电动车用感应电动机驱动系统设计

王毅，王立国，徐殿国

(哈尔滨工业大学，广东深圳518055)

    摘要：根据电动车对电机驱动控制系统的技术要求，设计了一套三相感应电动机驱动器。该驱动器利用一种含微分运算的矢量控制方法，提高了控制系统的鲁棒性。实验表明：控制器可满足电动车的高功率密度、高转速、快速动态调速性能等技术指标。

    关键词：感应电动机；转子时间常数；电动车；矢量控制

中图分类号：TM346    文献标识码：A  文章编号：1004-7018(2008)07-0045-02

 

 

    0引  言

 

    电机及其驱动系统是电动车的核心部分，它体现了一个国家的电机制造水平和控制水平。国外在这方面已做了多年的研究，目前已有一些成熟的控制系统，但国内仅在近几年才涉足该领域[1-3]。电动车所用电机可分为永磁同步电动机、磁阻电动机及感应电动机等多种，鼠笼式感应电动机因具有价格低、维护简单、结构体积小等优点，故它在电动车领域中被广泛采用，本文的驱动控制系统就是针对该种电机设计的。由于电动车系统要求电机控制部分应具有较高的动态响应速度及较小的静态误差，因此本文在功率输出部分采用了大功率IGBT三相逆变桥的结构[4]，其中IGBT的开关频率可达到10kHz。为提高对IGBT驱动的可靠性，驱动电路采用了模块形式。为了能实现较复杂的控制算法，中央处理器选用TI公司专门用于电机控制的DSPF2407A芯片。在对感应电动机的控制策略方面，由于磁场定向矢量控制方法发展得比较成熟，其控制性能可满足电动车系统的要求，因此本文采用了该方法。为了抑制电机参数变化对控制系统性能的影响，本系统采用了一种改进的含微分运算的磁场定向控制算法[5,6]。

 

    1 感应电动机驱动系统

 

    由于电动车的供电电源为锂电池，而三相感应电动机需要的工作电源为三相对称、可调幅调频的正弦电源，因此，在电机驱动器中必须把直流电源逆变成三相交流电源。本文的电动车电机驱动系统主电路结构如图1所示。三相感应电动机的额定功率为23 kW，峰值功率可达60 kW。车载锂电池的额定输出电压为310 V，系统允许电压工作范围为250～350 V。

 

 

    图1中由1、2、3部分组成三相桥臂，可通过控制IGBT的驱动信号实现将直流母线电压转换为三相正弦PWM脉冲的任务；反之，在刹车制动期间，也可将此三个桥臂作为高频整流器使用，即将电机发出的三相正弦电压转换成直流电压，从而对电池进行回馈充电。图中第4部分为能量回馈控制电路，即可以根据电池电压的具体情况来控制电池充电电流的大小。本文采用IcBT作为三相逆变桥的功率单元，其额定电流为300 A，****可达400A(低温)，耐压为1 OOO V。IGBT的驱动和保护电路采用了与IGBT配套的驱动模块，每个模块可驱动一个桥臂，并且各驱动模块可共用一个驱动电源，这极大地简化了驱动电路的设计，提高了系统的可靠性。

 

    图2为控制电路原理图。控制电路的核心采用数字信号处理器DSP-F2407A。由DSP对电压、电流、温度、转速、故障等信号进行检测与处理，同时它还可产生PWM及其它控制信号，并可通过CAN总线与车载的其它控制模块通信。

 

 

    2 控制策略

 

    本文采用磁场定向矢量控制方法，利用文献[5，6]中的电机模型：

 

 

    控制系统的工作原理如图3所示。其中，虚框里的内容为本文算法的核心，励磁控制部分由式(1)完成，转矩控制部分由式(2)完成，磁链估算部分由式(3)、式(4)完成。

 

 

    3 实验结果

 

    本文所用的鼠笼式三相感应电动机的参数为：额定输出功率23 kW；额定