混合动力电动汽车驱动系统设计与实现_6
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1 引言

  近几十年来,资源短缺和环境保护成为世界汽车工业面临的两大挑战。石油资源短缺,汽车尾气对大气的污染日趋严重,因此,各国汽车工业都加大了研究和开发其它燃料汽车和电动汽车的力度。

  本文介绍一种大功率混合动力汽车,全车采用并联驱动方式,通过减速器并行驱动车的前桥、中桥和后桥。文章研究了整车驱动控制系统的硬件和软件设计方法。

2 混合动力电动汽车系统结构

  图1为串联式混合动力系统拓扑结构图,整个混合动力系统采用串联式结构,主要由能源供给系统、电气驱动系统和机械传动系统三大部分构成。能源供给系统由动力电池组、发动机-发电机机组组成;电气驱动系统由逆变器和电动机组成;机械传动系统将电动机的机械输出通过减速器送给驱动桥。整车系统采用can总线传输信息和命令,通讯介质采用屏蔽双绞线。

  图1 串联式混合动力系统拓扑结构图

3 电机驱动系统主电路结构

  3.1 主回路元件选择

  图2 驱动系统主回路电路图

  电机驱动系统主回路原理如图2所示,采用三相桥式逆变器,根据牵引电机的参数:额定功率50kw; 额定电流167a; 额定电压240v;额定频率200hz; 峰值频率400hz。功率器件可选600v/600a,开关频率10khz。

  直流侧支撑电容采用4个3300f的电解电容并联而成,并联在高压直流母线两端。由于直流侧电压udc=336v,所以支撑电容的耐压等级应高于336v,取450v。

  3.2上电/放电回路

  逆变电源上电/放电时,为了限制支撑电容的充/放电电流,设计了上电/放电回路,如图2所示。上电前,应先闭合充电继电器k2,给电容c充电,当c上电压充至直流侧电压udc的80%时断开k2,闭合主接触器k1,上电过程完毕,电路正常工作。放电时,则要断开k1,k2,闭合放电继电器k3,通过放电电阻r2放电。上电/放电逻辑通过dsp的i/o口软件进行控制。

4 驱动系统控制部分设计

  图3 电机驱动系统控制框图

  图3为电机驱动系统控制框图,它由传感器测量与信号处理电路、控制板以及驱动板等组成。

  逆变器控制板是整个系统的核心,其功能为:采集处理传感器信号;实施逆变器保护功能;实施电机驱动控制功能;实施逆变器与整车通讯功能。本系统选用ti公司的tms320f2407dsp作为主控cpu。

5 软件设计

  5.1主控程序控制策略

  主控程序主要完成系统初始化及驱动控制功能。控制算法采用空间电压矢量调制,它是以逆变器不同的开关模式产生的实际磁通逼近三相对称正弦波电压供电时的理想圆形磁通轨迹,从而获得较高的控制性能。三相异步电动机采用dsp全数字控制,图4是三相异步电动机磁场定向矢量控制系统结构图,采用转速、电流双闭环的矢量控制方案[1]。

  系统初始化流程如图5所示。主程序共使用了三个中断子程序,即定时器t1下溢中断子程序、can的接收中断子程序和pdpint故障保护中断子程序。图6为定时器下溢中断子程序流程图。

  5.2 can通讯

  整车运行可分为3种工况:当车起动或爬坡时动力电池组和发动机-发电机组共同给逆变器供电;当汽车正常平稳行驶时,只由发动机-发电机组提供动力;当汽车刹车或下坡时,发动机-发电机组停止工作,电动机将制动能量转换为电能储存到动力电池组中。这3种工况是通过can通讯实现的。

  can采用定时发送,每10ms发送一次,接收信息采用can自带的接收中断功能。图7为can网络节点连接图。

  2407dsp内部集成了完全的can总线控制器,它具有如下特性:支持can2.0a/b协议;可编程的中断配置、位定时器及can总线唤醒功能;自动重发功能和总线错误自诊断功能[2]。

  在2407dsp 芯片中没有集成can驱动芯片。本设计采用can收发器sn65hvd230(其供电电压为3.3v)来作为dsp内的can控制器与物理总线的接口。can总线传输波特率采用500kbps。

  设计can通讯软件时,首先需要确定网络节点和各节点所需的通信内容。通过can网络需要传递的数据总体说来可分为输入信号和输出信号两类:

  (1) 输入信号

  指整车控制器发送给电机控制器的信号。这包括整车控制系统对驱动系统的运行状态控制信号,如电机运行使能信号、电机断电请求信号(紧急停车信号)、电机正反转信号(前进/后退信号)、刹车信号等;也包括整车控制系统对驱动系统的运行控制量,如电机驱动力矩等。

  (2) 输出信号

  指电机控制器发送给整车控制器的信号。这包括驱动系统运行状态信号,如上电完毕信号、断电完毕信号、电机工作状态(输出/吸收扭矩)以及故障信号;也包括驱动系统运行状态量信号,如电机工作温度及控制器温度、电机电压、电流、转速、加速度等。

  图4 三相异步电动机磁场定向矢量控制系统结构图

  图5 系统初始化流程图

  图6 定时器下溢中断子程序流程图

  图7 can网络节点连接图

  5.3 pdpint故障保护中断子程序

  故障保护信号包括系统过压、过流、电源反接、欠压、系统过温、电机运行超速等。电机驱动控制系统一旦发生故障,立刻进入故障保护子程序,封锁pwm信号输出,断开主接触器和充电继电器,合上放电继电器,同时通过can总线发送故障信号,并发送ready信号为0。

6 试验及结果

  驱动系统采用双鼠笼异步电动机,具体参数为:额定功率50kw,额定电流167a,额定电压240v,额定转速3000r/min。逆变器输出线电压和定子电流波形分别如图8和图9所示。

  图8 逆变器输出线电压波形

  图9 电机定子电流波形(由d/a口输出)

7 结束语

  实验结果显示电动机运行稳定,定子电流正弦波形良好,无畸变,说明本系统所采用的控制方案正确可行,系统有较好的性能。

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