基于DSP的电动汽车的直接转矩控制系统的研究

摘 要：由于电动汽车发展前景的日益广阔，以及相关技术的不断完善，基于DSP的电动汽车驱动控制系统将有较大的经济价值及社会效应。本文介绍了运用于电动汽车驱动控制系统的TMS320F240数字信号处理器进行的直接转矩调速系统研究,并对低速性能进行了初步探讨和分析。

关键词：数字信号处理器；直接转矩调速；电动汽车；驱动控制系统

直接转矩控制技术,用空间矢量的分析方法,直接在定子坐标系下计算与控制交流电动机的转矩,采用定子磁场定向,借助于离散的两点式的调节(Band-Band控制)产生PWM信号,直接对逆变器的开关状态进行最佳控制,以获得转矩的高动态性能.它省掉了复杂的矢量变换与电动机数学模型的简化处理,没有通常的PWM信号发生器,是一种具有极高静动态性能的交流调速方法.另外, 直接转矩控制采取开关状态表查询方式确定开关状态,是控制系统结构简单,易实现全数字化。直接转矩控制技术一诞生，就以其新颖的控制思想，简洁明了的系统结构，优良的动、静态性能受到了普遍的关注并得到迅速的发展。目前，仅ABB一家公司运行的使用DSC控制的电车和电力机车就超过了1000辆。

直接接转矩控制系统包括为八个部分: 电压变换, 电流变换, 异步电机电机数学模型, 坐标变换（UCT输出）, 转矩计算及调节单元（AMC）,零状态选择单元, 磁链自控单元（DMC），开关信号选择单元.

磁链模型目前一般有三种磁链模型，U—I模型,I—N模型,U—N模型。本论文主要研究和讨论的是该方案在低速控制性能的问题。

U—I模型最为简单和常用，在高速区，由于定子电阻的影响较小，所以精度较高。在低速区受到定子电阻以及定子电流的变化影响，导致误差变大。

I—N模型主要是为了解决低速区U—I模型闭使用的问题，用到了转子电阻，转子漏感，定子电感以及转子速度，这已模型在低速区比较适用。，由于用到的参数比较多，因此误差也比较大。

U—N模型结合了上述两个模型的优点，同时实现了两种模型的平滑切换，在低速区采用U—I模型，而在高速区则自然过渡到U—I模型，这种模型较为复杂，这也是本论文的研究重点。

在中速范围内，定子磁链大小可以根据公式(1)来确定。

用上述方法的优点就是在计算过程中唯一所需要了解电动机参数是易于确定的定子电阻。式中的定子电压Us(t)和定子电流Is(t)同样也是易于处理的物理量，这种用定子电压与定子电流来确定定子磁链的方法叫U—I模型法。

电机在20Hz以下的低速域中运行时，定子电流可以近似看作交流正弦波，但由于Rs在低速时发生明显变化以及低频电流的谐波分量较大，电流变化并不平滑，所以电机运行并不十分理想。

由以上波形可以看出，U-I 模型只有在被积分的差值，也就是Us(t)-Is(t)Rs的值比较大时才能提供正确的的结果，其误差是由定子电阻Rs的存在引起的。在中速时，由于电流和电阻的乘积在整个积分项中的所占的比例很小，采用U-I模型可达到很高的精度。在低速时，由于电动机的反电势很小，电流和电阻的乘积在整个积分项中所占的比例比较大，由于电流测量以及电阻变化造成的误差，使得磁链计算的误差比较大。特别是当定子频率接近零时，用这种方法来确定定子磁链是不可能的，因为用作积分的定子电压和定子电阻压降之间的差值消失了，以至在稳定情况下只有误差被积分。所以这种U-I 模型控制方案的优点是控制结构比较简单，坐标运算也很简单，磁链和转矩运算用到的电机参数只有定子电阻，因此，此控制方案对对电机参数的依赖性小，鲁棒性好。此外，由于采用定子磁链定向控制，系统的动态响应很快。其缺点是在低速时，零状态延续时间较长，定子电阻压降使磁链形状偏转，基波幅值下降，对控制系统性能有一定的影响。此外，由于此系统控制的磁链轨迹形状是六边形的，它的电流谐波对电磁转矩以及电网的影响都是不容忽视的。

直接转矩全速控制系统的原理

U—N全速度模型由定子电压和转速来获得定子磁链。它综合了U—I模型和I—N模型的特点。U—N模型的输入量是定子电压和转速信号，以此而获得电动机其他各量，因此U—N模型也称为电动机模型，它很好地模拟了电动机的各个物理量。电动机模型很好地综合了U—I模型和I—N模型的优点，又很自然地解决了切换问题。在高速时，电动机模型实际工作在U—I模型下，磁链实际上只是由定子电压与定子电流计算得到。由定子电阻误差，转速测量误差以及电动机参数引起的磁链误差在这个工作范围将不再有意义。在低速时，电动机模型实际工作在I—N模型下，由于在电流观测器和PI调节器的作用下，从而对定子电阻的误差进行校正和调节，达到较好的动态性能，从而实现了电机全速度方案的滑模控制

由上面四式建立U—N模型，并分为两个通道（α通道，β通道），其表达式推导为：

试验效果及分析

(3)电机在低档向中档切换时的波形：(4)电机在低档向高档切换时的波形：

从上图可以看出，电机在从从25Hz向35Hz ，20Hz向55Hz切换时，电机响应很快，状态切换十分平滑，没有出现任何切换的干扰和波动，达到了滑模控制的效果。另外，从图中可以看出：在高速时电机定子电流近似为正弦波，所以工作状态较好。

(5)U—N全速度模型12Hz电机低速时的定子电流波形:

从上图可以看出，在低频时电机定子电流由于在电流观测器和PI调节器的作用下能平稳运行，所以定子电流波形较为平滑，没有较大的尖峰，近似为正弦波。所以低速时性能比U—I模型时的有很大的改善。

结束语

目前，电动汽车控制器除了档位控制（低、中、高、空、倒五个档位）以外，还可以实现踏板无级变频调速，并实现了较好的静动态效果。直接转矩控制方案在德国经十多年的发展，其低速域的转矩特性，以及高速谐波的处理，都有显著的改善，并已经经入使用阶段。目前已广泛应用于大功率电力机车，地铁,城市有轨电车，电动汽车的主传动系统中。例如，穿越英吉利海峡的高速列车采用的就是这种控制系统。德国鲁尔大学的EAEE教研室在此项研究上一直居于世界领先地位，目前他们正在继续深化此领域的研究工作。当前主要侧重以下三个方面的研究：

1． 无速度传感器的直接传感器的应用研究。

2． 中小功率的IGBT变频器全转速域ISR控制方案的应用研究。

3． 为了减小电网谐波采用三点式变频器的特大功率调速系统的应用研究。

目前我国在此项领域的研究仍处于仿真和试验阶段，尚有不少控制性能和应用问题有待解决。