当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

混合动力电动车驱动电机控制系统研究


外类号:
暂级:

!M3监:型482

单何代¨: 学

!Qj鲤

号:s0308280—100—3

瘩微震业大学
学位论文

混合动力电动车 驱动电机控制系统研究
Study
on

Drivi

ng Motor Control System

of Hybrid Electric Vehicle

研 指 导

究 教

生:






挂 蕉f数援2

师:



合作指导教师: 申请学位门类级别: 专 研 所
业 名 方 学



堂.亟

±

称:
向:

盛些扭撼丝工猩
电.动


究 在

煎 堂 瞳



院:





随着能源枯竭和环境污染问题的日益突出,人们把目光转向了纯电动车和混合 动力电动车。由于纯电动车电池技术尚有待进一步提高,导致纯电动车距离市场化 的目标仍然有一段距离,为此,开发混合动力电动车意义重大。混合动力电动车中, 2般同时采用驱动电机和发动机作为动力装置,通过先进的控制系统使两种动力装 置有机协调匹配工作,实现最佳能量分配,达到低能耗、低污染及高度自动化。因 而,对混合动力电动车及其部件的控制是其关键技术之一。

现代电子控制单元开发流程——V模式采用计算机辅助工具进行,可以支持从
需求定义直到最终产品的全过程。采用V模式开发电子控制单元可以缩短开发周期、 节约开发成本,而dSPACE仿真平台是支持这一流程的重要工具。

本文针对混合动力电动车的关键技术之一——驱动电机的控制,利用dSPACE
仿真平台、参照V模式进行了较为全面的研究。论文的主要内容包括:基于图形化 建模工具matlab/simulink建立了某串联式混合动力电动车的系统仿真模型,并对

其性能进行仿真;阐述了混合动力电动车驱动电机——无刷直流电机控制单元的建
模过程,按照设计的控制算法建立电机控制单元的matlab/simulink仿真模型,利 用dSPACE仿真平台建立电机快速控制原型系统并进行实验;在分析无刷直流电机 控制系统结构和工作原理的基础上,实现了电机控制器软、硬件的设计:建立了无

刷直流电机模型,利用dSPACE仿真平台进行了无刷直流电机系统数字仿真和电机 控制系统硬件在环仿真;构建了混合动力电动车试验平台,进行了实车试验。
通过实验结合理论分析,可以得到如下的结论: 1.串联式混合动力电动车以混合动力方式运行时可以提高蓄电池的使用效率、 延长蓄电池的使用寿命,其一次充电续驶里程明显增加。 2.建立的电机快速控制原型系统可以快速的验证电机控制算法的有效性,实验

结果表明,本文设计的电机控制算法可以实现对电机的控制,为电机控制系统的实
现奠定了基础。 3.采用模块化设计思想,开发了电机控制系统的软、硬件,并对其进行硬件在

环仿真实验,实验结果证明控制效果良好。 4.构建了混合动力电动车试验平台,进行了实车试验,试验结果表明,所设计
的电机控制系统能够实现对电机的有效控制。

关键词:

混合动力

无刷直流电机

快速控制原型

硬件在环

Abstr act With



the increasing prominence of energy depletion and environmental pollution,


people is turning to the hybrid electric vehicle and electric vehicle。It has for pure electric vehicle to go into the

long distance

matk勰,because
and engine
as

of the weakness of battery

technologies。So it is meaningf、曩to develop hybrid dectric electric vehicles have driving motors

vehicle.Normally,Hybrid

the power devices+Through

advanced control systems,the two powertraln systems can work together organically mud achieve the best So it is
one

energy

distribution to consumption,low pollution and kighly atrtomated。

of the key technologies to control the hybrid electric vehicle and their

components-

Modem

electronic

control

module

development process--V model using

computer.aided tools
definition of module
call

to如it,and

being able to

support
model

the wholly process from the
to develop

demand

to finally products。Using V

electronic control

shorten the development cycles,save the costs,and dSPACE simulation

platform is

an

important tool
one

to

support this process。

Aiming at

of the key technologies in hybxid electric vehicles---the control of
on

driving motor,this article has done comprehensively research

it,by using dSPACE

simulation platform and V model+This article mai城y contains:Firstly,this article established system simulation model of a kind of SERIAL hybrid electric vehicle,based on器apNeS modelling tool~matlab/Simulink,,then carried
on

the simulation

to its

performance.and this

article expatiated the process ofestablishing models

ofcontrol

unit

for bmshless DC motor-m-the driving motor of hybrid electric vehicle,and the matlab/simulink models for the motor control

established

unit,according to

the designed control

arithmetic rules+this article established the Rapid Control Prototype system of motor

centrol by

using dSPACE simulation platform and operated it。this article
on

designed

the

two parts ofsoftware and hardware ofthe motor controller,based

the structure

and the

working principle of the driving system of bmshless dc motor.After establishing the models ofbrushless DC motor,this article simulated the digital models for brushless DC motor and carried
on

the simulation ofhardware in loop for the motor control system,by

using dSPACE platform.This article established the testing vehicle

platform of hybrid
on

electric

and tested

it

on

the real vehicle.
the real vehicle:

The conclusion through the theoretic analysis and testing

1.The

using

efficiency

of

batteries

Call

be improved if the hybrid electric vehicle

ll

works by using the two power system at the charged

sanle

time.And if也e baRedes being

only,me

serial

c011rse can

be improved obviously_

2.This article has established the Rapid Control Prototype system ofmotor,and it is able to tcst也e control Mgofithms quickly,and the test showed that motor control

Mgorithms designed by this article

can

control the motor

correctly.and

set up



good

foundation for the motor control system.

3.Following也e idea of

modularmafion,this article designed the software and

hardware.and tested t11em
the system works well.

by fimulating it i11 hardware in loop

and testing results showed

4.This article established the testing plmform for hybrid eleetrie the system

vehicle,and tested
can

and the resul乜showed

that the

designed

moor control system

eon打ol the

motor wel】.

Keywords:hybrid

power

bmsMess direct
hardware in也e loop

eurrent

motor

rapid

control

promtyping

ⅡI

捶图清单
图l~1 l{|_;联式混合动力l乱动,i车系统示意蹦………………………?……………??2 囤l一2并联式混合动力电动汽车系统示意嘲………………………………………3 图l一:;混联式混合动力电动汽车系统示意图………………………………………4 图t一4 V模式…………………………………………………………………………9

图l一5普通多处瑗器系统结构……………………………………………………10 图l一6 图i一7

ADRTS系统硬件结槐……………………………………………………1l
xPC--Target系统…………………………………………………………11

图2一l智能混合动力电动多功能教学实验车结构图……………………………13 图2—2智能混合动力电动多功能教学实验车……………………………………14 图2—3系统构成示意圈……………………………………………………………14 翻2-4 图2 SHEV四种驱动模式………………………………………………………15

5发动机转矩一转速曲线……………………………………………………17

圈2—6发动机模型…………………………………………………………………17 图2—7发电机充电电流睡线………………………………………………………18

图2—8台架试验平台………………………………………………………………18
图2—9发电机模型…………………………………………………………………18

图2—10驱动电机特性曲线…………………………………………………………19 圈2一11驱动电机模型………………………………………………………………20 图2一12电池状态划分………………………………………………………………2l
图2—23电池充电试验曲线…………………………………………………………2】 图2一14电池放电试验曲线…………………………………………………………22

圈2一15电池及其管理系统模型……………………………………………………22
豳2-16车身仿真模型………………………………………………………………23 图2—17

SHEV模型结构框图………………………………………………………25

圈2一18车速~时间曲线……………………………………………………………25

图2一19驱动循环和SHEV的实际车速……………………………………………26 图2--20驱动循环规定的车速与实际车速的差馕…………………………………26
图2--21

sOC豹交纯曲线……………………………………………………………26

闰2—22行驶里程数…………………………………………………………………26 图2--23发动机的转速曲线…………………………………………………………26 图3一l快速控铡原型过程示意图…………………………………………………28 图3—2 豳3—3 DSll03PPC控制器板………………………………………………………30 DSIl03PPC控制嚣板结构图………………………………………………31

圈3—4

dSPACE实时仿真过程………………………………………………………32

图3—5电动轮………………………………………………………………………33 舀3—6电机实时仿真结构图………………………………………………………33 图3~7电机控制器matlab/simulink框图…………………………………………35 图3--8挡住模型……………………………………………………………………35 图3—9控制算法模型………………………………………………………………36 圈3—10调速模型……………………………………………………………………37
图3~li

ContrloDesk界面…………………………………………………………38

图3一12加速踏板再度一电机转速…………………………………………………38

鬓3--13控制信号波形………………………………………………………………39
髑4--l无刷直流电桃豹结构骧理图………………………………………………40 图4—2无刷直流电机系统框闰……………………………………………………4l 圈4—3无刷堂流电机控制系统结构框图…………………………………………41 图4—4三拍半控方式蛮流无厕电机控制系统藏理圈……………………………42

翻4--5无刷赢流电机控制系统原理框图…………………………………………43
图4—6扦关顺序及磁场旋转示意图………………………………………………43

圈4—7单片桃控制电路硬件系统方框图…………………………………………45
图4--8单片虮控制电路硬件系统…………………………………………………45 图4—9驱动电路图…………………………………………………………………46 图4一10功率道变电路图……………………………………………………………47

图4—11功率遂变电路和功率驱动电路实物圈……………………………………48
图4~12转速给定电路………………………………………………………………49 图4—13 A/D调理电路………………………………………………………………49

强4一14主程序流程圈………………………………………………………………50 图4—15控制器调试平台……………………………………………………………52 蘸5一l逆变器电路…………………………………………………………………53

凿5—2逆变器模型……………………~二…………………………………………54
图5—3转予位置模型………………………………………………………………55 图5—4感应电动势与电流波形……………………………………………………56 图5--5三三相惑鹰电动势波形………………………………………………………57 圈5—6感应电动势攥型……………………………………………………………58 图5—7转矩模型……………………………………………………………………59 图5—8电机本体模型………………………………………………………………59 图5—9转速模酗?…………………………………………?………………………?60


图5一10

无目g直流电机模型………………………………, 无刷直流电机系统模型…………………………?
Pl控制嚣模型……………………………………?

60
61 61

鞠5一lt 餐5一12 图5一13 图5—14 闰5—15 图5~16 圈5~17 图s—18 图5一19

ControlDesk界面……………………………………………………………63

仿真结暴……………………………………………………………………63

电机控制系统mLs系统结构框图………………………………………64
电机H1LS系统平台………………………………………………………64 电机HILS结果…………………?………………………………………”65 电枫试验结聚………………………………………………………………66 实验车试验结果……………………………“……………………………‘67

附表清单
表2-1

SHEV系统仿真参数…………………………………………………………16

袭2—2电池状态划分…………………………………………………………………21 表3-1位鬣传感器信号闽的逻辑关系………………………………………………34 表4、】HSO命令寄存器………………………………………………………………52 表5-1转子位置信号关系……………………………………………………………55 表5-2转予位置和反电动势关系……………………………………………………58

VH



绪论

自问世以来,汽车已成为人们生产和生活中不可或缺的工具,成为现代社会文 明的重要组成部分。但是,在汽车发展的过程中,伴生了两个严重问题:环境污染 和能源危机。 从世界范围看,世界剩余石油为1400亿吨,未来50年石油仍将是重要战略资 源。目前年产量为32亿吨,估计2010.2020年将达到35.39亿吨111。因此,地球上 现已探明的石油储藏量只能够人类充分使用40~50年。同时,汽车尾气对全球大 气环境的污染日益严重,有关研究结果表明,各类机动车辆排气污染已占城市大气 部份污染物的70%以上,其中排放的C 0对空气污染的分担率约为80%,N


x约

为40%,成为影响城市居民生活质量的一个重要污染源12J。据此,开发低废气排量,

低油耗的新型汽车成为当今汽车界的紧迫任务。虽然传统燃油发动机的电控技术(如
燃油喷射、点火正时、怠速稳定、废气循环等电子控制系统、三元催化还原技术) 的应用使汽车的排放和油耗下降到了较低的程度,但由于传统汽车所固有的缺陷: 如发动机固有的转速一转矩不匹配,使汽车不得不装上了复杂的变速箱,带来了传 动损失和不灵活的缺点;再又如为了在有限档位的情况下,获得足够的功率来加速 和爬坡,往往需要增加发动机的尺寸,造成整车重量的增加,增加了燃油消耗率; 还有从发动机的使用特性曲线上可以看到,在部分载荷和接近满载的最优工作点处 的比油耗的差异很大,而发动机运行时由于汽车使用状况如起动、加速、匀速、减 速等不同工况的需求,其很难总运行在最佳燃油点处工作,因此汽车整体燃油消耗 率和排放问题就凸现出来,传统汽车很难从根本上解决汽车排气污染和能源问题。

为了减少对石油的依赖,弗实现汽车行驶零排放目标,从70年代开始不少国
家对纯电动汽车(ElectricVehicle,EV)进行了研究开发。但是目前纯电动汽车的发展 水平离商品化还有相当的距离,有很多的问题需要研究解决。其中限制纯电动汽车 应用的主要因素是,一次充电续驶里程和价格{引,本质上的制约因素是动力蓄电池 技术。由于电动汽车的关键部件之一的电池的能量密度、寿命、价格等方面的问题, 使得电动汽车的性能价格比无法与传统的内燃机汽车(Internal
Combustion

ErI西ile

Vehicle,ICEV)相抗衡。在这种环境下,融合内燃机汽车和纯电动汽车的优点的混合 动力电动汽车(Hybrid
Electric

Vehicle,HEV)异军突起,在世界范围内成为新型汽车

开发的热点。HEV被认为是传统内燃机汽车与纯电动汽车之问的折中方案与过渡产 物f4】。HEV的主要优点是:污染物排放量低,并且可以有效地提高续驶罩程。

1.1混合动力电动汽车及其技术领域的国内外研究现状和发展趋势
HEV足在一辆汽车上同时配备电力驱动系统和辅助动力单元(Auxiliary
Power

Unit,APU),其中APU是燃烧某种燃料的原动机,一般为柴汕机、汽}1f1机或燃气轮 机。HEV的实质是通过部件:[况的改善和效二靼的提高来实现整个系统性能的优化, 是基于系统结构概念上的创新。混合动力电动汽车将原动机、电动机、能量储存装 置f蓄电池)按某种方式组合在一起,形成完整的动力系统。按照动力传动系结构的 不同,可以把混合动力分为串联式混合动力汽车(Series

S曲edule又称s脏V),并联式

混合动力汽车(Parallel Schedule,又称PHEV)以及混联式混合动力汽车 (Sedes.Parallel
Combined

Schedule,又称Ps髓v)三类【5】f6ln

1.1.1串联式混合动力电动汽车 串联式混台动力电动汽车系统示意图见图1-1。

图卜1串联式混台动力电动汽车系统示意图
Fig.1_1 The sketch map of SHEV

串联式混合动力电动汽车的动力系统断开了发动机和驱动系统的机械连接,这 是串联式驱动系统的最显著特点。发动机带动发电机发电,不直接驱动车轮,发电 机发出的电能通过控制器直接输送到驱动电机,由驱动电机产生电磁力矩驱动汽车 行驶:或者发动机带动发电机发电,发电机向电池充电,由电池向驱动电机提供电 能。在发动机与驱动桥之间通过电能实现动力传递,因此更像是电传动汽车。电池

通过控制器串接在发电机和驱动电机之间,其功能相当于发电机与驱动电机之间的
“水库”,起功率平衡作用,即:当发电机的发电功率大于驱动电机所需要的驱动 功率的时候(如低速、滑行、停车、制动等),把多余的电能输送到电池,对电池 进行充电:当发电机的发电功率小于驱动电机所需的驱动功率的时候(如起步、加 速、爬坡等),电池则与发电机一起向驱动电机供电。发动机可以不受汽车运行工

况的限制,可以始终工作在热效率最高的区域。这样以来,不仅可以提高发动机的
工作效率,而且由于避开了发动机低转速大扭矩输出工况,发动机的排放特性也得 到了大幅度的改善。但是,串联式混合动力汽车在发动机一发电机一驱动电动机系 统中的热能一电能一机械能的能量转换过程中,能量损失较大,能量转换时总的综 合效率要比内燃机汽车低。此外,汽车行驶的全程范围都由驱动电机驱动,所需驱 动电机功率高,重量大,所需电池的数量多,增加了整车重量,导致在中小型汽车 上的布置有一定的困难,因此串联式混合动力系统只适合在大型客车上应用。同本 丰田Coaster串联式混合动力汽车使用的就是中型客车的底盘,驱动电机为70kw的


交流感应电机,采用了总重500kg的铅酸电池组。 串联式混合动力系统由于发动机与驱动系统无机械连接,这给发动机的选择留 下了很大的空间,选用的发动机可以是传统的内燃机,也可以是燃气轮机及斯特林 发动机。燃料可以是汽油柴油,天然气,液化石油气及甲醇乙醇等。

1.1,2并联式混合动力电动汽车
并联式混合动力电动汽车系统示意图见图1.2。

圈1-2并联式混台动力电动汽车系统示意图 Fig.卜2
The sketch
map

of PHEV

并联式混合动力汽车中保留了发动机与驱动系统的机械连接,保证了较好的动
力传递效率,其两大动力源是发动机和驱动电机,两者的功率可以相互叠加,汽车

可由发动机和驱动电机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构
形式更像是附加了一个驱动电机驱动系统的普通发动机汽车。从概念上讲,它是电 力辅助型的燃油车,目的是为了降低排放和燃油消耗。当汽车运行工况所需的功率 超过了发动机的功率时,驱动电机从电池取得电能产生电磁力矩,并向驱动桥提供 额外的驱动功率lSl[9J【10】。

并联式混合动力汽车虽然结构与串联式相比相对复杂,但在提高整车效率上的
优势更为明显。与串联式结构相比,并联式可以选择更小的发动机和驱动电机,它

的油耗和排放都显著降低了,开发重点是高效率、易控制的动力复合装置。并联式
驱动系统最适合于汽车中、高速稳定行驶的工况,适用于城市间巴士和长途货运汽 车。菲亚特的Tempra混合动力电动汽车,采用并联式结构,最高车速达到了 155km/h。雷诺的Next并联式混合动力电动汽车的最高时速达到160km/h。 1.1.3混联式混合动力电动汽车 混联式混合动力电动汽车系统示意图见图1-3。 混联式混合动力系统通过动力分配装置将串联式和并联式混合动力的功能综合 在~起,形成了两路能量通道,一路是发动机通过动力分配机构驱动车轮的机械动 力通道:另一。路是动力分配机构经过发电机和驱动电机驱动车轮的电力通道。混合 动力系统通过判断车辆行驶工况以及对能量的需求,选择两个通道的最佳动力比 例,从而达到最高的效率、最低的燃油消耗和排放。起步或小负荷时,由咆池提供

电能带动驱动电机驱动车轮,发动机不工作,为纯电动工况;征常匀速行驶时,山 发动机提供动力,驱动电机、发电机和电池都不起作用,为纯发动机工况:全/J最 大加速时,发动机和电机同时提供动力,为混合动力工况;减速或制动时,通过能 量回收系统对电池进行充电;停车或滑行时,发动机可以带动发电机对电池进行充 电。世界上第一个批量生产的混联式混合动力电动汽车是丰田的Prius。Prius可以 达到最高车速为160km/h,速度从O-96km/h的加速时间是12.7s,在城市和高速公 路行驶时可以达到20km/1的燃料消耗111】。

图1-3混联式混台动力电动汽车系统示意围
Fig.卜3 The sketch
reap

of

PSHEV

混联式系统集成了串联式与并联式系统的优点,由于可以对发动机、发电机、 驱动电机进行更多的优化匹配,在汽车行驶的整个工况内,系统都能获得较好的性 能。但由于混联式动力的复合更复杂,因此对动力复合装置的要求更高。基于混联 式混合动力系统复杂的结构与控制策略,混联式系统适用于家庭用车与有特殊用途 的车辆。 我国混合动力汽车的研制在最近几年才开始起步,主要是采用串联式的混合动 力轻型客车,并联式混合动力电动汽车现仍处于研制阶段。混联式混合动力电动汽 车结构复杂,国内还没有对其进行研发。目前,我国的国家“863”计划f12l和国家“973” 计划113I都将混合动力电动汽车列入重大项目。 “十五”期间,在国家科教领导小组的领导下,在相关部门、地方政府的支持 配合下,启动了电动汽车重大科技专项,并确立了”三纵三横”(燃料电池汽车、混合 动力汽车、纯电动汽车三种整车技术为”三纵”,多能源动力总成系统、驱动电机、 动力电池三种关键技术为”三横”)的研发布局,采用总体组负责制,由整车企业牵头, 关键零部件配合、产学研相结合,政策、法规、技术标准同步研究,基础设施协调 发展的研发体制。在国家863计划电动汽车重大专项连续两期的滚动支持下,经过 三轮研发,相继研制出电动汽车功能样车、性能样车和产品样车。其中.燃料电池 汽车技术已进入国际先进行列,混合动力汽车实现载客运行、具备了小批量生产能 力,纯电动汽车实现量产和运营,并开始出口。


在整车技术开发方面。由上汽、同济大学等投资组建上海燃料电池动力系统公 司开发出三代”超越”系列燃料电池轿车动力系统平台和示范样车,北京清能华通公 司研发出燃料电池城市客车,我国燃料电池轿车和客车技术指标接近国际先进水 平,运行里程均已超过3万公里。一汽、东风、长安、奇瑞等汽车公司竟相开发出

混合动力汽车性能样车,节油30%以上,排放减少30%,轿车和客车最高车速分
别超过160公里/d,时和80公里/d,时,部分车型正在申报国家汽车产品公告。北京 理工科凌公司和天津清源电动车辆公司等几个牵头单位率领的纯电动汽车研发团 队在”十五”期间不仅仅在承担的纯电动汽车项目上取得了突出成绩,以纯电动汽车 取得的核心技术为基础, 在其他新能源汽车开发中进展迅速。以天津清源公司为

例,2003年7月,纯电动中型公交客车研发成功,2005年投入公交线路试运行,
同年,该型号纯电动客车成功出口韩国;2003年启动混合动力轿车研发项目,2005 年10月完成具有国内领先水平的两辆并联式混合动力电动轿车开发,通过了项目 验收和专家鉴定,2005年11月,联手国内最大的民营汽车企业,投资3000多万元, 目标直指节能环保混合动力轿车的产业化;2004年底完成天津市重大科技攻关计划

”混合动力汽车用发动机匹配及动力控制系统研制”课题,随后启动了同国内最大的 客车企业一郑州宇通客车公司的混合动力客车合作开发项目,
2006年1月完成性

能样车开发;2005年3月,同天津客车厂合作,完成单燃料CNG豪华公交客车的 研发,并完成汽车新产品公告申报,正在进一步进行气电混合动力大客车开发;2005 年11月同广西玉柴机器公司联合开发两种(柴)油电混合动力总成,覆盖车型包括轿 车和大中型客车。2006年1月,10辆混合动力豪华公交客车开发项目启动,2006

年10月将交付天津泰达公交公司进行示范运行;根据对市场的分析把握,2005年
10月启动新一轮城市用中速纯电动轿车的开发,目标直指未来两年电动汽车细分市

场可能出现的急剧需求。

在关键零部件研发方面。突破了大功率氢.空燃料电池发动机组制备关键技术,
研制出轿车用净输出30至60千瓦、客车用净输出60至150千瓦的燃料电池发动 机:大功率镍氢、锂离子动力电池功率密度等性能指标已接近国际先进水平;车用 驱动电机产品的功率密度、效率等指标达到国际先进水平。 在共性研发技术平台建设方面。建立了包括电动汽车整车、电动汽车动力蓄电 池、驱动电机、燃料电池发动机等7个公共检测和试验平台,并制定出相关测试规 范。此外,已建立起一批产业化的中试基地和中试生产线。 与此同时,在北京、武汉、天津、威海、株洲、杭州、深圳等7个城市开展商 业化示范运营,积累了丰富的实际运行数据和经验。
1.1

4混合动力电动汽车的技术研究领域 混合动力电动汽车是集机、光、电、化于一体的综合技术产品,它需要汽车、

机械、电力、化:T_|、冶金、微电子、A动控制等多种技术协同合作,其高新技术含 量高,难度大。混合动力电动汽车的设计,必须考虑在不同的结构所采用的能量流 动控制策略。这些控制策略的目的就是为了满足HEV的几个关键设计目的:(1) 最经济的燃料消耗,(2)最小的污染物排放,(3)最低的系统成本,(4)较好的驱 动性能。基于以上的4个目的,必须对混合动力电动汽车进行大量的研究。混合动 力电动汽车发展的关键技术包括;整车技术、新型电源技术和电机与电控技术。现在 的研究主要集中在内燃机技术、蓄电池充电技术、电驱动技术、能量分配管理技术、 整车控制技术和车体技术等。其中电驱动技术和能量分配管理技术是混合动力电动 汽车的技术核心。纯电动汽车中电驱动技术仍然可以在混合动力电动汽车中进行使 用,但是他受到能量分配管理技术的制约【14l。混合动力电动汽车要进入快速发展的 主要问题是:如何在较低成本的情况下,通过优化多个能源的协调工作,获得最佳 的性能。

1.2混合动力电动汽车驱动电机的国内外研究现状和发展趋势
电驱动系统包括电机驱动、变速装置和车轮。其中变速装置是可选的。电机驱 动包括电机、变频器和控制电路,是混合动力电动汽车电驱动系统的核心部分。混 合动力电动汽车对电机驱动主要有以下要求:(1)高恒功率比和高功率密度。(2)

起动和爬坡时低速大转矩,同时在正常行驶时要求高速高功率。(3)在恒转矩和恒
功率区域,要有较宽的调速范围。(4)快速的转矩响应。(5)在较宽的速度和转矩 范围内保持较高的效率。(6)有高效的制动能量回收能力。(7)对不同的汽车运行 状态有较高的可靠性和鲁棒性。(8)合理的价格。电驱动系统豹研究重点是各类型

的驱动电机及其控制,并以电机为中心展开,目前,所应用的驱动电机有如下几类。 1.2.1宣流有刷电机(D伽) 直流有刷电机曾普遍应用于电动汽车驱动系统之中。直流有刷电机的主要优点
是控制简单,技术成熟,具有交流电动机所不可比拟的优良控制特性。直流电机尽 管存在控制简单的特点,但由于存在电刷及机械换向器,不但限制了电机的过载能 力与速度的进一步提高,而且如果长期运行,势必需要经常维持电刷与换向器。另

外,由于损耗存在于转子上,使得散热困难,滠升增高,限髑了电机转矩重量比的
进一步提高。国外Citroen公司生产的SAXO电动汽车采用了额定功率为20kW的 DCM.印度的Reva公司生产的RevaEV有后尾窗的电动汽车采用额定功率为13kW 的DCM。国内的华南理工大学1997年研制的EV-6630电动轻型客车采用额定功率 为26kW的DCM。但由于直流电动机存在上述缺陷,因而在现代电动汽车中应用 越来越少。 1.2.2感应电机(IM) 由于现代电子技术与电机控制技术的发展,感应电机已大量应用于电动汽车之


中,尤其是在美国和欧洲国家。美国GM公司的Evl采用功率为102kW的IM, Chevrolet公司生产的¥10采用额定功率为85kW的IM,Chrysler公司生产的EPIC 采用额定功率为73kW的IM,Ford公司生产的P2000采用额定功率为67kW的IM。 Volkswagen公司的GolflV采用额定功率为52.5kW的IM。此外还有菲亚特公司生产 的Tempra并联式混合动力电动汽车采用额定功率为21kW的IM,Volvo生产的串 联式混合动力电动汽车采用2台额定功率为65kW的IM。国内也有不少公司采用 IM作为电动汽车驱动电机,如远望集团生产的YW6120DD电动汽车采用了额定功 率为150kW的IM,国防科技大学研发的电动汽车也采用了IM。感应电机用于电 动汽车主要是由于它具有结构简单,可靠性高,免于维修等优点。另外矢量控制的

应用又使之具有了类似于直流电机的优良特性。因此,感应电机在电动汽车中的应
用愈来愈广泛。

1.2.3开关磁阻电机(S刚) 开关磁阻电机是近年来逐渐完善起来的一种新型电机。开关磁阻电机结构简 单,坚固,既具有异步电机矢量控制系统的高效率、高可靠性,又具有直流调速系 统的良好控制特性。许多文献都曾探讨过开关磁阻电机在电动汽车中应用的可能
性,但是其噪声大、转矩脉动严重,因而目前应用开关磁阻电机的电动汽车仍然很 少。国内的华中理工大学正致力予电动汽车用开关磁阻电机的开发,二汽集团开发 的EQ6690型电动汽车采用额定功率为30kw的SRM:国外的克劳瑞得公司“Lucas” 电动汽车也应用了SRM。 1.2.4永磁无刷电机 永磁无刷电机具有高的能量密度和效率,在电动汽车中具有极好的应用前景。

永磁无刷电机可以分为两类:一类是方波驱动的永磁无刷直流电机(BLDCM),另
一类是正弦波驱动的永磁同步电机(PMSM)。永磁无刷直流电机具有转矩、功率 密度大的优点,同时还具有位置检测和控制方法简单、效率高的优点。因此在电动 汽车驱动领域得到一定程度的应用。在国内,有清华大学研发的EV6580电动汽车, 深圳明华生产的复合电动中巴等采用BLDCM。但是,BLDCM存在一定程度的转 矩脉动、振动噪声,控制精度低,所以只能应用在有减速系统和车速要求不高的电

动汽车驱动中。永磁同步电机具有高效、高控制精度、高转矩密度、低噪声的特点,
通过合理设计磁路结构能够获得较高的弱磁性能,在电动汽车特别是高档电动汽车 驱动方面具有很高的应用价值,已经受到国内外电动汽车界的高度重视,并在日本 得到较为普遍的应用,日本新研制的电动汽车大都采用PMSM驱动【l 5JIl“。 为了更好地适应电动汽车的驱动要求,众多学者还致力于许多特殊结构的电机 开发,如Brian J.C.等提出的永磁磁阻混合同步电动机117】;Mzizur R.等提出的永磁 磁滞混合同步电机118】:Katsunori N.等研究的永磁和电励磁混合励磁的同步电机

【19】【20{;另外还有双转子电机…;多级轴向磁场PMSMI二!1123】;Halbach阵列PMSM[24I。
这些新型电机系统结构新颖,各具特色,结构及控制复杂程度各异,但应用于电动 汽车牵引传动的驱动效果及适用性还有待于进一步的研究。香港大学研发的一辆pq 座电动汽车采用额定功率为45kW的混合励磁永磁同步电机,北京理工大学2001 年研制的混合励磁永磁同步电机系统驱动的电动客车,电机的额定功率为75kW。

1.3电子控制单元(EIectronic

ControI

unit,EOU)开发的发展

对现代汽车而言,舒适、效率及安全性相当依赖于各类电子电控系统的应用,
如动力系控制、防抱死刹车系统、牵引控制等ECU的应用。在混合动力电动汽车 中,因为同时采用电机和发动机作为动力装置,其对控制系统的要求尤为严格,只 有通过先进的控制系统使两种动力装置有机协调配合工作,才能实现最佳能量分 配,达到低能耗、低污染的功能。 1.3.1传统的ECU开发流程 传统的ECU开发主要依靠人工编程及大量实验验证其设计开发流程如下: a据调查情况用文字说明的方式定义需求和设计耳标; b根据过去的经验提出系统的结构; c由硬件人员设计并制造硬件电路; d由控制工程师设计控制方案,并将控制规律用方程的形式描述出来; e由软件人员采用手工编程的方式实现控制规律: f由系统工程师或电子专家将代码集成于硬件电路中; g用真实控制对象或测试台对系统进行测试; 由上述过程可以看出,传统的开发方法至少存在以下问题: ?对控制规律的控制特性或控制效果还没有把握的情况下,硬件电路已经制造, 增加了风险。 ?如果在测试过程中出现问题,就很难确定是控制策略不理想还是软件代码有错 误。同时手工编程占用大量的时间,在有了控制策略后要等待很长时间才能对 其进行验证和测试。发现控制方案不理想,需要进行修改时,又将耗费大量的 时间修改和调试软件。 随着ECU功能的不断增强、新的控制算法的不断涌现,传统的开发流程已经 很难胜任新的开发需求。 1.3.2现代的ECU开发流程 现代电子技术及计算机技术的发展使ECU的开发变的高效和方便。现代的ECU 开发流程是采用计算机辅助工具集成一体化的开发环境来进行的,可以支持从需求 定义直到最终产品的全过程。图1-4表达了这一流程的简化模式—-v模式。这种模 式在很多国外著名厂商如Audi,BMW,Bosch,Siemens,Ford等普遍采用。

图1-4 V模式
Fi暑.1—4 V
pattern

◆功能设计和离线仿真
利用计算机辅助软件建立可在计算机中运行的算法框图与状态流程图,来描述 电予系统的需求和设计。这种直观的带参数的框图降低了文字说明的不准确性,减 少了理解性的错误。同时建立相关的被控对象或设备的计算机数学模型,利用辅助 软件的仿真和分析功能,对整个设计进行离线仿真和分析,确定设计的可行性和参 数的大致范围。这个阶段主流的工具平台是美国Mathworks公司的Matlab软件。 ◆快速控制原型(Rapid
Control Prototyping,RCP)

方案设计结束后,利用计算机辅助设计工具自动将控制方案框图转换为代码并 自动下载到通用硬件开发平台上,从而快速实现ECu的原型样机,包括各种I/O、 软件及硬件中断等实时特性。之后就可以利用计算机辅助试验测试管理工具软件进 行各种实车或者台架试验,以检验实际效果,并随时修改控制参数,直到得到满意 的结果为止。即使是模型需要相当大的修改,从修改到下一次对原型的测试也只需 要几分钟的时间。从而在最终实现控制方案之前,就已经对可能得到的结果有了相 当的把握,避免了过多的资源浪费和时间消耗。德国dSPACE公司的系列软硬件工 具在这方面是最有影响的工具之一。 ◆产品代码生成和硬件制作


开发过程中关键的一步是把RCP工具形成的代码移植成高效的产品代码并转 移到目标芯片上。现在这种代码移植还是由程序员与软件专家手工进行。国外大厂 商雇佣成百上千的人来做这部分手工编码的工作。随着软件技术的提高,现代的开 发流程越来越倾向于自动从设计模型直接生成特定芯片的代码,特别是控制算法的 代码,无论是定点芯片还是浮点i卷片。dSPACE公司的软件Targetlink可以直接从 MATLAB/Simulink/Stateflow模型,针对特定芯片厂商的硬件,编译生成优化代码, 并可靠准确地将浮点转换为定点。


◆硬件在环仿真(Hardware

In the Loop Simulation,HILS)

产品ECU在研制}¨来以后,需要对其进行全面综合的测试,特别是故障情况 和极限条件下的测试。但如果用实际的控制对象进行测试,很多情况是无法实现的, 或者要付出高昂的代价, 如对汽车电控单元的测试就包括不同车型,不同路况,

不同环境(雨、雪、风、冰等)下的测试。但如果用计算机辅助工具对控制对象和 环境进行实时仿真,就可以进行各种条件下的测试,特别是故障和极限条件下的测 试。而这正是传统开发方法所不具备的。 ◆参数标定和测试 ECU安装在特定车型上时需要对控制参数进行修改,以匹配车型的变化,此阶 段是参数标定阶段。在ECU程序中大量的控制参数在标定过程中需要更改,这一 过程往往要进行很多试验。诊断功能与异常状态的参数也需要标定。这些参数之间 的相互影响使得标定工作非常困难。标定工作在过去被看作是独立的阶段,由独立 部门来完成。但在现代的ECU开发流程中,在设计的早期与硬件在环仿真阶段就 可以对参数进行初步标定,从而减少后期的标定工作。

1.4硬件在环仿真系统形式的发展
自80年代以来,用于实时仿真与硬件在环的软、硬件系统在发展中出现了以下 四种形式1251126]: (1)第一种形式是由开发人员通过购买商品化的处理器模板组成多处理器系统, 自主设计专用接口模板。软件开发采用通用软件开发工具,如C语言编译器、汇编 语言编译器等,各处理器的任务由设计者分配。其典型的结构如图卜5所示[271128】。

图卜5普通多处理器系统结构
Fig 1-5 Structure of simpIe muItiprocessor
system

(2)第二种形式是ADI公司专门为实时动态仿真设计的实时动态工作站 (ADRTS),它由高速计算机和高速I,0系统组成。ADRTS由ADI公司的仿真语言 (ADSIM)支持,ADSIM不仅具有很高的执行速度,还具有在线人机对话功能,可以在 不重新编译的情况下改变参数或积分算法、选择变量进行绘图和显示等。ADRTS是 一个基于VME总线分布式处理器的仿真系统,可以连接成局域网。通信处理器(COP) 在运行中像VME总线的主模板一样,为总线上所有的处理器之间的通讯服务,其主 要任务是数据扩散和收集。其典型的结构如图1-6所示l矧。
10

{审…审审
圈1-6加RTs系统硬件结构


Fi‘1-6 Hardware

structure

of^脲TS

system

(3)第三种形式是xPC-Target形式,采用普通的微机作为目标机(处理器)。
matlab/simulink对xPC-Target形式的支持是非常强大的,在matlab/simulink中有常用 的xPC基本模块。这种形式对目标机原有的操作系统没有要求,这是因为xPC.Target 形式采用一张xPC系统盘启动计算机,并把计算机引导到自己的操作系统(实时内核1 中去。因此原有的操作系统并不发挥作用。当把xPC系统盘取出后,重新启动,计 算机又可以进入原有的操作系统。xPC-Target为硬件在环仿真提供了一些有利的工 具,可以实现多数的硬件在环仿真所需要的功能,但是xPC-Target形式的部分硬件 和实验软件都需要自己来选型和开发。图1.7为xPC-Target系统图

图卜7 xPC-Target系统
Fig 1—7 xPC-Target
system

(4)第四种形式是dSPACE公司生产的面向实时仿真和高速I/O处理的硬件系 统。dSPACE系统是一套基于matlab/simulink的控制系统开发及测试的工作平台,实 现了和matlab/simulink的完全无缝连接。dSPACE实时系统拥有高速计算能力的硬件 系统(包括处理器、I/O等)及方便易用的实时代码生成/下载和实验/调试的软件环

境。

在控制系统丌发的初期,把dSPACE实时系统作为控制算法代码的硬件运行环 境,通过dSPACE提供的各种I/O板,在原型控制算法和控制对象之间搭建一座实时 的桥梁,让研究人员将主要精力放在控制算法的研究和实验上,从而了1:发出最适合控 制对象或环境的控制方案。当产品控制器制造完成后,还可以用dSPACE实时仿真系 统来仿真控制对象或外环境,从而允许对产品控制器进行全面、详细的测试,甚至连 极限条件下的应用也可以进行反复测试。在dSPACE实验工具的帮助下,测试也方便 了很多,只需在计算机屏幕上随时观看测试工具软件记录的各种信号和曲线即可。从 而大大节约测试费用,缩短测试周期,增加测试的安全性及可靠性。

dSPACE系统具有前面三种形式所不能比拟的优点:组合性强、过渡性好、对产 品实时控制器的支持性强、基于PC机WINDOWS操作系统、实时性好、可靠性高。

本文采用dSPACE系统,将在后文详细介绍dsP√虻E系统软、硬件结构。
1.5课题的研究内容
参照现代的电子控制单元开发流程一v模式,设计和开发混合动力电动汽车驱 动电机的控制系统。具体内容如下: a基于图形化建模仿真工具matlab/simulink建立混合动力电动车的仿真模型以及

相应的控制器模型,并用该模型进行整车系统离线仿真。
b基于图形化建模仿真工具maflab/simulink建立混合动力电动车驱动电机控制系 统模型,采用dSPACE实时仿真环境生成原型控制器,与实际的电机系统直接 相连,构成快速控制原型系统,进行RCP实时仿真。 c进行混合动力电动车驱动电机控制系统的软、硬件设计,制作控制器。 d基于图形化建模仿真工具maflab/simuliak建立混合动力电动车驱动电机的仿真 模型,采用dSPACE实时仿真环境生成原型样机,与实际的电机控制器直接相 连,构成硬件在环仿真系统,进行HILs实时仿真。 c实车测试电机控制器,验证其功能。

12

2混合动力电动车系统建模与仿真
参照v模式,在研究和开发混合动力电动汽车用驱动电机控制系统时,首先要 对混合动力电动车各子系统以及整车建立合理有效的计算机模型,对其性能进行仿 真,通过仿真可灵活地调整设计方案,合理优化设计参数,这样不仅方便设计者的 工作,降低科研经费,缩短研发周期,而且还有助于为混合动力样车的制造和试验 提供工程目标【30J。本章将介绍混合动力电动车各子系统以及整车模型的建立,对其 性能进行仿真,分析仿真结果。

2.1系统结构与工作原理
本课题研究的混合动力电动车为智能混合动力电动多功能教学实验车,其结构 如图2-1所示。



13

i4

1.车前轮2摄像机3.茼轮转向步进电机4.仪表盘5.方向盘6.油箱及座位7.发动机8.发电机9.动力电源线10.蓄屯池组 】I车蔽电腑12.乍体支撑架1 3.后轮转向机构1 4车后轮15动力驱动链16.车轮传感器I 7光居0直流电机18丽轮转1flJ步进 电机19后轮控制器2()(:雕接受器2I车拽电脑接线端【1
26 22

cAN控制总线23前轮控制器2t河轮转向步进电机龉摄像机

lji『轮转川机构27动力电源线艄后辜皂转向机构

圈2-1智能混合动力电动多功能教学实验车结构图
FlE
2-1 St ructure

of

inte|lIgent hybrid

eIect ric

mu]tifunctiorlal

didacticaI

experimentaI

vehIc Je

13

该教学实验车涵盖众多现代汽车高新技术、囊括多种乍型的功能。其功能有: 四轮驱动、四轮转向、自动引导、GPS导航及遥控。其应刷技术有:混合动力,可 以以纯电动、串联式混合动力、并联式混合动力运行并且可以利用太阳能;可以用 常规方向盘转向,也可以利用差速转向:现代总线技术,组成总线控制网络,验证 总线原理等。图2—2为该车的实物图。



田2-2智能混台动力电动多功能数学实验车
sxperimntal vehicle

Fjg.2-2

IntelIigent hybrid electric muirifunotional didactical

本课题主要研究该教学实验车以串联式混合动力运行时的性能,称之为串联式混 合动力电动车(以下简称为SHEV)。SHEV的两前车轮为电动轮,内装无刷直流电机作 为驱动电机驱动SHEV行驶。图2-3所示为SHEV的系统构成示意图。



……??电连接

一机械连接
圈2-3系统构成示意围
Fi g.2-3 Framework of SHEV
system

发动机/发电机组对车载电源(蓄电池组)和驱动系统进行能量补充,发动机/ 发电机组起辅助动力的作用,SHEV正常行驶时由驱动电机提供动力,当蓄电池组的荷 电状态(SOC,StateofCharge)下降到设定的较低数值时,发动机/发电机组启动对 蓄电池组充电,而当蓄电池组的SOC达到设定的较高数值时,发动机/发电机组关闭。 出于发动机和汽车的驱动系统之间没有任何机械连接,发动机可以不受道路负荷的影 响而稳定的工作于优化后的最佳工作区域或固定的工作点,因而其燃油经济性和排放
14

性能最佳。因此,SHEV在提高燃油发动机经济性及环保性的前提下克服了现行车载 电源续驶里程有限的不足。 SHEV有四种工作模式:纯电动、混合驱动、跛行(发动机模式)和驻车充电 模式,其能量流动模型见下图2-4131】【32l。

(b)

(d) 图2_4 s哐v四种驱动模式

(a)纯电动;(b)混合驱动;(c)踱行;(d)驻车充电 F}扣r●P4 Fur
(a)Battery onl dr;ve mode of SHEV

y;(b)Hybrid dri ve mode,(c)En8ine∞ly:(d)Stop for charging

2.2系统建模
SHEV系统仿真参数如表2-1所示。

表2-1
TabI


SHEV系统仿真参数
parameters

2-1

SimuI ating

of

SHEV

system

项H

数据

2.2.1发动机建模 目前,发动机模型的建立方法可归类为两种:一种为发动机理论模型,即在发 动机各特征参数已知的条件下,利用热力学知识以及对燃料燃烧的模拟求得发动机 各输出参数;另一种为发动机实测模型,对实际选定的发动机进行实测,建立起数 据库(发动机输出转矩、转速、燃油消耗率),利用查表法或数据拟合法来模拟发

动机的工作特性。发动机理论模型具有应用范围广的特点,无需对发动机进行预先
的测试,但模型建立比较困难,需要考虑的实际因素比较多;发动机实测模型比较 简单,精确度也比较高,但需要预先确定出发动机的选型。本文采用发动机实测模 型。 发动机为单缸水冷发动机,对发动机进行台架性能试验,将得到的试验数据拟 合函数作为描述发动机特性的基础,结合动力学方程,建立发动机模型,试验数据 拟合曲线方程有:

%=,@,厅)
和动力学方程:

(2-])

耻,警峨(f)
式中,%为稳态扭矩
16

(2.:)

瓦为修正输出扭矩:t。(f)为发动机负载转矩:』为发动机的

转动惯量;cc,为发动机输出轴的角速度;H为加速踏板位置;n为发动机转速;输出 转矩的修正可根据发动机的动态试验结果。利用系统仿真分析软件(Matlab/Simulink) 中的Lookup模块,应用插值原理,直接由发动机的负荷特性试验数据得到发动机的 燃油经济性和排放性能。图2.5为台架试验得到的发动机外特性曲线。图2.6为发动机 仿真模型。

转速/r.rain"

图2-5发动机转矩—转速曲线
F;g.2-5 Torque—rotate speed
ourve

of engine

图2-6发动机横型


Fig.2-6 Engine nlodol

2.2.2发电机建模 发电机为三相交流同步发电机,通过台架试验得到该发电机各种工作过程状态下 的转速、转矩、功率的MAP图以及效率,结合发电机的动力学方程,利用系统仿真 分析软件(matlab/simulink)中的2.D Lookup模块,应用捅值原理,直接由发电机的 MAP图进行插值计算得到发电机的输出功率。发电机的动力学方程如卜.:

,警=t—t

忆3)

式中,』为旋转系统的转动惯量;t为电磁转矩;t为原动机转矩。 实验中通过调节控制程序中的日标转速值,使发动机/发电机系统分别在不同 的发动机转速下稳定运转,发出稳定的电压为电池组充电。应用数据采集系统得到 的实验数据如图2—7。图2-8为发动机/发电机组台架性能试验平台。图2—9为发电 机仿真模型。

≤:
!;蕈4


34 00

3∞0

弼00

榭r/tin

4000

4200

圈2-7发电机充电电流曲线
Fig.2-7 Curve of generator chargi
ng current

围2_8台禁试验平台
Fig.2_8 WorktabI


experimentation fIat

模型中,动力学模块根据发电机的动力学方程建立,性能限制、功率限制模块


Fig?2-9
generator

圈2-9发电机模型
codeI

】8

分别限制发电机的最大转矩和最大功率。 2.2.3驱动电机建模 驱动电机为永磁无刷直流电机,其建模方法与发动机建模的方法类似,也可归 类为两种:一种为驱动电机理论模型,即在驱动电机各特征参数已知的条件下,利 用电机运行遵循的电磁感应定律、全电流定律、能量守恒定律等基本定律,求得电 机各输出参数;另一种为驱动电机实测模型,对实际选定的电机进行实测,建立起 数据库(电输出转矩、转速等),利用查表法或数据拟合法来模拟电机的工作特性。 本章中,驱动电机的模型采用实测模型,驱动电机理论模型将在本文第五章详细介
绍。

利用驱动电机厂家提供的电机负载特性和效率特性建立电机的数学模型,并采

用线性求解方法建立电机的仿真模型。电机的负载特性和效率特性盐线如图2.10
所示。

——转速
n…………”

萆学年J三IN.M

效率 图2-10驱动电机特性曲线
Fig.2-10 Characteristic
curva

of motor

图2.11为驱动电机仿真模型,模型以电机的需求转矩和需求转速及电机实际输 入功率为输入,以电动机的实际输出转矩和转速为输出。性能限制模块通过一些限 制条件计算出电机的转速和转矩,限制条件有:电机转速受限于电机的最大转速; 转矩受限于最大转速对应转矩和克服电机惯性转矩之差:最大转速转矩对应的功率 受限于电机的最大电流。 查表模块以性能限制模块计算出的转矩和转速为输入计算出电机的需求功率。 功率转矩特性模块计算出转矩对功率的比值,并假定该比值不变,输入计算转矩模 块和电机实际输入功率相乘得到电机的输出转矩,再减去电机惯性转矩得到电机的

19

实际输出转矩。 控制逻辑接口模块和控制器模块(图中未示出)进行数据交换,对i电机进行控 制,以保证电机的工作电流不超过它的最大电流。

围2-11驱动电机横型
Fig.2-11 gotor mOdeI

2.2.4电池建模 电池在使用时的充放电过程是一个受多因素影响的复杂非线性过程,由于热效 应和化学量子效应的影响会导致不同载荷下电压变化率发生变化,为此结合整车采 用的85Ah水平铅布电池【33】在不同SOC下的开路电压、内阻试验数据,考虑温度对 电池电压及内阻的影响,建立了基于电池开路电压.内阻试验数据的理想电压源与电 池内阻相串联的电池模型【34l【351。电池的数学模型方程如下: 电压平衡方程 能量平衡方程 SOC计算公式 温度平衡方程
E—U+IR(2-4)
E1一P+12R
(2.5)

式中,E为开路电压:【,为端电压;,为电流;只为电池内阻;尸为电池组功

soc.僦。一鬯 王一瓦“警

(2.6)

(2.7)

率;c,为电池额定容量:r0为初始温度;皱为因功率损耗而发出的热量:Q为散
发到空气中的热量:ira为电池质量;c为电池的比热。同时将开路电压£和电池内 阻都看成是SOC和温度的阶段函数,即有: E一^QiDc,D R一,2(soc,r)
(2-8)

建模时考虑了充电和放电过程,开路电压和内阻的函数表达式是不同的。 对于混合动力电动车的蓄电池,最关心的参数就是电池充、放电状态¥0C,因 为它直接决定了电池的充、放电要求。图2.12用SOC的几个限值将整个电池状 态分为可用区和不可用区,又用高效区下限值和高效区上限值将可用区进一步划分 为一个高效区(综合考虑充电效率和放电效率)和两个低效区(低效区1和低效
区2)P611371。

电 翘
:奄



放 电 效



豳2-12电池状态划分
Fig?2'-12 Partition of battery
stato

表2-2进一步描述了不同的电池状态对应的充放电要求。
寰2-2电池状态潮分

低效区1 高效区

能 能

育 无

;i五耋耄坚{}三=ii矗=?兰===i=:——=_童L—~塾皇墼兰墼堡 ……。 浦。:璺苎竺:,一尝于对电池寿命的保护以及电池充聂i聂摹丽蓦磊_忑该i赢
擐佳工作状态

可放电,需充电

池以最佳状态工作,即工作在高效区之内。

图2~13为电池充电试验所得到的曲线,图2—14为电池放电试验所得到的曲线。

图2—1 3电池充电试验曲线
Fig.2-13 Batt;ery charge
curv8

21

8_8I

“∞。{甜卯柏 盯∞惦“昭

8.册善.胂肿脚胂詈.脚

图2-14电池放电试验蓝线
Fig.2-14 Battery discharKe
curve

图2一15为电池模型simulink框图,模型以要求功率(电机的实际需求功率) 为输入,输出可用功率。

圈2-15电池及其蕾理系统模型
Fig.2-15 Battery
laanagenlerlt system

mdo

模型中,电压电阻模块以电池的SOC和温度为输入,由式(2—8)计算出电池 的开路电压和内阻(内阻分充电内阻和放电内阻,其值是不同的,用功率来选择电 池的内阻模式)。功率限制模块将电池能提供的最大功率限制在一个可允许的范围 内。计算电流模块应用式(2-4)和(2-5)计算出电池组的输出电流和端电压,得 到电池组的可用功率。SOC计算模块通过电池电流来更新电池的有效荷电量SOC, 计算公式采用式(2-6)。温度计算模块是由式(2-7)建立的电池热模型,其计算 的温度用来反馈决定电池的性能参数。终止模块的功能是用电池的SOC来终止仿 真,避免电池组的深度放电,以维持电池性能,延长电池的使用寿命。 2.2.5车身建模 汽车在行驶中受到滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力的作用【38】。其算

式分别如下: 考虑车辆驱动力与阻力平衡,则有:
Ft—Ff—F。一F。一Fl=0
t2.9)

式中,只为汽车驱动力:一为滚动阻力;R为迎风阻力;鼻为坡度阻力;F为 加速阻力。 用一阶速度差分带入(2-9),得到: a‘V2(女)+b‘V(k)+c=0 其中,
(2一lo)

a=jlp叫b-罢,…只一鲁V(k-1)堋(fcosa+sina)
式中,P为空气密度; Co为空气阻力系数:A为迎风面积;矿为汽车行驶速 度;6为转动惯量换算系数;m为汽车的质量:g为重力加速度,为滚动阻力系数; Ct为道路的坡度角。 求解二次方程(2-10)B[1 n-j得到车辆行驶速度。图2?16为车身仿真模型。

图2—16车身仿翼模型
Fig 2-16 Bodywork modeI

2.2.6控制器建模

SHEV控制策略的控制目标主要有以下四个【39】…:
?最佳的燃油经济性: ?最低的排放; ?最低的系统成本; ?最f{二的驱动性能。 在没汁SHEV的控制策略时,应该着重考虑以下问题: ?优化发动机的j二作点。肇j:最佳燃油经济性、最低排放或析’.者州结合,彬

据发动机的转矩一转速特性曲线确定最优I=作点。
?最小的发动机动态波动。应控制发动机的工作转速以避免波动,从而使发动 机的动念波动最小。 ?减少发动机的丌关次数。频繁地丌关发动机,会使发动机的油耗和排放增加。

?合适的蓄电池荷电状态。蓄电池的SOC值必须保持在适当的水平上,以便
在汽车加速时能提供足够的功率,在汽车制动和下坡时能提供回收能量。 ?安全的蓄电池电压。在放电、发电机充电或再生制动时,蓄电池的电压会发 生很大变化,应避免蓄电池电压过低或过高。否则,蓄电池会产生永久性损坏。 ?工况选择。在某些环境中混合动力电动车应以纯电动的模式工作,这种转变 可以通过手动或自动来控制。 根据前文所述的SHEV四种工作模式,采用开关式f41J控制策略。开关式控制策

略是一种滞环控制,电池组的充放电状态SOC决定发动机,发电机组运行和停止两
个工作状态。其优点是发动机,发电机组能够工作在效率排放最佳点,能够达到超低 排放,燃料经济性也好。

设发动机/发电机组的输出功率为p。,SHEV需求功率为%,电池组工作区
域的上、下限为SOC。、舳C。。。则SHEV控制逻辑如下: (1)当SOC≥SOCo(5Dc0为一设定值,∞c0。<SOco<SOCk,。。)时,SHEV

运行在纯电动模式,发动机佐电机组关闭,‰由电池组提供。
(2)当SOC<SOCo时,发动机/发电机组启动,且发动机始终运行于高效区, 为SHEV提供动力。

若p《’%,则电池组处于充电状态,
关闭;若p。‘p,,则电池组处于放电状态。

SOC=SOco时,发动机,发电机组

(3)当SOC<soc,.。时,SHEV驻车,发动机/发电机组或外电源给电池组充 电。

由上述的控制逻辑建立S瓶V控制器模型。
2.3系统仿真模型与结果分析
2.3.1系统仿真模型


基于上述各部件模型,建立SHEV系统的matlab/simulink仿真模型,模型结构框 图如图2.17所示。

控制器模块根据驱动循环在各仿真步中的速度均值计算需求功率,并且根据电池

的∞?C判断电机和发动机应该的状态,给出相应的指令。具体控制逻辑见前述。

压耳
图2—1 7 S睫V模型结构榧围
Fig.2-17 The simuIating framework of SHEV

2.3.2仿真结果与分析

以CYC_STEP_T_况对s}玎Ⅳ进行仿真,得到的车速一时间曲线如图2.18所示。从图中
可以看出,SHEV的速度较低,加速后能达到的最高车速为7kin&,这是因为该SHEV 为教学实验车,既可以串联式混合动力行驶也可以并联式混合动力行驶,在作为串联 式混合动力电动车时,主要是演示其功能,没有着重考虑其动力性。

l_LfE螽廿

图2—18车速一时闻曲线
Fig.2-18 VeIocity-time
curve

为比较混合动力电动车的优越性,应用同一仿真模型对两种车型进行了仿真,一 为SHEV,另一为纯电动汽车(EV)。EV仿真是通过将SHEV中的发动机关闭来实现 的。仿真所用循环工况为等速6.5km/h,得到的仿真结果如图2.19一图2.23所示。 图2.19为驱动循环行驶试验工况规定的车速与SHEV实际仿真车速的曲线图,从 图中可以看N-者基本重合。图2—20为驱动循环规定的车速与SHEV实际仿真车速的 差值,从图中可以看到,SHEV稳定行驶时驱动循环规定的车速与SHEV实际仿真车 速差值为O,因此,所建立的仿真模型可以很好地跟踪驱动循环车速的变化,表明了 仿真模型的『F确性和有效性。

时间,s 围2-1 9驱动循环和SHEV的实际车速 FIg.2-19叶i
ve

图2-20驱动循环规定的车速与实际车速的差值
Fig.2-20 The velocity
error

cycle and vaIocity of SHEV

of drive CycIe and yahic

uo∞g爨甘

时闻托

图p21 SOC的变化曲线
Fig.2-21 Curye of SOC

围2-22行驶里程数
Fig.2-22 The distance of SHEV

E嚣{}嚣蒋《

时间/s
围2-23发动机的转速曲线
FiE.2-23 Curve of enKine speed

图2.21是电池组SOC的变化曲线,其中粗虚线是EV的电池组SOC变化曲线,

细实线为SHEV的电池组SOC变化曲线。由图中可以看出,EV的电池组SOC能够 维持在其可用工作区域(20%~80%),从而可以保证电池寿命和性能。并且,SHEV 在SOC下降到40%时,发动机启动,发动机/发电机组为SHEV提供电能,SHEV 工作在边充边放模式,但发动机,发电机组的输出功率大于SHEV在该工况下的需 求功率,所以电池组SOC上升,当SOC上升到80%时发动机/发电机组关闭,使电 池组SOC始终处于4J0%.80%即电池组始终工作在高效区域。这证明了前文所述控 制策略的J下确性。 图2.22为一次充电的行驶里程数,其中粗虚线是EV的行驶里程,细实线为SHEV 的行驶里程。图2.21明显地反映了二者的差异。EV的一次充电的行驶里程为18.2km。

SHEV因为发动机/发电机组连续的运行,所以从理论上说,如果发动机的油箱足够大,
其一次充电的行驶里程可达到无穷大,充分证明了发动机,发电机组能够使行驶里程 明显延长。

图2-23为发动机转速的变化曲线,发动机/发电机组启动后,发动机始终以
4200rpm的转速运转,当SOC上升到80%时发动机关闭,因而发动机一经启动就始 终运行于高效区域,这也证明了前文所述控制策略的正确性。

2.4本章小结
本章首先以SHEV为对象,分析了系统的构成和工作原理。然后研究了系统的控 制策略,基于零部件的试验数据,在matlab/simulink环境下建立了SHEV的各子系统 以及整车模型。最后应用该模型对SHEV的系统性能进行了仿真,并对仿真结果进行 了分析。 从仿真结果可以看出,该车以混合动力方式运行时其电池组效率和一次充电行驶 里程远优于以纯电动方式运行。

3混合动力电动车驱动电机快速控制原型研究
混合动力电动汽车核心之一是驱动系统,在SHEV中,因为只有驱动电机直接 驱动汽车,因而对驱动电机的控制成为重中之重。本文第二章建立了SHEV的系统 模型,按照V模式,本章将基于dSPACE建立SHEV用永磁无刷直流电机的快速控 制原型仿真系统并进行仿真。

3.1快速控制原型过程及特点
在开发产品初期,需要快速地建立控制对象及控制器模型,并对整个控制系统 进行多次的离线的和在线的试验来验证控制系统软、硬件方案的可行性,这一过程 称为快速控制原型(Rapid
Control Prototyping,RCP)。

3.1.1快速控制原型的过程 快速控制原型有以下部分组成【42】【43】: ?建模设计:对象模型、控制策略 ?仿真分析:Manab分析功能 ?控制、测试:实时验证、修改、优化

?代码生成及下载一实时控制
?产品级代码生成 具体地,快速控制原型过程可以用图3-1进行形象表达。

图3-1快速控制原型过程示意图
Fig 3—1 Sketch
map

of

RCP

process

3.1.2快速控制原型的特点 快速控制原型具有如下特点:

a软件、硬件的开放性 ?基予Windows撩作蓑绞繇壤,戮彝蠢缀敦《夸开发,省去丈墼爨复工俘。 ?支持控制单元的赢观、实时开发。 ?支持数据采集、运算、控制及通讯的运行。 ?支持混台系统仿冀及实验。 b控制方法、策略的柔设纯 ?襻橇邵壤+柔往按鼗开发蕈嚣,鸟零缝豹蠡嶷姻魄,霞褥蜜验结架更为畿接、 有效和可熊。 ?装挖露l系统愈燕笈杂,策臻秘方法懿在线掺跛将愈鸯重要。 c数警控制 ?与横拟控制相比,数字控制模式是实施柔饿设计缀有效的办法。

?A/D。掰A转换、PWM控制、数字I/O控制。 d控秘箨法鞫逻辑娥理 ?控露8箨法;继承1l蓼入王撵,共攀最掰成栗,翎新自己豹葵法。
?混赍控制系统:实时f司服回路DSP、离散状态逻辑控制PLD 0

e焉声赛嚣;壹鬟、荔粥、实簿、垒确,被称秀“芑零缀”鹣按潮爵发。 f对最终露标产品提供集成技术变持 ?控制模型代码。
?控制器熬设诗。 ?控制对象的设计。

3.2快邃控制原型开发平台dSPACE
经过对美国、英圜、日本、德潮、意大刹等市场用乎开发控制系统豹平密分析

每沈较研究,最终选择了德隧生产的dSPACE(嘲tM

Signal Processing And Control

Engineering)edSPACE蜜孵系绞是鏊予matlab/simulink瓣控露l系统开发彝溅试擎螽,
实现了硬l牛设锯与maflab/simulink的先全笼缝连接脚][4Sl,它为RCP提供了党荧的 辫决方案。 dSPACE实媾系统巍两大部分缎成,?一是硬棒系统,二是救俘环境。其巾硬转

系统的主鼹特点是具有黼速计算能力,包括处理器和I/O接口簿;软件环境冒以方
便地实现代码生成,下载和试验调试镣上传。dSPACE具有强大豹功黢,可以很好地 完成控制算法的设计、测试和实现,并为这一套弗行王程提供了一个逄好鳃环境。 dSPACE豹开发愚鼹楚将系统或产茹开发诸功戆与避程夔鬃簸秘~钵化,鼯麸 …一一个产品的概念设计到数学分析和仿真,从实时仿真实验到实验结果的监控和调节 帮埘臣集藏爨一套平台中_柬完成。 3+2.{dSPACE磷件系统

dSPACE硬件系统有单板系统和组件系统|4…,单板系统主要面向快速原型设¨ 用户,其本身就是一1个完整的实时仿真系统,DSP和vO全部集成于同一扳Ij。 其I/O数量有限,但包括了快速控制原型设计的大多数I/O(如A/D、D/A等), 为配合驱动应用需求,还配有PWM信号发生器等。标准组件系统把处理器板,I/O 板分开,并提供多个系列和品种,允许用户根据特定需求随意组装,可以使用多块 处理器板、多块(多种)I/O板,使系统的运算速度、内存和FO能力均可大大扩 展,从而可以满足复杂的应用需求【47】【48lf49l。 本文所用的dSPACE硬件系统为单板系统,其硬件为DSll03PPC控制器板。 DSll03PPC控制器板可以方便地插入PC机中,fltpC机负责提供电源,完成程序下载。 所有的实时计算都是由PPC控制器板独立执行,只有dSPACE的试验工具软件并行运 行于主机上。图3.2为DSll03PPC控制器板。

圈3-2酷11∞PPc控制器扳

Fi‘3-2眄l103唧control let
DSll03

Board

PPC控制器拥有大量I/o接口,使其可以满足RCP的要求。DSll03

PPC

控制器板除36路ADC、8路DAC以外还配有50路数字I,O。同时,DSll03 PPC控制 器板还集成了一个以TI公司的TMS320F240 DSP为核心的I/O子系统,可用来满足特殊 的Fo要求。这种DSP可提供三相PWM信号发生器,尤其适于驱动方面的应用。DSll03 拥有6路数字增量编码器接口,可以方便的应用于机器人的设计。DSll03还配有一 个测速控制器,可用来对数字或模拟增量编码器位置信号进行解析,这使其可以应用 于电气驱动控制。DSll03还集成了Infincon的CAN控制器,使其也可以适应汽车 及自动化方面的应用。图3.3为DSll03PPC控制器板结构图。

豳3-3。sfl03Pp0褴糊器撩缝梅隧
F i玉3-3 Blook Diagral of DSl T∞P阳Control ler Board

3,2。2

dSPACE酸梅环壤

dSPACE豹款待舔凌蔓簧瘫两太豁分缀或,一骞§余楚实鞋钱秘戆警成秘下载较
伟RTI(Real-Time Interface),它是琏按dSPACE实辩系统与matlab/simulink鳃露, 通过对RTW(Real-Time Workshop)进杼扩展,可以窳现从marlab]simulink模型到

dSPACE实黠镄棒代码熟囱渤下载。另一部努为灏试软襻,其巾锫含了综禽实骏与 测试环境(软{警)Controlnesk、自动试验及参数调熬软佟MLIB/MTRACE,PG筠实
时处理器通信软件cUB以及实时动画软件RealMotion铸。

?健羁静生成凝下载软l譬 箍述控翻系统的£代粥霹疆赉matlab/simulink蠢耱鬻自动整或并下载至l实辩系
统璇件串,这颟王俸熏簧翻MATLABfRTW每dSPACE系统审熬RTI来完残。RTI

粒使翅方法是爆瀚形方式从dSPACE的RTI库中选定相废的I/O模型,搀其拖放到 期matlab/simulink搓建的系统模型方柩潮中,势指宠VO参数以竞成对它的选宠, 选定后,只要用筑标点击~下对话攥中的Build命令,RTI就忿酝渤编译、F载并
启动实时模型。另外,RTI还根据信号和参数产生~个变量文件,可以用dSPACE 的试验工其软件如ControlDesk来逡纷囊蘩的访阏。当仿真系统院较复杂时,就篱 黉RTI—MP的帮麓醴完戚多照建器系缝躺设计并建立多煞毽嚣瓣络缎褥。

?测试软r{:

dSPACE箍{娃数测试较释圭要有:ControlDesk综合实验环凌、ⅪLlB嬲TRAeE
实现自动试验及参数调髅软件。 ControlDesk是dSPACE公司丌发的新一代综台试验和测试软件工具,提供对

试验过程鲍综合营理,它可实瑷懿功麓霞旗:对实瓣硬传的霹筏豫喾理;震户虚Y羧 仪表的建立;变量静可视化管理;参数的可视纯管溅;试验过穰的自动化。
利用MLIB和MTRACE,可以大大增强dSPACE实时系统的自动试验能力。

使用这两个麾可l;£在不中断试验的情况下从MATLAB直接访闯dSPACE板上运嚣 鹩痘焉程膨巾鹣交量。蕊懋无需翔遂嶷爨静蟪蟪,籽变量名裁足够了。这样藏蜀以 利用MATLAB的数字计簿及图形能力进行顺序自动测试、数据记录和控制参数的
优化。MLIB和MTRACE联合使用可缀成一个完美的整体。有MATLAB强犬的计

雾疑力数支簿,霹鼓枣动执孬掰戆慧劐瓣{薹嚣试验。魄翔控澍器戆筑筵;趸MTRACE 记录数据,然后将数据传送给MATLAB。MATLAB自动计算出新韵控制器参数,
并通过MUB送回处理器板或控制板。
3,2。3

dSPACE实对仿真避凝

ds弧C藏是迸学基予matlab/simulink模型半实铹臻真帮实时撩裁静蓄选工暴,
利用以上软件工具可以完成从系统建模、分析、离线仿真到实时仿真的全过程,实
时仿真过程如图3_4所示。

圉3-4 dSPACE实时仿真过程
Fig.3-4 0n-I

ine#l#Ilat;f噻process of dSPACE

3.3

SHEV无利直流电视快速控潮原型的实现
SHEV髡刷直流电机(以下简称电机)一般由电机本体、逆变器和转子位臀传感

器组成(详见本文第4章)。电机采用永磁转子和三棚桥电力电予变流器进行嘏予换

窝窝繇宽谲番《(Pw硷控裁。控铡器豹输入信号育籀经信号、藏速麟板信号窥龟税豹三
相位置传感嚣信号(H1,H2,H3)。挡位倍号实现电机的正反转和傍此,加速踏板信号

调节憩飘的转速。图3≤为内装有电机的电动轮。零文即以箕为控铡对象遴行快速控
制豫型研究。

墨≯S游客精力龟旗率螅转黻裁蘩巍
F}‘3-5

The蝻∞卜style辍附I∞S}麟¥

3,3。{姨遵攘涮漂漤羝绫急体糕浆 簇予dSPACE,利用dSPACE提供的各种I,O接口,在原型控制算法和实际的控 蒂《对象即咆梳之褥熊囊蜜时控涮系统,对奄梳进行RCP实翦孪仿真实验,篆统维构如
图3.6掰示。

濑3-6堆撬囊辩错襄缱糖固
Fig。3一§The tea|“time simulating framework of
mQtor

图中,I:部为物理设备即实际的电机(即电动轮)和电机驱动板,下部是PC机, 用f在线模型的设计、’英时代码的生成、下载阻及实验仿真,中问部分由dSPACE硬 件平台和实际的输入信号设备组成。用matlab/simulink建立的电机控制器模型通过运 行在PC机上的RTW和RTI直接下载到dSPACE中,下载成功后,dSPACE实时系 统就成为虚拟的电机控制器即原型控制器。 原型控制器利用DSll03PPC控制器板提供的与外界硬件连接接口,根据控制算 法的需要,获取电机运动过程中的状态包括实际的挡位信号、加速踏板信号和电机位 置传感器信号后,输出6路控制信号,控制电机驱动板上三相桥的6个功率管,驱动 电机按照设计的功能运行。 本文采用的电机驱动电路为三相全桥电路(见图3-6,详细电路图见本文第4章), 图中的6个功率管Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6起绕组的开关作用,采用两两通电方式,每一 瞬间有两个功率管导通,每隔60度电角度换相一次,每次换相一个功率管。在一周

内各相绕组通电顺序与电机的三相位置传感器信号问的逻辑关系见表3.1t50l。
表3—1位置传摩器信号间的逻辑关系
TabIe 3-1 Logic of
rotor

po¥ition

8ignal

3.3.2电机控制器模型 RCP实时仿真系统中,最重要的是控制器模型的建立,其目的是验证控制算法。

电机控制器是电机正常运行并实现各种调速功能的指挥中心,它主要完成以下功能:
?对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、挡位信号等信号进行逻辑综合, 以给驱动电路提供各功率管的斩波信号和选通信号,实现电机的正、反转及停车控制。 ?产生PWM调制信号,使电机的电压随给定速度信号而自动变化,实现电机调速。 图3.7为电机控制器matlab/simulink框图。包括挡位选择模块、控制算法模块、 调速模块和速度采集模块。

图3—7电机控制器matIab/simul ink框图
Fig.3-7 Framework of raotor control Iel"modeI

挡位信号(P、R、D、N)是实际的外部设备产生的,由DSll03PPC控制器板 上的AID通道输入,DSll03ADC_C18模块输入空挡信号,DSll03ADC_C19模块输
入前进挡信号,DSll03ADC

02C_见型模层底的块择选位挡,号信退倒入输块模

图3-8,挡位选择模块的功能是根据输入的挡位信号确定电机目前的挡位。

图3_8挡位模型
Fig 3-8 Gear modeI

控制算法模块是基于表3的逻辑关系,使用matlab/simulink所建立的电机换相 模型。其输入信号由挡位选择模块的输出信号和实物电机三相位置传感器产生的位

胃信号组成,三相位背信号从DSll03PPC控制器板上的数字I/O通道输入,接f_|模 块为DSll03BIT—IN—GO。其底层模型见圈3-9,控制算法模块的功能是根据电机目 前的挡位和永磁转子的位置确定各功率管的控制逻辑。

3-9控制算法模型
Fig.3—9 contro|I ing
ar

ith№tic

modeI

电机控制的另~重要目的是实现电机转速的实时调节。电机定子绕组相电势幅值 由式(3.1)确定:

E-e咖
式中,E电机电势;cf为电机电势常数;中为磁通量;疗为电机转速。

(3一]

若考虑线路损耗及电机内部压降(已归入足),而且逆变器的输出电压幅值为

u-扣
则电机电势层与外加电压相平衡,有:

u—E+÷%
即:

(3-3)

丢讥。e锄:寻L恁


㈣一,

n?jL———————一 C中
式中,U。、L为电机两端平均电压、电流;Rz为回路等效总电阻。电机的调速

专∽一L咫)

(3㈣

可以通过改变电机两端的平均电压来完成,本系统中的平均电压%是通过调节PWM
脉冲(即图3.6中的控制信号)的占空比即PWM斩波来实现的。 对应无刷直流电机PWM调速方式,许多文献都有论述。根据排列组合不同,PWM

调制方式有五种类型15l】,即: (a)on—pwm型:各管前600恒通、后600 PWM调制方式。
(b)pwm on型:各管前600 PWM调制、后600恒通方式。 (c)H
.Lp_on 式方通恒桥下、制调 mw _。 型:上桥 PWM

(d)H_on?L__pwm型:上桥恒通、下桥PWM调制方式。 (e)H pwm?L_pwm型:上、下桥臂各管为PWM调制方式。 其中(a),(b),(c),(d)又称为单边调制方式,即在任意一个600扇区内,只有上桥臂或下 桥臂进行斩波调制。其中,(a),(b)称为单边双管调制、(c),(d)称为单边单管调制。 (e)称为双边调制方式,即在任意一个600扇区内,上、下桥臂同时进行斩波调制。 在双边调制方式种,功率开关动态功耗是单边调制方式中的两倍。与单边调制方 式相比,双边调制方式会降低系统效率,给散热带来困难。在单边调制方式中,与单 管调制相比,双管调制方式不增加功率开关的动态损耗,解决了由单管调制所造成的 功率开关管散热不均,减少了功率开关应力,提高了系统的可靠性,但其控制系统较 复杂,对硬件的要求较高。 本文考虑到功率开关的动态功耗,结合实际的硬件情况,采用H
on-L

mwp_型

调制方式。图3.7中的调速模块是按照该调制方式所建立电机调速模型,其底层的 matlab/simulink框图如图3.10所示。模型根据加速踏板开度来改变3路PWM脉冲的

占空比,以此控制下桥的3个功率管。加速踏板信号是实际的外部设备产生的,其接
口模块为DSll03ADC_C17。PWM脉冲是由DSll03PPC控制器板上的PWM脉冲发 生器产生,接口模块为DSll03SL_DSP-PwM。上桥3个功率管的控制信号由 DSll03PPC控制器板上的D,A通道输出,接口模块为DSll03DAC
DSll03DAC C2、DSll03DAC C3。 C1、

。廿刈:网。



?[丑 ”一产鼍等
Io

a卜呻J一一 m—I…IⅢ: ’I:::l““
.州。l f至卜- “
?;;:一d



ⅢmD^c—C'



图3—10调速模型
Fig 3-10 The timing mode

速度采集模块的功能是根掘rBjfJL个位置传感器的信号,通过实时计算得到电机 当『i{『转速。利用dSPACE中的F2D模块可以实现该功能。

3.4仿真结果与分析
用前文建立的电机快速控制原型系统对实际的电机进行实时控制仿真,在 ControlDesk环境下对模型和电机的运行情况进行实时跟踪,由数据采集观察到实际 加速踏板开度和电机转速度以及控制信号波形。 3.4.1仿真结果 ControlDesk软件带有许多虚拟仪表,根据需要,拖放仪表到ControlDesk控制界 面中,将这些仪表和模型中的参数建立连接。图3.11为ControlDesk控制界面,该控 制界面清楚地显示出电机和模型当前运转状况。 缓慢调节加速踏板得到图3.12所示的加速踏板开度.电机转速曲线。图3.13为控 制信号波形,上部为功率管Q1的的波形,为恒通状态,下部为功率管Q2的的波形, 为PWM斩波控制。

围3—11 ContrIolksk界面
Flg.3—11 The interface of ControlDesk

图3-12加速踏板开度一电机转速
Fig 3-12 Accelerograph scaIe-motor speed

38

图3—13掇制信号波形
Fig.3-13 The

WSV4礴Ⅻtro|l ing¥igna}

3.4.2结论与努轿

基于dSPACE平台,实现了无刷直流电机的RCP,实时观测到原型控制器对实 际电机的控制过橼,验证了控制算法的功能。翔该方法可缩短电机控制系统开发时间,
褥褰系统霹靠瞧,降低系统蒽髂斑蔼成本,必混合动力酝凌车茬《系绞爨冬设诗与嚣发 提供了新的思路和方法。另外,dSPAcE还肖丰富的输入/输出资源,可以用作为除电 机控制器之外的熊他控制器,以实现混合动力电动车的鼹为复杂的控制功能和算法。

3。5本章奎结
本章首先介绍了快速控制原型的特点和嶷现过程,然后详细介绍了dSPACE开 发平台,最后,猩仔细分析无刷直流电机控制原理的基础上,设计其控制器并确定 控制冀法。基于图形纯建摸王爨maflab/simulink建立7元测直流电机的控制器模型,

并褥模垄下载弱dS黼中,髑蠲dSPACE豹硬俘接日,岛实际的电瓿、热速踏板、
挡位相连接搭建了无刷直流电机快速控制蹶勰仿真系统。利用该仿真系统对电机进 行仿真,得到并分析了仿真结果,验证了掇制算法。

4混合动力电动车无刷直流电机控制系统的实现
前文已确定了无刷直流电机的控制算法,并进行了RCP实时仿真,验证了该 控制算法的正确性和有效性。本章将简要介绍无刷直流电机及其控制系统的基本结 构和工作原理,在此基础上,按照经验证的控制算法来实现无刷直流电机的控制系 统,包括控制器硬件实现和软件设计。

4.1无刷直流电机基本结构及工作原理脚“”’
无刷直流电机(BLDCM,Brushless
Direct Current

Motor)具备两个特点:一是

具有直流电机那样的优良特性;二是直流电源供电,没有电刷和机械换向器,绕组 电流的通断和方向变化,是通过电子换向电路实现的。和普通直流电机类似,无刷 直流电机转矩的获得也是通过改变相应电枢线圈电流在不同磁极下时的方向,从而 使电磁转矩总是沿着一个固定的方向。为了实现电枢电流在不同磁极下换相,必须 有相应的换流装置,与普通直流电机不同,无刷直流电机有位置传感器,检测和确 认磁极与绕组相互问的相对位置,位置传感器有相应的两部分,即转动部分和固定 部分,转动部分和无刷直流电机本体中转子同轴连接,固定部分和定予连接。无刷 直流电机的结构原理如图4-1所示。


围4—1无嗣I漉电帆的结构原理图
Fig.4-!PrincipIe of BLDOd

由图4-1可以看出,无刷直流电机组件主要由电机本体、位置传感器和电子开 关线路(逆变器)三部分构成。其定子绕组一般制成多相,转子由永磁材料制成。 图4.1中电机本体为三相两极,A’B,C三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的 功率开关管T1,T2,T3,T4,T5,T6相连接。 如前所述,位置传感器的转动部分与电机转子同轴连接,实时跟踪转子位置。 当某一相定子绕组通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而 产生电磁转矩,驱动转子旋转。由转子位置传感器将转予磁钢的位置变换成电信号,

去控制电子开关线路,使定子各相绕组按一定次序导通,定子相电流随转子位置的 变化而按一定的次序换相。由于电子丌关线路的导通次序是与转子转角同步的,因 而起到了机械换向器的换向作用,因此,所谓无刷直流电机,就其基本结构而言, 可以认为是一台由电机本体、电子开关线路、转子位置传感器三者组成的“电机系 统”。整个系统框图如图4.2所示。

●…一’一’一。一’~…一一…一一一一一‘‘…一……1
直流电源 一 —+ 电子开关线路 电机本体

乙 ]
Fig.4-2

转早衍譬佶瞒强 转于伍苴懦恐器

f.
J1

图4_2无捌直流电机系统框图 Framework—BLIXXI
system

4.2无刷直流电机控制系统构成及工作原理
无刷直流电机的运行依靠转予位置传感器检测出转子的位置信号,通过换相驱 动电路驱动与电枢绕组连接的各功率开关管的导通与关断,从而控制定子绕组的 通、断电,在定予上产生旋转磁场,拖动转子旋转。随着转子的转动,位景传感器

不断送出信号,以改变电枢的通电状态,使得在同一磁极下的导体中的电流方向不
变,产生恒定的转矩使无刷煮流电机运转起来。因此,必须设计可靠的控制系统来

实现各功率开关管按一定的顺序导通与关断。 4.2.1无刷直流电机控制系统构成 无刷赢流电机控制系统,一般由无刷直流电机本体、控制单元(模拟式或数字
式)、电子开关线路及其驱动电路、转子位置检测、直流电源五大主要部分以及其他 各种外围辅助电路组成,其系统结构框图如图4.3所示。

图4-3无刷直流电机控制系统结构框图
Fig 4-3 Framework of BLDCM
cont ro}I ing system structure

控制币元接受外部驾驶员指令(加速踏板及挡位)和三路转子位霄传感器发H{

的脉≯p信号,敝摄系统袋tf{i的控制算法经计算后产生相应的控制逻辑信号,经山驰 鞠i租籍放大质戆与电予矸荚线路的相必功攀_丌关管,触发功率开关管餐之导邋,从 弼实观对秃刷赢流电视钓驱秘控制。 4.2.2无刷赢流电动机控制系统工作艨璎 嚣秘羹滚喉穰三稷绕缀瞧予开关绽簿(秘辜遂嶷溉鼹)基本类黧簿三摆等控秘

三裰全控掰耱。鹜44必三楣拳控方蔽塞滚菇蓐|J毫枫接键系统黩毽鼹。

嗣4-4兰椒毕控方斌童渡蠢尉皂机攘捌精蟪朦壤田
Filt 4-4 Three眯#8{o I%1f-controli{nl

fra㈣rk

of

8腩㈧aontro!lt.g system舻incip|e

圈4毒中掰豕的往鬟时,撩稍攀嚣将篡籍转予位鬟传缮器梭铡豹转子餐嚣菠镶 信号,与辨部瓣嚣驶员指令进行逶辑综龠磊产生撩错倍号,经避蘩渤惫黪数犬送至 魄子野关线鼹器功率嚣必繁Vl-V3骢门f爨>极,使功搴嚣关繁Vl导通,V2、V3 藏爱,绕錾A.糠’上鸯峨滚遁过,浚绕缀毫滚产黛磁煽萼转子磁锅产擞豹磁场稳嚣 佟瘸,形残电磁转矩使转予转旗。转子磁钢磁极转韵对,誊接装亵转予轴上证嚣传 髂器转动部分跟赞转予同步转渤,位置传感器实时检测转予位麓反馈信号传送至控 粼单元。控稍举嚣襁斑魄发豳控希《穰芍整麓率开关管V2导遥,Vl、V3截正,绕 绦B。B’上有嗽瀛通过、V3导逶,V2、V1截壹,绕缀C-C’上鸯奄濂逶邃,获蘧 控制电机备相绕缀按一定颗序分剐蹲遴工俸,获蕊使得悉嚣l煮流魄辍按照一定豹方
淹旋转。

三稳拳挖魄黪熬特嶷爨楚擎,一个功率拜关控制~蝴的通糖,每个绕缀只通电
l据戆瓣瓣,舞努2/3黪闯缎子颧开状态,没宥褥刘宠分黝剩用,褒运行过穰中其转 燃的波动较大,因此灭刷真流电机三相绕组电予歼关线路通常采用三相全控式电 路。

圈4。5为三耩全控方式基形六毒跫态觅掰誊流墩概羧臻《系统舔爨框瓣。擦镶《攀元

将三路转子位置传感器检测的转子位置反馈信号,与外部的驾驶员指令进行逻辑综 合后产生控制信号,经过驱动电路放大送至电子开关线路各功率开关管Q1.06的门 (栅)极,从而控制电机各相绕组按一定顺序分别导通工作,从而使得无刷直流电机 按照一定的方向旋转。

瑚叫匡 舢删,:型匡 。ngl:=列匠
=V


o‘

B相





c相.。—刮I


无刷直流电机

了o

L A相

渊唑j甲…苎J与%唑吓
QI暂r lI
驱动电路



转于位置传感器


-I





驾驶员指令



7l

控制单元



围4-5无用直流电机控制系统原理框图
Fig.4-5 FraMework of BLDCM control I ing

syst%principle

在该电路中,电机的绕组为Y联结,Q1、02、Q3、Q4、05、Q6为六个功率 器件,起绕组的开关作用,采用两两导通方式。所谓两两导通方式是指每一个瞬间 有两个功率管导通,每隔1/6周期(600电角度】换相一次,每次换相一个功率管,每

一功率管导通1200电角度。各功率管的导通顺序QlQ2一Q2Q3一Q3Q4一Q4Q5一
Q5Q6一Q6Q1一Q1Q2。当功率管Q1Q2导通时,电流从01管流入C相绕组,再从 B祖绕组流出,经Q2管回到电源。 图4-6给出了两种开关状态及磁场旋转示意图。图4-6(a)为Q1与Q6导通时

固4-6开关顺序及磁场旋转示意图
Fi


4-6

Sketch

map

of

on-off

order and magnetic

fieId ci rcumrotati

ng

43

的情况,由1二Q1与Q6持续导通有一段时州,流经A、B相绕组的电流也将持续一 段时问,那么如图4-6(a)所示的电概磁势F的方向和幅值也将有一段时问内保持 不变。但是转子是连续旋转的,转子励磁磁势R也将随之连续旋转,由起初只、所 在的位置逐渐转到ro,所在的位置。而当转子转到Fn,的位置时,由于Q6已导通1200 电角度,Q6和Q2在控制信号的作用下要进行换流,原来的Q1与Q6导通变换为 Q1与Q2导通,见图4-6(b)。此时,电枢磁势C从图4.6(a)的位置跳跃式地步 进600电角度,电枢磁势只和励磁磁势式昂之间的相位差又恢复到1200鹿角度,和 图4.6(a)所示的Q6管开始导通时的情况相同。如此重复进行,每当磁极转动600, 通过位置传感器、控制电路、驱动电路使相应的功率管导通、切断,从而对电机电 枢(定子)进行一次绕组切换来改变电枢磁场,使稳定运转,R和E的相位差庐必定

始终在600≤妒≤1200的范围内,其平均值相当于处在正交运行状态,这样在同样
的电枢电流下可使转矩最大。依靠这种旋转电枢磁场和励磁磁场的相互作用,使得 电机能够连续地旋转。值得注意的是,磁极每转动600电角度,电流从一相转移到 另一相,则电枢磁场就在空间上跃进60'电角度,所以在无刷直流电机中的磁场是 一种步进式旋转磁场。

4.3控制器硬件实现
控制器硬件主要包括:单片机控制电路、功率驱动电路、功率逆变电路、外围 辅助电路,如:转速给定(加速踏板输入)电路、DaDc变换电路等。下面对系统 控制器硬件电路的各个部分分别进行描述。 4.3.1单片机控制电路. 数字控制系统的核心是微控制器,8位单片机、16位单片机和DSP等都可用作微 控制器。在本系统中。通过分析系统的功能和比较性价比等,最终选用INTEL公司的 MCS96系列单片机中的80C196KC作本系统的微控制器。

McS96系列单片桃是在工

业界有着应用广泛的嵌入式控制器,具有高性能的寄存器.寄存器结构,可以1很好地
运用于实时控制应用,如自动化控制、车辆控制、电机控制等。其中80C196KC是采 用CHMOs技术的高性能16位单片机,主频可运行到20MHZ,具有丰富的外部接口资 源,较高的可靠性。80C196KC具有一个逻辑上完全统一的寄存器空间,可寻址范围 为64K,其中0200H~1FFFH和2080H~FFFFH是用户可以自由使用的空间,其余空间 主要用作中断向量、芯片配着字节、内部寄存器等。 控制器的主要控制功能是在单片机中。通过软件程序的综合处理来实现的。利用 单片机的独立输入口采集给定转速信号(加速踏板信号),双向I/O口采集挡位信号、 位置传感器信号利用软件程序,在单片机内生成6路PWM信号,其中3路为变占空比 PWM波,通过单片机的HSO口输出,分别驱动功率逆变电路中的3个下半桥功率管; 3路为固定占空I:I:PWM波,通过单片机的双向YO口输出,分别驱动功率逆变电路中

瓣3令t拳揆珐肇蛰,侵奄搬按照希蘩靛方羯及转逮运襻。调节麴速躐叛,蚕《3赣变占
窆魄PWM镶号墩醛之羧变,遴过调苇凌攀管导避荚鞭辩黠秘,调节糖到怠掇上黪魄 蓬,葳霭达爨撩捌惫凝转速辩嚣蕊。

豳4.7为攀片搬控制魄鼹磷铎系缆方橇鞠。邀鼹孛,为了防止蚤静馈粤蚓的楣甄

Fig,4-7融rdware

system scheme

sin8lechip oontro|l

i##eleetroclro“It

干拽,袋用了踊糯技术,默保证曦路裳垒、W靠。隔离采羽的是削四52l勰题爨高性髓 毙憋隧褰嚣嵇,其浚A一赣爨骚离毫嚣褰然2500V,毫流赞辕滋巍羧入毫渡麓5溉氐辩 最小为50%。由于需要隔离的信号比较参,来用这种瓣路光黼可珏减小控制器的体欷。 图乱8为单片视羧露l电鼯硬粹浆统实物圈。

黻4-8单砖辘控制电路捷件豢统
F;喾Y 4-8

Hafd#are#搭tem sl灌lee毂;垂∞ntre|l

ing e|ecCrot娃rcuit

4.3,2功率鞭动电路 功率驱动电路的紊控芯片采嗣MOSFET帮IGBT专薅襁强驱动集戒#毽躐 IR2101,三令IR2101芯片挖铡功率逆变瞧潞中豹三个褥。IR2t01怒美圈International Rectifier公司生产的专用兰相桥驱动电路,工作频率从几十赫兹剃上西千赫兹,可

熬繇秘母线媳遮不悫于600V戆逆变魄鼹孛魏电压灏功搴器停。獒珂竣出豹最大磊 向峰值驱动电流为130mA,丽反向峰值驱动电流为270鼽k驱动延时信号为纳秒
级。电路如闰4.9所示。

露《_襄嚣铀龟罄墨 F{颤4-e新{v;n霉eirduit dimlrrm



圈中,PWM_I--PWM 6为单片帆控制电路输出的6路PWM波,PWMl、3、 5囱玎R2101静I-lin耱输入,珏O群输擞控潮功率逆嶷龟鼹中上举耩鼹三个离鞴麓率 嚣关蓉,PWM2、4、6杰IR2101貔Lin瓣毒爨入,LO壤竣窭控制功率滋变电路中下 半桥的三个低端功率开燕管。 CA,C5。C6怒鑫举鑫器,海IR2101内辩浆三黪鹱凄楚端功搴MOSFET嚣{孛的 功搴驱动爨提供悬浮电潦。Dl,D2,D3与CA,C5,(36审联,要求它们县有足够的反
向耐压值,并虽必须大予被驱动MOSFET器件工作的_燕电路审的昧俊母线电压, 同时为了豌止囊举电容磷端电蘧放电,并腿满足蔓电踌功率开关频率的要求,D1, 1)2,D3应选撵高频快恢簸二极管。

IR2101所用电源为12V,单片机电源为5V。电路中,在接地端通过一电源跨 缓壤容C1、C2、C3实璞12v秘5V邀蹑之瓣疆藤。
出于IR2101内部的驱动器输出阻抗较低,奁接驱动MOS f-j功窭器件,念弓l起 它的快速开通和关断,弓随5 MOSFET器件漏源极闻电联的震荡,为此在MOSFET

器传豹搬极与IR2101的输出之阍串联~令小电阻,如髑4.9中所示鑫句RI—R6。另
外,当功率管处于关断状态时,电机电流通过开关管两端的绩流二顿管续流,当开

关警导逶辩,襞漉二掇管逶_i熏其反向恢复状态脆燕譬逶状态,这ll雩密疆一个尖蹲魂
流,也会带来振荡和射频干扰。同样采用栅极电臌的方法可以减少尖峰电流。栅极

亳黼灌大,嚣关辩阕变妖,齐关菝耧爝热,毽是灸绦奄溢和亳流减少。
4,3+3功率邀变邀路

功率逆变彀路如图4-10所看专。圭电路为兰相套桥结构,无利畿流电动机以“两相 嚣邋三翅六炊态”方式逡行,鄹每一状态巾有嚣穰缝缎夥逯,嗽搬每转过一劂霄六秘 磁势状态,这六种磁势状态曩差60。电角度,形成魏蔽式鹩旋转磁场。难转对(颞时钟), 六必功率镣(MOSFET)STP75NF75鹣导逶颓旁为0102
Q2Q3--03Q4--"Q4Q5一

Q5Q6—06Ql—Q1Q2,反转时(逆时针)导通顺序为Q4C》5一Q3Q4一Q2Q3一Q102一 Q6Q卜-Q}5Q6一Q唾Q5。下露瓣功率童壤路蕊中蚕部分分涮热戳诞鞠。

翟4-10功臻逆銮毫臻鞠
Fig 4-10 Power spaoer ci rGuit di agram

功率烹魄魏孛牙关蛰Q1,Q6殇暴搦MOSFET。醚0SF料与弼绺爨豹G∞,lG转彳
等相比,份穆便宜,开关频率高(可达100K Hz)、安食工作区(SOA)范围宽,其缺
47

点是通悫电Ⅸ{霆霆大,电流容嶷jj击穿电聪比IGBT{氏。本系统cp电帆额定电;E48V,额 定j:你电遗4i超过16A,捺搌电压与魄流的实际壤,观采用STMicroetectronics翰 STP75NF75。STP75NF75的参数如下: ◆漏源极限电压VDs:75V ◆橱源辍限魄压Vcs:±20V ◆最大电流lD:75A ◆通态辍撬RDs;0.01Q


STP75NF75巾集戏了二极管其圭要终用是续流,以保护功率开关臀。以Q1和

Q2舞例,当驱动信号海煮魄乎恧搜Ql鄹02导通鲢,魄携绕组A捆舄B襁中裔电 滚滚过,当按摆使Ql截止两e蹬静通翳,曦枢绕组A裰等B植中躯嗽流不能立即 中断,如若没有二极管的续流,就会在A捆和B相桥臀中感应出高联,足以击穿

萌率歼关管,有了续流二投管,毫梳绕缀A疆舅B稳带静能鬟廿》貔磷泼遽蓬=辍
管圈後给电源,胰蕊保护了功攀嚣关管。 C7采用的怒一个相对容蠢较大静亳解窀容,它静主蘩俸雳是稔援jf羹蹲线滤波。 魄瓤毫灏输入裘功搴生照鼹瓣经过宅融憝卷一定熬稳定掺髑。 墼4.il必集戏巍一起熬凌攀逆变惠鼹秘秘率驱动遐路实物图。

鬻4-1{精率避变毫瓣秘翰攀鹱秘毫鼹餐镑飘
#{鬈14-I{Po_er 8辩∞F e{rouit∞d drlying eireoit practica}{ty

4.3,4羚强骧魏激疑

鼬豳辅助电路包括转速缭定电路和电源转换电踌。 转速给定卸擞逮路扳羚度信号是模撼爨输入,采用憩位计怼参考嘏疆进行分联
(如强4-12),将魄驻信号谰骥戮O一5V箍瓣肉再通过A/D调理嘏路(船图4-13) 调聪盾,输入单片机80C196KC的PO黜,国可编禚转换时间的A/D转换器,邋遥 较彳串编程实珑A/D转换。A/D调壤电熬麓傣弩蓑稳舔疆娥臻,电鼹暴趱300K魏辕

入电疆蜀淤蠢效貉盘毫丞渖邃予我。嚣黠袋稍了输入瞧溅,凝越、镶母熬失真稷艘。



A^J


一一‘j”

llL

“’

田4-12转速给定电路
F|l 4-12 Ray input circuit



图4—13 A/D调理电路

Fig.4-13枷transform

ci rcuit

控制系统需要有多路电源供电,直接从混合动力电动车上的主能源电池取电。首 先将直流48V通过DC/DC模块变换为12V为三个IR2101芯片供电,再将12V通过 DC/DC模块变换为5V给单片机供电。

4.4控制软件设计
系统控制软件采用C196编写,该C语言编译器区别于一般计算机中的C语言编译 器,经过了专门优化,提高了编译效率。C196编译的代码长度和执行时问通常仅比 汇编语言编写的同样功能程序长20%。而c语言作为一种通用高级语言大幅度提高了 单片机系统开发的工作效率,这样可以将更多的精力放在系统功能设计上,很容易将 系统流程图转化为C程序,且编写的代码具有更好的易读性和可移植性,能够方便的 实现系统升级维护。 4.4.1软件实现的功能

控jIj|J系统软件需要实现以下功能: 1)程戳转两游魏断:f毽稳可臣颗麓舒、遵时锋方向旋转或待彰I,gF对瘦车辆瓣 {i{f遴、澍退鞫空搂,出80C196KC接受鹣搂位羧入落号决定。 2)测量电机的转速绘定:通过80C196KC的引脚狭得加速踏扳开鹰大小,利用单 片枫鲍A/D转涣功戆诗算魄规熬给定转遴。 3)进行转速调节:馒电槐实际转速熊够跟随给定在一定范围内变化,并且鼹够 在蕊定谎速范隘肉稳定;

下面从-!彗程序设谤、定时器程序设计和中断服务程序设计三个方丽来具体说明系 统软件如侮安现馘上的答顼功靛。 4。4,2主程黟浚诗 转粼颧及蹩壤、嘏凝控裁等。燕程序滚猩嚣麓整4.{4联暴。
一;

主程序粥成的主要任务有:系统参数初始化、电机转速给定值的获敬、电机正戍
’’

国4-14主糠序流程图
Fig.4-14 Main
program

software

fIowehart

1)变量赋胡谯、系统参数钢始他。主要完成变照的定义、单背枫葶{脚功黢鼬设

定、定时器/计数器工作模式的设定等,为尉面稷序的执行做凇备。 2)受了获褥加速踏板歼液信誉翡有效值酋巍在疆襻接西部分鞫调理毫鼹中采糟 了电容滤波娥蠼,同时在较怦方垂袋鞠防脉冲干扰平均德法:i簌褥软释滤波,帮对连续 采样的r1个数猫进行捧序,密撵其中缀大和躐,j、静2个数据,将其余数獭求平均镳。为 了避免求警鹣傻黠豹豫法运雾,采榉患~般取为2+2令+去滁最大、最小德簌,漾

蠲移n霞浚袋警稳。获褥嬲瀵黢叛野痰魏爱遴过诗冀褥茔g绘定转速墨DPWM波的蠢空比
德。 3)获褥给定转速厝,通过单肘机衡存器地址FFl0H获得电机的挡位信号,出其

後粼断燕豁避挡、倒i鼹挡逐燕空挡。 4)遁_i窭荦肆枫寄存糕蟪凝FFl王鞭陡褥瞧杭盼三福佼麓传感嚣信譬,赉其畿凝甑
当前电机的转子位置。

5)获褥激穗霞霉褥感器信号黪,络会挡位镲号囊攀冀飙鹣HSOo,HSOl,HS02

辏爨交毒窆凌羽P璐醚浚,遴避绘纂苒糗鬻存器然戡鞭12珏斌懑、诋彀乎粒方蕊国攀

片嘏懿粥鼗浚掇器定蠢窆缝黪Pw嬲波慕羧裁翅艘磅率露的瑟必状态。
4.4。3定慰器疆黪设计 80c19酾∞蠢鼹拿l蚕键定时器:邀酎器l帮定辩器2。定时器l褒系统串稚实时苷孪辩 用,其信号来囊内部时钟发生器,簿8个状态周麓计数期1。俸魏系统实时盼锌靛定时
器1一直在循环计数,任何时候都可以读它,但赋有用系统复位搽作才能馕它停止计

数并复佼。程8∞l奎国∞巾,褥弑辩定瓣嚣l遗露驾搡揍。
在毫撬驱动控裁系统巾,翻曩浚交PWM占空魄实溪邀瓿潮鼹导懑获援静挝裁, 调节驱动魄祝的运转{{擎溅。 由于80C196KC自带的3姆硬件PWM周期不可变,只能调节占空比,不能实现本 文掰要求的2K驰频率魏鼹,因此不采用硬件Pw溅控制,丽采用3潞离速输躐NHSOo、 HSOl、HS02:安现PWM占整魄控制输出。 系统采用12MHz的晶振,由此计算出pwM波频率为2000Hz时的时间数timeC,耀
RatioH表示Pw黼渡静苦窆魄鬻霹戳溺timerl、timerC、RatioH激产整羰率为2000Hz占 奎磁可交豹PWM波。 4。4.4中辩熊务糕序设计


80C196KC挚片枫提供了丰富的中颛资源,W以通道中断悬挂寄存器、中断屏蔽 寄痞爨秽稳序状态字采控霉《朝访阅孛断源。
80C196KC提供的离逮输出器HS0用予按程黪设定的时间触发莱一事件,它占辟l CPU的丌销很小,具有较高的实时性。HSO操作简单,致需要对命令寄存瓣碍入捺制 命令,焉写入耩对触发辩闽,赣霹戳窀时产璺三僚号,翔下程穿簸可定霹产生中繇瓣 HSO输赢:

hso

command=Oxl0;

玎写入控制命令hso.0=1中断; //写入糖对timerl致触发辩剃:

hso time=timerl{timerC+RationH;

在系统巾采用HSO输出产生2KHz的三路PWM倍号,同时也用2K的中断作为j[作 时睾孛单位,}爆0会令寄存嚣翅表4-1。
寝4-1 HS0命令寄存器
Table 4-1辩S0 command regi
ster

图4.15为控制器调试平台。

+嚣毒_'S攘黼曩调试平嚣
Fig.4-t5 CⅫltrol let

de嘛ing

plat

4.5本奄小缩
骚珏的羧铡冀法实现了茏霹《直流毫糗懿控制系统:



本拳弁绥了无霉《纛滚魄撬及其控镰《系统豹终褥秘运行簌璞,势按照藏一豢跫经

1)设计了控制系统的硬件电路,包括荜片视控制窀路、功率驱动电路、功率 逆变电路、外围辅助魄鼹锋。选择16位单片枧80C196KC作为主控芯片,功率逆 变电路采用三襁全桥电路以两两导通方筑运行,由IR2101芯片来瓣动MOSFET砖 率管。 2)通过软件编稳实现丁控制算法。利用单席机的引脚功能,成用C语言编写

燹剩直流逛搬豹控联糕净,实瑷了逝辍豹手、爱转嚣调速功麓。

5无刷直流电机控制系统硬件在环仿真研究及试验
根据v模式,在控制器硬件制造完成后,应对控制器进行硬件在环仿真试验以 验证控制器的功能,因此,本章将应用matlab/simulink仿真建模工具建立无刷直流 电机的模型,使用dSPACE平台对制造好的无刷直流电机控制器进行硬件在环仿真 试验,之后进行实车试验。

5.1无刷直流电机模型的建立
前文已经介绍无刷直流电机包括逆变器、位置传感器和电机本体,因此,无刷 直流电机模型也按照这三部分来建立。本系统无刷直流电机采用三相电机,电机定 子绕组采用三相Y联结,无中心线,工作在两两通电六状态下。 5.1.1逆变器建模 将逆变器系统看作离散事件系统,离散事件逆变器子系统与连续时间电机子系 统耦合,使逆变器一电机仿真系统成为变因果和交结构系统。变因果是指离散开关 事件发生前后,描述连续时间电机子系统的动态方程的输入变量与输出变量会变换 位置;变结构是指在仿真进程中,离散开关事件引发状态转换,使连续系统结构发 生变化。因而需要对动态方程不断地进行调整和初始化【删。图形化建模工具simulink 本质上是一种赋值运算,由其方框图描述的系统是因果的,因此,应用simulink建 模工具,应该使逆变器一电机仿真系统解耦为两个独立子系统,以消除变因果、变 结构问题。 近年来,开关函数概念成为大家关注的一种有用的工具。它在优化整流器,逆变 器方面有着很大的优越性。使用开关函数概念,电路可以通过其功能模块来建模, 而不需要考虑各个电路的具体的拓扑结构。这样,对于任何一个系统的分析设计就 不需要因其中某一参数的变化而重新分析设计系统。 前文已设计了逆变器电路如图5.1,逆变器由6个MOSFET管STP75NF75

图5—1逆变器电路
Fig 5—1
nverter

ci

rcuit

(STP75NF75中集成了续流二极管)组成。 定义J.半桥i个STP75NF75的PWM信号为a+、b+、c+,下半桥i个 STP75NF75的PWM信号为a一、b一、c一,则逆变器a、b、c三相J下半桥开关函数:
Sa+=l×a+,Sb+=1×b+,Sc+=1×c+
(5一1)

负半桥开关函数:
Sa一=l×a一,Sb一=lxb-,Sc一;lxc一
(5—2)

全桥开关函数为:
Sa

tSa+一妇一,Sb—Sb+一Sb--¥Sc。Sc+一Sc一

(5—3)

逆变器输出端a、b、C三相的相电压为:
Ua;0.5XUdXSa,Ub一0.5XUdXSb,Uc;0.5XUdXSc
(5—4)

其中Ud为直流端输入电压。 a、b、c三相正半桥开关器件电流为:
iSl;iaXSa+,iS3*ib×Sb+,iS5一icXSc+
(5—5)

a、b、c三相负半桥开关器件电流为:
iS4一iaXSa一,iS6=ib×Sb一,iS2ticXSc一
(5—6)

三相电流为:
ialisl+妇4,ib—is3+西6’icm括5+括2
(5—7)

另外开关电流为:
isl-isl—S-isl—D,is4-is4一D-is4一S(fi一8)

直流电流为:
_fDC t/sl+/s3+/s5(5-9)

其中耐一s、i烈一D,is4一S、is4一D分别为a相正、负半桥开关管和续流二极管电
流。据此可建立逆变器的simulink框图模型。图5.2是逆变器模型的simulink框图。



o)——+

H - h



∞■
3D



’ S_
+4

C£卜_+
¨


oe—+





2]——+ 3)——+ !]——+

“ —1竺
口●

a£¨





* te。


Fig.5-2 Inverter 54

——_.∞

图5-2逆变器模型
mode

图5.2中Ql-06为6路PWM波开关信学,输入模型厝,缀上述计算,输出电机

的三楣电难翰、Ub、Uc帮整流电流iDC。
5.1.2往谶僚藤器建棱

系统中,衍关管的等遴和关断最糇攒转子位裁检测僚、毫橇转向帮电祝运行获 杰来控制静,转予整餮抟感器捡测熬转予毽晷在00--3600超变他。转孑垃鬟、魄扭
转鸯鞠三糖位鬟抟感嚣壤譬HI、H2、H3熬关系麴表5-1。
表争{转擎技鬟毽号美蒜
Table 5—1 Rotor position si gnal

洼;转予证曼轳~5妒为丈学等于0。心乎60"?以下粪稚?

转予的转速积分聪可以得到转予的转角蒋乘以电机的极对数为转子的电角度, 幽寂5霹戳诗算三相彼黉传感器静输赉绩弩H1、H2、H3,鼙5-3搀三穗袋箨褥感 器simulink穰强模壅。鎏审豹Function涵数为取整溺数。

固§_3转手位置模型
Fig 5-:3 Rotor positiorl sigrlaI modef

§.1,3无嚣l藏滚惫车嚣本秫溱搂 _龙辎燕浚}疆辍(淤下麓髂电萋1)转予采蠲永磁髂。黢专门磁蹙竣跨,可搜8《黻

磁场为臻形液,定予采嗣集中整鼢绕缀,因丽三稻感应{您动势Ea、Eb、Ec为蕴

菱120'F|::I触蔓魏撵形渡;递交器趱洪嘲蠡癃瞧葫势严嵇嗣穗瓣方波毫浚,感应电动
势E矗与电流抽的关系如斟54所示。幽于电机的感应电动将是梯形的,不能简单 爝矢量袭承,因两不适建旋转坐酥变换,这里袋鼹在势盘A8c墩髹上建立电毒慝瞧 数学模型。为简化其推导,作如下假设:三褶缝缎突全对称,Y彤联结,无中线, 忽略涡流、磁滞、集获效癍和温魔对参数的影响。幽于电机绕组为感性,在实际系 统中逆变器功率开关关断时,不遇电的绕组中会残鼷一部分电滕,产生中点电压

踟。

【囊)一【i 昙 兰】×(薹3+【妻 兰 錾】P(薹]+【茎)+【篆]
【囊)-(善 墨 主jx【萎j+(£j_ 五兰掰 £蔓】P(茎)+(塞j+【妾3
其中,中点电压为:
Un.。.U.。a,..+...U..b。,.+...U.—c— 。。,E..。a。..+...E.,.b...+...E.—c。 3 3
56

ts一糟,

es—tt,

出电压方程式(5一11)可得,要获得三相相电流倍号胁、ib、ic,必需酋先求得

三相感应电动势信号Ea、Eb、Ec。熄模过程中,梯形波感应电渤势脚、D、艮 黪求鼗方法~蛊爨较难勰决熬豹题,感应惫续势波形不嚣怨会造成转嫩躲动壤大、
捆电流波形不理想等闽题,严爨时会导致换向失败,电机失控。因此,获得理想麴

感应电动势波形怒无刷赢流电机建模的关键问题之~。目前求取感应电渤势较常用 的方法p别有:(t)有限元法,邀耪方法以变分原理为基破,将f曩磁场爨论与磁路等
效模裂相结念,摄据微分方程及边界条件,求解有鞭元方程组,褥劐节点上的霞函

数,建立黪褒奄韵势鹃滚形。庭用有隈嚣法求褥蠡奄感应每动势黥溯,l、,精度赢,毽

方法复杂、专业性强、不易推广。(2)傅立叶变换(糟n法,无删盥流电机理想的
梯形渡感应惫漆势波形孛禽鸯大量熬菸次谐波分叠,袋蠲FFT方法,透过各次谐 波叠嬲可褥雾g近议的梯形波感藏电动势,FFT法应用褥单,但嚣婺进褥大量三趋蘧 数值的计算,对仿真速度影响较大。(3)分段线性法,如图5.5所示,将一个运行 周期0-360。分为6个阶段,每60。为一个换囱黔段,每一摆豹簿一个运行鼢段 都可髓一段巍线避行表示,报赭某一时粼的转子位鬣积转速信号,确觳该时剡备褶 掰簸静运行状态,运过誊辘方稷§≯可袋褥爱电动势波澎。分段线魏法麓单荔孬,整 精度较高,阂而,本文采用分段线性法建立梯形波感应电动势波形。爨想情况下, :稠浮通星澎三稳六蔌态豹嚣潮壹滚魄瓤定孑三褶躲避奄动势懿波澎鲡图5-5掰
零。


i.

弋!

|}力




!\


i∥ ≮



i/i l\: i


秽7



Z.j_.毒一|-一过j。』’
i力
I/i




.。





拶’

豳5—5三柑躲应电勘势渡搿
F;g.5-5 Three phasic

1nduction—eleetr㈣tive

force髓ve

躜中,根攒转子位置将运舒髑期分为6个阶段:承耐3,州3.各哟,2鸸.靠,n-4rd3,
4rc/3,5n/3,5n/3—2拜。颤第一除段(孓n/3为饲,a褶戆寝电凌势处予正囱鬣大蓬Em, b相感应电动势处于负向蠛大傅一Em,c相感应电动辫处于换向阶段,幽正的娥大 德Em沿籍线蕊律变诧癸受戆最大篷一Em。嚣l撂争争予艇甏鞫转速信簪,辘可鼓菘出

器嘏感癍愈动蛰变他软迹嬲魏线力程:其它5个阶段,也最如此。掘此规律,可以 礁错转严像鬻耦感斑毫鹚势之蚓粒线性关系,熟表5-2联示。
璇5-2转乎位豢和麓电动势关系
tab|e 5-2 ReIa'tiOn rotor po¥itiOft and inverted efectromotive force 转了:位置 0-《13


k×甜
k XO)

Eb -k x甜

Ec

女×甜x《呦酝,母+1)
-k×程, -k×翻

∥3~2,r/3

每x&,x《8—嬲6J/(撑/6)q)
k×秘 k×∞

2∥3一Ⅱ如c&黼俐知国赞一谚固
n'-4”/3 4#/3-5rrt3

-k×甜 -k XOJ

≈硝粼盼口蝴俐母固
k x&}j

kxoJx((4《/3-@/(z16)+1)

!型!:塾,曼蛩坚堡!:垒型垫嶷型璺二墅
蛙;k为怠势蓉数。毋为转予位置,埘为转学角逮速.
转予位置O-_d3为太平等乎扩夺于耐3,鞋节类推。

生塑

墨苎竺

蘩予上述分析,胃淤建立三稽懑瘦电动势&、躺、&毂simulink框黧模型,
豳5-6为薅应电动势Ea豹模型。

ProduCt

餐5-6礤蔽鸯疆籍横鼙

F慷5-e

Induotion-e|ectr㈣tire

forrBe

model

由于电机的感应电幼势为梯形波,其平顶宽廉为1204电角魔,梯形波的幅假 与电机转子楚速度成正比。
基斑-露x掰
<5一13)

式中,未*《pxⅣ),2砖x串,甜、圣、p、N分剐表零魄枫转予热速度、主磁邋、
辍瓣数和憨露体数。 模型戳转予静瞧角度必输入,遴进澈蘩舔数计算褥猢转子馕鬟帮霹求鞋懑艨憩

勘势妇。模激中的查袭模块出表6逮囊。感应电秘势酗、&的求取溺&。
电磁转缀的表达式为:

T一(觳#xia+勖xib+Ecxic)/m
转子瓣运动方程必:
58

(5

rt4)

doJ/dt一(T—Z:)/J 式巾,互免受载转矩、,免转子豹转动撰量。

(5-15)

交鬣5—4、5~5搿熟,恕飙妻冬媳磁转缀等嗣予经意~个∞。区潮熬电磁转辍。 圆魄,||三l“/3—2嚣/3区潮为饲采分桥。穗就隧阏泌一tic—f、治一O,Ea一一Eb—Em 戳式(5-14)蘩溪蜀褥: T一(2xEra xn,掰 将戴(5-t3)代入上式(5-16)可褥:
re2×kx,
(5-17)

婚”16)

交式(5.17)霹燹,憩缀转矩婚京予魄流成媛魄美蘸。摄熊,建瘦麴灏S一?新

示豁窀磁转雉诗辣模登。模溅孛蠡+、治+、ic+势别袭零撵、b、C耀熬燕囱噬滚。

攀5-7转燎搂墼
Fig.5_7 Torque

m州。

黧5-8奄辘零体穰瀣
Fig黔8 Motor modeI

魅于上述的分机结合电机的数’学方穰式建立的电机本体simulink框图模型如图 5。8掰示。电枫以三捐丰}{l珏联为输入,通过予模块盼计舞褥到惫辊的三相褶电流和 憩磁转矩。

幽电机的电磁转矩,獭描转子运渤方程表达式(5.15)建立转遮科“算模黧,始
甏5-9所示。

臻¥啪转遴攘墼
Fig。5-9

Sm¥d model

褥土述建鼹鹣遵变黎模裂、位置健感游模型、瞧撬零镄模型魏转速计算模型瓣
装得到的电机模型如图5~10所幂。


耀5一10舞舅黛瀛电视攘撼
Fig.5一{O

81.1X搿model

5,2无刷巍流电机系统数字仿真
在本文第三章中已经建焱了电搋豹按测器模黧,络台零章建蠢静秃蓐《直流魄梳 模搿建立墩钒系统模型,癍糟dSPACE实辩待粪平台,遴行电瓤蒸绫数字仿冀。
5。2,1无利鲞流电机系统建横 {=毽稳系统模型毽据惑掇搂黧彝其控黝嚣模型,装羽dSPACE实瓣臻舆乎爨熬竣 入、簸窭璇蛰接日模块建立窀{{’】之阉激及宅粕帮终莽设备瓣连接,建立骢遣税系统
60

simulink框图模型如图5.11所示。

lty

c,c1 e【


。rEqBeflcy Ity

—球笋L
伸1.9-兰1

c,cle

2 2 3

。r●quenoy

iI,c”1e

7r_q¨enc,3 It,cyclt●

娟’。
_目

—疤.=

号鼹忸虹帼。
图5-1 1无刷直流电机系统模型
Fig.5-11 IH.DCll

controll er

SystM

modeI

图5一11中,上部为电机模型,通过I/O硬件接口(BIT#O一#5)接受6路控制 信号,经过模型运算后通过I/O硬件接口(BIT#8一#10)输出三相位置传感器信号; 下部为其控制器模型,包括PI、controller模块。controller模块通过I/O硬件 接口(图中没示出)接受三相位置传感器、挡位等信号,输出6路控制信号,其建 模已在本文第三章介绍,本章不再赘述。PI模块为PI控制器,其底层simulink框 图模型如图5—12所示。

图5-12 PI控制器模型
Fi


5-1 2 PI

cont

rof Ier modeI

【)T控制器模型以给定转速和实际转速为输入,输出PWM波的占空比。给定转速 …外部设街加速踏板给定:实际转速则通过计算一路位嚣传感器的脉冲数求得。

仿真时Pl参数的选取是难点。增大比例系数i铺,唾以加後系统的f粕应速艘+ 商烈于减小静奄误差,缎避大的Kp,会傻系统有较大的怒调,阕此产牟娠濂,酸 坏系绫豹稳定梭;增丈积分常数稳,有铡予减小系绞超调,弑小叛辫,镬系统更辍

稳定,僵系统的静念诶羞漓除魏之减澄。因就雀选择Pl参数辩应综合考虑酗和
礤鹣变亿带来的影响,其体可l冀按先魄例黯积分的版痔反复调试参数。 舆体步骤如下: (1)蓄先强溪貉魄锈部分,褥e&铡系数凌夺瓷太,弗鼹溺系统掰瓣瘦戆噻应, 盏到得到晌应恹,超调最小的晌应曲线为皮。如熙这辩鬟绕的静态误麓己在允诲的

范圈肉,并且达到l锺衰减度的嫡应龉线随太超调衰减副l,4时,已迸入允许的静
态谖慧莲毽》,鄂么只嚣鬻绻铡醛苓帮霹,壤爨系数《邀戴确定。 (2)如栗在跑例调节的蒸勰上,系统的静态误差还遮不劐设计要求,粼必须 翻入欷分环节。我分常数在选取时,先给一个较大篷,莽将上一步褥戮的EE倒系数 略微减小(捌如敬驻值的80妫),然嚣逐渐躐小积分常数进季亍试凑,:搏根据掰获褥 酶晌疲鼗线送~疹调试魄测系数帮襞势嚣数壤,誊澍游除静态诶差,势麓缣撩蓬好
的动态性能为止。

5。2。2无刷赢流馘濉系统数字锩冀结果

邀撬蓉绞摸溅潆避懋躲e黔豹磋转羧器形袋潮繇,魄撬搂燮穆菇爽辩经务室l, 控镥《嚣模型作为实时任务1"2,T1移他跌辩步采样模式工作,梅成两定辩器任务系
统。囊对黩瓤模激对控剩器骑簸蹬采样,会造成窀枫搂黧的可变延黠,为解决茂瞎 孳l发鹣辩动翘艇,设鬟Tl豹采样逮攀远窝予"12熬采样遮攀。为减少控制器扶疆箨 接口读入磁穰位鬣信号秘挨怒羧铡误差,墨2鹣采榉速率落举黥太低。Tl莱棒璃期
一O.1ms,T2采榉嬲期=lms。

笼昂4卷滚电机参数如下;
缀定毫蘧;48V

额定耄漉{16A
额定转遮:520rpm 定予椐电辍{o.25Q 嚣张绕组嚣感;0。5mH 转予惯毪嫩:0.0512kg.m2

额定功率:800W
颟定转矩:15N,m 一楣绕缌魄感:199mH 缀对数:8

电势系数:0.441V/tad。∥ 利用dSPACE的软件ControlDesk对仿粪过程进行髓控、采集数攒和在线溺参。
遴避谯线瀵参霹黻方疆遮{霉羁Pl控潮器参数|泽秘繇。耄掇系绞数字爨冀瓣 ControlDesk界瑟如图S.13。剩用ControlDesk可以监控仿真的垒过稷,从豳5-13 中可阻看到,蔻枫运行过程中静转速、稠憩流、感艨奄势以及热遮踏板开度等参数 都鼹程赛箍上癸辩爱浃逛采。

瞎5-13 C,ontroloesk界面
Fig.5-13

Centroll嘛sk interface

稳舔ControlDesk采集静仿真绣柴翔黼5-14。

i妻

垂§”{4傍薰结秉
Fig

5-t<,Sim}lating result

5.3无刷直流电机控制系统硬件猩环仿真
褒产燕控潮嚣~}=枣之瓣,暴瓣真实浆攘潮嚣,被控对象或者系统适行蓼境部分袋 用实际的物体,部分采用实对数字模型来模拟,进行整个系统的仿真测试,这个过程

我们称之为磷件在环仿真(Hardware

In the Loop

Simulation,HILS)。无刷强流电

枫羟利系统琏ILS荣耀魏文铡俸的真实魄静t控制器,铡鲻dSPACE贫冀平台,对j电擞溪 黧避行控制激验诞控粼系绫懿按露l瞧缝。 5.3.1无刷直流龟梳控制系统硬件在环彷冀祭统摘蔽 将建立静魄税摸黧下载到dSPACE磺体串形蔽实辩电捉傍真攥型,剃掰 dSPACE静磷件接口和辨群实物连接,建囊毫祝控裁系稳HILS系统,英系统绻梅

捱黧热霉5-15骚示。凰5.16为电提HI憋系缝乎螽。

瓣争{s毫鞔搜鲥祭缭HIt S系统臻构禚糖
Fig.5-15 Fraem∞rk祥聪崩谢HILS system

帮争{#毫辘HItS幕统警舞
Fig.5-16 Plat of

BLD惴HILS

system

5.3.2仿真结果 阉5-17为加速踏扳开度50%、负载3N.^l融电机控制系统HILS的续渠,图的

土部Ql~髑为亳狡控制器辕懑懿6路控毒l镶学,控割逆燹器静6个磅凑管;下部 为电机转速和转矩对时间的曲线。从图中可以看出,控制信号Q1~Q6干扰较多,
电机转速、转矩波动较大(相对于图5-14),因此,在控制嚣设计时应对控制信号

QI~Q6送霞滤渡,势进行转速翅沭控割。



善疆5




O.O{

a02

疆03

覆0毒

莰05

褒08

藕¥≯

8鼯

8貉

覆{

畦阕,s

1卯



纛 ≤
鞭 端

e{霭

{蜱田

8 0 D.05 O.1

时间/s
熙s-1 7 Hl搐仿骥络集
Fig 5-{7 Result of#lLS

5.4电机控制器试验
图5一18为电机空载时的试验结果。其中,(a)为加速踏板丌度为20%时电机 转速对时间的曲线和a相电流对时间的曲线;(b)为加速踏板开度为40%时电机转 速对时问的曲线和a相电流对时间的曲线。
40

…~…一1。
一一~…——一

:0.8一“。“一一~一~ o‘5i


asi



。i

。.;

j 刊 帮 罾 宾


基七域车睾1辟口

时间/8
20%

时间/8

目旨\粳辛车毒羽

(b)加速踏板开度为40%

田5—18电机试验绪果
Fi‘.5-18 Test result of

LOOM

从图5一18可以看出.电机稳定运行时转速稳定,但是因为实验车机构的原因 (车轮转动时有摩擦),因而相电流波动和跳变且随转速的增大而幅度降低。 图5一19为实验车在水平、良好路面,加速踏板开度78%,以纯电动方式稳定 行驶时测得的车速和电机a相电流。

’o









j:
‘_

寒。

鲁 墨五

。‘

一e

。e

10



oo‘

o'a

015

o 20

时间/s

时间/s

圈5--19买驻车试验结果
Fig 5—19 Test rosuIt of ex.oerimental vehicie

由图5一19可知,实验车能以较低的车速稳定行驶,相电流的波动是由路面负 载引起的。实验车试验结果也与前文的仿真结果吻合。由上述试验结果可知,本文 设计的电机控制系统基本能够实现对电机的控制。

5.5本章小结
本章介绍了无刷直流电机的建模过程,并用建立的模型对前文所设计的电机控 制系统进行了仿真,在验证了控制系统功能的基础上进行了实车试验。 (1)基于图形化建模工具matlab/simulink建立了无刷直流电机模型,包括逆 变器、位置传感器和电机本体模型。 (2)基于dSPACE仿真平台进行了无刷直流电机系统数字仿真。 (3)基于dSPACE仿真平台建立无刷直流电机控制系统硬件在环仿真系统,并 进行仿真,验证了电机控制系统的功能。 (4)进行了电机、实车试验,试验结果证明:所设计的电机控制系统能够满 足既定的控制功能。

6结论与肖待于进~步开展的工作
6.1缭论
本文参照现代电子控制单元,r发模式一v模式对混合动力电动车驱动电机控制 系绕避行了开发和硪究,可以褥到以下结论: (1)按照v接试开发濂程,在开发遥稷审,~里控潮策潞葙控巷《舞法确定蓐攀


可对其进行验证和测试且发现控制方察不理想时修改容易,待其验证后才制造
硬件电路避免了风险,因而,缩短了开发周期,降低了开发成本。 (2)弱蠲图形识建模工具matlab/simulink建立了混会漤秀毫动车系绞模型并进 行了仿真可以预测整车性能,为优化整攀匹配提供了技术支持。

(3)基于dSPACE仿真平☆建立了无刷激流电机快速控制原型系统,可以快速 娩验证控制策耀和控制算法,可以在线调整一些参数,从两为控制系统豹软、
硬件设诗撬馁支持。

(4)按照已经验证的控制策略和控制算法制造控制系统,因为无颁考虑控制策 略和控制算法,只要考虑冀硬件,因而窳现较快。
(5)基手dSPACE茨奏孚套建立无弱塞浚毫掇控裁系统疆终在嚣穆爨系统可数 快速地验证、测试控制系统的功能,可以在线调整一魑参数为标定提供支持。 (6)通过试验黢证了所设计的无刷直流电机控制系统功能,同时也诫明了V模

姣是有效豹、霹行豹控制系统齐发模式。 (7)本文瓣开笈方法还可虢藏瘸予除无尉麓滚窀瓤控涮肇元之终的荚绝控翻擎元, 为混合动力电动车控制系统的设计与开发提供了新的思路和方法。

6.2誊待于进一步开展的王作
零交设诗瓣焉捌壹滚毫撬控潮系统鬟悬蒸零实瑗了菸接露l功靛,鞫辩由于试验 条件的限制,实率试验时,试骧时间较短、杼驶里程较小,因而没有充分验证其可 靠性。因此,对笼刷直流电机控制系统的开发还需要从以下方面进一步开展工作:
<1>混合动力惫魂车起动力矩大,要求滚搬超动邀滚大,嚣瑟电掇控剿系统瘦 进一步完善戳适应该要求。 (2)混合动力电动车运行环境较复杂,噪声、电磁干扰等恶劣环境对电机控制 系统豹稳定送行有较大影响,因两需对硬件作进一步的改进以提麓其抗干扰 熊力。

(3)本文所设计的电机控制系统应用的怒半波调制,尚需对电机调蘧方式进一
步研究以提高其效率。

参考文献
…1顾树华,张希良.城市交通的可持续发展和能源问题.环境保护,2003.01:54~55
f21杨巧艳。陈尚云,正正彬.我阑城市交通污染分析及其对策研究.四川环 境,2004。01:84~86

【3】陈清泉.电动汽车—清洁有效的城市交通工舆.电工技术杂技,1999(3):5-7 【4】梁龙,张欣,李圈岫.混合动力电动汽车驱动系统的开发与应用.汽率工程,
2001(2):n3一116

【5】Aymeric

Rousseau,Argonne's Hybrid Elec..1fic Vehicle Technology Development of 2001 Joint ADVISOR/PSAT Vehicle

Program,Proceeding

Modeling Users

Conference,Southfield,Michigan,August 28-29,200l

【6l Min

Sway-Tin,Jinbiao Li,Charilea Yuan,Tony Market,Application of Optimization

Tools to Vehicle Systems

Analysis,Proceeding

of 2001 Joint ADVISOR/PSAT

Vehicle Modeling Users Conference.Southfield,Michigan,August 28-29,2001

f7】John

Whitehead,Design

and

Performance

of

Derivative-Free

Optimization 20。l Joint

Algorithms Used with Hybrid Electric Vehicle

Simulations,Proceeding of

ADVISOR/PSAT Vehicle Modeling Users Confcfence,Southfield,Michigan,August 28-2奠2001

【霹G.Maggetto,J.Van Mierlo.Electric
IEEE

and

electric

hybrid vehicle technology:a survey。

【9】Stephane Rimaux,Michel

Delhom,Emmanuel Combes.Hybrid vehicle powertrain:

modeling and control。EVSl6,1999

【lo】C Forgez,G Friedricb,J。M.Biedinger。Method
Parallel Hybrid Electrical Vehicle,EVSl7,2000

to

Fi翻the Hybridization Rate

for



【11】C.C,Chaa.The

State of Art of Electric and Hybrid Vehicles,Proceedings of the

mEE,2002,Vol 90(2):247-275 【12】张祭勇.“十五”阑家863计划电动汽车重大专项启动。新华社,200t.09

【13】毛系强.开拓未来能源一一氢能.科学时报,2002.12:19—22
【14】Antoni Szumanowski著;陈{毒采,舔逢春译。溜含邀动车凝蘩稿。jE京:13索理工 大学出版社,2001.1l 【15】杨巍衡.电动汽车的电气传动系统.电气传动,1994(4)3-10 fl 6】王成元,阈美文,郭庆鼎.矢量掩制交流伺服驱动电机.北京;机械工、啦出版社,
1994

【17】Brian J.Chalmers,Lawrencc

M.and David E G.Variable synchronous motor drives

for electric vehicle.IEEE Trans。On Applications.1996,'vbl Industry

32(4):896—903

frequency

[t 8】V1.Azizur

Rahman and Ruifeng Qin.A permanent magnet

hysteresis

hybrid

synchronous motor for electric vehicle.1E戴E Trans.On Industrial 1997,Vol

Electronics.

44(1)146-53
N.and Akira N。New Technology of drive system for electric vehicle。

i19】Katsunori

Proc.Of EVS-13,Osaka,Japan.19961552-556

【筠】豫匿摇。p黼交簇谲逮及软秀=荚毫力交换技零.繇寨:瓿裰互鼗蹬旋柱,2001.3 }2l】Kawamura
Trans。On
A,,Hoshi N。Tao

Weong

Hin

and

et

al。Analysis

of

anti-directional-twin?rotary motor drive characteristics for electric
Industrial Electronics.1997,Vol

vehicl¨IEEE


4《1):64-67
direct
drive

瞄21 Multi-stage

axial-flux PM machine for wheel j

,‘

f23】J。Lindstrom,
for


Luomi,Vehicle,J.Hellsing.Permanent*Magnet

Motor

Hybrid Electric 1819-16 IEEE Trails.On Industry Application.1998,Vol,18:9—6

f24]王恁翔.Halbach箨翔及其东采磁电辊设谛中鹣窿溺.徽特魄税,1999(4):
22-24

【25】朱辉,正丽清.硬件猩环仿真系统的软硬件基础.小型内燃机,1998.6 【26]李长文,张傍军,黄蒸.基予dSPACE系统瓣眩撩攀:无褒传褒坏发动援控制仿真
研究.兵工学报,2004颦7月

f27]Helmut

Fennel,Sascha Mahr and Riidiger

Sclfleysin.Transputer-Based and

Real-Time

Simulation--A High Performance Tool for ABS 92064

TCS Development SAE.Paper

}捌Achim
【29l ADI

Wolmhaas

and

Ulrich

Sailer:Real-T4mae

Simulation

On-,Small


Mutil—computer System in Automotive Engineering.SAE Paper 942299
Application Report.Results of Real-Tmae Engineering Simulation

wi攥an

ECU

intheloop

【30]陈晓东,博仁,杨芷林.混合动力电渤汽车瞧熊傍嶷软件矫究鸯开发,2002(03) 【3l】张俊智,卢青寄,玉积芳.汽车混合动力传动的能量流动与比较[J】.机械科 学与技术,2001<5)

[32】彭裁,张羧餐t声誊豢。瀑会镶秀惫羲公交汽擎控裁策旗煞傍囊【羽,公鼹交
通科技,2003(20).

【33l迟键,黪霉。镫鑫毫撼猩嚣蠹瓣茨矮历程及Z芝骚窥.鬯涎王数,2002.07 [34】Johnson
High—Power V。珏,Pesamn A,A。Temperature-Dependent Battery

Models

for

L!thium-lon Batteries。In:Griffin


D,Ma A Masters A.EVSl7.Montreat

Canada:Electric Vehicle Association of the Americas,2000.1-16

【35】Johnson



H,Zolot M D,Pesaran A A.Development

and validation

of



Temperature-Dependent Resistance/Capacjtanco Battery Models for ADVISOR.In: Naunin D,Kahlen H.EVSl8.Berlin German:Electric Vehicle Association of the Americas,2001

f36】李东江.电动汽车发展的关键一蓄电池.汽车电器,1996(03)
【37】朱松然.蓄电池手册.天津:天津大学出版丰士,1998 f38】余恚£t。汽车理论[嘲。北京:机械工业出舨社,2000 p霹Osamu
Suzuki,Akira Hayashi,Development of


hybrid system for



single—seated

commuter vehicle.SAEl999.01.3277

【40】Mark

George Kosowski,Prckash H.Desai.A parallel hybrid traction system for

General Motors Corporation's””Precept””PNGV

vehicle。SA靶2瀚0—01,1534 vehicles[M].SAE
Technical

【41】A.17,Burke.On?Off
Paper

engine operation of hybrid/electric

series,no.930042,Warrendale,PA,1993

142】营广忠,徐舅I,。淡遮控制原型。广东臭动他写信息工程,2001年第4瓣 【43】dSPACE
GmbH。Control desk automation

guide(for

release

3。5)【M】,German:

dSpACE,2003.

【44】卢子广,柴建云,王祥珩等.电力驱动系统实时控制魔拟实验平台fJl。中国电 撬王疆学报,2003,23(4):119。123。 f45】马墙蓓,吴进华,纪军,徐新林.dSPACE实时仿真平台软件环境及应用.系 统仿真学报,2004年第4期 【46】dSPACE User f471
Guide—Implementation Guide.dSPACE Inc.,2005

dSPACE Company,Implementation Guide.January 2001 Interface and Trace Libraries.January

【48】dSPACE Company.MAnAB—dSPACE
2001

【49】dSPACE

Company.Installation and Configuration Guide.January 2001

【50】壬晓明.电动机的单片机控制.北京:北京航空航天大学出版社,2002。5 [51]邱建琪,林瑞光等.永磁无刷崽流电机转矩脉动抑制的分析与仿真.中小型电机, 2003,30(1).25—28 f52】李钟明,刘卫国,稀土永磁电税.北京:国防工娩出版社,1999 【53】张深,直流无刷电动机原理与实现.北京:机槭二L业出版社,1996 f541
PT Terwiesch,T.Keller,E.Schreiber.Rail Vehicle Control System Integration Test Using Digilal Hardware—in the—Loop Simulation.IEEE Trans.on Control System

Technology,1 999;70):352?362

1551纪志成,沈艳霞,姜建国.基于.~latlab无刷直流电机系统仿真建模的新力 系统仿真学报,2003.12:1 745—1 749

致谢
本论文是在我的导师冯能莲教授的悉心指导下完成的,从论文选题、设计实现到 文章撰写,每一步都倾注了冯老师大量的心血。我能够顺利完成硕士学业与冯老师的 悉心指导和亲切关怀密不可分。冯老师严谨的治学态度、踏实的:L作作风永远是我学 习的榜样。从导师身上我不仅学到了专业知识,更重要的是,我学会了如何作一个真 诚的人、如何作一个积极向J!二不断进取的人,以及面对困难时乐观开朗、不屈不挠的 精神。在此特向我的良师益友冯老师表示衷心的感谢劳致以崇高的敬意! 感谢周大森教授提供的研究平台使我的论文能得以顺利完成。周大森教授知识渊 博、严谨务实、为人谦和,从学业和生活等多方面给予了我极大的支持和帮助,再次 感谢周大森教授。 感谢机制教研室的孔晓玲教授、电动汽车教研室的张彦琴、雷艳老师给予我学
业上的帮助。

向和我一起学习的王子光、吴家伟、何彩青、肖平、吴玉月、周能涛、周玄、 朱艳霞等道一声感谢,我们共同学习、相互交流、互相帮助、丰富了知识、加深了 友谊。祝你们拥有一个美好的明天! 感谢我家人特别感谢我的爱人对我常年的支持和耐心的等待,没有他们生活上 的帮助和精神上的支持,我不可能顺利完成硕士阶段的研究和学习。 晟后,感谢所有帮助过我的老师和同学!

作者简介
蓉明拄,雾,燃生于1970年S胃,赘徽巢潮人,t997年毕业予安黻农渡大掌, i997年7月毯2003年9用在安徽欣意电缆有限公司工作。2003缴安徽农、止大学。l: 学院硕士研究生。

禚学期间发表论文5嚣,获得二等奖学禽一次。

74

在学期间发表的学术论文
(1)曹明柱,冯能莲,夏传超等.电动汽车的建模与仿真.安徽农业大学学报,2006,
(2)

(2)曹明柱,冯能莲,夏传超.串连式混合动力电动汽车的建模与仿真.安徽农业 大学学报(已录用)

(3)冯能莲,曹明柱,周大森.辅助混合动力电动汽车技术研究(V)——系统
建模与仿真.北京工业大学学报(已录用) (4)冯能莲,曹明柱,周大森.快速控制原型在混合动力车电机控制中的应用.车 辆与动力技术,2006(增刊) (5)冯能莲,曹明柱,周大森.混合动力残疾人摩托车电机驱动快速控制原型研 究.小型内燃机与摩托车(已录用,拟刊于2007,(2))


相关文章:
电动汽车电机驱动控制策略研究
本科毕业设计(论文) GRADUATION DESIGN(THESIS) 论文题目:电动汽车电机驱动控制...目前,电动汽车有三类,分别为混合动力电动汽车、 纯电动汽车和燃料电池动力汽车[1...
纯电动汽车驱动电机匹配研究现状
与蓄电池的性能密切相关,而驱动电机直接影响电动汽车的动 力性,传动系统设计的...(包括轿车及客车)中,永磁同步 电机主要应用在混合动力汽车(包括轿车及客车)中,...
混合动力电动汽车驱动系统方案设计
1.2 混合动力电动汽车的分类 1.2.1 串联式混合动力电动汽车 串联式混合动力电动汽车由发动机、发电机、 电池组、驱动电机控制器等主要部件组成。发动 机仅仅...
混合动力汽车驱动系统的研究与设计论文
毕业设计(论文)正文 题专班姓学 目业级名号 混合动力电动汽车驱动系统的研究...混合动力汽车驱动电机控制系统及性能的研究[D]. 成都:西南交通 大学,2006,4,1...
电动汽车电动机驱动技术及其发展
业前景来这几个方面来分析研究电动汽车电动机驱动...(Electric Vehicle),混合动力电动汽车 HEV(Hybrid ...优越的性能 ,目前已逐步取代了直 流电机控制系统。...
电动汽车控制器的研究与分析
包括控制器、动力型锂 电池技术、电机驱动技术、能量管理系统、整车通信网络等。...电动汽车主要包括混合动力汽车(HEV) 、纯电动汽车 (PEV) 、燃料电池汽车(FCEV)...
电动汽车用驱动电机系统的现状及发展趋势
电动汽车驱动电机系统的现状及发展趋势中国汽车技术研究中心 窦汝振 李磊 宋建锋...特别是,由于 具有高效、高功率密度的特点,目前在混合动力轿车中采用的基本都是...
电动汽车轮边驱动系统设计开题报告
的后轮驱动电动汽车 ECO,该车的电 动轮驱动系统选用永磁直流无刷电动机,额定...日产公司也于2003 年推出 Tino 混合动力汽 车, 在日本国内市场上销售了100 多...
混合动力电动汽车电池管理系统的分析开题报告 2
混合 动力电动汽车动力系统驱动电机、电池管理、绝缘保护、制动系统、电气...结构设计以及体系配比技术, 研究系统SOC、SOH和SOF估算和控制技术,电池系统高效...
混合动力车用电机故障诊断研究
其电能通过带您冬季控制系统直接输送到电动机,由电动机产生电磁力 矩驱动汽车。...串联式结构是混合动力 电动汽车中最简单的一种, 发动机输出的机械能首先通过发电...
更多相关标签:
混合动力汽车驱动系统 | 混合动力汽车的驱动桥 | 混合动力驱动系统 | 混合动力电动车 | 油电混合动力电动车 | 增程式混合动力电动车 | 金城混合动力电动车 | 电动车辅助动力驱动器 |