電動汽車用開關磁阻電機控制系統

文/袁莉 容旭巍 張俊彥 晉剛

隨著社會經濟的快速發展，汽車數量越來越多。與此同時，汽車尾氣帶來的環境污染問題日益嚴重，因此，近年來環保的電動汽車受到了全世界的重視，而作為電動汽車關鍵技術之一的電機驅動技術也成為了研究熱點。開關磁阻電機（Switched Reluctance Motor,SRM）與以往的電動汽車驅動電機直流電機、異步電機和永磁同步電機相比，具有結構簡單、成本低、控制簡單和性能優異等優點，所以它是一種值得推廣的電動汽車用驅動電機。

電動汽車的高速性決定了電機控制的實時性和快速性。TMS320F283355型數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是TI公司生產的目前工業控制領域最先進的數字信號處理器之一，它是32位浮點、主頻高達150MHz，與以往的定點DSP相比，數據處理速度有了很大提高，集成的功能也增加許多，開發更加簡便，而成本卻大幅下降。本文選用TMS320F28335作為SRM系統的主控制器，實現了開關磁阻電機速度位置的精確控制。

1 SRM調速系統總體結構

SRM調速系統主要由開關磁阻電機、功率變換器、控制器、電流檢測和位置檢測組成，結構框圖如圖1所示。SRM選用三相6/4極。功率變換器是系統實現電機控制和能量傳輸的關鍵環節，采用不對稱半橋型功率電路，每相采用兩個IGBT開關器件和兩個續流二極管。電流檢測采用霍爾電流傳感器，位置檢測采用光電編碼器。

2 TMS320F28335外圍系統設計

DSP外圍系統設計必須在控制器最小系統的基礎上進行，TMS320F28335是高集成度的單片機，最小系統的設計與單片機系統設計類似。最小系統主要包括電源電路、時鐘設計、復位電路和外部存儲器擴展設計。

根據電動汽車的性能指標和功能要求， TMS320F28335外圍系統須包括：PWM信號的驅動電路、對電流采樣并進行A/D轉換反饋、位置轉速信號的處理、驅動液晶顯示的單片機與處理器之間的通信，外圍系統結構如圖2所示。

3 SRM控制策略

電動汽車對電機驅動系統要求不僅能夠滿足基本的動力性和經濟性，還要求整車具有較高的舒適性，所以克服轉矩脈動并提高效率是SRM控制策略設計的根本宗旨。本文結合電動汽車的實際行駛概況和穩態動態性能要求，對電機瞬時轉矩和電流進行實時雙閉環控制，設計了基于轉矩分配函數的直接瞬時轉矩控制策略，實現電動汽車的平穩運行。

控制模塊的設計主要包括轉速控制單元、轉矩估算單元和轉矩分配單元。轉速控制單元實時采樣電機轉速，根據給定轉速和實際轉速的差值，采用PI調節，進一步計算出電機需求增速或減速的轉矩值，作為下一步控制的重要參數。轉矩估算單元提供瞬時轉矩的實時值，它是實現控制系統功能和保證控制精度的關鍵，在建立SRM精確的數學模型的基礎上，按照已有公式離線計算出一系列相電流和瞬時轉矩的對應值，建立表格，運行時通過檢測相電流值，通過查表法獲得實時的瞬時轉矩值。轉矩分配單元根據轉速控制單元輸出的總參考轉矩和實時轉子位置信號，按預先設定的分配比例把總參考轉矩分配給電機的三相繞組，分配給每相繞組的參考轉矩和轉據估算單元提供的實時瞬時轉矩作比較，經轉矩滯環單元處理后，傳遞給開關信號生成單元。此種方法可使每相的瞬時轉矩都能按照分配函數描述的軌跡變化，從而使各相輸出轉矩之和與總參考轉矩無限接近，達到減小轉矩脈動的目的。

圖1：SRM調速系統結構框圖

圖2：TMS320F28335外圍系統結構圖

4 控制軟件設計

SRM控制系統的軟件設計是基于TMS320F28335的控制核心而進行的，軟件開發平臺是基于CCS的集成開發環境，語言采用C/C++語言，按照功能模塊，采用模塊化編程。編寫的程序主要包括主程序、各功能子程序和中斷程序等。

主程序是程序的總指揮，它主要負責安排各子程序的出場次序。在程序起始階段，它安排初始化子程序出場，完成系統的初始化。然后，鍵盤監視子程序運行，檢測有無控制命令從鍵盤輸入，如有輸入指令，則根據不同指令調用啟動程序、計算轉速程序或者是轉速顯示程序等。初始化子程序主要包括看門狗設置、片內存儲器空間初始化、事件管理器初始化、片內功能寄存器設置和電機位置信號初始化設置等。鍵盤監視子程序主要檢測鍵盤的隨機輸入電機控制命令。相邏輯判斷子程序是實現控制功能的很重要的一個環節，通過該子程序給功率變換器各種驅動信號。

5 仿真及結果

在軟硬件設計完成后，利用MATLAB軟件進行系統的建模仿真，得到不同工況下的轉矩、電流、電壓和轉速等參數的變化波形，如圖3所示。通過分析仿真結果，可證明本文采用的控制方法有效可行，電機的瞬時輸出轉矩波動很小，轉矩脈動得到了很大程度的改善，增強了電動汽車的舒適度。

圖3：啟動加載階段運行結果