基于DSP2407的電動汽車感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、摘要基于dsp2407a的電動汽車感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計第一章 緒論11選題的背景與意義在未來的一段時間內(nèi)，我國將成為世界最大的汽車消費(fèi)國，去年我國的汽車保有量為7802萬輛。不過空氣污染源也隨之大幅度提高，空氣污染將有64來自于汽車尾氣的排放，如一氧化碳、碳?xì)浠衔?、硫化物以及由于二氧化碳排放等，這些氣體都會造成溫室效應(yīng)，對我國經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展起到一定得阻礙影響；在2020年左右，我國石油消費(fèi)量將超過4.5億噸，而我國能源系統(tǒng)效率平均低于國際先進(jìn)水平10，但是我國60石油消費(fèi)量依賴于進(jìn)口，要是仍然采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)技術(shù)發(fā)展汽車工業(yè)將會使我國為此付出巨大代價和對環(huán)境保護(hù)也會造成巨大的壓力。在這種嚴(yán)

2、峻的形勢下，我國汽車工業(yè)的未來發(fā)展需要我們好好思考。根據(jù)現(xiàn)在世界人口和汽車的增長趨勢來看，今后50年中，世界人口和汽車數(shù)量分別從60億增加到100億和10億增加到40億輛以上。若這些車輛都采用內(nèi)燃機(jī)，能源需求和空氣污染將會給人類造成巨大的壓力和損壞。因此我們必須開發(fā)節(jié)能環(huán)保型以及高效智能型的交通車輛，只有這樣才能在本世紀(jì)實(shí)現(xiàn)交通的可持續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)在世界上各國汽車現(xiàn)有數(shù)量加在一起超過10億輛，每年新增加的各種汽車約3500萬輛，按平均每輛汽車年消耗1015桶石油及石油制品計算，汽車的石油消耗量每年達(dá)到100150億桶，可見就光汽車每年消耗的石油量都要占世界石油產(chǎn)量的一半以上，這樣石油資源要是長期按

3、現(xiàn)在的每年幾十億噸大規(guī)模地開采，那么石油資源枯竭的日子將會越來越近。根據(jù)科學(xué)家的預(yù)測，如果按目前地球上石油資源的消耗水平，僅僅可以維持60100年左右。能源危機(jī)曾經(jīng)對世界經(jīng)濟(jì)帶來嚴(yán)重影響，因此石油資源的爭奪更加強(qiáng)烈，石油糾紛在國際上也不斷發(fā)生，甚至為了爭奪石油資源而爆發(fā)的戰(zhàn)爭在近幾年也不斷發(fā)生。因此石油資源的解決是當(dāng)今世界每個國家所面臨的首要考慮的問題，石油資源解決的好壞是當(dāng)今世界是否穩(wěn)定的重要因素。電動汽車是將機(jī)算機(jī)、電子與化學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域中的高新技術(shù)于一體，是汽車、計算機(jī)、電力拖動、新材料、新能源、功率電子、自動控制、化學(xué)電源等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。電動汽車的種類很多，如純電動汽車和

4、燃料電池汽車?；旌蟿恿﹄妱悠囀羌冸妱悠嚢l(fā)展過程中，能滿足未來汽車以節(jié)能為目標(biāo)和污染物排放低等要求且有利于市場化的一種新車型。燃料電池是以氫為燃料，與大氣中的氧轉(zhuǎn)化為電能作為汽車動力，推動汽車前進(jìn)?；旌蟿恿﹄妱悠嚒⑷剂想姵仄嚭图冸妱悠噷κ澜缙嚨陌l(fā)展以及環(huán)境的保護(hù)都起到一個前所未有的階段，具有里程碑的意義。我國政府已將電動汽車的快速發(fā)展列入我國“十五”國家863計劃，加大了對電動汽車開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的投入，與世界發(fā)達(dá)國家電動汽車發(fā)展接軌，目前已經(jīng)取得了一定得成就。國務(wù)院總理溫家寶在今年的4月18日主持召開的國務(wù)院常務(wù)會議中討論通過了節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃。會議指出，加快培育和發(fā)展節(jié)能

5、與新能源汽車產(chǎn)業(yè)，對于緩解能源和環(huán)境壓力，推動汽產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，培育新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，具有重要意義。要以純電驅(qū)動為汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向，當(dāng)前重點(diǎn)推進(jìn)純電動汽車和插電式電動汽車產(chǎn)業(yè)化，推廣普及非插電式電動汽車、節(jié)能內(nèi)燃機(jī)汽車，提升我國汽車產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平。爭取到2015年，純電動汽車和插電式電動汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷量達(dá)到50萬輛，到2020年超過500萬輛；2015年當(dāng)年生產(chǎn)的乘用車平均燃料消耗量降至每百公里6.9升，到2020年降至5.0升；新能源汽車、動力電池及關(guān)鍵零部件技術(shù)整體上達(dá)到國際先進(jìn)水平。為此，一要實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新工程。建立研發(fā)體系，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，大幅提高汽車燃料經(jīng)濟(jì)性水平和動力電池系統(tǒng)

6、安全性、可靠性、輕量化水平。二要加快推廣應(yīng)用和試點(diǎn)示范。實(shí)施鼓勵購買和使用節(jié)能汽車政策，開展私人購買新能源汽車補(bǔ)貼試點(diǎn)。三要因地制宜建設(shè)慢速充電樁和公共快速充換電設(shè)施，制定動力電池回收利用管理辦法，建立動力電池梯級利用和回收管理體系。四要完善標(biāo)準(zhǔn)體系和準(zhǔn)入管理制度，加大財稅金融政策支持，營造有利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的市場環(huán)境，加強(qiáng)科研和人才保障，積極開展國際合作。會議強(qiáng)調(diào)，發(fā)展節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)，要依托現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，科學(xué)規(guī)劃產(chǎn)業(yè)布局，防止低水平盲目投資和重復(fù)建設(shè)。由此可見政府對電動車發(fā)展的重視。我國不少高等院校、相關(guān)的研究以及國內(nèi)部分企業(yè)都加強(qiáng)了對電動汽車研究開發(fā)的力度，加快了汽車事業(yè)的發(fā)展速度。目前

7、我國純電動汽車研發(fā)比較順利，可以小批量生產(chǎn)與應(yīng)用；與此同時電動汽車的發(fā)展目前它的產(chǎn)業(yè)化也可以說具備條件；值得炫耀的是我國的燃料電池汽車研發(fā)目前達(dá)到國際先進(jìn)水平。因此我國建立電動汽車產(chǎn)業(yè)，逐步實(shí)施車用能源動力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保目標(biāo)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)如今各國都在發(fā)展電動汽車事業(yè)，是由于它具有以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)污染小。電動汽車在本質(zhì)上是一種零排放汽車，一般無直接排放污染物，要是有污染也是間接污染，如電池廢棄物和發(fā)電的時候所消耗的能源而造成的污染都屬于間接污染。然而國家目前也在大力改進(jìn)間接污染，再加上電池廢棄物的回收技術(shù)逐漸成熟。其次水力、原子能發(fā)電等均十分清潔，只是火力發(fā)電污染比較嚴(yán)重，

8、不過相對于燃油汽車而言，它的控制難度就比較容易了，這樣電動車就可以實(shí)現(xiàn)人們想要的“清潔車輛”。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料調(diào)查顯示，電動汽車的噪音比燃油車輛要低5db以上。而目前世界各大城市的噪音污染比較嚴(yán)重，因此要想大幅度降低噪音污染，在世界范圍內(nèi)電動汽車的廣泛使用是必不可少的。國外資料研究表明，使用電動汽車必然造成對電力新的需求，但通過一些優(yōu)惠政策鼓勵電動汽車用戶在夜間充電，可使得電動汽車能盡量利用夜間多余電力。除此之外，電廠廢氣排放可以集中處理，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都優(yōu)于汽車的廢氣排放。目前新型蓄電池也朝著污染低、安全性好的方向發(fā)展，這是因?yàn)樾滦偷男铍姵匾部梢栽诤笃诩羞M(jìn)行處理。美國加利福尼亞州進(jìn)一項試驗(yàn)

9、數(shù)據(jù)和研究報告表明，在綜合考慮上述兩個因素影響的前提下，要想大幅度降低一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧帕?，電動汽車的廣泛應(yīng)用是勢在必行的!也只有電動汽車這種自身具有環(huán)保型的汽車完全代替燃油汽車才能使我們的環(huán)境污染降低，使得地球更加適合人類的住居!(2)節(jié)約能源。據(jù)測算，將原油提煉成柴油和汽油，要是用它們作為燃油汽車驅(qū)動能源時，它們平均只有大約14的能量利用效率。下面說下過程，重油經(jīng)過提煉再到電廠燃燒發(fā)電，所得到的電能經(jīng)過電力傳輸，我們通過所傳送過來的電能進(jìn)行電池充電，之后驅(qū)動電機(jī)，此過程又損耗一部分能量。我們不難發(fā)現(xiàn)重油從提煉到驅(qū)動電機(jī)這些過程是步步損耗能量的，因此電機(jī)輸出時它的能量利用效率也就剩下

10、大約20了。其他發(fā)電方式應(yīng)用于電動汽車能量利用率將會更高。由此可見，電網(wǎng)電力任何一步降低電能的損耗模式，對于消耗能量的電動汽車而言，它的節(jié)能責(zé)任重大、意義重大。(3)改善能源消耗結(jié)構(gòu)。我國石油儲量僅占世界石油儲量的23左右，因此我國以石油為主的能源消耗，只能通過進(jìn)口才能滿足國內(nèi)的能源需求。2011年我國進(jìn)口石油及其產(chǎn)品就超過2.51億噸，石油依賴進(jìn)口高達(dá)55.2?？梢娨允蜑橹鞯哪茉春鸵运?jīng)過提煉而用作化工原料的依賴，對石油的充分利用對發(fā)展我國國民經(jīng)濟(jì)和能源安全有著重大的意義。目前，我國大約石油總消耗的一半用于交通運(yùn)輸。交通運(yùn)輸消耗如此之大的能源，可見能源的節(jié)省它起著至關(guān)重要的作用，因此電動汽

11、車的廣泛使用，對減少石油資源消耗具有舉足輕重的影響。(4)改善電網(wǎng)負(fù)荷。世界各國供電系統(tǒng)都存在負(fù)荷平衡問題。也就是說白天是用電高峰，夜間人們相對于白天而言用電量要少得多，因此我們利用夜間對電動汽車充電，這樣不但有利于電動汽車的能量補(bǔ)充也能使電網(wǎng)負(fù)荷得到平衡，這樣對降低維護(hù)電網(wǎng)的成本也起著至關(guān)重要的作用。例如若一輛電動汽車每天夜間平均能吸收50k刪電能廠需幾十萬輛電動汽車才能完成一個千萬千瓦級電廠的調(diào)峰任務(wù)。可見夜間對電動汽車進(jìn)行充電對電網(wǎng)負(fù)荷平衡問題的意義是多么重要!(5)樹立節(jié)能環(huán)保形象。隨著我國對外開放，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，在世界上的地位逐年不斷提高，與世界各國的交往更加密切，因此我國的環(huán)保

12、形象對世界各國影響重大!特別是我國的首都北京城市，作為國際化的大都市，經(jīng)常性接待國內(nèi)外上層人士和舉辦國際會展活動，環(huán)保與節(jié)約能源上的影響深遠(yuǎn)。因此電動汽車的發(fā)展和廣泛使用對樹立北京和中國在國際上的良好形象有著重要意義。本世紀(jì)是電動汽車進(jìn)入全面快速發(fā)展的時期，因此我們要抓住、抓緊這個在時間上不可多得的機(jī)會，我們國內(nèi)電動汽車的研發(fā)各單位企業(yè)要團(tuán)結(jié)協(xié)作、大膽創(chuàng)新，使我國的電動汽車事業(yè)在世界汽車工業(yè)新一輪競爭中抓住機(jī)會，取得有利地位，這樣對提升我國汽車工業(yè)在世界范圍內(nèi)的競爭力具有很重要的意義，實(shí)現(xiàn)振興我國電動汽車工業(yè)的發(fā)展。目前研制和開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要有電池、電動機(jī)、電動機(jī)控制、整車設(shè)計，以及能量管理

13、技術(shù)等。然而，制約電動汽車發(fā)展的瓶頸是電池和電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)是提高汽車動力性、續(xù)駛里程和可靠性的保證。其輸出特性決定了電動汽車的動力特性，同時，它的效率對電動汽車效率的影響也非常大。目前，在電池技術(shù)未取得突破的背景下，電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的研究成為電動汽車技術(shù)研究的主要熱點(diǎn)，也是提高續(xù)駛里程并使之實(shí)用化的關(guān)鍵，目的是提高電動汽車的驅(qū)動性能、續(xù)駛里程以及行駛方便性、可靠性等。電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)的研究以驅(qū)動電機(jī)的研究為中心，輔以各種新型控制技術(shù)而展開。本課題就是在考慮電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)和電機(jī)調(diào)速控制器發(fā)展的背景下，以德州儀器的dsp芯片tms320f2407作為控制核心、以美國ir公司

14、生產(chǎn)的ir2130mosfet驅(qū)動芯片作為功率驅(qū)動模塊，設(shè)計出硬件控制平臺，采用交流感應(yīng)電機(jī)，并根據(jù)電動汽車的運(yùn)行工況做出一些靈活應(yīng)用，設(shè)計出一套性能優(yōu)越的電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)。1.2電動汽車發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)前國際上各國都在對電動汽車的高新技術(shù)進(jìn)入深入研究，這是由于電動汽車是二十一世紀(jì)綠色的交通工具，在節(jié)省能源上扮演者重要的角色。它將機(jī)算機(jī)、電子與化學(xué)各學(xué)科領(lǐng)域中的高新技術(shù)于一體，是車輛、電力拖動、新能源、智能控制等工程技術(shù)中最新成果的集成產(chǎn)物。因此電動汽車的大力推廣和發(fā)展，可以解除了人們對石油資源日漸枯竭的擔(dān)心；同時電動汽車作為清潔、節(jié)能的新型交通工具可以做到“零排放”，

15、也就是說電動汽車在行駛過程中污染幾乎為零，更重要的是，它的噪音小、熱輻射低以及不消耗汽油，再加上它的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，使用維護(hù)簡單。根據(jù)以上分析，那么電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一就是如何提高電機(jī)驅(qū)動技術(shù)的效率和高性能。豐田上世紀(jì)80年代前半期的純電動汽車采用控制裝置較簡單的有刷直流電機(jī)，90年代前半期開始采用交流感應(yīng)電機(jī)。現(xiàn)在豐田的純電動汽車、電動汽車、燃料電池汽車都采用無刷交流永磁同步電機(jī)，并對其不斷改進(jìn)提高，使電動汽車的性價比不斷提高，增加其競爭力，使豐田成為電動汽車的先領(lǐng)者。美國、歐洲汽車制造商開發(fā)和生產(chǎn)的電動汽車，從優(yōu)先考慮低成本和高可靠出發(fā)，不論是電動轎車還是電動大客車，采用交流感應(yīng)電機(jī)。關(guān)于e

16、v交流調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的研究，國外已經(jīng)研究了10幾年的時間，知名度較高的有美國的太陽電公司，日本的豐田公司和美國的通用公司，其中太陽電公司作為ev交流驅(qū)動系統(tǒng)研究的主要機(jī)構(gòu)，已經(jīng)研究出基于矢量控制的大功率ev變頻器。矢量控制能解決傳統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)啟動轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)慢的特點(diǎn)，但是矢量控制受制于電機(jī)參數(shù)的變化，考慮到ev復(fù)雜的運(yùn)行工況，矢量控制的交流調(diào)速技術(shù)在ev中的應(yīng)用并不具備絕對的優(yōu)勢。另外，國外產(chǎn)品價格昂貴，且技術(shù)受制于人。德國魯爾大學(xué)depenbrock教授于1995年提出的異步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制，具有控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡單、高效、控制性能優(yōu)良、動態(tài)響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，非常適合ev驅(qū)動系統(tǒng)的要求。

17、在直接轉(zhuǎn)矩控制方法中，由于定子磁通定向只涉及到定子電阻，因而對電機(jī)參數(shù)的依賴性大為減弱，尤其是不受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響；此外，直接轉(zhuǎn)矩控制通過轉(zhuǎn)矩偏差和定子磁通偏差來確定電壓矢量，不需要像矢量控制那樣進(jìn)行復(fù)雜的坐標(biāo)變換，從而控制系統(tǒng)及其計算過程大大簡化。顯然，直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速技術(shù)展示了專用于ev驅(qū)動系統(tǒng)的令人矚目的應(yīng)用前景。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀近幾年我國電動汽車的研究工作也進(jìn)入了全面發(fā)展階段，電動汽車市場己初露端倪。在國家863計劃中特別設(shè)立電動汽車重大專項，選擇新一代電動汽車技術(shù)作為我國汽車科技創(chuàng)新的主攻方向，組織企業(yè)、高等院校和科研機(jī)構(gòu)等聯(lián)合攻關(guān)。在市場推廣方面，byd公司的f3雙

18、模動力車已順利上市，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)！“十五”期間，隨著我國電動汽車整車開發(fā)的需要，不少單位承擔(dān)了驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)的攻關(guān)項目，以中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所為主承擔(dān)驅(qū)動電機(jī)及其控制系統(tǒng)的開發(fā)項目。開發(fā)的成果有燃料電池轎車、混合動力轎車和四輪電驅(qū)動車用的驅(qū)動電機(jī)及其控制器，它們用的是永磁無刷直流電機(jī)。各電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)綜合指標(biāo)，各有側(cè)重。不過目前交流感應(yīng)電機(jī)和永磁無刷直流電機(jī)在電動車驅(qū)動中應(yīng)用相對于其它電機(jī)而言比較多?，F(xiàn)在也有少數(shù)研究機(jī)構(gòu)對開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)感興趣。值得指出的是，交流感應(yīng)電機(jī)它是一個多學(xué)科集于一體的綜合應(yīng)用，如電力電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、自控技術(shù)等?？梢娝陌l(fā)展前景十分廣闊，在

19、各種電動汽車電機(jī)中是強(qiáng)有力的競爭者。隨著計算機(jī)技術(shù)和微電子學(xué)的巨大發(fā)展，再加上現(xiàn)在集成度高、速度快、成本低的微機(jī)專用芯片和數(shù)字信號處理器的應(yīng)用越來越廣泛，全數(shù)字化的控制系統(tǒng)應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動不再是一種想象。隨著軟件開發(fā)功能的強(qiáng)大，現(xiàn)在用軟件代替硬件，利用了它的控制功能以及它具有保護(hù)、自診斷和故障監(jiān)視等其它功能。除此之外，我們還可以改變控制策略、修正控制參數(shù)和模型來提高控制系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性?？梢娎萌珨?shù)字化的簡單易用性作為今后電動車控制乃至交流傳動系統(tǒng)一個重要的發(fā)展趨勢。其次目前智能化技術(shù)用在電動汽車控制系統(tǒng)中只是局部智能化的應(yīng)用，如模糊控制器、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)觀測器等。因此完全智能化的發(fā)展是未來電動汽

20、車發(fā)展的一個重要方向?？梢姡鞣N電機(jī)要想在未來的電動車中占有一席之地，除了要對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化外，還需要使電動汽車驅(qū)動控制系統(tǒng)趨于智能化和全數(shù)字化。1.3 電動汽車用電機(jī)比較目前電動汽車使用的電驅(qū)動系統(tǒng)主要有直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。直流電機(jī)包括有刷和無刷永磁同步電機(jī)；交流電機(jī)主要有異步電機(jī)、永磁電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等幾種。通常電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)包括電機(jī)、變頻器和控制與保護(hù)電路。電動汽車運(yùn)行于較寬的負(fù)載和速度范圍及不同的路況下，其驅(qū)動用電動機(jī)的運(yùn)行工況非常惡劣，更重要的是由于混合動力電動汽車靠蓄電池這種有限能量電源供電，而蓄電池的電壓變化范圍大，特別是當(dāng)電壓降至臨界時的實(shí)際容量受到極大的限制

21、，上述因素嚴(yán)重影響著電動汽車用電動機(jī)系統(tǒng)的整體性能。電動汽車用電動機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)必須綜合考慮上述因素，保證系統(tǒng)性能優(yōu)異、高效和可靠。通常，電動汽車對電機(jī)驅(qū)動主要要求是在允許的范圍內(nèi)，盡可能采用高電壓、高轉(zhuǎn)速以減小體積、質(zhì)量，提高功率密度，節(jié)省空間降低成本。電機(jī)質(zhì)量較輕，有利于降低整車的裝備質(zhì)量。電動機(jī)應(yīng)具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較大范圍的調(diào)速性能，具有較強(qiáng)的瞬時過載能力轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，在滿足安全性要求的基礎(chǔ)上可控性、穩(wěn)態(tài)精度要求高，能夠適應(yīng)路面變化及頻繁起動和剎車等復(fù)雜運(yùn)行工況，才能具有良好的起動性能和加速性能。以獲得所需要的起動、加速、行駛、減速、制動等所需的功率與轉(zhuǎn)矩。實(shí)現(xiàn)制動能量再回收利用，而且

22、應(yīng)具有良好的可靠性和可維護(hù)性耐高溫和耐潮濕性能強(qiáng)，運(yùn)行時噪聲低能夠在較惡劣的環(huán)境下長時期工作，結(jié)構(gòu)簡單適合大批量生產(chǎn)，使用維護(hù)方便價格便宜等。1.3.1 直流電機(jī)（dcm）驅(qū)動系統(tǒng)直流電動機(jī)由于控制性能好最早在電動汽車中獲得應(yīng)用，特別是在公共運(yùn)輸汽車上。直流有刷電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械特性好，調(diào)速方便可采用晶體管斬波器脈沖調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)易于平滑調(diào)速控制簡單，技術(shù)成熟成本低具有交流電動機(jī)所不可比擬的優(yōu)良控制特性。其缺點(diǎn)是在運(yùn)行過程中需要電刷和機(jī)械換向器限制了電機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高。另外，直流電機(jī)本身效率較低、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，體積、重量大、價格較高、使用維護(hù)性均受到限制。而晶體管功率半導(dǎo)體的發(fā)展使交流感應(yīng)電

23、動機(jī)和永磁電動機(jī)不斷得到實(shí)踐并趨向成熟，在驅(qū)動領(lǐng)域有取代直流電動機(jī)的趨勢，所以在新研制的混合動力電動汽車上已經(jīng)基本不用直流電動機(jī)。1.3.2 感應(yīng)電機(jī)（im）驅(qū)動系統(tǒng)隨著現(xiàn)代電子技術(shù)與電機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，感應(yīng)電機(jī)應(yīng)用越來越廣在市場上所有的中小型電機(jī)中約占 75。這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單牢固可靠性高，對環(huán)境的適應(yīng)性好，成本和維護(hù)費(fèi)用低，轉(zhuǎn)速范圍可達(dá) 12000-15000rmin，效率較高，另外，其驅(qū)動技術(shù)也最成熟。因此，感應(yīng)電動機(jī)被廣泛的用作混合動力驅(qū)動電機(jī)。例如：美國 gm 公司的 evl 采用功率為 102kw 的 im， ford 公司生產(chǎn)的 p2000采用額定功率為 67kw 的 im。v

24、olkswagen 公司的 golflv 采用額定功率為 52.5kw的 im 等。但是，感應(yīng)電動機(jī)也有其缺點(diǎn)，例如損耗高，需要對電機(jī)不斷冷卻，功率因數(shù)也比永磁無刷電動機(jī)低，對于高速度大功率電機(jī)需要用大功率變換器，恒功率區(qū)域較小等，這都對感應(yīng)電機(jī)在混合動力電動汽車中的應(yīng)用有很大影響。1.3.3 永磁同步電機(jī)（pmsm）驅(qū)動系統(tǒng)永磁同步電動機(jī)性能更加可靠，體積更小而且質(zhì)量更輕，響應(yīng)快環(huán)境適應(yīng)性好。在高速轉(zhuǎn)動時有良好的可靠性運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作時電流損耗小、工作噪聲低，發(fā)電控制簡單不需電磁激勵弱磁控制也容易實(shí)現(xiàn)。在電動汽車特別是高檔電動汽車驅(qū)動方面具有很高的應(yīng)用價值，受到國內(nèi)外電動汽車界的高度重視，并在

25、日本得到較為普遍的應(yīng)用，日本新研制的電動汽車大都采用 pmsm 驅(qū)動。著名的豐田prius混聯(lián)式混合動力電動汽車采用了額定功率為33kw的pmsm，日本nissan公司生產(chǎn)的 altraev 使用了額定功率為 62kw 的 pmsm，honda 公司的混合動力電動汽車 insight 采用了額定功率為 10kw 的 pmsm 等等。1.3.4 開關(guān)磁阻電機(jī)（srm）驅(qū)動系統(tǒng)開關(guān)磁阻電動機(jī)具有簡單可靠成本低，起動及調(diào)速性能好，在較寬轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)高效運(yùn)行、控制靈活、響應(yīng)速度快控制裝置比較簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于其磁極端部的磁路嚴(yán)重飽和以及磁極和溝槽的邊緣效應(yīng)，使其在設(shè)計和控制中要求十分精確。且轉(zhuǎn)

26、矩脈動大運(yùn)行噪聲大，必須使用位置傳感器、按照定子的凸極數(shù)來確定逆變器和電機(jī)的引出線等，所以應(yīng)用還受到一定限制。1.3.5 無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)永磁無刷直流電動機(jī)中所謂“直流”并不指直流電動機(jī)，應(yīng)用中這種電動機(jī)采用交流方波供電，因此也稱為永磁無刷方波電動機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是去掉了電刷，從而也排除了由電刷引起的許多問題；此外因?yàn)樗姆讲娏骱痛艌鍪谴怪钡?，能夠產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩。而且，這種無刷結(jié)構(gòu)使電樞繞組具有更具代表性的區(qū)域，由于通過整個結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)有了改善，電負(fù)荷的增加可產(chǎn)生更高的功率密度，而提高整機(jī)運(yùn)行效率。就交流驅(qū)動系統(tǒng)和直流驅(qū)動系統(tǒng)比較而言，交流電動機(jī)本身比直流電動機(jī)成本低，而逆變器比直流電動機(jī)

27、控制系統(tǒng)成本高。然而，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，兩個系統(tǒng)的成本差距將日益趨近。從目前來看，交流驅(qū)動系統(tǒng)總成成本高于直流驅(qū)動系統(tǒng)的成本，但由于交流驅(qū)動系統(tǒng)效率高、質(zhì)量輕、能更有效地實(shí)現(xiàn)再生制動等固有特點(diǎn)，因此交流驅(qū)動系統(tǒng)事實(shí)上已使其成為ev驅(qū)動系統(tǒng)方案的最佳選擇。 由表1也可確定交流感應(yīng)電機(jī)是目前電機(jī)中性能最好的。表1各種驅(qū)動電機(jī)性能比較感應(yīng)電動機(jī)永磁無刷電動機(jī)直流電動機(jī)開關(guān)磁阻電動機(jī)成本5344效率3.552.53.5可靠性5435可控性4453成熟性5454功率密度3.552.53.5綜合26252223注：表中5表示性能最好1.4 論文主要研究內(nèi)容 本文主要是設(shè)計電動汽車用的交流感應(yīng)電機(jī)

28、驅(qū)動系統(tǒng)，通過分析國內(nèi)外電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，選定ti公司生產(chǎn)的tms320lf2407a芯片為控制核心。通過對比不同電機(jī)在電動汽車上的使用情況,選定了交流感應(yīng)電機(jī)作為控制電機(jī)?？刂品绞綍哼x為矢量控制。設(shè)計的主要架構(gòu)選定完后，接下來就是功率模塊的選擇和dsp的外圍電路的設(shè)計，外圍電路主要包括：檢測電路，保護(hù)電路，驅(qū)動電路，主電路等。針對不同的電路接到相對應(yīng)的dsp功能模塊引腳上，具體的接法，本文也有談到。第二章 電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)2.1電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)概述電動汽車實(shí)現(xiàn)零排放，能有效地避免空氣污染。電動汽車在車輛性能方面也具有優(yōu)勢:電動汽車的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速、加速快，比燃油汽車高出2個數(shù)量級;電

29、機(jī)可分散配置，可直接控制車輪轉(zhuǎn)速，易實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動和四輪轉(zhuǎn)向。由于信息技術(shù)和控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電動汽車的安全性和可靠性大幅提高。電動汽車顯示出的優(yōu)越性和強(qiáng)大的競爭力使之成為21世紀(jì)各國政府大力支持發(fā)展的交通工具。電動汽車的基本結(jié)構(gòu)如圖21所示，主要由電力驅(qū)動子系統(tǒng)、主能源子系統(tǒng)和輔助控制子系統(tǒng)等組成。圖21 電動汽車的基本結(jié)構(gòu)2.1.1電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的基本性能要求電動汽車是一種結(jié)構(gòu)緊湊，工況復(fù)雜，具有一定運(yùn)載能力的行走機(jī)械。不但要適應(yīng)雪天、雨天、盛夏、嚴(yán)冬、高原缺氧等惡劣天氣，還要求承受不同道路狀況的安全考驗(yàn)，保證駕駛?cè)藛T的安全及舒適。更要求其具備燃油汽車基本的行走及載運(yùn)能力，在高速、低

30、速、制動、上下坡、加速等工況下驅(qū)動系統(tǒng)能提供安全可靠的動力。因而，電動汽車的關(guān)鍵在于其驅(qū)動系統(tǒng)，高密度、高效率、寬調(diào)速的車輛牽引電機(jī)及其控制系統(tǒng)既是電動汽車的心臟又是電動汽車研制的關(guān)鍵技術(shù)之一。電動機(jī)是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的核心，其性能、效率、重量等直接影響電動汽車的性能。為達(dá)到對電動汽車?yán)m(xù)航能力及在復(fù)雜工況下安全運(yùn)行的要求，電動汽車驅(qū)動電機(jī)的設(shè)計上交流化、專用化已成為趨勢。電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，與一般的工業(yè)應(yīng)用有很大的不同。由于電池電源功率的限制，不但要求電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有盡可能寬廣的高效率區(qū)，具有高轉(zhuǎn)矩/慣量比和高可靠性，而且要求電機(jī)調(diào)速范圍寬以及良好的轉(zhuǎn)矩、速度特性。由于城市用電動汽車頻繁起停，

31、工作區(qū)域?qū)?，?jīng)常運(yùn)行于低速高轉(zhuǎn)矩或高速低轉(zhuǎn)矩區(qū)域，要求電動汽車在低轉(zhuǎn)速時能提供高轉(zhuǎn)矩，在高速時又能具有寬廣范圍恒功率運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動性能。電動汽車在運(yùn)行過程中頻繁起動和加減速操作，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。具體有如下要求:1.電動汽車用電動機(jī)應(yīng)具有瞬時功率大、過載能力強(qiáng)(過載3一4倍)、加速性能好，使用壽命長的特點(diǎn);2.電動汽車用電動機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求;在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足汽車在平坦的路面能夠高速行駛的要求;3.電動汽車用電動機(jī)應(yīng)能夠在汽車減速時實(shí)現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使

32、得電動汽車具有最佳的能量利用率;4.電動汽車用電動機(jī)應(yīng)在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高一次充電的續(xù)駛里程。另外還要求電動汽車用電動機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。2.2 交流電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和前景隨著功率電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，交流驅(qū)動發(fā)展趨勢為數(shù)字化、模塊化、智能化的方向。在功率電子技術(shù)方面，功率開關(guān)元件的發(fā)展己進(jìn)入了第四階段。目前大多采用絕緣柵極晶體管igbt、mos控制晶閘管和集成了驅(qū)動、自檢測、自保護(hù)功能的功率模塊pim。在微處理器技術(shù)方面，dsp開始在交流驅(qū)動系統(tǒng)中使用。dsp芯片品種主要有ti

33、公司的tms3加系列、ad公司的adsp2100系列、motorola公司的dsp56000系列和at&t公司的dsp32系列。其中性能比較突出是ti公司的tms320lf2xxx系列dsp。它的高速運(yùn)算能力可實(shí)現(xiàn)高效的控制算法，并且片內(nèi)集成了用于電機(jī)控制的外圍電路，為采用新的控制策略提供了有效的硬件環(huán)境。2.2.1脈寬調(diào)制技術(shù)分類與特點(diǎn)隨著電壓型逆變器在高性能電力電子裝置(如交流傳動、ups、無功補(bǔ)償器)中的廣泛應(yīng)用，脈寬調(diào)制技術(shù)(pwm技術(shù))作為其共同的核心技術(shù)，引起人們的高度關(guān)注，并得到越來越深入的研究。pwm技術(shù)最初是在1964年a.shcnoung和h.stemmler發(fā)表文

34、章把通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用到交流傳動中，從此產(chǎn)生了正弦脈寬調(diào)制變頻變壓的思想，為現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化開辟了一新的道路。pwm技術(shù)的發(fā)展過程經(jīng)歷了從最初的追求電壓波形的正弦到電流波形的正弦，再到異步電機(jī)磁通的正弦;從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最小，到消除諧波噪聲等。從實(shí)際應(yīng)用來看，spwm在各種產(chǎn)品中仍占主導(dǎo)地位，并一直是人們研究的熱點(diǎn)，從最初采用模擬電路完成三角調(diào)制波和參考正弦波的比較，產(chǎn)生pwm信號，以控制功率器件的開關(guān)，到八十年代末到九十年代初使用專門的正弦pwm波產(chǎn)生芯片如hef4752等，再到如今采用高速微處理器80c196mc，80c196kc，tms320c240，tms320l

35、f2407a等實(shí)時在線pwm信號輸出，基本實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化的方案。從最初的自然采樣正弦脈寬調(diào)制開始，人們不斷探索改進(jìn)脈寬調(diào)制方法，對自然采樣的spwm做簡單的近似，得到規(guī)則采樣算法，在此基礎(chǔ)上，又提出了準(zhǔn)優(yōu)化pwm技術(shù)，其實(shí)質(zhì)為在一個基波上疊加一個幅值為基波1/4的三次諧波，以提高直流電壓利用率。而后出現(xiàn)的空間電壓矢量pwm技術(shù)初始是以保持電機(jī)磁鏈幅值不變(在平面坐標(biāo)中軌跡為圓形)為出發(fā)點(diǎn)得到的，后來被推廣成為當(dāng)前最有效的工程應(yīng)用方法。其等效的調(diào)制波仍然也含有一定的三次諧波，由于具有控制簡單、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)極其方便的特點(diǎn)，目前也逐漸有取代傳統(tǒng)spwm的趨勢。而最近幾年研究很多的優(yōu)化pwm技術(shù)具有電流

36、諧波畸變率最小、效率最優(yōu)、轉(zhuǎn)矩脈動最小的特點(diǎn)，盡管計算復(fù)雜、實(shí)時控制較難，但由于與其它pwm技術(shù)相比，具有電壓利用率最高、開關(guān)次數(shù)少、可以實(shí)現(xiàn)特定優(yōu)化目標(biāo)等突出優(yōu)點(diǎn)，隨著微處理器速度的不斷提高，這種pwm技術(shù)也逐漸走入實(shí)用化階段。而另外一種應(yīng)用較多的pwm技術(shù)是電流滯環(huán)比較pwm以及在它基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無差拍控制pwm均具有實(shí)現(xiàn)簡單的特點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)頻率足夠高的時候，可以得到非常接近理想正弦的電流波形。到八十年代中后期，人們出于對pwm逆變器產(chǎn)生的電磁噪聲給予的越來越多的關(guān)注，由于pwm逆變器的電壓電流中含有不少的諧波成分，這些諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩脈動作用在定轉(zhuǎn)子上，使電機(jī)繞組產(chǎn)生振動而發(fā)出噪聲。人們?yōu)?/p>

37、了解決此問題想出了兩種方法，一個是提高開關(guān)頻率，使之高于人耳能感受的范圍，另一種方法就是使用隨機(jī)脈沖頻率pwm技術(shù)，從改變諧波的頻譜出發(fā)，使逆變器輸出電壓電流諧波均勻地分布在較寬的頻帶范圍內(nèi)，以達(dá)到抑制噪聲和機(jī)械共振的目的。2.2.2不同交流調(diào)速控制策略比較感應(yīng)電機(jī)是較早用于電動汽車驅(qū)動的一種電機(jī)。它的調(diào)速控制技術(shù)比較成熟，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量小、成本低、運(yùn)行可靠、轉(zhuǎn)矩脈動小、噪聲低、轉(zhuǎn)速極限高和不用位置傳感器等優(yōu)點(diǎn)。其控制技術(shù)主要有v/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制d(tc)。在20世紀(jì)90年代以前，主要以pwm方式實(shí)現(xiàn)v/f控制和轉(zhuǎn)差頻率控制，但因轉(zhuǎn)速控制范圍小，轉(zhuǎn)矩特

38、性不理想。因此不適合頻繁起動、加減速的電動汽車。近幾年來，由感應(yīng)電動機(jī)驅(qū)動的電動汽車幾乎都采用矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制。矢量控制有最大效率控制和無速度傳感器矢量控制:前者是使勵磁電流隨著電動機(jī)參數(shù)和負(fù)載條件的變化，從而使電動機(jī)的損耗最小、效率最大;后者是利用電動機(jī)電壓、電流和電動機(jī)參數(shù)來估算出速度，不用速度傳感器，從而達(dá)到簡化系統(tǒng)、降低成本、提高可靠性的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制克服了矢量控制中解耦的思想，把轉(zhuǎn)子磁通定向變換為定子磁通定向，通過控制定子磁鏈的幅值以及該矢量相對于轉(zhuǎn)子磁鏈的夾角，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。由于直接轉(zhuǎn)矩的控制手段直接、結(jié)構(gòu)簡單、控制性能優(yōu)良和動態(tài)響應(yīng)迅速，因此非常適合電動汽車的

39、控制。 異步電機(jī)矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，使得異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，因此被較早應(yīng)用于電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)，目前仍然是電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)的主流產(chǎn)品(尤其在美國)。如何準(zhǔn)確、快速的辨識異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，以提高整個矢量控制系統(tǒng)的魯棒性，一直以來是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。與矢量控制方式比較，直接轉(zhuǎn)矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，它采用離散的電壓空間矢量和六邊形磁鏈空間矢量概念，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來，因此直接轉(zhuǎn)矩控制大大減少了矢量控制技術(shù)中控制性能易受參數(shù)變化影響的問題。此外，它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制

40、方式。直接轉(zhuǎn)矩控制具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快以及對參數(shù)魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，但有低速轉(zhuǎn)矩脈動大的缺點(diǎn)。2.3 交流電機(jī)矢量控制系統(tǒng)常用方案及其比較目前交流電機(jī)矢量控制方法應(yīng)用較多、比較成熟的有四種。它們基于不同的控制思路，有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。下面對它們進(jìn)行簡要的總結(jié)和比較。1.轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方案轉(zhuǎn)差頻率的矢量控制方案結(jié)構(gòu)簡單，不需要實(shí)際計算轉(zhuǎn)子磁鏈的幅值和相位，避免了磁通的閉環(huán)控制，所能獲得的動態(tài)性能基本上可以達(dá)到直流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的水平。然而間接磁場定向控制中對轉(zhuǎn)子時間常數(shù)比較敏感，當(dāng)控制器中這個參數(shù)不正確時，計算出的轉(zhuǎn)差頻率也不正確，得出的磁通旋轉(zhuǎn)角度將出現(xiàn)偏差，即出現(xiàn)定向不準(zhǔn)

41、的問題。這種控制方法不適合高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)。2、氣隙磁場定向矢量控制方案氣隙磁場定向系統(tǒng)中磁通關(guān)系和轉(zhuǎn)差關(guān)系中存在藕合，需要增加解耦器，這使得它比轉(zhuǎn)子磁通的控制方式復(fù)雜，但具有一些狀態(tài)能直接測量的優(yōu)點(diǎn)，比如氣隙磁通。同時電機(jī)磁通的飽和程度與氣隙磁通一致，故基于氣隙磁通的控制方式更適合于處理飽和效應(yīng)。3、定子磁場定向的矢量控制方案定子磁場定向的矢量控制方案，在一般的調(diào)速范圍內(nèi)可利用定子方程作磁通觀測器，非常易于實(shí)現(xiàn)且不包括對溫度變化非常敏感的轉(zhuǎn)子參數(shù)，可達(dá)到相當(dāng)好的動靜態(tài)性能，同時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也相對簡單。然而低速時，由于定子電阻壓降占端電壓的大部分，致使反電動勢測量誤差較大，導(dǎo)致定子磁通觀測

42、不準(zhǔn)，影響系統(tǒng)性能。定子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)適用于大范圍弱磁運(yùn)行的情況。4、轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方案轉(zhuǎn)子磁場定向的控制方案，缺點(diǎn)是磁鏈閉環(huán)控制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)子磁通的檢測精度受轉(zhuǎn)子時間常數(shù)的影響較大，降低了系統(tǒng)的性能。但是它達(dá)到了完全的解耦控制，無需增加解耦器，控制方式簡單，具有較好動態(tài)性能和控制精度。所以本設(shè)計采用轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制。2.4 交流伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展趨勢1全數(shù)字化采用新型高速微處理器和專用數(shù)字信號處理器(dsp)的伺服控制單元將全面代替以模擬電子器件為主的伺服控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。全數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，將原有的硬件伺服控制變成了軟件伺服控制，從而使伺服系統(tǒng)中應(yīng)用

43、現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法(如最優(yōu)控制、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等)成為可能。2采用新型電力電子半導(dǎo)體器件目前，伺服控制系統(tǒng)得輸出器件越來越多地采用開關(guān)頻率很高的新型功率半導(dǎo)體器件，主要有大功率晶體管(gtr)、功率場效應(yīng)晶體管(mosfet)等。這些先進(jìn)器件的應(yīng)用顯著地降低了伺服單元輸出回路的損耗，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低了運(yùn)行噪聲。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系統(tǒng)已經(jīng)開始使用一種把控制電路功能和大功率電子開關(guān)器件集成在一起的新型模塊，稱為智能控制功率模塊(intelligent power module，ipm)。這種器件將輸入隔離、能耗制動、過溫、過電壓、過電流保護(hù)及故障診斷等

44、功能全部集成于一個不大的模塊之中，其輸入邏輯電平與ttl信號完全兼容，與微處理器的輸出可以直接接口。它的應(yīng)用顯著地簡化了伺服單元的設(shè)計，并實(shí)現(xiàn)了伺服系統(tǒng)的小型化和微型化。3高度集成化新的交流伺服系統(tǒng)產(chǎn)品改變了將伺服系統(tǒng)化分為速度伺服單元與位置伺服單元兩個模塊的做法，代之以單一的、高度集成多功能的控制單元。同一個控制單元，只要通過軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，就可以改變性能，既可以使用電動機(jī)本身配置的傳感器構(gòu)成半閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，又可以通過接口與外部的位置或速度或力矩傳感器構(gòu)成高精度的全閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。高度的集成化還顯著地縮小了整個控制系統(tǒng)的體積，使得伺服系統(tǒng)得安裝與調(diào)試工作都得到了簡化。4智能化智能化是當(dāng)前一切

45、工業(yè)控制設(shè)備的流行趨勢，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為一種高級的工業(yè)控制裝置當(dāng)然也不例外。最新數(shù)字化的伺服控制單元通常都設(shè)計為智能型產(chǎn)品，它們的智能化特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，它們都具有參數(shù)記憶功能，系統(tǒng)的所有運(yùn)行參數(shù)都可以通過人機(jī)對話的方式由軟件來設(shè)置，保存在伺服單元內(nèi)部，通過通信接口，這些參數(shù)甚至可以在運(yùn)行途中由上位計算機(jī)加以修改，應(yīng)用起來十分方便；其次，它們都具有故障自診斷與分析功能，無論什么時候，只要系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就會將故障的類型以及可能引起故障的原因通過用戶界面清楚地顯示出來，這就簡化了維修與調(diào)試的復(fù)雜性。除以上特點(diǎn)之外，有的伺服系統(tǒng)還具有參數(shù)自整定的功能。眾所周知，閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)地參數(shù)整定

46、是保證系統(tǒng)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，也是需要耗費(fèi)較多時間與精力的工作。帶有自整定功能的伺服單元可以通過幾次試運(yùn)行，自動將系統(tǒng)地參數(shù)整定出來，并自動實(shí)現(xiàn)其最優(yōu)化。對于使用伺服單元的用戶來說，這是新型伺服系統(tǒng)最具吸引力的特點(diǎn)之一。5模塊化和網(wǎng)絡(luò)化在國外，以工業(yè)局域網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的工廠自動化(factory automation，fa)技術(shù)在最近10年來得到了長足的發(fā)展，并顯示出良好的發(fā)展勢頭。為適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，最新的伺服系統(tǒng)都配置了標(biāo)準(zhǔn)的串行通信接口(如rs232或rs424接口等)和專用的局域網(wǎng)接口。這些接口的設(shè)置，顯著地增強(qiáng)了伺服控制單元與其他控制設(shè)備間的互連能力，從而與cnc系統(tǒng)間的連接也由此變得

47、十分簡單，只需要一根電纜或光纜，就可以將數(shù)臺，甚至數(shù)十臺伺服單元與上位計算機(jī)連接成為整個數(shù)控系統(tǒng)。也可以通過串行接口，與可編程控制器(plc)的數(shù)控模塊相連mj。2.5 本章小結(jié)第 3 章 電動汽車用功率模塊的研究分析電力電子技術(shù)是電動汽車的核心控制技術(shù)之一，電力電子器件的性能關(guān)系到汽車的可靠性，因此對器件的性能必須進(jìn)行深入的了解，才能設(shè)計出性能優(yōu)良的系統(tǒng)。igbt 以其輸入阻抗高、開關(guān)速度快、通態(tài)電壓低、阻斷電壓高、承受電流大等特點(diǎn)，已成為當(dāng)今功率半導(dǎo)體器件發(fā)展的主流器件。3.1 igbt 的結(jié)構(gòu)和工作原理igbt 絕緣柵雙極型晶體管是把 mosfet 和 bjt 器件集成在一個芯片上而構(gòu)成

48、的一種復(fù)合器件，它綜合了 mosfet 和 bjt 的各自優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高、工作速度快、通態(tài)電壓低、驅(qū)動電流小、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，代表了當(dāng)前世界上電力電子器件發(fā)展的重要方向。圖 3.1 igbt 開通與關(guān)斷時動態(tài)波形圖3.1.1 開通過程igbt導(dǎo)通需要在柵極加適當(dāng)?shù)尿?qū)動電壓，如上圖所示在t0時刻觸發(fā)脈沖ui由柵極電阻提供導(dǎo)通需要的驅(qū)動電壓uge，收內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，uge并不能馬上達(dá)到導(dǎo)通最大值，而是當(dāng)t1時刻達(dá)到柵極閾值電壓。此過程中集電極電流ic從0開始上升，且在le上感應(yīng)出一個反電勢隨ic的上升而增大，由于反電勢方向是與uge相反，因此對uge的大小和上升率呈現(xiàn)抵消作用，同時它

49、又制約和減緩了ic的增長。在t2時刻ic達(dá)到最大值，uge開始下降，并由此使g-c極等效電容放電，這相當(dāng)于在驅(qū)動電路中增加了一種容性電流，使驅(qū)動電路內(nèi)阻抗上的壓降增加，造成uge進(jìn)一步降低，而在t2- t3段上呈現(xiàn)一種上升趨勢的凹形。在t3時刻uce下降到接近于0的管壓降穩(wěn)定值，ic也進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值階段，此時igbt進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)，抑制和阻礙uge上升的不利因素都已消失，故此uge能以較快的上升率進(jìn)入到最大穩(wěn)定值,至此igbt的開導(dǎo)過程結(jié)束。通過上述分析可以看出，igbt的le、cgc和驅(qū)動電路電阻都將影響igbt的開通速度，為此應(yīng)盡量選擇le、cgc小的igbt，同時也應(yīng)采用內(nèi)阻小的驅(qū)動電路。

50、3.1.2 關(guān)斷過程igbt關(guān)斷過程中的電壓電流波形如上圖所示。在t0時刻系統(tǒng)輸出關(guān)斷觸發(fā)脈沖ui下降沿作用于柵極。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響uge是以一定斜率下降，在t0t1期間ic、uce維持不變，當(dāng)uge下降到某一值，在t1時刻后igbt進(jìn)入線性放大工作狀態(tài)，uge開始上升，由于cge+cgc的共同耦合電容效應(yīng)，致使uge在t1t2一段時間內(nèi)保持一種動態(tài)平衡狀態(tài)。而在t2時刻uge達(dá)到動態(tài)峰值時，ic按一定斜率下降至0，同時cge+cgc的放電作用消失，ugc自t2下降至t3時為0值；uge進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，至此關(guān)斷過程結(jié)束。綜上，igbt的cge、cgc都對關(guān)斷過程起到延緩和阻礙作用。因此，要選擇c

51、ge、cgc小的igbt；另一個方面內(nèi)阻小的驅(qū)動電路，能使cge、cgc的充放電電流增加，可以加速uge下降和uce上升的速率。3.2 電動車用 igbt 功率模塊的要求電動汽車中所使用的 igbt 模塊，相對于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，工作環(huán)境惡劣，對 igbt 長期使用的可靠性提出了更高的要求。汽車對功率模塊的需求可大致劃分為兩大類。3.2.1 技術(shù)性需求技術(shù)性指標(biāo)指功率模塊滿足汽車在電氣性能、環(huán)境限制、體積以及重量方面的要求，并且能夠在性能、功率體積比、堅固耐用、質(zhì)量、可生產(chǎn)性以及價格之間找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c(diǎn)。1. 工作環(huán)境限制（高溫、振動情況）igbt 位于逆變器中，需要在高環(huán)境溫度及機(jī)械沖擊下，按照

52、特定的汽車驅(qū)動工況，為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供能量。根據(jù)不同車輛設(shè)計，逆變器可能放置在汽車尾箱、變速箱內(nèi)或引擎蓋下靠近內(nèi)燃機(jī)的位置，而電動汽車對功率模塊最重要以及最賦挑戰(zhàn)性的一個技術(shù)指標(biāo)就是在不降低模塊性能或縮減模塊壽命的情況下，讓其在冷卻進(jìn)風(fēng)口溫度為105oc 的情況下正常運(yùn)行。因此，如果能擴(kuò)大模塊運(yùn)行的溫度范圍(-40oc 至125oc)，就會減輕設(shè)計者為模塊提供單獨(dú)制冷回路的負(fù)擔(dān)。這就對功率模塊的功率密度及散熱設(shè)計提出了更高的要求。2. 復(fù)雜的驅(qū)動工況不同于工業(yè)應(yīng)用中電機(jī)拖動，電動車輛驅(qū)動工況更復(fù)雜，例如對應(yīng)城市的工況，需要頻繁切換于加速、減速、巡航間各個狀態(tài)，通過 igbt 的電流、電壓并非

53、常量，而是隨車輛工況反復(fù)循環(huán)波動，igbt 模塊需要在電流、電壓循環(huán)沖擊下可靠運(yùn)行。圖 3.2 汽車各工況下，igbt 工作曲線3. 高可靠性要求此外，用于汽車的功率模塊必須和汽車的生命周期保持一致。汽車生產(chǎn)廠家需要 igbt 模塊在 hev 全壽命周期中無需更換，對 igbt 的耐久性提出了更高要求，通常功率模塊的非工作狀態(tài)壽命為 15 年；工作壽命為 10,000hrs 或者150,000 miles。3.2.2 經(jīng)濟(jì)性需求經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)包括生產(chǎn)商在不降低質(zhì)量、可靠性以及性能的情況下以較低的成本進(jìn)行大批量生產(chǎn)功率模塊的能力。如今在電氣元件故障是造成汽車問題的主要原因的情況下，功率電路則是電動汽

54、車的最關(guān)鍵部件，所以很容易理解功率模塊的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)比技術(shù)性指標(biāo)更重要的原因。表 3.1 汽車對功率模塊的需求汽車對功率模塊的需求技術(shù)特性（安裝在引擎罩下）經(jīng)濟(jì)特性環(huán)境溫度制冷進(jìn)風(fēng)口溫度權(quán)重-40125-4010520英鎊年需要量為100，1000單位的情況下，6/kw生產(chǎn)遵守 qs9000 orts16949 標(biāo)準(zhǔn)外圍體積470inches3采用模塊化結(jié)構(gòu)，以滿足多種汽車應(yīng)用需要振動機(jī)械沖擊10g-3軸任意方向22gpk高集成度以減少汽車系統(tǒng)部件數(shù)量非工作狀態(tài)壽命15年工作壽命直線母線電壓每相峰值電壓10,000hrs or 150,000 miles300 to 480 vdc600a

55、容易組裝，可以靠自動化設(shè)備或非技術(shù)工人進(jìn)行生產(chǎn)連續(xù)輸出功率105，制冷劑流量3加侖/分鐘125kw3.3 igbt 功率模塊的參數(shù)要求分析隨著微電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件工藝的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多不同性能的電力電子器件。如何選擇合適的器件以適應(yīng)不同的電氣驅(qū)動系統(tǒng)，從而使功率變換器獲得盡可能高的效率，這是一個值得研究的問題。本節(jié)分析了電動汽車電氣驅(qū)動系統(tǒng)對 igbt 功率模塊的參數(shù)要求。首先，根據(jù)本課題所選取的電動轎車驅(qū)動電機(jī)條件，計算參數(shù)值。給定電機(jī)的參數(shù)如下：交流感應(yīng)電機(jī)；額定電壓 288v；額定功率 30kw。下圖 3.3 表述了制約 igbt 功率模塊參數(shù)的主要條件。圖 3.3 igbt 功率

56、模塊參數(shù)制約條件3.3.1 承載電流選擇額定電流區(qū)間確定總原則：1) 必須能夠承受電源的最大額定電流；2) 集電極峰值電流必須處在 igbt 開關(guān)安全工作區(qū)以內(nèi)；3) 根據(jù)汽車的工況，能夠承受對應(yīng)程度的過載；4) 具有一定的裕量。對于此 y 接法的電機(jī)，線、相之間電壓電流有如下關(guān)系：線電流 = 相電流；線電壓 =3相電壓；其中，相電壓為電機(jī)繞組電壓，線電壓為導(dǎo)線電壓。線電壓、電流和功率之間有如下關(guān)系式：i =p/3 u*cos * 其中，p 為電機(jī)功率，根據(jù)所給條件 p 取 30kw；u 為線電壓，根據(jù)所給條件 u 取 288v；cos為電動機(jī)的功率因數(shù)，為電動機(jī)的效率，根據(jù)大功率電機(jī)的典型值

57、，此處cos *的結(jié)果取 0.76。將以上數(shù)值代入公式中，可計算得：線電流 i = 79.134a。 根據(jù)以上計算，可知流過電機(jī)的電流為 79.134a。以下的數(shù)據(jù)都是由此數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)之上得出的。3.3.1.1 電機(jī)工況的影響電動汽車在不同工況下對應(yīng)的電機(jī)電流是需要考慮的因素。當(dāng)汽車在起步時，電機(jī)扭矩最大；汽車在爬坡、突然加速時，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，此時的電流值可以根據(jù)下式計算得出：idc=(pout+plosses)/vin 其中，pout輸出交流電源，plosses為電力電子設(shè)備的損失電壓，vin直流母線電壓。大約是正常運(yùn)行電流的 5 7 倍。由于電流大，電流會使繞組迅速升溫。3.3.1.2 安全工作區(qū) soa安全工作區(qū)限定了 igbt 器件在開關(guān)運(yùn)行、通態(tài)運(yùn)行以及單脈沖運(yùn)行時各種臨界的，不導(dǎo)致 igbt 損壞的運(yùn)行條件。器件所處的工作溫度，對額定集電極電流 ic 有一定影響。當(dāng)工作溫度升高后，允許的額定 ic 會降低。安全工作區(qū)的確定是根據(jù)最大集電極電流如 icm，最大集射極電壓 ucem和最大集電極功耗 pcm，