微型电动车用轮毂电机控制系统的研究

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1、微型电动车用轮毂电机控制系统的研究

2、第1...摘要　本文设计了一种基于DSP的专用于短距离运输的微型电动车（MicroEV）的永磁无刷轮毂电机控制系统，提出的控制策略是进行电压控制的同时进行对应于加速踏板踏位的电流预测控制；仅采用一个置于直流端的霍尔电流传感器实现了相电流的检测；软件设计中摈弃通常使用捕获单元的方式，仅采用一个通用定时器实现各项控制。实验表明，样机系统具有良好的性能，满足微型电动车驱动的要求。　　关键词　微型电动车　永磁无刷轮毂电机　控制系统1　前言　　近年来，归属于纯电动车范畴的专用于短距离运输的几种微型电动车（Mic

3、roEV）在国外已投放市场。本文开发的微型电动车采用永磁无刷轮毂电机驱动。由于把电动机安装在车轮轮毂内，既提高了车体空间的利用率又舍弃了传统的离合器、减速器、传动桥等机械传动部件，使整车重量减轻，降低了机械传动损耗，并具有更灵活的行驶驱动特性。　　本文所述为上述轮式驱动微型电动车专一设计的一种基于数字信号处理器（DSP）的电动车轮毂电机的控制系统。其主要特点是：采用电压控制同时设计了对应于加速踏板踏位的电流预测控制的控制策略，获得了类似传统汽车驾驶习惯的控制特性；仅采用一个置于直流端的霍尔电流传感器实施了相电流检测，并结合相应硬件的设计

4、与改进，完成了限流控制；此外，在软件设计中，仅使用一个通用定时器即可实现各项控制要求，其技术方案简洁合理。经样机实验的验证，表明本文构造的基于DSP的控制系统对于电动车轮毂电机控制具有推广应用意义。2　电动车轮毂电机驱动系统控制新策略　　本系统针对微型电动车运行特点，提出了采用电压控制同时配合设计了对应于加速踏板踏位的电流预测控制的控制策略，可以获得类似传统汽车驾驶习惯的功率控制特性。　　此时，加速踏板的踏位对应于电压指令的输入。驱动系统的机械特性如图1所示，其中q为脉宽调制方式（P）调速输出电压的占空比，机械特性方程为500)this

5、.style.ouseg(this)">其中U为直流电源电压。　　从图1中可以看出，对一定的转矩而言，输入电压指令对应于速度的控制；而对一定的速度而言，输入电压指令对应于转矩控制，因此控制加速踏板可以获得与传统驾驶习惯相似的控制特性。500)this.style.ouseg(this)">　　同时，由于对加速踏板的操作对应于输出电压P占空比q的线性变化，因而在猛踩踏板时会引起过流而使保护电路动作。但是，猛踩加速踏板在驾驶中是不可避免的，所以本控制系统设计了电流的预测控制，即根据实时电机速度n，按下式推算出此时允许的最大电枢相电压平均值U

6、max，即500)this.style.ouseg(this)">　　当加速踏板踏位所对应的占空比q＞qmax，则实际输出电压的占空比取qmax。这样，将确保在急剧加速过程中电机以允许的最大转矩运行，即响应速度快，但又不会引起过流造成停机，此时控制特性类似于功率控制。　　3　控制系统设计　　本文所设计的控制系统，以及相应于电流检测、驱动电路和电机位置检测等环节的电气连接构成框图如图2所示。系统采用如前一节所述的控制策略，全桥调制方式，滞环限流控制。三相Y联接的无刷直流方波轮毂电机采用两两导通方式，即每一瞬间有两个功率管导通，每隔60°电

7、角换相一次，每个功率管导通120°电角度。DSP选用美国德州仪器公司的电机微控制器TMS320X240，由于DSP片内的资源丰富，如具有A／D转换、P输出等功能模块，使控制电路大为简化。限于篇幅，本文着重介绍设计中具有特色的几个方面。500)this.style.ouseg(this)">500)this.style.ouseg(this)">3．1　电流检测　　通常限流的电流检测是检测相电流，故需要3个电流传感器。本系统仅采用一个霍尔电流传感器（LEM），如图2所示放置在直流端，检测直流端电流，同样完成了控制要求。另外，为了防止切换振

8、荡，设置了滞环比较环节。其功能分析如下：在全桥调制控制中，当M1，M4管关断时直流端电流流向如图3、4所示。这样，在一个P周期中，直流端电流如图5所示，其正方向如图2所示。今采用霍尔电流传感器进行电流采样时，霍尔元件的响应时间约为3μs左右，因而若将其输出信号经滤波放大、绝对值电路等通常的处理后使用，那么，在直流端电流由正向→0→反向的过程中，就会检测到低于限流滞环下限值的电流值，使相应的功率管再次开通，导致管子处于开通、关断的高频切换状态中。为此，本文提出一种新的方案，电路如图6所示。即将霍尔传感器的输出信号经过滤波放大，绝对值电路后

9、，再经过过零处理，最后产生所需电流的控制信号，从而较好地解决了上述功率管高频切换振荡问题。应指出，此方案关键在于过零处理环节对电流检测值的绝对值减小的过程有一个延时响应，这样就避开了直流端电流过零过程中的上