核心提示：　　★機(jī)電控制技術(shù)開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用楊岳峰，孫即明，張奕黃（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）了比較，并著重論述了！種適合用作牽引的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)，并在單片機(jī)AT8

　　★機(jī)電控制技術(shù)開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用楊岳峰，孫即明，張奕黃（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044）了比較，并著重論述了！種適合用作牽引的開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)，并在單片機(jī)AT89C51的基礎(chǔ)上采用TMS320LF2407新一代的DSP產(chǎn)品，使該控制器的可靠性更高，響應(yīng)更快。）是一種以電池為動(dòng)力的汽車，與燃油汽車有顯著的區(qū)別。電動(dòng)汽車是涉及到機(jī)械、電力、電子、計(jì)算機(jī)控制等多種學(xué)科的高技術(shù)產(chǎn)品，電動(dòng)汽車將勢必成為21世紀(jì)取代燃油汽車的主要交通工具。

　　1開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)特性才逐漸發(fā)展起來的一種新型驅(qū)動(dòng)裝置，它可以實(shí)現(xiàn)高精度、快響應(yīng)、高效率以及高輸出的性能指標(biāo)。對SRM的研究和開發(fā)已經(jīng)引起了國際電工界的廣泛重視。

　　典型的SRM原理，如所示，該系統(tǒng)采用的是12/8極三相開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)。S1、S2是電子開關(guān)，D1、D2是二極管，E是直流電源。電機(jī)磁阻隨著轉(zhuǎn)子磁極與定子磁極的中心線對準(zhǔn)或錯(cuò)開而變化，因?yàn)殡姼信c磁阻成反比，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極在定子磁極中心線位置時(shí)，相繞組電感最大，當(dāng)轉(zhuǎn)子極間中心線對準(zhǔn)定子磁極中心線時(shí)，相繞組電感最小。

　　當(dāng)定子A相磁極軸線OA與轉(zhuǎn)子磁極軸線Oa不重合時(shí)，開關(guān)S1、S2合上，A相繞組通電，電動(dòng)機(jī)內(nèi)建立起以O(shè)A為軸線的徑向磁場，磁通通過定子輒、定子極、氣隙、轉(zhuǎn)子極、轉(zhuǎn)子輒等處閉合。通過氣隙的磁力線是彎曲的，此時(shí)磁路的磁導(dǎo)小于定、轉(zhuǎn)子磁極軸線重合時(shí)的磁導(dǎo)，因此，轉(zhuǎn)子將受到氣隙中彎曲磁力線的切向磁拉力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的作用，使轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子磁極的軸線Oa向定子A相磁極軸線OA趨近。當(dāng)Oa和OA軸線重合時(shí)，轉(zhuǎn)子已達(dá)到平衡位置。此時(shí)打開A相開關(guān)S1、S2，合上B相開關(guān)，即在A相斷電的同時(shí)B相通電，建立以B相定子磁極為軸線的磁場，電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子在磁場磁拉力的作用下繼續(xù)沿著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)?？梢?，連續(xù)不斷地按A線就沿A―B―C一A的方向不斷移動(dòng)，轉(zhuǎn)子則沿A一C一B―A的方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果按A―C―B一A的順序給定子各相繞組輪流通電，則磁場沿著A―C一B―A的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子則沿著與之相反的A―B―C一A方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。結(jié)合以上分析，本系統(tǒng)采用了開關(guān)磁阻電機(jī)控制系統(tǒng)。

　　2電動(dòng)汽車電機(jī)與控制器開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)2.1開關(guān)磁阻電機(jī)（SRM）SRM是SRD中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的部件，系雙凸極可變磁阻電動(dòng)機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子的凸極均由普通硅鋼片疊壓而成。轉(zhuǎn)子無繞組也無永磁體，定子極上繞有集中繞組，徑向相對的兩個(gè)繞組可串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)兩極磁極，稱為“一相”。SRM可以設(shè)計(jì)成多種不同相數(shù)結(jié)構(gòu)，且定、轉(zhuǎn)子的極數(shù)有多種不同的搭配。

　　對于有自起動(dòng)、四象限運(yùn)行要求的驅(qū)動(dòng)場合，定、轉(zhuǎn)子極數(shù)都應(yīng)該有合理的組合方案。SRM結(jié)構(gòu)外形如所示。

　　2.2功率變換器功率變換器的作用是將電源提供的能量經(jīng)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后提供給SRM，由蓄電池或交流電整流后得到的直流電供電。由于SRM繞組電流是單向的，使得其功率變換器主電路不僅結(jié)構(gòu)較簡單，而且相繞組與主開關(guān)器件是串聯(lián)的，因而可預(yù)防短路故障。

　　2.3控制器采用德州儀器公司（TI公司）的TMS320LF2407，它集實(shí)時(shí)信號處理和控制器外設(shè)功能于一身，具有下列特點(diǎn)。

　　基于高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為3.3V，減小了控制器的功耗；0MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到33ns（頻率30MHz）從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。

　　了TMS320LF240X系列DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。

　　兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括：兩個(gè)16為通用定時(shí)器；個(gè)16位的脈寬調(diào)制（PWM）通道。它們能夠?qū)崿F(xiàn)：三相反相器控制；PWM的對稱和非對稱波形；當(dāng)外部引腳PDPINTX出現(xiàn)低電平時(shí)能快速關(guān)閉PWM通道；可編程的PWM死區(qū)控制可以防止上下橋臂同時(shí)輸出觸發(fā)脈沖；3個(gè)捕獲單元。

　　SRM的功率變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式，如所示blish轉(zhuǎn)換器se事件管g理器模塊適用于交流感應(yīng)電機(jī)無有片內(nèi)光電編碼器接口電路；16通道A/D電動(dòng)車輛的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是經(jīng)常性地進(jìn)行前進(jìn)、剎車制動(dòng)和倒車等。因此，電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要經(jīng)常作電動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài)切換。這就要求電動(dòng)車驅(qū)纟2）續(xù)流期間刷直流電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、多級電機(jī)和逆變器。

　　可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器（LF2407）總共有64KB子程序存儲(chǔ)器；64KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；64IKB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；4KBI/O尋址空間。

　　基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器。

　?。?3）高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳（GPIO）。

　　5個(gè)外部中斷（電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位和兩個(gè)可屏蔽中斷）。

　　電源管理包括3中低功耗模式，并且能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。

　　這些特點(diǎn)使得TMSLF2407DSP特別適合于控制SRM電機(jī)，而且為和其他控制器通信提供了便利。

　　3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)開關(guān)磁阻電機(jī)作為電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)用電機(jī)，其控制系統(tǒng)與通用調(diào)速系統(tǒng)相比要復(fù)雜得多。系統(tǒng)硬件框圖，如所示。

　　動(dòng)用開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)的控制器設(shè)計(jì)，同通用調(diào)速系統(tǒng)有很大的不同。通常它驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)車輛前進(jìn)，當(dāng)需要減速或剎車時(shí)，要從電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)到制動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)把一部分能量回饋電池。如車輛下坡時(shí)，最好能把它所具有的勢能通過制動(dòng)發(fā)電回饋給電池，這種再生發(fā)電性能對提高電動(dòng)車的行使范圍有重要意義。如果不能實(shí)現(xiàn)再生發(fā)電，則電動(dòng)車的性能是不完善的。開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)能很方便地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)發(fā)電，并且具有良好的制動(dòng)效果。三相12/8結(jié)構(gòu)SR電機(jī)只需變換各相導(dǎo)通角即可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)狀態(tài)。

　　系統(tǒng)中使用三路彼此相隔15°機(jī)械角度的脈沖信號來反饋位置信號。通過F2407的捕獲單元（CAP1~3）對三路脈沖信號進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測來實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置信號的檢測。CAP單元不僅能檢測信號的變化，而且還能記錄兩次信號變化的時(shí)間間隔，由此可以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，計(jì)算出電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度，進(jìn)而準(zhǔn)確地控制各相的開通和關(guān)斷。為了實(shí)現(xiàn)電平的匹配和提高系統(tǒng)的抗干擾性能，編碼脈沖信號整形后通過光耦隔離輸入。

　　3.2PWM調(diào)速控制策略采用PWM控制技術(shù)，對直流電壓源Us實(shí)施斬波，調(diào)節(jié)供電電壓U可實(shí)現(xiàn)對SRD系統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速控制。在SR電機(jī)的眾多調(diào)速方案中，PWM調(diào)壓調(diào)速具有簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)調(diào)速性能較好。本電機(jī)采用三相6管制變換器主電路，適合PWM控制。我們在相繞組導(dǎo)通區(qū)引入PWM信號，PWM信號和相導(dǎo)通信號通過一個(gè)與門后形成了PWM控制的復(fù)合導(dǎo)通信號，其中ft為開通角，02為關(guān)斷角。PWM復(fù)合調(diào)制的電流斬波方式有兩種：斬單管方式和斬雙管方式。在斬單管時(shí)，復(fù)合導(dǎo)通信號只引入每相一個(gè)主開關(guān)的控制端上管（如V1）下管（如V2）直接引入導(dǎo)通信號。上管擔(dān)當(dāng)電流斬波作用，斬波時(shí)繞組電流僅流過二極管續(xù)流。

　　3.2.1斬單管方式的特點(diǎn)（1）續(xù)流期間，繞組兩端電壓近似為0因而電流脈動(dòng)小，振動(dòng)噪聲以及效率都比較令人滿意。在斬單管PWM調(diào)壓調(diào)速時(shí)，加在主電路上的平均電壓：因此控制占空比即可控制主電路上的平均電壓，以達(dá)到調(diào)壓調(diào)速的目的。

　　清能量回饋電源3.2.2斬雙管方式的特點(diǎn)斬雙管時(shí)，復(fù)合導(dǎo)通信號同時(shí)引入上下兩管（如V1、V2）的控制端。斬波時(shí)，繞組電流經(jīng)電源而續(xù)流，這種斬波方式的特點(diǎn)：續(xù)流期間，繞組兩端電壓近似為Us，因而電流脈動(dòng)大，振動(dòng)噪聲以及效率都較差。

　　續(xù)流期間有能量回饋電源。

　　采用斬單管的PWM調(diào)壓調(diào)速技術(shù)，理論上簡單明確，實(shí)現(xiàn)起來也很方便。這比傳統(tǒng)的角度控制方案有一定的優(yōu)越性，易于用簡單的硬件電路來實(shí)現(xiàn)。本控制系統(tǒng)即采用了此方法。

　　本樣機(jī)所使用的PID調(diào)節(jié)器經(jīng)反復(fù)調(diào)試后，選擇了合適的參數(shù)，獲得良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。PWM控制策略，一般使用在電動(dòng)狀態(tài)。在本開關(guān)磁阻調(diào)速電機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)，我們同樣采用了PWM技術(shù)來控制制動(dòng)電流及制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)電流反饋結(jié)合PI調(diào)節(jié)器和PWM回路構(gòu)成了一個(gè)電流環(huán)，控制電機(jī)以一個(gè)恒定的制動(dòng)電流進(jìn)行制動(dòng)。

　　4試驗(yàn)結(jié)果（1）電壓波形，如所示。從波形圖中可以得知，電機(jī)繞組的導(dǎo)通區(qū)間與斷區(qū)間的長度隨轉(zhuǎn)速的升高而減小。開關(guān)導(dǎo)通，整流橋的輸出電壓正向加在電機(jī)繞組兩端；開關(guān)斷后的電壓斬波續(xù)流期間，與電機(jī)繞組相連的兩開關(guān)只關(guān)斷一個(gè)，繞組為零電壓續(xù)流，當(dāng)換相時(shí)與繞組相連的兩個(gè)開關(guān)都關(guān)斷，電源電壓反向作用在電機(jī)繞組兩端。

　　5結(jié)束語在電動(dòng)汽車中，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是很靈活的。除了本文討論的可以選擇不同的電機(jī)和控制技術(shù)以外，還可以選擇單電機(jī)或多電機(jī)系統(tǒng)，有減速器或沒有減速器，有變速器或沒有變速器，普通電機(jī)或電動(dòng)輪等多種驅(qū)動(dòng)方式。隨著研究的深入和新技術(shù)、新材料、新工藝的采用，電動(dòng)汽車的性能將進(jìn)一步提高，有可能成為下一世紀(jì)的理想交通工具。