基于轉速閉環的低速電動車電機控制系統

李慶韓松

（1.天津清源電動車輛有限責任公司；2.中國汽車技術研究中心）

隨著我國電動車行業的快速發展，低速電動車（包括低速電動轎車和各種場地用車）以其結構簡單、關鍵部件成熟且成本較低的優勢在我國二、三線城市及廣大農村地區逐漸成長起來。作為電動車的核心部件——電機控制器也已經得到廣泛應用。目前市場他勵直流電機控制器作為主流產品，雖然具備了基本功能，但是可靠性不高且不具備轉速閉環功能，無法解決下坡時的速度限制問題，由此引發的回饋電壓過高和電池易損壞的問題制約著直流電機控制器的安全應用。文章提出的方案有效地提高了電機控制器的性能和一致性，并解決了汽車的安全性問題。

1 他勵直流電機控制器系統電路設計

1.1 硬件總體設計

文章研究的控制器產品硬件總體結構，如圖1所示。由電源、直流電機和TMS320LF2407為核心的控制器構成[1]。鉛酸蓄電池組電壓為48 V，主回路功率部分由并聯的MOSFET管構成，電樞電流和勵磁電流分別由磁環和線性光耦進行采樣，利用DSP的內部模塊進行AD轉換，并利用軟件進行滯環控制。TMS320LF2407輸出3對PWM信號，其中1對用來控制電樞，2對脈沖控制勵磁回路。DSP輸出的脈沖信號經過驅動隔離后，驅動MOSFET來控制電機轉動。主控芯片采用了6路AD采樣通道，分別用來采集電池電壓、電樞電流、勵磁電流、控制器溫度及油門踏板等信號。I/O口用來采集電機運行狀態，包括正反向、互鎖及緊急剎車等。

1.2 功率模塊

1.2.1 智能功率模塊

智能功率模塊（IPM）包含了IGBT芯片及外圍的驅動和保護電路，包括過電壓、過電流和過熱等故障檢測電路，并可以結合CPU來保護功率器件。但是由于IPM集成度較高，價格目前仍較高，對于電壓較高和電流適中的控制器產品，IPM不適合低成本設計[2]。

1.2.2 功率MOSFET及其驅動電路

MOSFET為電壓驅動型功率器件，具有驅動功率小、工作頻率高及價格較低等優點。對于低成本設計，MOSFET是首要選擇。電機在重載和啟動狀態時，電樞電流最大可達到400 A，考慮穩定裕量，選擇了8支MOSFET管并聯的方案，理論上可以承受600 A的大電流，如圖2所示。由于并聯組合管中某個管電流增加時，其工作溫度升高而電阻增大，進而限制了電流的增長，所以自動均流是并聯組合管的特點。

勵磁回路采用全橋MOSFET控制回路，如圖3所示。每個回路由2支MOSFET管并聯，勵磁電流的最大裕量可達到200 A，電動車應用條件下最大勵磁可達到64 A左右，因此考慮到穩定性，選擇較大的裕量[3]。

在產品設計過程中，選用的MOSFET的型號為IR4710，耐壓值為100 V，漏極電流為75 A，漏源之間的通態電阻為0.014 Ω。通過借鑒和試驗，確定8個IR4710并聯，勵磁回路每個支路由2個MOSFET并聯。

對于MOSFET的驅動電路，選用IR2110高壓浮動MOS柵極驅動集成電路模塊，該模塊驅動高壓側和低壓側2個元件時，不需要獨立的驅動電源。圖4示出IR2110MOSFET驅動模塊示意圖，VB給集成電路高端驅動電路提供電源，電壓為16 V。自舉電路由二極管和電容C14組成，當VS被拉到地時，16 V的電源通過二極管給自舉電容充電；當高端MOSFET導通時，VS的電壓即為主回路高端的電壓。

1.2.3 轉速采樣電路

電機轉速采樣電路，如圖5所示。

該電路采用非接觸式霍爾傳感器，傳感器輸出占空比信號，信號電壓幅值為5 V，當電機勻速旋轉時，傳感器輸出為50%占空比脈沖。

控制器軟件采用M法測速，即通過檢測單位時間輸出的脈沖數，來計算電機的轉速。

2 他勵直流電機控制器軟件設計實現

2.1 總體設計方案

文章提出的方案是根據電動車控制的實際情況來進行程序的設計，電機控制模塊以TMS320LF2407為主控芯片。程序需要實現的功能為：通過采集開關狀態信號來判斷電機的運行狀態，同時結合加速器開度的采樣來給定電機的勵磁電流占空比和電樞電流占空比，以此來控制電機的轉速，加減速等特性可通過曲線進行調整[4]。

在系統軟件框架設計時，根據DSP控制芯片的特點，設置主循環和中斷2種模式。主循環模式中，主要進行狀態參數的上傳和SCI通訊調整、運行模式選擇、行駛狀態控制、油門信號采集和處理、轉速采樣及控制、過載保護及勵磁電流的計算等。主循環中通過基準脈沖時間來設置10 ms的時間循環，達到控制目的。

在中斷模式中，處理LED顯示、采樣和AD轉換、電樞電流滯環控制及PWM輸出、勵磁電流閉環及PWM輸出等工作。PWM的調制頻率為16 kHz，即中斷周期為 62.5 μs，AD采樣的周期同為 62.5 μs。圖 6 示出他勵直流電機控制器主程序流程圖。

2.2 轉速處理程序設計

轉速處理包括轉速采樣、濾波程序設計及轉速PI調節三部分組成。

2.2.1 轉速采樣設計

轉速采樣是采用DSP具有的捕捉中斷的方式，在主循環中進行轉速傳感器脈沖的采樣，采樣周期為10 ms，通過計數器1計算50 ms內的脈沖數，即可以計算出電機的轉速，同時再結合車輛的速比等參數即可完成車速的計算。轉速采樣流程，如圖7所示。

目前電機的轉速傳感器分為2對極和4對極，即電機一周對應4個脈沖和8個脈沖。轉速采樣的具體設置為：設置TMS320LF2407的捕捉中斷I/O口，即I/O口檢測到脈沖上升沿或下降沿的時候，產生捕捉中斷，同時計數器加1后復位中斷，等待下一次中斷。然后計算在主循環模式10 ms周期中的計數值。即M法中，時間周期是50 ms，通過脈沖個數（N）、時間周期（T）和電機一周的脈沖數（S）可以計算電機轉速（R/（r/min））。計算公式：R=60 000N/2ST。

轉速采樣的方法還有T法和M/T法[5]。

T法即計算單個脈沖的時間來進行轉速采樣計算。但是由于本系統中中斷頻率較低，同時電機轉速傳感器的脈沖未經分頻，在低速時頻率較低，周期會達到秒級，如果利用DSP的時基計數器進行計時，一級計數無法滿足要求，因此算法較復雜。同時M/T法也因此無法滿足采樣要求。

2.2.2 轉速PI控制設計

轉速控制包括閉環PI控制和故障處理。由于轉速開環控制時，最高車速受勵磁電流的大小及采樣精度影響較大，如果電機一致性差異較大時，參數設置較為復雜，必須從產品檢驗角度進行校正。轉速閉環功能實現了在勵磁電流一致性較差時，調整電樞電流的占空比來滿足目標車速。

轉速閉環控制的輸入為油門踏板輸入開度、加速率、實際車速、比例系數、積分系數及輸出電流占空比，如圖8所示。當輸入差值為正值時，通過比例系數和積分系數進行比例積分，輸出占空比不斷提高，電流增大，車速變高，積分上限幅值為100%占空比輸出；當輸入差值為負值時，輸出占空比不斷降低，電流減小，車速減小和制動，積分下限幅值為0。比例系數和積分系數參數設置與車速的高低有關，如果車速接近目標車速時，積分系數調整得較小，減小超調的可能。

對于車速閉環控制，在轉速反饋信號發生故障時，如果沒有特殊處理時，車速會不斷提高，直到飛車。因此文章提出了基于轉速閉環的車速信號故障處理模式。故障模式流程，如圖9所示。即故障產生的條件是實際車速為0，且電流占空比大于30%時，延時100 ms后產生轉速故障；故障產生后，輸入占空比大于30%時，電流占空比限幅為30%；小于30%時，電流占空比跟隨輸入占空比[6]。

3 基于轉速閉環的上位機標定和診斷系統

3.1 通信協議

通信協議的制定在串行通信中起著重要的作用，需要軟件設計時重點考慮。本系統中上位機編程診斷系統是通過RS-232串行通信與電機控制器進行通信的，上位機發送給電機控制器的指令格式，如表1所示。

表1 他勵直流電機控制器通信指令格式

為了保持程序的通用性，方便程序解析算法的研發，電機控制器發送給上位機指令格式與上述格式一致。

在發送數據時，起始位用于標志數據包的開始位置，數據標志位用于區別不同數據信息的種類，數據低位與高位共同組成了所要發送的數據，檢驗位計算方法為數據標志位、數據低位及數據高位三者的和。接收一方接收時，判斷是否為起始位，如果正確則接收，然后按照檢驗位計算規則判斷檢驗位數據正確性，如果正確則開始解析數據、顯示及存儲等。系統的具體通信流程，如圖10所示。

3.2 標定和診斷系統上位機設計

本系統采用Visual C++6.0編寫上位機的電機編程診斷系統。本系統具備串口設置、數據接收顯示、參數發送及參數操作4個模塊的功能。具體系統功能結構框圖，如圖11所示。

針對不同通信格式的系統，串口設置模塊可以快速地改變上位機電腦的串口配置，與下位機配置完全相同時，即可順利地實現上下位機之間的通信。數據接收顯示模塊可以實現下位機，即電機控制器傳輸的各種狀態、參數及報警信息等，并把需要記錄的數據進行保存以供查詢。參數發送模塊可以滿足上位機對電機控制器每個參數的編程，以及整組參數的復制發送功能，快速的復制目標控制器參數到客戶機中，大大地提高工作效率。參數操作模塊可以實現對控制器參數的整體讀取，對編程診斷系統中顯示的參數進行保存，加載已經保存的整組參數等功能[7]。

電機控制器編程診斷系統顯示界面，如圖12所示。

4 結論

文章提出的研究應用到低速純電動車產品已經完成了小批量產品的試用，通過產品一致性、可靠性及強化測試后證明文章提出的方案具有可觀的前景。同時基于轉速閉環的低速純電動車電機控制器解決了開環控制器魯棒性差和起步抖動的問題，并自動調整參數進行自適應控制，有效地提高了控制器的性能，優化了低速電動車的可靠性，有力地提高了國內電動車控制器的水平。