车用异步电机矢量控制硬件在环实验平台研究

林立,胡江林,林敏之

(1.多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南 邵阳,422000;2.邵阳学院 电气工程学院,湖南 邵阳,422000;3.邵阳资水科技有限公司,湖南 邵阳,422000)

随着国家发布《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》以来,发展新能源汽车是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路,也是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措[1]。如今,新能源汽车凭借零排放、低噪声、高效率的特点正在逐渐占据全球汽车市场,汽车企业开始对新能源汽车加大研发投入、完善产业布局。而新能源汽车驱动系统的研发与电机控制策略有着密不可分的关系。高效控制策略能够使得电机效率达到最优,从而有效提高电动汽车对能量的利用效率,保障汽车在各种环境中平稳运行。但由于电机控制策略开发流程难度较大,代码编译效率低,导致企业需大量的人力与时间。为了解决这一难题,本文以DSP控制板为核心设计开发了逆变、检测和通信等硬件系统模块,运用MATLAB/Simulink软件搭建车用异步电机数学模型和矢量控制策略的仿真模型。通过CCS6.2软件将生成的代码移植入数字信号处理器(digital signal processing,DSP)中,并借助上位机Labview对车用异步电机运行数据进行实时监控并在线修改,实现对车用异步电机的实时控制并验证策略高效性。实验结果表明,驱动电机运行平稳,总体控制性能良好,可满足实际应用要求,有效缩短异步电机控制器的开发周期,提高了系统开发效率,节省了研制成本。为企业人员提供车用异步电机控制算法策略的研究提供参考。

1 异步电机矢量控制

1.1 d-q坐标轴下异步电机的数学模型

建立异步电机数学模型时,假设:

1)不计电机涡流损耗和磁滞损耗;2)忽略电机磁路饱和; 3)忽略温度对电机造成的影响;4)电机定子绕组对称分布。

则在d-q坐标轴系下,其数学模型为

磁链方程:

(1)

电压方程:

(2)

转矩方程:

Te=npLm(isqird-isdirq)

(3)

运动方程:

(4)

式中:usd、usq、urd、urq、isd、isq、ird、irq、φsd、φsq、φrd、φrd分别为d-q坐标下定子电压、转子电压、定子电流、转子电流、定子磁链和转子磁链分量;Ls、Lm、Lr分别为定子绕组的电感、定子与转子互感及转子绕组电感;Rs、Rr分别为定子和转子绕组电阻;ω为电角速度;Te为电磁转矩;TL为负载转矩;J为机组转动惯量;np为电机的极对数。

1.2 矢量控制基本原理

与变压变频控制方式相比,矢量控制具有更好的速度范围和动态性能,有效提高电动汽车稳定性[2]。控制方式是将复杂异步电机三相静止坐标系中的定子交流电等效坐标变换成两相旋转坐标系直流电的方式进行驱动电机控制。根据磁场定向原理分别对异步电机的励磁电流isd和转矩电流isq进行控制,以便简单和精准地控制电机转速。图1为矢量控制结构图,矢量控制系统由空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)模块、AFR转子磁链调节器模块、ASR转速调节器模块、ACMR定子电流励磁分量调节器模块、ACTR定子电流转矩分量调节器模块、FBS转速传感器模块、Clark变换、Park变换、Park 逆变换、转子磁链计算以及异步电机等模块组成。

图1 矢量控制结构图Fig.1 Vector control structure

1.3 矢量控制系统建模

根据图1搭建的车用异步电机矢量控制系统仿真模型见图2。

图2 矢量控制模块Fig.2 Vector control module

2 硬件设计

车用异步电机矢量控制硬件在环实验平台结构框图见图3。整个系统由主电路、控制器、传感器和上位机4个部分组成[3]。

图3 硬件系统结构图Fig.3 Hardware system structure

2.1 主电路

主电路主要由蓄电池、三相逆变桥和异步电机(induction motor,IM)3部分组成。本实验车用异步电动机参数:额定功率为15 W,额定电压UN为220 V,额定电流IN为0.27 A,额定频率为50 Hz,额定转速为1 400 r/min,极对数np为2。

2.2 传感器模块

光电编码器采用M/T法计算电机的转速,M法测量速度对于适用于高速场合,T法适用于低速度场合。M/T测速误差较小。在计数过程中,定时器指定检测时间为T,固定测量时间为T0,当编码器的脉冲上升沿到来时,计时器开始计时。输出脉冲编码个数为M1和高频时钟脉冲个数为M2。当T0结束时,M1停止计数,M2继续计数。当下一个脉冲的下一个上升沿到来时,M2停止计数,可得出此时电机转速为

(5)

式中:Z为脉冲数:f0为时钟脉冲频率。

2.3 控制器模块

实验采用程序和数据分离的哈佛结构DSP控制器,具有特殊硬件以及丰富的外设,可以简化软件开发的周期,其独立的函数库也可以提高数据处理的效率和速度。控制硬件包括A/D检测模块,编码器模块(quadrature encoder pulse,QEP)和驱动模块。DSP的EPWM(enhanced pulse width modulator,EPWM)模块用于生成高精度的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)。其中,控制器中的SCI串口通信模块实现与上位机进行实时的参数信息交互、ePWM 脉冲发生模块发出矢量控制脉冲信号控制主电路中IGBT的开通与关断、QEP测速模块对电机进行实时转速测量、AD模/数转换模块对电机当前电流和电压信号实时采样。

2.4 上位机模块

上位机通过CH430转换芯片将USB 转串口,实现与控制器之间数据的实时传输,电机数据通过系统将采集后的光电信号进行解调、恢复与显示,实现对电机在工作中转矩、相电流、电压和转速等参数进行的实时监控功能。

3 软件设计

实验平台软件主要由上位机监控界面系统和代码生成程序组成。

3.1 代码生成程序设计

异步电机矢量控制系统控制程序见图4。代码生成程序通过MATLAB/Simulink代码生成得到车用异步电机矢量控制C语言代码程序。控制程序由中断向量表、脉宽调制(pulse width modulation,PWM)中断服务函数、QEP中断服务函数、串口接收模块和串口发送模块组成[4]。

3.2 代码生成实验流程设计

程序利用Simulink模块中的“Embedded Coder Support Package for Texas Instruments C2000 Processors”支持包中C2833x相关的代码生成模块来搭建算法程序。实验流程图见图5。

建立Simulink仿真模型:首先配置代码生成环境,通过MATLAB/Simulink与CCS6.2进行无缝衔接功能,将基于模型的仿真程序生成可在CCS6.2软件中对代码进行编译调试编译的C语言代码程序;然后将程序通过仿真器移植入TMS320F28335开发板;再进行各项寄存器的初始化及CPU定时器设置;完成所有的初始化工作后,最后,调出Labview上位机控制器进运行系统程序,实现车用异步电机矢量控制系统的测试。

3.3 上位机监控界面系统设计

上位机监控界面系统是基于LabVIEW软件进行设计,通过SCI总线连接上位机与下位机,使其具有实时数据监测并修改的功能[5]。监控界面见图6。上位机界面主要由通信设置、参数调节、启停开关和波形显示等4部分组成。可根据实验需求,对电压参数幅值和转速环Kp、Ki值等变量进行修改,实现电机控制的各种给定量的在线设定,有效适应不同参数的电机控制,并优化控制性能[6]。

图6 PC机端监控Labview界面Fig.6 PC side monitoring labview interface

4 实验平台介绍及结果分析

4.1 实验平台搭建

如图7所示,本实验搭建的异步电机矢量控制硬件在环实验平台,该平台由A、B、C、D、E、F 6部分组成。其中,A为车用异步电机,B为主电路,C为TMS320F28335芯片,D为主电源,E为电脑端上位机,F为仿真器。

4.2 实验结果分析

软件设计完成后,将程序植入到以TI公司的TMS320F28335核心控制器的DSP芯片上进行实验,实验结果见图8。启动时给定转速为400 r/min,转速相对稳定,总体控制性能良好。

图8 PC机端监控Labview界面Fig.8 PC side monitoring labview interface

5 结论

本文分析了车用异步电机的数学模型及矢量控制原理,并结合TMS320F28335和MATLAB开发了一种能够适应不同参数车用异步电机的硬件控制平台,运用MATLAB/Simulink软件进行控制算法系统仿真,并设计适用于TI系列DSP开发板的控制代码,验证的异步电机矢量控制实验可行性。实验平台可以通过SCI总线连接到上位机Labview软件,实现人机交互功能,实时监控并在线修改参数,有效适应不同参数电机的控制,并优化控制性能,提升了控制器的通用性。实验结果表明,驱动电机运行平稳,总体控制性能良好,可满足实际应用要求,为企业人员提供车用异步电机控制算法策略的研究提供参考。对于中小企业用户,有效地节省了开发周期和成本。