国|深圳]