電動車輛控制器系統設計及控制策略的研究

鐘過方

摘 要：隨著近些年來，井下深部開采延伸到1000米以下，通風條件越來越差，電動車憑借著自身的巨大優勢，獲得了越來越多礦山工作者的喜愛。其自身較為便捷的操作特性，使其在多個場景下都能被靈活使用。隨著現代技術的不斷發展，電控系統產品也將迎來新的基數變革時期，其產品性能將會變得越來越穩定，功能性和復雜環境下的適應性將會變得越來越強。通過計算機控制技術和電力電子技術在內的多種技術綜合運用，設計一款大功率井下電動車用他勵牽引控制器，是本課題的主要研究內容。

關鍵詞：牽引控制器;模糊控制;電動車;DSP

1電動車控制器新技術的應用

現代化電控技術有著非常明顯的技術特點，無論是其靈敏度還是自我故障分析功能都可以在顯示面板上進行準確顯示。其強大的儲存功能可以對每次的故障原因和發生時間進行精準記錄，并供人們進行查閱和分析。除此之外，還可以對包括輸入電源、電量剩余、電機電壓等一系列重要參數進行精準顯示，確保機器自身的狀態是否穩定。觸點無弧斷開，斬波器內部有接觸器線圈放電回路，高頻使電機和電瓶的效率提高，對最大速度有優先考慮。

其中再生制動技術的應用領域十分寬廣，根據加速踏板和剎車踏板的實際狀態，牽引電機可在電機和發電機之間進行自由切換，實現能量的及時充能，避免資源的浪費。這種制動方式可以有效縮短充電時間，進一步減少因為制動帶來的經濟損耗，使得使用成本能夠有所控制。

2電機調速控制裝置

電機系統是電動汽車的重要核心系統組成部分，也是與內燃機存在明顯不同的重要特征。對于以內燃機為動力構成的汽車來說，速度的控制主要和離合器有著密切的關聯，主要以機械手段完成。電動汽車在這一方面的要求相對較高，因為其只能通過加速器和方向開關能夠做到實際操控，對控制系統的要求也就更高。

早期的電動車上，直流電動機的調速采用串聯電阻或改變電動機磁場線圈的匝數來實現。因其調速是有級的，且會產生附加的能量消耗或使用電動機的結構復雜，現在已很少采用。最初電動車上應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過對電壓的靈活調整實現電動機的速度切換。而隨著電子技術的持續進步，調速裝置也變的越來越多，過于傳統的調速控制裝置已經不再被使用。

3硬件總體設計

3.1存儲模塊

存儲模塊用來存儲控制器的型號、編程參數以及歷史故障等信息;通信接口用于與其配套的編程器連接，通過編程器來設定電動車的工作性能.（如最大速度）、查看工作狀態（如控制器內部溫度，PWM占空比）以及查看控制器的故障歷史等;狀態顯示模塊告訴操縱者控制器是否正常工作以及發生了何種故障;2個PWM模塊分別控制電機勵磁電流和電樞電流并可以獨立調節，實現對速度和負載的要求，脈寬調制波經電機驅動模塊即功率MOSFET放大后給電樞和勵磁提供電流;電樞和勵磁電流檢測用于實現電流調節及過流保護功能;溫度檢測和電壓檢測（包括電池電壓和加在電機兩端的電壓）主要用于對控制器及電機的保護，保證欠溫、高溫自動減流，過壓、欠壓自動保護，提高行駛的安全性，延長控制器及電機的使用壽命。

3.2 CPU模塊

根據控制方案的分析及車輛駕駛的需要，本控制器的CPU需要有較強的計算能力和事件處理能力，以及兩路PWM輸出，6個模擬輸入通道，14路數字輸出，10路數字輸入，另外還需要SCI模塊和SPI模塊。因此該控制器的中央處理器采用了TI公司的定點DSP TMS320LF2407A芯片，這是一款性價比較高的芯片。

TMS320LF2407A是定點DSP C2000平臺系列中的一員，專門為電機控制與運動控制而設計。其最大工作頻率為40MHz，片上集成了32KX16的Flash存儲器，2KX16的單口RAM，544X16的雙口RAM，以及大量的片上外設，具有較強的計算能力和豐富的外設資源，足以滿足大計算量的控制任務需要。

3.3電源模塊

該控制器的供電電源為24V的蓄電池，系統需要的工作電壓從大到小有15V（模擬部分）、5V（TTL）、3.3V（DSP），所以要經過多級轉換。

從蓄電池過來的24V電壓首先經過達林頓功率管TIP112和穩壓管1N4745將電壓穩到15V左右，然后經LM7805轉換成5V電壓，最后經過帶集成延時復位功能的低壓差穩壓器TPS7301Q得到DSP使用的3.3V電源。

4基于模糊控制的軟件設計

4.1主程序設計

主體軟件是整個控制器軟件的框架，它從結構上安排控制器的功能任務，對控制器任務要求的實現至關重要。DSP復位后經初始化和內存檢查后，開始系統的初始化，包括I0口和各個控制模塊的初始化，并對對各個控制寄存器置初值，對運算過程中使用的各個變量分配地址，并設置相應的初值。

其中，電機調速模塊（包括電樞調整、勵磁調整）以及車輛狀態轉換模塊是系統最主要的兩個模塊，控制器的主要功能都在其中實現。

4.2中斷服務程序

中斷模塊是程序中最重要的部分，處理實時性要求較高的事件。中斷服務程序有定時器中斷、串口收發中斷和過電流中斷。中斷模塊中的定時器中斷服務子程序用來做-些需要定時完成的任務，如于模擬通道采樣，開關采樣，故障顯示等。另外，定時器中斷還用于各個任務處理的計時作用，用以判斷任務處理是否超時以便及時報錯。

4.3電機調速策略研究

在車輛駕駛過程中，道路上的交通情況和駕駛員的目的性是無法定量描述的，駕駛員通過觀察后做出判斷，然后再操縱“加速器踏板”和“方向開關”來駕駛車輛。因而，這兩個輸入信號就是駕駛員的決策。在控制中如實地反映出駕駛員的意圖，將相應的控制指令傳送給車輛是正確進行車輛駕駛的先決條件。

傳統的控制算法幾乎無法對人的思維及決策進行判斷。智能控制為仿人控制提供了可能，特別是模糊控制是能夠利用專家經驗的控制。駕駛員對車輛的駕駛及其想要實施的操作，可以提供用語言描述的信息，并將其具體化在兩個指令踏板上。在這種情況下，采用模糊控制器是最為適合的。

4.4勵磁調整策略

通過調節勵磁電流的方向和大小，輔助電樞電流，實現系統的換向，制動，超速限制，負載補償等功能。系統在以下三種情況下需要勵磁調整：

4.4.1調速

在電樞電流-定的情況下，在最小和最大勵磁電流之間，增大勵磁電流會減小電機轉速，相反減小勵磁電流可以增大電機轉速。

4.4.2換向

在系統有換向請求時，改變勵磁電流的極性，獲得反向轉矩。

4.4.3調轉矩

當負載變化時，需要電機輸出新的轉矩，用于當車輛負載變化時，保持車輛恒定的行駛速度。增大勵磁電流可以增加電機輸出轉矩，相反減小勵磁電流可以減少電機輸出轉矩。在直流電機的控制中，勵磁對電機和控制器以及人身安全起著至關重要的作用。

4.5下坡能量回收

主要是采用復合制動方式來實現下坡能量的回收，這種制動方式在制動踏板踩下時電制動力會發生變化，在某些情況下可以完全靠電制動。但是，這種構型對ESP要求較高，且需要考慮更多的功能安全問題，比如由于某種原因電制動失效后如何保持制動力，以及電制動和機械制動之間的協調。

參考文獻：

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[2]崔幸.電動汽車驅動電機控制系統制作實訓臺方案的實施[J].中國新技術新產品，2015（24）：68.

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