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1、摘要基于DSP2407A的电动汽车感应电机控制系统硬件设计第一章 绪论11选题的背景与意义在未来的一段时间内，我国将成为世界最大的汽车消费国，去年我国的汽车保有量为7802万辆。不过空气污染源也随之大幅度提高，空气污染将有64来自于汽车尾气的排放，如一氧化碳、碳氢化合物、硫化物以及由于二氧化碳排放等，这些气体都会造成温室效应，对我国经济健康发展起到一定得阻碍影响；在2020年左右，我国石油消费量将超过4.5亿吨，而我国能源系统效率平均低于国际先进水平10，但是我国60石油消费量依赖于进口，要是仍然采用传统的内燃机技术发展汽车工业将会使我国为此付出巨大代价和对环境保护也会造成巨大的压力。在这种严
2、峻的形势下，我国汽车工业的未来发展需要我们好好思考。根据现在世界人口和汽车的增长趋势来看，今后50年中，世界人口和汽车数量分别从60亿增加到100亿和10亿增加到40亿辆以上。若这些车辆都采用内燃机，能源需求和空气污染将会给人类造成巨大的压力和损坏。因此我们必须开发节能环保型以及高效智能型的交通车辆，只有这样才能在本世纪实现交通的可持续发展。现在世界上各国汽车现有数量加在一起超过10亿辆，每年新增加的各种汽车约3500万辆，按平均每辆汽车年消耗1015桶石油及石油制品计算，汽车的石油消耗量每年达到100150亿桶，可见就光汽车每年消耗的石油量都要占世界石油产量的一半以上，这样石油资源要是长期按
3、现在的每年几十亿吨大规模地开采，那么石油资源枯竭的日子将会越来越近。根据科学家的预测，如果按目前地球上石油资源的消耗水平，仅仅可以维持60100年左右。能源危机曾经对世界经济带来严重影响，因此石油资源的争夺更加强烈，石油纠纷在国际上也不断发生，甚至为了争夺石油资源而爆发的战争在近几年也不断发生。因此石油资源的解决是当今世界每个国家所面临的首要考虑的问题，石油资源解决的好坏是当今世界是否稳定的重要因素。电动汽车是将机算机、电子与化学各学科领域中的高新技术于一体，是汽车、计算机、电力拖动、新材料、新能源、功率电子、自动控制、化学电源等工程技术中最新成果的集成产物。电动汽车的种类很多，如纯电动汽车和
4、燃料电池汽车。混合动力电动汽车是纯电动汽车发展过程中，能满足未来汽车以节能为目标和污染物排放低等要求且有利于市场化的一种新车型。燃料电池是以氢为燃料，与大气中的氧转化为电能作为汽车动力，推动汽车前进。混合动力电动汽车、燃料电池汽车和纯电动汽车对世界汽车的发展以及环境的保护都起到一个前所未有的阶段，具有里程碑的意义。我国政府已将电动汽车的快速发展列入我国“十五”国家863计划，加大了对电动汽车开发和产业化的投入，与世界发达国家电动汽车发展接轨，目前已经取得了一定得成就。国务院总理温家宝在今年的4月18日主持召开的国务院常务会议中讨论通过了节能与新能源汽车产业发展规划。会议指出，加快培育和发展节能
5、与新能源汽车产业，对于缓解能源和环境压力，推动汽产业转型升级，培育新的经济增长点，具有重要意义。要以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式电动汽车产业化，推广普及非插电式电动汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。争取到2015年，纯电动汽车和插电式电动汽车累计产销量达到50万辆，到2020年超过500万辆；2015年当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至每百公里6.9升，到2020年降至5.0升；新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平。为此，一要实施技术创新工程。建立研发体系，突破关键核心技术，大幅提高汽车燃料经济性水平和动力电池系统
6、安全性、可靠性、轻量化水平。二要加快推广应用和试点示范。实施鼓励购买和使用节能汽车政策，开展私人购买新能源汽车补贴试点。三要因地制宜建设慢速充电桩和公共快速充换电设施，制定动力电池回收利用管理办法，建立动力电池梯级利用和回收管理体系。四要完善标准体系和准入管理制度，加大财税金融政策支持，营造有利于产业发展的市场环境，加强科研和人才保障，积极开展国际合作。会议强调，发展节能与新能源汽车产业，要依托现有产业基础，科学规划产业布局，防止低水平盲目投资和重复建设。由此可见政府对电动车发展的重视。我国不少高等院校、相关的研究以及国内部分企业都加强了对电动汽车研究开发的力度，加快了汽车事业的发展速度。目前
7、我国纯电动汽车研发比较顺利，可以小批量生产与应用；与此同时电动汽车的发展目前它的产业化也可以说具备条件；值得炫耀的是我国的燃料电池汽车研发目前达到国际先进水平。因此我国建立电动汽车产业，逐步实施车用能源动力系统转型，实现节能环保目标奠定了技术基础。现如今各国都在发展电动汽车事业，是由于它具有以下几个方面的优点：(1)污染小。电动汽车在本质上是一种零排放汽车，一般无直接排放污染物，要是有污染也是间接污染，如电池废弃物和发电的时候所消耗的能源而造成的污染都属于间接污染。然而国家目前也在大力改进间接污染，再加上电池废弃物的回收技术逐渐成熟。其次水力、原子能发电等均十分清洁，只是火力发电污染比较严重，
8、不过相对于燃油汽车而言，它的控制难度就比较容易了，这样电动车就可以实现人们想要的“清洁车辆”。根据国内外相关资料调查显示，电动汽车的噪音比燃油车辆要低5dB以上。而目前世界各大城市的噪音污染比较严重，因此要想大幅度降低噪音污染，在世界范围内电动汽车的广泛使用是必不可少的。国外资料研究表明，使用电动汽车必然造成对电力新的需求，但通过一些优惠政策鼓励电动汽车用户在夜间充电，可使得电动汽车能尽量利用夜间多余电力。除此之外，电厂废气排放可以集中处理，技术和经济上都优于汽车的废气排放。目前新型蓄电池也朝着污染低、安全性好的方向发展，这是因为新型的蓄电池也可以在后期集中进行处理。美国加利福尼亚州进一项试验
9、数据和研究报告表明，在综合考虑上述两个因素影响的前提下，要想大幅度降低一氧化碳和碳氢化合物的排放量，电动汽车的广泛应用是势在必行的!也只有电动汽车这种自身具有环保型的汽车完全代替燃油汽车才能使我们的环境污染降低，使得地球更加适合人类的住居!(2)节约能源。据测算，将原油提炼成柴油和汽油，要是用它们作为燃油汽车驱动能源时，它们平均只有大约14的能量利用效率。下面说下过程，重油经过提炼再到电厂燃烧发电，所得到的电能经过电力传输，我们通过所传送过来的电能进行电池充电，之后驱动电机，此过程又损耗一部分能量。我们不难发现重油从提炼到驱动电机这些过程是步步损耗能量的，因此电机输出时它的能量利用效率也就剩下
10、大约20了。其他发电方式应用于电动汽车能量利用率将会更高。由此可见，电网电力任何一步降低电能的损耗模式，对于消耗能量的电动汽车而言，它的节能责任重大、意义重大。(3)改善能源消耗结构。我国石油储量仅占世界石油储量的23左右，因此我国以石油为主的能源消耗，只能通过进口才能满足国内的能源需求。2011年我国进口石油及其产品就超过2.51亿吨，石油依赖进口高达55.2。可见以石油为主的能源和以它经过提炼而用作化工原料的依赖，对石油的充分利用对发展我国国民经济和能源安全有着重大的意义。目前，我国大约石油总消耗的一半用于交通运输。交通运输消耗如此之大的能源，可见能源的节省它起着至关重要的作用，因此电动汽
11、车的广泛使用，对减少石油资源消耗具有举足轻重的影响。(4)改善电网负荷。世界各国供电系统都存在负荷平衡问题。也就是说白天是用电高峰，夜间人们相对于白天而言用电量要少得多，因此我们利用夜间对电动汽车充电，这样不但有利于电动汽车的能量补充也能使电网负荷得到平衡，这样对降低维护电网的成本也起着至关重要的作用。例如若一辆电动汽车每天夜间平均能吸收50K删电能厂需几十万辆电动汽车才能完成一个千万千瓦级电厂的调峰任务。可见夜间对电动汽车进行充电对电网负荷平衡问题的意义是多么重要!(5)树立节能环保形象。随着我国对外开放，我国经济发展迅速，在世界上的地位逐年不断提高，与世界各国的交往更加密切，因此我国的环保
12、形象对世界各国影响重大!特别是我国的首都北京城市，作为国际化的大都市，经常性接待国内外上层人士和举办国际会展活动，环保与节约能源上的影响深远。因此电动汽车的发展和广泛使用对树立北京和中国在国际上的良好形象有着重要意义。本世纪是电动汽车进入全面快速发展的时期，因此我们要抓住、抓紧这个在时间上不可多得的机会，我们国内电动汽车的研发各单位企业要团结协作、大胆创新，使我国的电动汽车事业在世界汽车工业新一轮竞争中抓住机会，取得有利地位，这样对提升我国汽车工业在世界范围内的竞争力具有很重要的意义，实现振兴我国电动汽车工业的发展。目前研制和开发的关键技术主要有电池、电动机、电动机控制、整车设计，以及能量管理
13、技术等。然而，制约电动汽车发展的瓶颈是电池和电机驱动控制系统。电机驱动控制系统是提高汽车动力性、续驶里程和可靠性的保证。其输出特性决定了电动汽车的动力特性，同时，它的效率对电动汽车效率的影响也非常大。目前，在电池技术未取得突破的背景下，电机驱动系统的研究成为电动汽车技术研究的主要热点，也是提高续驶里程并使之实用化的关键，目的是提高电动汽车的驱动性能、续驶里程以及行驶方便性、可靠性等。电机驱动子系统的研究以驱动电机的研究为中心，辅以各种新型控制技术而展开。本课题就是在考虑电动汽车驱动系统运行特点和电机调速控制器发展的背景下，以德州仪器的DSP芯片TMS320F2407作为控制核心、以美国IR公司
14、生产的IR2130MOSFET驱动芯片作为功率驱动模块，设计出硬件控制平台，采用交流感应电机，并根据电动汽车的运行工况做出一些灵活应用，设计出一套性能优越的电动汽车驱动系统。1.2电动汽车发展的国内外现状1.2.1国外发展现状当前国际上各国都在对电动汽车的高新技术进入深入研究，这是由于电动汽车是二十一世纪绿色的交通工具，在节省能源上扮演者重要的角色。它将机算机、电子与化学各学科领域中的高新技术于一体，是车辆、电力拖动、新能源、智能控制等工程技术中最新成果的集成产物。因此电动汽车的大力推广和发展，可以解除了人们对石油资源日渐枯竭的担心；同时电动汽车作为清洁、节能的新型交通工具可以做到“零排放”，
15、也就是说电动汽车在行驶过程中污染几乎为零，更重要的是，它的噪音小、热辐射低以及不消耗汽油，再加上它的结构不复杂，使用维护简单。根据以上分析，那么电动汽车的关键技术之一就是如何提高电机驱动技术的效率和高性能。丰田上世纪80年代前半期的纯电动汽车采用控制装置较简单的有刷直流电机，90年代前半期开始采用交流感应电机。现在丰田的纯电动汽车、电动汽车、燃料电池汽车都采用无刷交流永磁同步电机，并对其不断改进提高，使电动汽车的性价比不断提高，增加其竞争力，使丰田成为电动汽车的先领者。美国、欧洲汽车制造商开发和生产的电动汽车，从优先考虑低成本和高可靠出发，不论是电动轿车还是电动大客车，采用交流感应电机。关于E
16、V交流调速驱动系统的研究，国外已经研究了10几年的时间，知名度较高的有美国的太阳电公司，日本的丰田公司和美国的通用公司，其中太阳电公司作为EV交流驱动系统研究的主要机构，已经研究出基于矢量控制的大功率EV变频器。矢量控制能解决传统交流调速系统启动转矩小，转矩响应慢的特点，但是矢量控制受制于电机参数的变化，考虑到EV复杂的运行工况，矢量控制的交流调速技术在EV中的应用并不具备绝对的优势。另外，国外产品价格昂贵，且技术受制于人。德国鲁尔大学Depenbrock教授于1995年提出的异步电机直接转矩控制，具有控制手段直接、结构简单、高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点，非常适合EV驱动系统的要求。
17、在直接转矩控制方法中，由于定子磁通定向只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性大为减弱，尤其是不受转子参数变化的影响；此外，直接转矩控制通过转矩偏差和定子磁通偏差来确定电压矢量，不需要像矢量控制那样进行复杂的坐标变换，从而控制系统及其计算过程大大简化。显然，直接转矩控制的交流调速技术展示了专用于EV驱动系统的令人瞩目的应用前景。1.2.2 国内发展现状近几年我国电动汽车的研究工作也进入了全面发展阶段，电动汽车市场己初露端倪。在国家863计划中特别设立电动汽车重大专项，选择新一代电动汽车技术作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构等联合攻关。在市场推广方面，BYD公司的F3双
18、模动力车已顺利上市，实现量产！“十五”期间，随着我国电动汽车整车开发的需要，不少单位承担了驱动电机及其控制系统的攻关项目，以中国电子科技集团公司第二十一研究所为主承担驱动电机及其控制系统的开发项目。开发的成果有燃料电池轿车、混合动力轿车和四轮电驱动车用的驱动电机及其控制器，它们用的是永磁无刷直流电机。各电机驱动系统综合指标，各有侧重。不过目前交流感应电机和永磁无刷直流电机在电动车驱动中应用相对于其它电机而言比较多。现在也有少数研究机构对开关磁阻电机和永磁同步电机感兴趣。值得指出的是，交流感应电机它是一个多学科集于一体的综合应用，如电力电子技术、数字技术、自控技术等。可见它的发展前景十分广阔，在
19、各种电动汽车电机中是强有力的竞争者。随着计算机技术和微电子学的巨大发展，再加上现在集成度高、速度快、成本低的微机专用芯片和数字信号处理器的应用越来越广泛，全数字化的控制系统应用于电机驱动不再是一种想象。随着软件开发功能的强大，现在用软件代替硬件，利用了它的控制功能以及它具有保护、自诊断和故障监视等其它功能。除此之外，我们还可以改变控制策略、修正控制参数和模型来提高控制系统的实用性和可靠性。可见利用全数字化的简单易用性作为今后电动车控制乃至交流传动系统一个重要的发展趋势。其次目前智能化技术用在电动汽车控制系统中只是局部智能化的应用，如模糊控制器、神经网络观测器等。因此完全智能化的发展是未来电动汽
20、车发展的一个重要方向。可见，各种电机要想在未来的电动车中占有一席之地，除了要对电机结构进行优化外，还需要使电动汽车驱动控制系统趋于智能化和全数字化。1.3 电动汽车用电机比较目前电动汽车使用的电驱动系统主要有直流电机驱动系统和交流电机驱动系统。直流电机包括有刷和无刷永磁同步电机；交流电机主要有异步电机、永磁电机、开关磁阻电机等几种。通常电机驱动系统包括电机、变频器和控制与保护电路。电动汽车运行于较宽的负载和速度范围及不同的路况下，其驱动用电动机的运行工况非常恶劣，更重要的是由于混合动力电动汽车靠蓄电池这种有限能量电源供电，而蓄电池的电压变化范围大，特别是当电压降至临界时的实际容量受到极大的限制
21、，上述因素严重影响着电动汽车用电动机系统的整体性能。电动汽车用电动机系统的开发必须综合考虑上述因素，保证系统性能优异、高效和可靠。通常，电动汽车对电机驱动主要要求是在允许的范围内，尽可能采用高电压、高转速以减小体积、质量，提高功率密度，节省空间降低成本。电机质量较轻，有利于降低整车的装备质量。电动机应具有较大的起动转矩和较大范围的调速性能，具有较强的瞬时过载能力转矩响应速度快，在满足安全性要求的基础上可控性、稳态精度要求高，能够适应路面变化及频繁起动和刹车等复杂运行工况，才能具有良好的起动性能和加速性能。以获得所需要的起动、加速、行驶、减速、制动等所需的功率与转矩。实现制动能量再回收利用，而且
22、应具有良好的可靠性和可维护性耐高温和耐潮湿性能强，运行时噪声低能够在较恶劣的环境下长时期工作，结构简单适合大批量生产，使用维护方便价格便宜等。1.3.1 直流电机（DCM）驱动系统直流电动机由于控制性能好最早在电动汽车中获得应用，特别是在公共运输汽车上。直流有刷电机的主要优点是机械特性好，调速方便可采用晶体管斩波器脉冲调制方法实现易于平滑调速控制简单，技术成熟成本低具有交流电动机所不可比拟的优良控制特性。其缺点是在运行过程中需要电刷和机械换向器限制了电机转速的进一步提高。另外，直流电机本身效率较低、结构相对复杂，体积、重量大、价格较高、使用维护性均受到限制。而晶体管功率半导体的发展使交流感应电
23、动机和永磁电动机不断得到实践并趋向成熟，在驱动领域有取代直流电动机的趋势，所以在新研制的混合动力电动汽车上已经基本不用直流电动机。1.3.2 感应电机（IM）驱动系统随着现代电子技术与电机控制技术的快速发展，感应电机应用越来越广在市场上所有的中小型电机中约占 75。这种电机结构简单牢固可靠性高，对环境的适应性好，成本和维护费用低，转速范围可达 12000-15000rmin，效率较高，另外，其驱动技术也最成熟。因此，感应电动机被广泛的用作混合动力驱动电机。例如：美国 GM 公司的 Evl 采用功率为 102kW 的 IM， Ford 公司生产的 P2000采用额定功率为 67kW 的 IM。V
24、olkswagen 公司的 GolflV 采用额定功率为 52.5kW的 IM 等。但是，感应电动机也有其缺点，例如损耗高，需要对电机不断冷却，功率因数也比永磁无刷电动机低，对于高速度大功率电机需要用大功率变换器，恒功率区域较小等，这都对感应电机在混合动力电动汽车中的应用有很大影响。1.3.3 永磁同步电机（PMSM）驱动系统永磁同步电动机性能更加可靠，体积更小而且质量更轻，响应快环境适应性好。在高速转动时有良好的可靠性运转平稳，工作时电流损耗小、工作噪声低，发电控制简单不需电磁激励弱磁控制也容易实现。在电动汽车特别是高档电动汽车驱动方面具有很高的应用价值，受到国内外电动汽车界的高度重视，并在
25、日本得到较为普遍的应用，日本新研制的电动汽车大都采用 PMSM 驱动。著名的丰田Prius混联式混合动力电动汽车采用了额定功率为33kW的PMSM，日本Nissan公司生产的 AltraEV 使用了额定功率为 62kW 的 PMSM，Honda 公司的混合动力电动汽车 Insight 采用了额定功率为 10kW 的 PMSM 等等。1.3.4 开关磁阻电机（SRM）驱动系统开关磁阻电动机具有简单可靠成本低，起动及调速性能好，在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、响应速度快控制装置比较简单等优点。但是，由于其磁极端部的磁路严重饱和以及磁极和沟槽的边缘效应，使其在设计和控制中要求十分精确。且转
26、矩脉动大运行噪声大，必须使用位置传感器、按照定子的凸极数来确定逆变器和电机的引出线等，所以应用还受到一定限制。1.3.5 无刷直流电机驱动系统永磁无刷直流电动机中所谓“直流”并不指直流电动机，应用中这种电动机采用交流方波供电，因此也称为永磁无刷方波电动机。其优点是去掉了电刷，从而也排除了由电刷引起的许多问题；此外因为它的方波电流和磁场是垂直的，能够产生较大的输出转矩。而且，这种无刷结构使电枢绕组具有更具代表性的区域，由于通过整个结构的热传导有了改善，电负荷的增加可产生更高的功率密度，而提高整机运行效率。就交流驱动系统和直流驱动系统比较而言，交流电动机本身比直流电动机成本低，而逆变器比直流电动机
27、控制系统成本高。然而，随着电力电子技术的不断发展，两个系统的成本差距将日益趋近。从目前来看，交流驱动系统总成成本高于直流驱动系统的成本，但由于交流驱动系统效率高、质量轻、能更有效地实现再生制动等固有特点，因此交流驱动系统事实上已使其成为EV驱动系统方案的最佳选择。 由表1也可确定交流感应电机是目前电机中性能最好的。表1各种驱动电机性能比较感应电动机永磁无刷电动机直流电动机开关磁阻电动机成本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综合26252223注：表中5表示性能最好1.4 论文主要研究内容 本文主要是设计电动汽车用的交流感应电机
28、驱动系统，通过分析国内外电动汽车驱动系统的研究现状，选定TI公司生产的TMS320LF2407A芯片为控制核心。通过对比不同电机在电动汽车上的使用情况,选定了交流感应电机作为控制电机。控制方式暂选为矢量控制。设计的主要架构选定完后，接下来就是功率模块的选择和DSP的外围电路的设计，外围电路主要包括：检测电路，保护电路，驱动电路，主电路等。针对不同的电路接到相对应的DSP功能模块引脚上，具体的接法，本文也有谈到。第二章 电动汽车驱动系统2.1电动汽车驱动系统概述电动汽车实现零排放，能有效地避免空气污染。电动汽车在车辆性能方面也具有优势:电动汽车的转矩响应迅速、加速快，比燃油汽车高出2个数量级;电
29、机可分散配置，可直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向。由于信息技术和控制技术的广泛应用，电动汽车的安全性和可靠性大幅提高。电动汽车显示出的优越性和强大的竞争力使之成为21世纪各国政府大力支持发展的交通工具。电动汽车的基本结构如图21所示，主要由电力驱动子系统、主能源子系统和辅助控制子系统等组成。图21 电动汽车的基本结构2.1.1电动汽车驱动系统的基本性能要求电动汽车是一种结构紧凑，工况复杂，具有一定运载能力的行走机械。不但要适应雪天、雨天、盛夏、严冬、高原缺氧等恶劣天气，还要求承受不同道路状况的安全考验，保证驾驶人员的安全及舒适。更要求其具备燃油汽车基本的行走及载运能力，在高速、低
30、速、制动、上下坡、加速等工况下驱动系统能提供安全可靠的动力。因而，电动汽车的关键在于其驱动系统，高密度、高效率、宽调速的车辆牵引电机及其控制系统既是电动汽车的心脏又是电动汽车研制的关键技术之一。电动机是电动汽车驱动系统的核心，其性能、效率、重量等直接影响电动汽车的性能。为达到对电动汽车续航能力及在复杂工况下安全运行的要求，电动汽车驱动电机的设计上交流化、专用化已成为趋势。电动汽车的驱动系统，与一般的工业应用有很大的不同。由于电池电源功率的限制，不但要求电机驱动系统具有尽可能宽广的高效率区，具有高转矩/惯量比和高可靠性，而且要求电机调速范围宽以及良好的转矩、速度特性。由于城市用电动汽车频繁起停，
31、工作区域宽，经常运行于低速高转矩或高速低转矩区域，要求电动汽车在低转速时能提供高转矩，在高速时又能具有宽广范围恒功率运转的驱动性能。电动汽车在运行过程中频繁起动和加减速操作，对驱动系统的要求是很高的。具体有如下要求:1.电动汽车用电动机应具有瞬时功率大、过载能力强(过载3一4倍)、加速性能好，使用寿命长的特点;2.电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求;在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求;3.电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使
32、得电动汽车具有最佳的能量利用率;4.电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次充电的续驶里程。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。2.2 交流电机控制系统发展现状和前景随着功率电子技术和微处理器技术的发展，交流驱动发展趋势为数字化、模块化、智能化的方向。在功率电子技术方面，功率开关元件的发展己进入了第四阶段。目前大多采用绝缘栅极晶体管IGBT、MOS控制晶闸管和集成了驱动、自检测、自保护功能的功率模块PIM。在微处理器技术方面，DSP开始在交流驱动系统中使用。DSP芯片品种主要有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。其中性能比较突出是TI公司的TMS320LF2XXX系列DSP。它的高速运算能力可实现高效的控制算法，并且片内集成了用于电机控制的外围电路，为采用新的控制策略提供了有效的硬件环境。2.2.1脉宽调制技术分类与特点随着电压型逆变器在高性能电力电子装置(如交流传动、UPS、无功补偿器)中的广泛应用，脉宽调制技术(PWM技术)作为其共同的核心技术，引起人们的高度关注，并得到越来越深入的研究。PWM技术最初是在1964年A.Shcnoung和H.Stemmler发表文章把通信
34、系统的调制技术应用到交流传动中，从此产生了正弦脉宽调制变频变压的思想，为现代交流调速技术的发展和实用化开辟了一新的道路。PWM技术的发展过程经历了从最初的追求电压波形的正弦到电流波形的正弦，再到异步电机磁通的正弦;从效率最优，转矩脉动最小，到消除谐波噪声等。从实际应用来看，SPWM在各种产品中仍占主导地位，并一直是人们研究的热点，从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波的比较，产生PWM信号，以控制功率器件的开关，到八十年代末到九十年代初使用专门的正弦PWM波产生芯片如HEF4752等，再到如今采用高速微处理器80C196MC，80C196KC，TMS320C240，TMS320LF240
35、7A等实时在线PWM信号输出，基本实现了全数字化的方案。从最初的自然采样正弦脉宽调制开始，人们不断探索改进脉宽调制方法，对自然采样的SPWM做简单的近似，得到规则采样算法，在此基础上，又提出了准优化PWM技术，其实质为在一个基波上叠加一个幅值为基波1/4的三次谐波，以提高直流电压利用率。而后出现的空间电压矢量PWM技术初始是以保持电机磁链幅值不变(在平面坐标中轨迹为圆形)为出发点得到的，后来被推广成为当前最有效的工程应用方法。其等效的调制波仍然也含有一定的三次谐波，由于具有控制简单、数字化实现极其方便的特点，目前也逐渐有取代传统SPWM的趋势。而最近几年研究很多的优化PWM技术具有电流谐波畸变
36、率最小、效率最优、转矩脉动最小的特点，尽管计算复杂、实时控制较难，但由于与其它PWM技术相比，具有电压利用率最高、开关次数少、可以实现特定优化目标等突出优点，随着微处理器速度的不断提高，这种PWM技术也逐渐走入实用化阶段。而另外一种应用较多的PWM技术是电流滞环比较PWM以及在它基础上发展起来的无差拍控制PWM均具有实现简单的特点，当开关频率足够高的时候，可以得到非常接近理想正弦的电流波形。到八十年代中后期，人们出于对PWM逆变器产生的电磁噪声给予的越来越多的关注，由于PWM逆变器的电压电流中含有不少的谐波成分，这些谐波产生的转矩脉动作用在定转子上，使电机绕组产生振动而发出噪声。人们为了解决此
37、问题想出了两种方法，一个是提高开关频率，使之高于人耳能感受的范围，另一种方法就是使用随机脉冲频率PWM技术，从改变谐波的频谱出发，使逆变器输出电压电流谐波均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制噪声和机械共振的目的。2.2.2不同交流调速控制策略比较感应电机是较早用于电动汽车驱动的一种电机。它的调速控制技术比较成熟，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点。其控制技术主要有V/F控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制D(TC)。在20世纪90年代以前，主要以PWM方式实现V/F控制和转差频率控制，但因转速控制范围小，转矩特性不理想
38、。因此不适合频繁起动、加减速的电动汽车。近几年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。矢量控制有最大效率控制和无速度传感器矢量控制:前者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化，从而使电动机的损耗最小、效率最大;后者是利用电动机电压、电流和电动机参数来估算出速度，不用速度传感器，从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。直接转矩控制克服了矢量控制中解耦的思想，把转子磁通定向变换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速，因此非常适合电动汽车的控制。
39、异步电机矢量控制调速技术比较成熟，使得异步电机驱动系统具有明显的优势，因此被较早应用于电动汽车的驱动系统，目前仍然是电动汽车驱动系统的主流产品(尤其在美国)。如何准确、快速的辨识异步电动机转子电阻，以提高整个矢量控制系统的鲁棒性，一直以来是国内外研究的重点。与矢量控制方式比较，直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，它采用离散的电压空间矢量和六边形磁链空间矢量概念，只要知道定子电阻就可以把它观测出来，因此直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。此外，它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。直
40、接转矩控制具有结构简单、转矩响应快以及对参数鲁棒性好等优点，但有低速转矩脉动大的缺点。2.3 交流电机矢量控制系统常用方案及其比较目前交流电机矢量控制方法应用较多、比较成熟的有四种。它们基于不同的控制思路，有着各自的优缺点，应用于不同的领域。下面对它们进行简要的总结和比较。1.转差频率的矢量控制方案转差频率的矢量控制方案结构简单，不需要实际计算转子磁链的幅值和相位，避免了磁通的闭环控制，所能获得的动态性能基本上可以达到直流双闭环控制系统的水平。然而间接磁场定向控制中对转子时间常数比较敏感，当控制器中这个参数不正确时，计算出的转差频率也不正确，得出的磁通旋转角度将出现偏差，即出现定向不准的问题。
41、这种控制方法不适合高性能的电机控制系统。2、气隙磁场定向矢量控制方案气隙磁场定向系统中磁通关系和转差关系中存在藕合，需要增加解耦器，这使得它比转子磁通的控制方式复杂，但具有一些状态能直接测量的优点，比如气隙磁通。同时电机磁通的饱和程度与气隙磁通一致，故基于气隙磁通的控制方式更适合于处理饱和效应。3、定子磁场定向的矢量控制方案定子磁场定向的矢量控制方案，在一般的调速范围内可利用定子方程作磁通观测器，非常易于实现且不包括对温度变化非常敏感的转子参数，可达到相当好的动静态性能，同时控制系统结构也相对简单。然而低速时，由于定子电阻压降占端电压的大部分，致使反电动势测量误差较大，导致定子磁通观测不准，影
42、响系统性能。定子磁场定向的矢量控制系统适用于大范围弱磁运行的情况。4、转子磁场定向的矢量控制方案转子磁场定向的控制方案，缺点是磁链闭环控制系统中转子磁通的检测精度受转子时间常数的影响较大，降低了系统的性能。但是它达到了完全的解耦控制，无需增加解耦器，控制方式简单，具有较好动态性能和控制精度。所以本设计采用转子磁场定向的矢量控制。2.4 交流伺服驱动技术的发展趋势1全数字化采用新型高速微处理器和专用数字信号处理器(DSP)的伺服控制单元将全面代替以模拟电子器件为主的伺服控制单元，从而实现完全数字化的交流伺服系统。全数字化的实现，将原有的硬件伺服控制变成了软件伺服控制，从而使伺服系统中应用现代控制
43、理论的先进算法(如最优控制、人工智能、模糊控制、神经元网络等)成为可能。2采用新型电力电子半导体器件目前，伺服控制系统得输出器件越来越多地采用开关频率很高的新型功率半导体器件，主要有大功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)等。这些先进器件的应用显著地降低了伺服单元输出回路的损耗，提高了系统的响应速度，降低了运行噪声。尤其值得一提的是，最新型的伺服控制系统已经开始使用一种把控制电路功能和大功率电子开关器件集成在一起的新型模块，称为智能控制功率模块(Intelligent Power Module，IPM)。这种器件将输入隔离、能耗制动、过温、过电压、过电流保护及故障诊断等功能全部
44、集成于一个不大的模块之中，其输入逻辑电平与TTL信号完全兼容，与微处理器的输出可以直接接口。它的应用显著地简化了伺服单元的设计，并实现了伺服系统的小型化和微型化。3高度集成化新的交流伺服系统产品改变了将伺服系统化分为速度伺服单元与位置伺服单元两个模块的做法，代之以单一的、高度集成多功能的控制单元。同一个控制单元，只要通过软件设置系统参数，就可以改变性能，既可以使用电动机本身配置的传感器构成半闭环调节系统，又可以通过接口与外部的位置或速度或力矩传感器构成高精度的全闭环调节系统。高度的集成化还显著地缩小了整个控制系统的体积，使得伺服系统得安装与调试工作都得到了简化。4智能化智能化是当前一切工业控制
45、设备的流行趋势，交流伺服驱动系统作为一种高级的工业控制装置当然也不例外。最新数字化的伺服控制单元通常都设计为智能型产品，它们的智能化特点表现在以下几个方面：首先，它们都具有参数记忆功能，系统的所有运行参数都可以通过人机对话的方式由软件来设置，保存在伺服单元内部，通过通信接口，这些参数甚至可以在运行途中由上位计算机加以修改，应用起来十分方便；其次，它们都具有故障自诊断与分析功能，无论什么时候，只要系统出现故障，就会将故障的类型以及可能引起故障的原因通过用户界面清楚地显示出来，这就简化了维修与调试的复杂性。除以上特点之外，有的伺服系统还具有参数自整定的功能。众所周知，闭环调节系统地参数整定是保证系
46、统性能指标的重要环节，也是需要耗费较多时间与精力的工作。带有自整定功能的伺服单元可以通过几次试运行，自动将系统地参数整定出来，并自动实现其最优化。对于使用伺服单元的用户来说，这是新型伺服系统最具吸引力的特点之一。5模块化和网络化在国外，以工业局域网技术为基础的工厂自动化(Factory Automation，FA)技术在最近10年来得到了长足的发展，并显示出良好的发展势头。为适应这一发展趋势，最新的伺服系统都配置了标准的串行通信接口(如RS232或RS424接口等)和专用的局域网接口。这些接口的设置，显著地增强了伺服控制单元与其他控制设备间的互连能力，从而与CNC系统间的连接也由此变得十分简单
47、，只需要一根电缆或光缆，就可以将数台，甚至数十台伺服单元与上位计算机连接成为整个数控系统。也可以通过串行接口，与可编程控制器(PLC)的数控模块相连MJ。2.5 本章小结第 3 章 电动汽车用功率模块的研究分析电力电子技术是电动汽车的核心控制技术之一，电力电子器件的性能关系到汽车的可靠性，因此对器件的性能必须进行深入的了解，才能设计出性能优良的系统。IGBT 以其输入阻抗高、开关速度快、通态电压低、阻断电压高、承受电流大等特点，已成为当今功率半导体器件发展的主流器件。3.1 IGBT 的结构和工作原理IGBT 绝缘栅双极型晶体管是把 MOSFET 和 BJT 器件集成在一个芯片上而构成的一种复
48、合器件，它综合了 MOSFET 和 BJT 的各自优点，具有输入阻抗高、工作速度快、通态电压低、驱动电流小、耐压高和承受电流大等优点，代表了当前世界上电力电子器件发展的重要方向。图 3.1 IGBT 开通与关断时动态波形图3.1.1 开通过程IGBT导通需要在栅极加适当的驱动电压，如上图所示在t0时刻触发脉冲Ui由栅极电阻提供导通需要的驱动电压UGE，收内部结构影响，UGE并不能马上达到导通最大值，而是当t1时刻达到栅极阈值电压。此过程中集电极电流ic从0开始上升，且在LE上感应出一个反电势随ic的上升而增大，由于反电势方向是与UGE相反，因此对UGE的大小和上升率呈现抵消作用，同时它又制约和减缓了ic的增长。在t2时刻ic达到最大值，UGE开始下降，并由此使G-C极等效电容放电，这相当于在驱动电路中增加了一种容性电流，使驱动电路内阻抗上的压降增加，造成UGE进一步降低，而在t2- t3段上呈现一种上升趋势的凹形。在t3时刻UCE下降到接近于0的管压降稳定值，iC也进入稳态值阶段，此时IGBT进入饱和导通状态，抑制和阻碍UGE上升的不利因素都已消失，故此UGE能以较快的上升率进入到最大稳定值,至此IGBT的开导过程结束。通过上述分
