电动汽车异步电动机驱动系统研究
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摘要
随着我国汽车保有量急剧增加，能源和环境问题将更加突出。人们迫切需要寻求一种低排放和节约能源的交通工具。电动汽车(EV)以其在节能和环保方面的巨大优势，已成为世界各国竞相研究的重要热点，必将成为21世纪重要的交通工具之一。
电机驱动系统是电动汽车最关键的部分之一，它将决定整车的性能。20世纪90年代以后，国外电动汽车开始使用的交流驱动系统来取代直流驱动系统，已成为驱动系统的主流。目前，我国交流异步电机驱动系统的研究在满足电动汽车特殊要求方面还处于研究阶段。
本论文根据异步电机的多变量数学模型，运用电机统一理论、机电能量转换以及在坐标变换理论基础上发展起来的矢量控制理论，深入地研究电动汽车交流异步电机驱动系统控制的技术与方法。
研究过程中主要采用转子磁场定向的矢量控制方法，通过矢量运算，做到分别控制dqO旋转坐标中的磁场电流分量i_m与转矩电流分量i_T，对交流异步电机实现类似直流电动机的转速控制与调节，以获得快速响应和精确控制的目标。
为实现电动汽车驱动系统控制要求快速敏捷、实时性高等特点，研究中选用了TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407作为系统的核心控制芯片、高性能的智能功率模块(IPM)逆变功率器件，设计了控制系统的主回路、控制电路。在设计过程当中考虑了电磁干扰和电磁兼容问题。为验证设计系统的可行性，运用MATLAB6.0中的动态仿真工具SIMULINK对系统的动静态性能进行了仿真研究，仿真结果表明该系统具有良好的速度响应和位置控制能力。
研究中设计开发的以高性能的DSP芯片TMS320LF2407为核心、基于矢量控制原理的电动汽车异步电机驱动系统，提出用一种新型的PWM调制方法—电压空间矢量法(SVPWM)实现对异步电机的高性能可靠控制。
With the vehicle retention increasing dramatically in our country, energy and environment problem is becoming more and more serious. Transportation tools with low exhaust and high energy efficency are urgently needed. The electric vehicle, which is generically economic and environmental friendly, has become the most important hotspot
?
in transportation vehicle research worldwide. EV will become one of most important transportation tools in 21st centuries.
Motor drive system is one of the key parts of vehicle and determines the performance of the whole vehicle. Since 1990's, AC motor drive system has become the mainstream drive system of EV abroad, replacing the DC drive system. At present, AC motor drive system meeting the special propulsion demands of the EV (Electrical Vehicle) is still in the stage of trial.
According to multi-variable mathematical model of AC motor, this paper thoroughly studied the control technique and method of AC motor drive system of EV, using motor unification principle, energy conversion and vector control theory which is based on coordinate transformation.
To achieve quick response and precision control, we adopted rotor flux field-oriented control to control the rotate speed of asynchronous motor in a similar as that of a DC motor, by the way of controlling magnetic current im and torque iT of dqO revolving coordinate respectively via vector calculation.
In order to realize fleetness and high real-time performance required by the drive system of EV, we selected as core control of system the digital signal processor (DSP), TMS320LF2407 of TI company, which is specific for motor control; intelligent power module (IPM) of converter power apparatus of high performance. We also designed the main circuit and control circuit of the system, taking into consideration the electromagnetism interference (EMI) and electromagnetism compatibility (EMC) are. The dynamic and static characteristics are simulated using SIMULINK of MATLAB 6.0, which showed that the system had both good speed response and position control capacity. In this EV motor control system study we developed the hardware control system based on high-performance TMS320LF2407 DSP, and proposed a novel PWM method-Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) to realize the reliable high performance control of asynchronized motor. The algorithm described in this paper can a
chieve favorable result.
电机驱动系统是电动汽车最关键的部分之一，它将决定整车的性能。20世纪90年代以后，国外电动汽车开始使用的交流驱动系统来取代直流驱动系统，已成为驱动系统的主流。目前，我国交流异步电机驱动系统的研究在满足电动汽车特殊要求方面还处于研究阶段。
本论文根据异步电机的多变量数学模型，运用电机统一理论、机电能量转换以及在坐标变换理论基础上发展起来的矢量控制理论，深入地研究电动汽车交流异步电机驱动系统控制的技术与方法。
研究过程中主要采用转子磁场定向的矢量控制方法，通过矢量运算，做到分别控制dqO旋转坐标中的磁场电流分量i_m与转矩电流分量i_T，对交流异步电机实现类似直流电动机的转速控制与调节，以获得快速响应和精确控制的目标。
为实现电动汽车驱动系统控制要求快速敏捷、实时性高等特点，研究中选用了TI公司的电机控制专用DSP芯片TMS320LF2407作为系统的核心控制芯片、高性能的智能功率模块(IPM)逆变功率器件，设计了控制系统的主回路、控制电路。在设计过程当中考虑了电磁干扰和电磁兼容问题。为验证设计系统的可行性，运用MATLAB6.0中的动态仿真工具SIMULINK对系统的动静态性能进行了仿真研究，仿真结果表明该系统具有良好的速度响应和位置控制能力。
研究中设计开发的以高性能的DSP芯片TMS320LF2407为核心、基于矢量控制原理的电动汽车异步电机驱动系统，提出用一种新型的PWM调制方法—电压空间矢量法(SVPWM)实现对异步电机的高性能可靠控制。
With the vehicle retention increasing dramatically in our country, energy and environment problem is becoming more and more serious. Transportation tools with low exhaust and high energy efficency are urgently needed. The electric vehicle, which is generically economic and environmental friendly, has become the most important hotspot
?
in transportation vehicle research worldwide. EV will become one of most important transportation tools in 21st centuries.
Motor drive system is one of the key parts of vehicle and determines the performance of the whole vehicle. Since 1990's, AC motor drive system has become the mainstream drive system of EV abroad, replacing the DC drive system. At present, AC motor drive system meeting the special propulsion demands of the EV (Electrical Vehicle) is still in the stage of trial.
According to multi-variable mathematical model of AC motor, this paper thoroughly studied the control technique and method of AC motor drive system of EV, using motor unification principle, energy conversion and vector control theory which is based on coordinate transformation.
To achieve quick response and precision control, we adopted rotor flux field-oriented control to control the rotate speed of asynchronous motor in a similar as that of a DC motor, by the way of controlling magnetic current im and torque iT of dqO revolving coordinate respectively via vector calculation.
In order to realize fleetness and high real-time performance required by the drive system of EV, we selected as core control of system the digital signal processor (DSP), TMS320LF2407 of TI company, which is specific for motor control; intelligent power module (IPM) of converter power apparatus of high performance. We also designed the main circuit and control circuit of the system, taking into consideration the electromagnetism interference (EMI) and electromagnetism compatibility (EMC) are. The dynamic and static characteristics are simulated using SIMULINK of MATLAB 6.0, which showed that the system had both good speed response and position control capacity. In this EV motor control system study we developed the hardware control system based on high-performance TMS320LF2407 DSP, and proposed a novel PWM method-Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) to realize the reliable high performance control of asynchronized motor. The algorithm described in this paper can a
chieve favorable result.
引文
[1] 马宪民，电动汽车的电气驱动系统，西安公路交通大学学报，2001，21(3)：83～86
[2] 阿布里提．阿布都拉，清水健一，电动汽车的发展状况和开发动向，电工电能新技术，2000，(1)：49～53
[3] 宋慧，胡骅，电动汽车的现状及发展，汽车电器，2000，(2)：53～57
[4] 王怡，胡元德等，国外电动汽车电机驱动系统发展评述，微电机，1997，30(3)：22～26
[5] 杨竞衡．电动汽车的电气传动系统．电气传动．Vol．29，No．4，1999
[6] 胡骅．混合动力源电动汽车和电动汽车的电动机．世界汽车，No．3，2001
[7] 王怡．胡源得，王义发等．国外电动汽车电机驱动系统发展评述．微电机，Vol．30，No．3，1997
[8] 孙蓬春．程夕明．电动汽车动力系统现状及发展．汽车工程．Vol．22，No．4，2000
[9] 孙立志，赵辉，陆永平，杨少武．电动汽车的电机驱动系统．电工电能新技术，1996
[10] 陈伯时．陈敏逊．交流调速系统．机械工业出版社，1998
[11] 黄俊，王兆安．电力电子变流技术．机械工业出版社，1999
[12] 陈伯时主编．电力拖动自动控制系统．机械：工业出版社，1993
[13] 吕成刚，基于DSP的变频调速系统，[硕士学位论文]，浙江：浙江大学，2002
[14] 胡崇岳．现代交流调速技术．机械工业出版社，1998
[15] 刘和平，严利平，张学锋，卓清锋．TMS320LF2407DSP结构、原理及应用．北京航空航天大学出版社，2002
[16] 王念旭．DSP基础与应用系统设计．北京航空航天大学出版社，2002
[17] 陈国呈，PWM变频调速技术．北京，机械工业出版社，1998
[18] 邓想珍，赖寿宏．异步电机变频调速系统及应用．华中理工大学出版社，1992
[19] 张雄伟，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发应用．电子工业出版社．2000
[20] TI Application Report, Implementation of a Speed Field Orientated Control of 3-phase AC Motor Using TMS320F240, BPRA076, MARCH 1998
[21] TI Application Report, AC Induction Motor Control Using Constant V/F Principle and Space Vector PWM Technique with TMS320C240, SPRA284A, April 1998
[22] 王妍．基于DSP的空间电压矢量法PWM的研究．电机与控制学报，2000，(2)：14—17
[23] 彭松，电动汽车用异步电机矢量控制研究，[硕十学位论文]，北京：中国科学院，2001
[24] 彭启综．DSP与实时信号处理．成都：电子科技大学出版社．1998
[25] 熊建，康勇，张凯等．电压空间矢量调节与常规SPWM的比较研究．电力电子技术，1999(2)：25—28
[26] 王成元等．矢量控制交流伺服驱动电动机，机械工业出版社，1995
[27] 李永东．交流电机数字控制系统，北京：机械工业出版社，2002
[28] 江晓安，董秀峰，杨松华著．数字电子技术，西安电子科技大学出版社，2000
[29] 陶伟宜．智能功率模块和DSP在变频调速系统中的应用，电机与控制学报，1993(3)：188—191
[30] 林忠岳．电力电子变换技术．重庆大学出版社，1991
[31] Chart C. C., Chau K. T., Power Electronics and Electric Vehicles, Proceedings of IPEM'97,
[32] Miller, J. M., Emadi, A., Rajarathnam, A. V., Ehsani, M., Current status and future trends in More Electric Car power systems, Vehicular Technology Conference, 1999 IEEE 49th, Vol. 2, Page(s): 1380-1384
[33] Vezzini, A., Reichert, K., Power electronics layout in a hybrid electric or electric vehicle drive system, Power Electronics in Transportation, 1996 IEEE, Page(s): 57-63
[34] M. Ehsani, K. M. Rahman, H. A. Toliyat, " Propulsion system design of electric and hybrid vehicles ", IEEE Trans. On Ind. Electronics, Vol. 44, No. 1, pp. 19-27, Feb 1997
[35] 冯静．变频调速中的再生能量回收应用研究，咸宁师专学报．2000，20(3)：27～30
[36] 罗玉涛，俞明等．电动车制动能量再生反馈控制研究，机床与液压，2002．(5)：162～164
[37] 赵峰，混合动力汽车用永磁同步电动机调速系统研究，[硕士学位论文]，天津：天津大学，2003
[38] Z. Rahman, K. L. Butler, M. Ehsani, "Effect of extended-speed, constant-power operation of electric drives on the design and performance of EV-HEV propulsion system ", SAE2000-01-1557
[39] Kenji Nakano and Shinobu Oehai, "Development of the Motor Assist System for the Hybrid Automobile-the Insight ", SAE Convergence Paper No. 2000-01-C079, Socity of Automobile Engineers, Warrendale, PA, 2000, p.3
[40] P. G. Cummings, W. D. Bowers, and W. J. Martiny, "Induction motor efficiency test methods" IEEE Trans. Ind. Applicat, Vol. IA-17, pp.253-272, May/June 1981
[41] G. Henneberger, J. R. Hadji-minagiou, R. Ciorba. Comparison of Three Different Motor Types for Electric Vehicle Application. Proc. of the 12th International Electic Vehicle Symposium, Anaheim California, 1994: 615-624
[42] L. Chang. Comparison of AC Drives for Electric Vehicles-A report on Experts' opinion Survey. IEEE AES System Magazine, 1995, 19(8): 7-11
[43] C. C. Chan, KT. Chau. AV Overview of Power Electronics in Electric Vehicle[J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics. 1997, 44(1): 3-13
[44] O. Choi, J. Kwon, et al. High Efficiency Drive System for Electric Vehicle[G]. Proc. of 13th International Electric Vehicle Symposium, Osaka, Japan. 1996: 537-543
[45] Z. Rahman, M. Ehsani, K. L. Butler. "An Investigation of Electric Motor Drive Characteristics for EV and HEV Propulsion System" SAE 2000-01-3062
[46] 章进法，姚凯卫．IGBT智能功率模块的驱动控制电路，电力电子技术，1995，(4)：1～4
[47] 吴守箴，臧英杰．电气传动的脉宽调制技术．北京：机械工业出版社，1995
[48] 王成元等，矢量控制交流伺服驱动电动机，机械工业出版社，1995
[49] 陈伯时．电控技术的发展与展望，电源技术与应用，1999，(4)
[50] 冯畹芝．电机与电力拖动．北京：轻工业出版社，1991
[51] 詹宜巨，陈清泉．电动车技术发展及前景展望，电气传动，1997．(5)：40～44
[52] Texas Instruments, TMS320C24X DSP Controller, Reference Set. 1997
[53] 宋凌峰，程树康．电动车电驱动技术综述，电工技术，1999，(4)：3～6
[54] Texas Instruments, TMS320C2XX User's Guide. 1997
[55] 张松春等．电子控制设备抗干扰技术及其应用．北京：机械工业出版社，1999
[56] 清源计算机工作室．MATLAB6.0基础及应用
[57] 窦汝振，全数字交流伺服系统及其控制策略的研究，[硕士学位论文]，天津；天津大学，2001
[58] 何昆，基于DSP的PWM变频调速系统的研究，[硕士学位论文]，广西；广西大学，2002
[59] 王潞钢，基于DSP的异步电动机SVPWM系统研究，[硕士学位论文]，广东；广东工业大学，2002
[60] 赵海东，基于DSP的电压源型矢量控制变频器的研究开发，[硕士学位论文]，大连；大连理工大学，2002
[61] 王晓军，交流步进传动及离散控制的研究，[硕士学位论文]．河北；河北工业大学，2003
[62] 李序葆，赵永键．电流电子器件及其应用．北京：机械工业出版社，1995
[63] 王正元．现代电力电子器件应用导则．北京：机械工业出版社，1998
[64] 施阳，李俊，严卫生．MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK．西安：西北工业大学出版社，1998
[65] Space-Vector PWM with TMS320C24X/F24X Using Hardware and Software Determined Switch pattern. TI Inc. March 1999
[66] Reduced Electromagnetic Interference (EMI) with the TMS320C24X DSP. TI Inc. December 1998
[67] Creating a Sine Modulated PWM Signal Using the TMS320F240 EVM. TI Inc. Jaunuary 1999
[68] Digital Signal Processing Solution for AC Induction Motor. TI Inc. May 1996
[69] Seung-Gi Jeong, Min-Ho Park. The Analysis and Compensation of Dead-time Effects in PWM inverters. IEEE Trans. On Industrial Electronics. 1991. IE-38(2): 108～14
[70] 赵乃霞．空间矢量脉宽调制原理及实现．电气传动，2001，(1)：16～18
[2] 阿布里提．阿布都拉，清水健一，电动汽车的发展状况和开发动向，电工电能新技术，2000，(1)：49～53
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[12] 陈伯时主编．电力拖动自动控制系统．机械：工业出版社，1993
[13] 吕成刚，基于DSP的变频调速系统，[硕士学位论文]，浙江：浙江大学，2002
[14] 胡崇岳．现代交流调速技术．机械工业出版社，1998
[15] 刘和平，严利平，张学锋，卓清锋．TMS320LF2407DSP结构、原理及应用．北京航空航天大学出版社，2002
[16] 王念旭．DSP基础与应用系统设计．北京航空航天大学出版社，2002
[17] 陈国呈，PWM变频调速技术．北京，机械工业出版社，1998
[18] 邓想珍，赖寿宏．异步电机变频调速系统及应用．华中理工大学出版社，1992
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[20] TI Application Report, Implementation of a Speed Field Orientated Control of 3-phase AC Motor Using TMS320F240, BPRA076, MARCH 1998
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[22] 王妍．基于DSP的空间电压矢量法PWM的研究．电机与控制学报，2000，(2)：14—17
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[25] 熊建，康勇，张凯等．电压空间矢量调节与常规SPWM的比较研究．电力电子技术，1999(2)：25—28
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[29] 陶伟宜．智能功率模块和DSP在变频调速系统中的应用，电机与控制学报，1993(3)：188—191
[30] 林忠岳．电力电子变换技术．重庆大学出版社，1991
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[33] Vezzini, A., Reichert, K., Power electronics layout in a hybrid electric or electric vehicle drive system, Power Electronics in Transportation, 1996 IEEE, Page(s): 57-63
[34] M. Ehsani, K. M. Rahman, H. A. Toliyat, " Propulsion system design of electric and hybrid vehicles ", IEEE Trans. On Ind. Electronics, Vol. 44, No. 1, pp. 19-27, Feb 1997
[35] 冯静．变频调速中的再生能量回收应用研究，咸宁师专学报．2000，20(3)：27～30
[36] 罗玉涛，俞明等．电动车制动能量再生反馈控制研究，机床与液压，2002．(5)：162～164
[37] 赵峰，混合动力汽车用永磁同步电动机调速系统研究，[硕士学位论文]，天津：天津大学，2003
[38] Z. Rahman, K. L. Butler, M. Ehsani, "Effect of extended-speed, constant-power operation of electric drives on the design and performance of EV-HEV propulsion system ", SAE2000-01-1557
[39] Kenji Nakano and Shinobu Oehai, "Development of the Motor Assist System for the Hybrid Automobile-the Insight ", SAE Convergence Paper No. 2000-01-C079, Socity of Automobile Engineers, Warrendale, PA, 2000, p.3
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[64] 施阳，李俊，严卫生．MATLAB语言精要及动态仿真工具SIMULINK．西安：西北工业大学出版社，1998
[65] Space-Vector PWM with TMS320C24X/F24X Using Hardware and Software Determined Switch pattern. TI Inc. March 1999
[66] Reduced Electromagnetic Interference (EMI) with the TMS320C24X DSP. TI Inc. December 1998
[67] Creating a Sine Modulated PWM Signal Using the TMS320F240 EVM. TI Inc. Jaunuary 1999
[68] Digital Signal Processing Solution for AC Induction Motor. TI Inc. May 1996
[69] Seung-Gi Jeong, Min-Ho Park. The Analysis and Compensation of Dead-time Effects in PWM inverters. IEEE Trans. On Industrial Electronics. 1991. IE-38(2): 108～14
[70] 赵乃霞．空间矢量脉宽调制原理及实现．电气传动，2001，(1)：16～18