輕型電動汽車無刷直流電機驅動系統的研制

黃清鋒

研制了一種運用于輕型電動汽車的無刷直流電機驅動系統，它包括控制單元及電機驅動模塊兩大部分。相較于傳統式電動汽車，本設計將驅動電路、無刷直流電機及電動車輪子整合成一個驅動模塊，電動機動力直接驅動電動汽車，而無需傳動系統。控制單元是以數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）為控制基礎，并通過控制局域網絡總線（Controller Area Network Bus，CAN Bus）接收檢測信號及傳送指令驅動無刷直流電機，每一模塊可根據不同駕駛模式獨立運作。通過軟件的設定，電機驅動模塊可搭配在不同形式的電動汽車上，不需要更改電路設計。

隨著能源問題和環境惡化的日益嚴重，開發一種新型的無油耗、無大氣污染、無噪音的交通工具正被世界交通業認為是大勢所趨。輕型電動汽車是一種由電力驅動的、無污染的、節能的、新型的交通工具，發展電動汽車是解決燃油汽車所帶來的大氣環境惡化和能源消耗問題的最有希望的方案之一。

現今，在輕型電動汽車研發的眾多技術中，輪轂驅動式電動汽車作為一種新型的電動汽車的選型方向，受到業界的高度關注，相對國內的相關研究來說，目前尚處于剛剛起步階段，但是由于輪式驅動特有的優點，令其具有廣闊的應用前景。電動汽車驅動控制系統是車輛行駛的核心，與傳統內燃機汽車相比，電動汽車的電機驅動控制響應速度快、精度高，特別是對于輪式驅動的電動汽車，每個驅動輪的轉矩可以獨立控制，這樣可通過軟件實現電動車的行駛功能，其控制裝置凸現低成本、高性能的獨特優勢。本文以此為切入點，進行了輕型電動汽車無刷直流電機驅動系統的研制。

輕型電動車架構與控制策略

輕型電動車基本架構的確定

圖1 為傳統式電動汽車的整體架構，由圖中可看出整個電動車構造復雜，電動機動力通過傳動系統傳至驅動輪，系統架構不但笨重且能量流失嚴重，同時使用制動系統來減速或剎車，能量無法回收利用。

圖2 為本次設計所提出的輕型電動汽車的整體架構，相較于傳統式電動汽車，其架構已大幅簡化，將驅動器、電動機、傳動系統、制動系統與驅動輪全部整合成電機驅動模塊，直接接受控制單元的控制。電動汽車運轉時控制電路根據駕駛模式控制無刷直流電機操作于不同象限，可以命令電動車前進或后退。當需要減速或剎車時，無刷直流電機轉變成發電機狀態，將電動車的動能經由電機驅動模塊轉換成電能回充于電池。

輪圈式無刷直流電機

圖1 傳統式電動車整體架構

圖2 輕型電動車整體架構

電機系統是電動汽車運行的心臟，是電動汽車研究需解決的首要問題。針對目前電動汽車常用的電動機進行了比較，得出直流無刷電動機是比較適合于電動車的。它既具有交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點，又具備直流電機運行效率高、調速性能好的特點，同時無勵磁損耗。本系統所使用的無刷直流電機為輪圈式電機，其驅動模塊可將電動機動力直接輸出，不必通過中間的齒輪、鏈條或皮帶的傳輸，因此有較高的傳動效率。圖3 為輪圈式電機結構，可以看出外轉子式電機構造，永磁式磁鐵鑲嵌于轉子內側，固定在外殼上以轉軸為圓心轉動。定子部分包括硅鋼片及定子電樞繞組，固定于無刷直流電機骨架上，整個無刷直流電機轉子與定子之間只有通過轉軸上的軸承連接，可以將無刷直流電機整體機械損耗降至最低。

圖3 輪圈式電機結構

輕型電動汽車驅動系統控制策略

輕型電動車的駕駛模式

電動汽車駕駛模式如圖4 所示，包括從靜止狀態起步加速，固定轉速定速行駛及最后階段的減速或剎車等模式，且電動車行進方向可為前進或后退。電動汽車的駕駛模式除了直線前進外，也包括轉向，如圖5 所示。由于電動汽車轉向時各車輪所走的距離不同，轉速各不相同。若無差速器吸收內外側輪間的轉速差，則內側輪與地面產生的阻力會讓電動車轉向時的行進軌跡難以有效掌握，所以差速器是車輛傳動系統的必要裝置。本設計借由控制電路輸出不同速度的命令給電動車左右兩邊的電機驅動模組，所形成的轉速差，便具有差速器的效果，不必再依靠機械結構。

輕型電動汽車電機電壓控制策略

文獻指出，轉矩控制策略、功率控制策略及轉速控制策略下，駕駛感覺與傳統內燃機汽車相異，不適合輕型電動汽車無刷直流電機驅動系統，故本文采用電壓控制策略。通常采用線性電流調節系數的電流負反饋控制系統和調壓調速系統都屬于電壓控制策略。

輕型電動汽車直行控制策略

輕型電動車由兩個輪圈式電機單獨驅動，因取消了機械差速系統，再加上驅動模組內部參數和外部路況等因素，即使兩驅動模組的輸入信號一致，也不可能絕對保證左右電機轉速相同，繼而影響電動汽車直行時的穩定性。保證電動汽車能夠正常直行的核心是要盡可能地減小直行時的跑偏量，如圖6 所示，我們引入一個補償減小兩驅動輪的轉速差，補償的過程是將左電機的速度與右電機的速度比較，將其差值回饋到右電機的速度給定環節，從而減小左右驅動輪的轉速差。

圖4 電動汽車駕駛模式

圖5 電動汽車的轉向

圖6 輕型電動車直行控制策略

輕型電動汽車轉彎控制策略

輕型電動汽車轉向的簡化模型如圖7 所示，我們分析驅動輪3 和4 的速度可知，v3和 v4是關于車速v 和轉向角θ 的變量，改變 v3和 v4，電動車的行進方向會往轉速較慢的那邊轉向。但由于此方式存在一定的安全隱患，同時對驅動輪的要求較高，所以需要對轉向轉角進行限制。本系統中將轉角限制在45°，轉角信號超過45°仍然按照45°計算。

輕型電動車調速控制策略

圖7 輕型電動汽車轉彎簡化模型

圖8 輕型電動車雙閉環調速控制策略

圖9 輕型電動車無刷直流電機驅動系統硬件總體框圖

在工業控制領域中直流無刷電機得到廣泛應用，先進的調速控制策略也得到廣泛采用，如PID 控制、模糊控制、自適應PID 控制等。由于輕型電動汽車對調速特性的要求并不是很高，故本系統采取轉速、電流雙閉環控制，它能完全利用無刷直流電機的過載能力，在啟動過程中保持電流為允許的最大值，使系統以最大的加速度啟動，等轉速穩定后，立即讓電流降下來，使轉矩與負載平衡，使系統進入穩態運行。輕型電動汽車雙閉環調速控制策略如圖8所示。

通過檢測無刷直流電機轉子位置信號的變化，我們可以估算出無刷直流電機轉速，其目的就是為轉速調節計算出電流環的指令值。同時通過檢測轉子位置信號可以確定定子繞組的導通順序，從而根據電樞繞組的電流確定定子繞組導通所需的電壓平均值，即PWM 的占空比。電流環的作用就是為確定并更新電壓平均值即PWM 的占空比。

輕型電動汽車驅動控制系統的設計

硬件設計

輕型電動汽車無刷直流電機驅動系統硬件總體架構如圖9 所示，整個驅動系統主要由功率主電路即換流器、驅動電路、轉子位置檢測、電流檢測電路、保護電路、開關輸入電路、腳踏板輸入電路、CAN 通信電路、電源模塊等組成。其中，保護電路包括欠壓、過壓以及過流保護等；開關輸入電路包括鑰匙，前進后退轉向等信號輸入；轉子位置檢測電路檢測無刷直流電動機轉子的位置信息，為電動機的準確換相以及速度檢測提供依據。

系統的控制單元以DSP TMS320LF2407A 作為控制核心，其特點是利用DSP 強大的數學運算，實現模擬電路所無法完成的控制流程，并充分利用DSP 內建功能如模擬/數字轉換器、PWM 產生器、通訊接口等，降低系統的硬件復雜度。

圖10 系統程序流程圖

控制電路和電機驅動模塊以CAN 總線作為命令傳送接口。控制電路的方向與速度控制器信號經由CAN 總線傳送給遠端的電機驅動模塊，控制電池與直流無刷電機間的功率流向，速度與電流信號亦經由 CAN 總線傳回給控制電路。

軟件設計

輕型電動汽車無刷直流電機驅動控制系統能否正常工作，只有硬件系統是不夠的，還必須軟件的配合才能正常工作。硬件電路滿足了驅動電動機運轉的基本要求，且提供了硬件保護，軟件則使驅動電動機獲得優異的調速性能，并且提供了軟件保護。

系統程序流程如圖10所示，（a）為系統主程序流程，（b）為轉子位置捕捉中斷程序流程，（c）為A/D 中斷程序流程。系統上電時，將進行初始化，之后對外部輸入信號進行采樣，發現速度信號或方向信號后，系統將按設定的控制策略對直流無刷電動機進行協調控制。DSP 在間隔時間內對外部輸入的信號進行采集，實時更新PWM 值，如此循環。轉子位置捕捉中斷服務子程序的主要作用是根據I/O 腳中斷信號捕捉到的轉子位置信號進行換相與速度計算。A/D中斷服務子程序的主要作用是讀取電流轉換值，給調解速度環和電流環，實現PWM 參數的更新提供依據。

結語

經實機測量，輕型電動汽車可達到前進、后退、轉彎及原地轉向等駕駛模式，通過電流限制功能可控制電動機輸出轉矩，使電動車運轉于省電模式；輕型電動汽車具有能量回饋功能，通過無刷直流電機不同象限的控制，剎車時的動能可轉為電能回充于電池，測試得到，驅動系統效率最高可達80 %。