电动汽车用开关磁阻电机控制系统

文/袁莉 容旭巍 张俊彦 晋刚

随着社会经济的快速发展，汽车数量越来越多。与此同时，汽车尾气带来的环境污染问题日益严重，因此，近年来环保的电动汽车受到了全世界的重视，而作为电动汽车关键技术之一的电机驱动技术也成为了研究热点。开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor,SRM）与以往的电动汽车驱动电机直流电机、异步电机和永磁同步电机相比，具有结构简单、成本低、控制简单和性能优异等优点，所以它是一种值得推广的电动汽车用驱动电机。

电动汽车的高速性决定了电机控制的实时性和快速性。TMS320F283355型数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是TI公司生产的目前工业控制领域最先进的数字信号处理器之一，它是32位浮点、主频高达150MHz，与以往的定点DSP相比，数据处理速度有了很大提高，集成的功能也增加许多，开发更加简便，而成本却大幅下降。本文选用TMS320F28335作为SRM系统的主控制器，实现了开关磁阻电机速度位置的精确控制。

1 SRM调速系统总体结构

SRM调速系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器、电流检测和位置检测组成，结构框图如图1所示。SRM选用三相6/4极。功率变换器是系统实现电机控制和能量传输的关键环节，采用不对称半桥型功率电路，每相采用两个IGBT开关器件和两个续流二极管。电流检测采用霍尔电流传感器，位置检测采用光电编码器。

2 TMS320F28335外围系统设计

DSP外围系统设计必须在控制器最小系统的基础上进行，TMS320F28335是高集成度的单片机，最小系统的设计与单片机系统设计类似。最小系统主要包括电源电路、时钟设计、复位电路和外部存储器扩展设计。

根据电动汽车的性能指标和功能要求， TMS320F28335外围系统须包括：PWM信号的驱动电路、对电流采样并进行A/D转换反馈、位置转速信号的处理、驱动液晶显示的单片机与处理器之间的通信，外围系统结构如图2所示。

3 SRM控制策略

电动汽车对电机驱动系统要求不仅能够满足基本的动力性和经济性，还要求整车具有较高的舒适性，所以克服转矩脉动并提高效率是SRM控制策略设计的根本宗旨。本文结合电动汽车的实际行驶概况和稳态动态性能要求，对电机瞬时转矩和电流进行实时双闭环控制，设计了基于转矩分配函数的直接瞬时转矩控制策略，实现电动汽车的平稳运行。

控制模块的设计主要包括转速控制单元、转矩估算单元和转矩分配单元。转速控制单元实时采样电机转速，根据给定转速和实际转速的差值，采用PI调节，进一步计算出电机需求增速或减速的转矩值，作为下一步控制的重要参数。转矩估算单元提供瞬时转矩的实时值，它是实现控制系统功能和保证控制精度的关键，在建立SRM精确的数学模型的基础上，按照已有公式离线计算出一系列相电流和瞬时转矩的对应值，建立表格，运行时通过检测相电流值，通过查表法获得实时的瞬时转矩值。转矩分配单元根据转速控制单元输出的总参考转矩和实时转子位置信号，按预先设定的分配比例把总参考转矩分配给电机的三相绕组，分配给每相绕组的参考转矩和转据估算单元提供的实时瞬时转矩作比较，经转矩滞环单元处理后，传递给开关信号生成单元。此种方法可使每相的瞬时转矩都能按照分配函数描述的轨迹变化，从而使各相输出转矩之和与总参考转矩无限接近，达到减小转矩脉动的目的。

图1：SRM调速系统结构框图

图2：TMS320F28335外围系统结构图

4 控制软件设计

SRM控制系统的软件设计是基于TMS320F28335的控制核心而进行的，软件开发平台是基于CCS的集成开发环境，语言采用C/C++语言，按照功能模块，采用模块化编程。编写的程序主要包括主程序、各功能子程序和中断程序等。

主程序是程序的总指挥，它主要负责安排各子程序的出场次序。在程序起始阶段，它安排初始化子程序出场，完成系统的初始化。然后，键盘监视子程序运行，检测有无控制命令从键盘输入，如有输入指令，则根据不同指令调用启动程序、计算转速程序或者是转速显示程序等。初始化子程序主要包括看门狗设置、片内存储器空间初始化、事件管理器初始化、片内功能寄存器设置和电机位置信号初始化设置等。键盘监视子程序主要检测键盘的随机输入电机控制命令。相逻辑判断子程序是实现控制功能的很重要的一个环节，通过该子程序给功率变换器各种驱动信号。

5 仿真及结果

在软硬件设计完成后，利用MATLAB软件进行系统的建模仿真，得到不同工况下的转矩、电流、电压和转速等参数的变化波形，如图3所示。通过分析仿真结果，可证明本文采用的控制方法有效可行，电机的瞬时输出转矩波动很小，转矩脉动得到了很大程度的改善，增强了电动汽车的舒适度。

图3：启动加载阶段运行结果