低速电动车用电机控制器的设计与实现

王艳 许烨 王世国 李素双

摘 要：文章针对低速电动汽车，设计了一款基于DSP芯片的交流异步电机控制器。根据低速电动车运行环境、使用便捷性及安全性的要求，给出电机控制器的整体设计方案和详细的电路实现方法。实践证明，该款控制器对电机适用性强，效率高，各种保护功能齐全。

关键词：新能源；交流异步电机；电机控制器；DSP

引言

随着新能源产业的兴起，电动汽车以低成本运营，绿色环保等优势进入到人们的生活中。低速电动车作为一种新型的代步工具，在农村占据了很大的市场。但是低速电动车目前使用的电机及控制器大多为直流有刷控制系统。直流有刷控制系统的缺点是电机维护费用高，最高转速低，爬坡能力有限，这些因素一直制约着低速电动车的推广。交流异步电机控制系统可以有效克服直流有刷控制系统的缺点，但是价格偏高。本设计在电路设计及器件选型上做了大量的分析及试验验证，提供了一种操作简单，价格低廉的低速电动车用交流异步电机控制器。

1 电机控制器系统设计

电动汽车电机控制器主要工作方式为扭矩控制方式。工作原理为：采集车辆油门踏板的信号和电机速度传感器信号作为输入，根据检测到的电机U、V、W的相电流做闭环反馈，得到电机驱动需要的PWM波形。同时，电机控制器需要实时监测电机的温度信号、电流大小、控制器的温度信号、电压信号等，保障控制系统的安全及行车的安全。为了方便实现对电机参数的匹配设置及整车特性的设置，专门设计了CAN总线通信电路，提高了控制器使用的方便性及故障定位的便捷性。本设计共由三部分组成，控制板、功率板及电容。基于上述功能，本设计的系统框图如图1所示。

控制器的主芯片采用TI公司的TMS320LF2406，该款芯片将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。控制器的外围电路主要包括：模拟量检测电路、开关量检测电路、电流检测电路、电压检测电路、温度检测电路、转速采集电路及CAN通信电路、参数存电路。

1.1 模拟量检测电路

模拟量检测电路通过运放完成对输入油门踏板信号的采集功能。如图2所示。

图2 模拟量检测电路原理圖

1.2 电流检测电路

电流检测电路是电机控制器系统的重要组成部分，电路如图3所示。电流采样的准确性影响电机相电压矢量三角形的闭合性，即影响电机的效率及运行的平稳性。但是由于集成的电流传感器价格比较贵，本设计采用Allegro公司的A1326芯片，配合磁环进行电流的检测，通过改变磁环的磁场气隙，可以调整电流的检测范围。实践证明，使用该电路可以实现对电流的准确采集。

1.3 电压检测电路

电压检测电路可以通过检测电池的端电压，实现对电池的过欠压报警，如图4所示。由于蓄电池的工作电压范围比较宽，为了准确检测到最高电压和最低电压，本设计采用了双运放分段采集的方式。其中，低电压由U8A检测，高电压由U8B部分电路检测。低电压段输出：V0=（R58*（1/（R57+R45）+1/R58+1/R56）*Vi+）-R58/R56*VREF。高电压段输出：V1=（R49*（1/R52+1/R49+1/R50）*Vi+）-R49/R50*VREF。其中，Vi+=R48/（R37+R48）*Udc，VREF=3.0Vdc。此种检测方法大大提高了电压的采集精度，而且电路简单，器件便宜。

图4 电压检测电路原理图

1.4 温度检测电路

图5为电机温度检测电路。将电机温度传感器信号从motor_temp信号端引入。通过更改R2、R3电阻的值，可以实现匹配不同型号的温度传感器，如PT100，KTY84等。

图5 温度检测电路原理图

1.5 转速采集电路

本设计所应用的场合是低速电动车，所以电机使用的转速传感器大多数为编码器。采集电路如图6所示。通过设置电阻R172、R62、R66和R67，以及R173、R61、R64和R65的值，实现对不同电压类型编码器的信号采集。

图6 转速采集电路原理图

1.6 CAN通信电路

CAN通信电路采用CAN收发电路82C250实现，如图7所示。在CAN的输出端增加共模滤波电感L10，增强了CAN总线的抗干扰性。

1.7 参数存储电路

参数存储功能使用EEPROM芯片ST93C66，如图8所示。通过CAN总线传入的设置参数，存储在非易失性EEPROM中，以适应对不同电机参数的匹配。同时，电机及控制器如果出现故障，也可以将故障代码存储在该EEPROM中，然后通过CAN总线发送出去，方便用户对设备的故障定位及检修。

图8 参数存储电路原理图

2 结束语

文章详细论述了采用 TMS320LF2406 DSP为核心的低速车交流异步电机控制器的硬件设计，给出了模拟量采集、电流采集、电压采集、CAN通信等电路的设计方法及器件选型。本电机控制器通过台架测试及实际车辆道路测试，证明硬件电路工作可靠，控制器效率达到95%以上，各种保护功能完善。通过CAN总线进行电机匹配设置及故障读取，增强了控制器的可操作性，方便了用户使用。图9为该款控制器安装图。

图9 控制器实车安装图

参考文献

[1]王晓明.电动机的DSP控制：TI公司DSP应用（第2版）[M].北京航天大学出版社，2009.

[2]"Implementation of a Speed Field Orientated Control of Three Phase AC Induction Motor using TMS320F240"Texas Instrument 1998，3.

作者简介：王艳（1978-），黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，研究方向：电动驱动及控制。