徐 丹

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

隨著社會汽車保有量快速增加，同時也引起環(huán)境污染、資源消耗等諸多社會問題。發(fā)展電動汽車是解決環(huán)境污染和能源短缺問題的方案之一[1]。電動機是電動汽車行駛的直接動力源，通過電機控制系統(tǒng)進行電機控制實現(xiàn)對電動汽車的動力調(diào)整，因此電動汽車電機控制系統(tǒng)是影響汽車調(diào)速性能的關(guān)鍵因素[2-3]?，F(xiàn)階段電動汽車普遍以永磁同步電機(PMSM)為汽車驅(qū)動電機，常見的控制策略有矢量控制[4]、直接轉(zhuǎn)矩控制[5]、無位置傳感器控制[6]等，其中矢量控制作為一種動態(tài)穩(wěn)定性強、響應(yīng)快的控制策略，受到眾多學(xué)者的青睞[7]。

本文設(shè)計了基于空間矢量控制技術(shù)(svpwm)的永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，運用Matlab工具的 Sim Powersystems模塊進行控制系統(tǒng)的仿真，進而分析系統(tǒng)控制性能。以STM32芯片為核心進行硬件電路的設(shè)計，在C語言中完成程序設(shè)計。利用Simulink完成永磁同步電機控制模型的搭建，在完成系統(tǒng)參數(shù)整定后進行系統(tǒng)的調(diào)試，選擇額定功率為6kW的永磁同步電機搭建實驗平臺進行測試，完成了實驗驗證。

1 SVPWM原理

空間矢量控制技術(shù)是永磁同步電機控制的一種新穎的方法，SVPWM控制技術(shù)通過跟蹤電機旋轉(zhuǎn)磁場的方式不斷修正PWM波形實現(xiàn)電機控制，從本質(zhì)上講這是一種磁鏈跟蹤控制策略，能夠達到對電機及逆變器的一體化控制[8]

三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)如圖1所示。VT1-VT6為六個功率開關(guān)管，由六路PWM信號進行控制，逆變器輸出為ua、ub和uc。工作狀態(tài)下，位于同一橋臂的兩個功率開關(guān)管狀態(tài)相反，即上橋臂關(guān)閉時下橋臂處于導(dǎo)通狀態(tài)，上橋臂導(dǎo)通狀態(tài)下下橋臂關(guān)閉。若定義SA、SB、SC分別為A相、B相、C相的工作狀態(tài)，且每相對應(yīng)兩種狀態(tài)。SA=0時表示下橋臂導(dǎo)通而上橋臂關(guān)閉，反之SA=1時表示上橋臂導(dǎo)通而下橋臂關(guān)閉，SB、SC與之類似。由此可知US對應(yīng)的電壓空間矢量Ui共有23=8個，分別有兩個零矢量和六個非零矢量，分別為(000)、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)。其中(000)、(111)兩個矢量狀態(tài)表示三相的上橋臂或者下橋臂同時導(dǎo)通(關(guān)閉)，因此將其視為零電壓矢量。其余的六個非零矢量在復(fù)平面上均勻分布，得到電壓空間矢量分解及扇區(qū)分布如圖2所示。

圖1 三相電壓型逆變器結(jié)構(gòu)

由此可知，通過各個扇區(qū)兩邊的電壓空間矢量，可以合成該扇區(qū)對應(yīng)的任意空間矢量。逆變器完整的工作周期被非零電壓矢量分為六個扇區(qū)，扇區(qū)對應(yīng)60°的時間區(qū)間。逆變器對應(yīng)的扇區(qū)僅有兩個狀態(tài)，即閉合狀態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)，通過空間矢量進行扇區(qū)的進一步劃分，可以得到數(shù)量不等的時間區(qū)間，每個區(qū)間對應(yīng)的時間角度為TPWM。為了得到對應(yīng)的磁鏈增量，通過空間矢量的組合，并插入新的電壓空間矢量，使得磁鏈盡量逼近圓形，達到對永磁同步電機變頻控制的目的。

圖2 電壓空間矢量分解及扇區(qū)分布

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

永磁同步電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，整個系統(tǒng)主要包括：速度環(huán)、電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換處理模塊、SVPWM功能模塊、位置及速度檢測模塊和整流逆變模塊。

圖3 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)仿真

永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)MATLAB仿真模型如圖4所示，仿真波形如圖5和圖6所示。從仿真結(jié)果可以看到，啟動階段在預(yù)設(shè)3 kN·m的負載情況下，永磁同步電機轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩迅速上升，在0.01 s時即達到預(yù)設(shè)值；在0.06 s時系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩升高至5 kN·m，對應(yīng)的電機電磁轉(zhuǎn)矩也可以迅速達到新的穩(wěn)態(tài)，且電機轉(zhuǎn)速基本保持恒定[9]。由此可見，基于空間矢量的永磁同步電機控制系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)能力，穩(wěn)態(tài)無靜差且具有較強的跟蹤能力，在外部負載突變的情況下系統(tǒng)也能快速調(diào)整并達到新的穩(wěn)態(tài)，表現(xiàn)出較強的系統(tǒng)魯棒性，可以認為所設(shè)計永磁同步電機控制系統(tǒng)具有較佳的控制性能。

圖4 PMSM矢量控制仿真模型

圖5 轉(zhuǎn)矩波形

圖6 轉(zhuǎn)速波形

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為驗證上述仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文搭建了PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)的硬件電路，其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖7所示。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要由主控芯片最小系統(tǒng)、電源電路、通信電路、信號檢測電路等構(gòu)成。

圖7 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

永磁同步電機控制系統(tǒng)核心為STM32F數(shù)字芯片，并由72V蓄電池組進行供電。驅(qū)動模塊則選擇美國IR公司提供的IR2010S 驅(qū)動器，以及美國MAX POWER公司生產(chǎn)的MXP8835功率開關(guān)管進行設(shè)計。PMSM采用三相方式進行連接，在工作過程中控制系統(tǒng)對其中兩相電流進行檢測，再通過計算得出另一相的電流值。相電流檢測基于霍爾傳感器SS495A進行測定，并設(shè)計濾波電路進行信號的預(yù)處理，利用主控芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能直接得到相電流值。由編碼器進行PMSM的轉(zhuǎn)速信號測定，并送入數(shù)字芯片進行處理。數(shù)字控制芯片輸出六路PWM信號進行功率開關(guān)管的開關(guān)控制，實現(xiàn)PMSM的空間矢量控制功能。此外，通過CAN總線模塊進行汽車ECU與STM32F數(shù)字芯片的通信，將數(shù)字芯片的各種數(shù)據(jù)傳入汽車儀表中顯示出來，便于駕駛?cè)藛T觀察汽車行駛狀態(tài)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)軟件主程序

永磁同步電機控制系統(tǒng)軟件主要由初始化、中斷、數(shù)據(jù)采集等子程序構(gòu)成，其中初始化模塊主要進行系統(tǒng)的初始化，并進行變量的賦值。根據(jù)SVPWM生成的系統(tǒng)需求，還需要進行轉(zhuǎn)速、電流以及電機轉(zhuǎn)子位置的測定[10]。軟件主程序框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件主程序框圖

4.2 數(shù)據(jù)采集子程序

4.2.1 電流信號采集

由于脈沖電流信號的存在，會影響電流檢測精度。本程序中采用邊界限定法、均值濾波法進行脈沖信號的剔除，確保檢測電流的精度[11]。電流信號采集及電流檢測程序流程圖如圖9所示。

4.2.2 轉(zhuǎn)速檢測

在電機上安裝編碼器進行轉(zhuǎn)速參數(shù)的檢測，信號通過光耦隔離后再利用STM32的計數(shù)器進行信號的接收，通過程序計算計數(shù)器中的數(shù)據(jù)，即可確定編碼器中的脈沖數(shù)量[12]?？苫谙率竭M行電機轉(zhuǎn)速的計算：

(1)

式中：n為永磁同步電機轉(zhuǎn)速，N為采樣時長T內(nèi)檢測到的脈沖數(shù)量，T為采樣周期時長，k為編碼器每轉(zhuǎn)動一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)量。本次設(shè)計基于Omron公司的線編碼器，旋轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)為500。

圖9 電流檢測程序流程圖

4.3 PWM中斷程序設(shè)計

PWM信號由STM32芯片的定時計數(shù)器1產(chǎn)生，其中斷時間為50 μs。產(chǎn)生中斷后，首先進行現(xiàn)場保護，通過主控芯片進行電機相電流的讀取，然后進行相電壓的計算，并調(diào)用坐標(biāo)系變換模塊得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓值，再讀取電機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)并計算d軸超前電角度，由此計算出所需要的SVPWM波形。PWM中斷程序的流程圖如圖10所示。

軟件在未輸入新的電壓矢量角之前，按照當(dāng)前電壓矢量角所處區(qū)間確定有效矢量及對應(yīng)的作用時間，并由定時計數(shù)器2輸出PWM波。SVPWM子程序流程圖如圖 11所示。

圖10 PWM中斷服務(wù)程序流程圖

圖11 SVPWM子程序流程圖

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 實驗平臺搭建

本設(shè)計選用額定功率為6 kW的永磁同步電機，極對數(shù)為4，電機具體參數(shù)如下：驅(qū)動電壓，72 V；轉(zhuǎn)子磁鏈，0.182 6 Wb；定子電感Ld=0.526 mH，Lq=1.2 mH；定子電阻0.957 Ω。電機實物如圖12所示。

圖12 PMSM實物

完成硬件電路的設(shè)計后，將其發(fā)送給PCB廠家進行制作，并將所選電子元器件焊接在PCB板上，并對硬件電路進行測試，確保各功能模塊的功能正常實現(xiàn)。永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)可分為驅(qū)動電路、控制電路兩部分，對應(yīng)的控制電路實物圖如圖13所示。

最后基于控制電路及永磁同步電機進行實驗平臺的搭建，實驗平臺結(jié)構(gòu)框圖、實物分別如圖14、圖15所示。

圖13 控制電路實物

圖14 永磁同步電機實驗平臺結(jié)構(gòu)框圖

圖15 PMSM驅(qū)動控制系統(tǒng)實驗平臺

5.2 實驗結(jié)果及其分析

驅(qū)動控制系統(tǒng)要求硬件電路在不同轉(zhuǎn)速下均能夠輸出足夠的轉(zhuǎn)矩，因此需要進行不同轉(zhuǎn)速條件下的轉(zhuǎn)矩輸出實驗。本次設(shè)計利用Matlab軟件進行轉(zhuǎn)矩波形的圖形輸出，并利用霍爾電流傳感器進行電流檢測，并利用示波器顯示相電流波形。電機的轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為500、1 000、3 000 r/min，施加負載30/50/90/160 N·m。500 r/min對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩輸出及相電流檢測圖形如圖16所示。

從圖16的實驗結(jié)果可以看到，在500 r/min條件下分別施加30/50/90/160 N·m的轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的相電流分別為60 A、90 A、150 A、260 A，轉(zhuǎn)矩上下波動范圍為±1.2 N·m，具有良好的轉(zhuǎn)矩和電流跟隨性。

圖16 500 r/min條件下不同轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的相電流

在電機轉(zhuǎn)速為1 000 r/min條件下分別施加30/50/90/160 N·m的轉(zhuǎn)矩，進行對應(yīng)的相電流檢測，得到下圖17所示結(jié)果。

1 000 r/min條件下，分別施加30/50/90/160 N·m的轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的相電流分別為63 A、92 A、160 A、280 A，轉(zhuǎn)矩上下波動范圍為±0.95 N·m，具有良好的轉(zhuǎn)矩和電流跟隨性。

圖17 1 000 r/min條件下不同轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的相電流

在電機轉(zhuǎn)速為3 000 r/min條件下分別施加30/50/90/160 N·m的轉(zhuǎn)矩，進行對應(yīng)的相電流檢測，得到下圖18所示結(jié)果。

3 000 r/min條件下，分別施加30/50/90/160 N·m的轉(zhuǎn)矩，對應(yīng)的相電流分別為65 A、100 A、163 A、270 A，轉(zhuǎn)矩上下波動范圍為±0.82 N·m，具有良好的轉(zhuǎn)矩和電流跟隨性。

圖18 3 000 r/min條件下不同轉(zhuǎn)矩對應(yīng)的相電流

結(jié)合以上實驗結(jié)果可知：電機在不同轉(zhuǎn)速下均能夠穩(wěn)定輸出較大轉(zhuǎn)矩，同時在3 000 r/min的速度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)矩和電流動態(tài)性能良好，表明電機驅(qū)動控制系統(tǒng)能夠達到既定的驅(qū)動控制效果。

電動汽車控制系統(tǒng)要求電機具有快速響應(yīng)能力，同時要求電機能夠保持輸出轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性。本次設(shè)計利用串口通信將電機轉(zhuǎn)速參數(shù)傳輸至上位機，對電動機的轉(zhuǎn)速進行檢測，測定1 000 r/min轉(zhuǎn)速條件下永磁同步電機的響應(yīng)曲線。永磁同步電機轉(zhuǎn)速實測曲線、預(yù)估曲線如圖19所示。

圖19 電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形(1 000 r/min)

從圖中的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線看，所設(shè)計控制系統(tǒng)對應(yīng)的永磁同步電機能夠快速達到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速，同時曲線超調(diào)量小，達到預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速后保持穩(wěn)定運行狀態(tài)，可認為所設(shè)計系統(tǒng)的調(diào)速性能較好。

進一步對控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化后穩(wěn)定性進行測試，在0.2s時將電機轉(zhuǎn)速由1 000 r/min調(diào)節(jié)為1 500 r/min進行電機實際轉(zhuǎn)速的測試，電機轉(zhuǎn)速實測曲線、估計曲線如圖20轉(zhuǎn)速變化后電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形圖所示。

圖20 轉(zhuǎn)速變化后電機轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形圖

從圖20可以看到，在轉(zhuǎn)速由1 000 r/min變化為1 500 r/min時，預(yù)期的轉(zhuǎn)速值與實測轉(zhuǎn)速值存在一定偏差，但轉(zhuǎn)速誤差控制在5 r/min范圍內(nèi)，誤差率在0.33%左右，即所設(shè)計的控制系統(tǒng)能夠在轉(zhuǎn)速變化的情況下將轉(zhuǎn)速波動控制在較小區(qū)間內(nèi)，表現(xiàn)出較強的魯棒性。

6 結(jié)束語

本文基于空間矢量技術(shù)完成永磁同步電機控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，實現(xiàn)了既定的控制系統(tǒng)功能。對所設(shè)計系統(tǒng)搭建實物系統(tǒng)，驗證控制系統(tǒng)各項功能并測試控制效果。從實驗效果看，所設(shè)計電機控制系統(tǒng)與仿真結(jié)果一致，具有較低的超調(diào)量，同時響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)矩脈動較低，具有較好的抗擾動能力及動態(tài)性能，滿足電動汽車電機的控制需求，適用于汽車電機控制領(lǐng)域。