電動(dòng)車(chē)輛控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略的研究

鐘過(guò)方

摘 要：隨著近些年來(lái)，井下深部開(kāi)采延伸到1000米以下，通風(fēng)條件越來(lái)越差，電動(dòng)車(chē)憑借著自身的巨大優(yōu)勢(shì)，獲得了越來(lái)越多礦山工作者的喜愛(ài)。其自身較為便捷的操作特性，使其在多個(gè)場(chǎng)景下都能被靈活使用。隨著現(xiàn)代技術(shù)的不斷發(fā)展，電控系統(tǒng)產(chǎn)品也將迎來(lái)新的基數(shù)變革時(shí)期，其產(chǎn)品性能將會(huì)變得越來(lái)越穩(wěn)定，功能性和復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性將會(huì)變得越來(lái)越強(qiáng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和電力電子技術(shù)在內(nèi)的多種技術(shù)綜合運(yùn)用，設(shè)計(jì)一款大功率井下電動(dòng)車(chē)用他勵(lì)牽引控制器，是本課題的主要研究?jī)?nèi)容。

關(guān)鍵詞：牽引控制器;模糊控制;電動(dòng)車(chē);DSP

1電動(dòng)車(chē)控制器新技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代化電控技術(shù)有著非常明顯的技術(shù)特點(diǎn)，無(wú)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(jìn)行準(zhǔn)確顯示。其強(qiáng)大的儲(chǔ)存功能可以對(duì)每次的故障原因和發(fā)生時(shí)間進(jìn)行精準(zhǔn)記錄，并供人們進(jìn)行查閱和分析。除此之外，還可以對(duì)包括輸入電源、電量剩余、電機(jī)電壓等一系列重要參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)顯示，確保機(jī)器自身的狀態(tài)是否穩(wěn)定。觸點(diǎn)無(wú)弧斷開(kāi)，斬波器內(nèi)部有接觸器線(xiàn)圈放電回路，高頻使電機(jī)和電瓶的效率提高，對(duì)最大速度有優(yōu)先考慮。

其中再生制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分寬廣，根據(jù)加速踏板和剎車(chē)踏板的實(shí)際狀態(tài)，牽引電機(jī)可在電機(jī)和發(fā)電機(jī)之間進(jìn)行自由切換，實(shí)現(xiàn)能量的及時(shí)充能，避免資源的浪費(fèi)。這種制動(dòng)方式可以有效縮短充電時(shí)間，進(jìn)一步減少因?yàn)橹苿?dòng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損耗，使得使用成本能夠有所控制。

2電機(jī)調(diào)速控制裝置

電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車(chē)的重要核心系統(tǒng)組成部分，也是與內(nèi)燃機(jī)存在明顯不同的重要特征。對(duì)于以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力構(gòu)成的汽車(chē)來(lái)說(shuō)，速度的控制主要和離合器有著密切的關(guān)聯(lián)，主要以機(jī)械手段完成。電動(dòng)汽車(chē)在這一方面的要求相對(duì)較高，因?yàn)槠渲荒芡ㄟ^(guò)加速器和方向開(kāi)關(guān)能夠做到實(shí)際操控，對(duì)控制系統(tǒng)的要求也就更高。

早期的電動(dòng)車(chē)上，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速采用串聯(lián)電阻或改變電動(dòng)機(jī)磁場(chǎng)線(xiàn)圈的匝數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因其調(diào)速是有級(jí)的，且會(huì)產(chǎn)生附加的能量消耗或使用電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)在已很少采用。最初電動(dòng)車(chē)上應(yīng)用較廣泛的是晶閘管斬波調(diào)速，通過(guò)對(duì)電壓的靈活調(diào)整實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度切換。而隨著電子技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，調(diào)速裝置也變的越來(lái)越多，過(guò)于傳統(tǒng)的調(diào)速控制裝置已經(jīng)不再被使用。

3硬件總體設(shè)計(jì)

3.1存儲(chǔ)模塊

存儲(chǔ)模塊用來(lái)存儲(chǔ)控制器的型號(hào)、編程參數(shù)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(guò)編程器來(lái)設(shè)定電動(dòng)車(chē)的工作性能.（如最大速度）、查看工作狀態(tài)（如控制器內(nèi)部溫度，PWM占空比）以及查看控制器的故障歷史等;狀態(tài)顯示模塊告訴操縱者控制器是否正常工作以及發(fā)生了何種故障;2個(gè)PWM模塊分別控制電機(jī)勵(lì)磁電流和電樞電流并可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度和負(fù)載的要求，脈寬調(diào)制波經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊即功率MOSFET放大后給電樞和勵(lì)磁提供電流;電樞和勵(lì)磁電流檢測(cè)用于實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)及過(guò)流保護(hù)功能;溫度檢測(cè)和電壓檢測(cè)（包括電池電壓和加在電機(jī)兩端的電壓）主要用于對(duì)控制器及電機(jī)的保護(hù)，保證欠溫、高溫自動(dòng)減流，過(guò)壓、欠壓自動(dòng)保護(hù)，提高行駛的安全性，延長(zhǎng)控制器及電機(jī)的使用壽命。

3.2 CPU模塊

根據(jù)控制方案的分析及車(chē)輛駕駛的需要，本控制器的CPU需要有較強(qiáng)的計(jì)算能力和事件處理能力，以及兩路PWM輸出，6個(gè)模擬輸入通道，14路數(shù)字輸出，10路數(shù)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(diǎn)DSP TMS320LF2407A芯片，這是一款性?xún)r(jià)比較高的芯片。

TMS320LF2407A是定點(diǎn)DSP C2000平臺(tái)系列中的一員，專(zhuān)門(mén)為電機(jī)控制與運(yùn)動(dòng)控制而設(shè)計(jì)。其最大工作頻率為40MHz，片上集成了32KX16的Flash存儲(chǔ)器，2KX16的單口RAM，544X16的雙口RAM，以及大量的片上外設(shè)，具有較強(qiáng)的計(jì)算能力和豐富的外設(shè)資源，足以滿(mǎn)足大計(jì)算量的控制任務(wù)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(tǒng)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(jīng)過(guò)多級(jí)轉(zhuǎn)換。

從蓄電池過(guò)來(lái)的24V電壓首先經(jīng)過(guò)達(dá)林頓功率管TIP112和穩(wěn)壓管1N4745將電壓穩(wěn)到15V左右，然后經(jīng)LM7805轉(zhuǎn)換成5V電壓，最后經(jīng)過(guò)帶集成延時(shí)復(fù)位功能的低壓差穩(wěn)壓器TPS7301Q得到DSP使用的3.3V電源。

4基于模糊控制的軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序設(shè)計(jì)

主體軟件是整個(gè)控制器軟件的框架，它從結(jié)構(gòu)上安排控制器的功能任務(wù)，對(duì)控制器任務(wù)要求的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。DSP復(fù)位后經(jīng)初始化和內(nèi)存檢查后，開(kāi)始系統(tǒng)的初始化，包括I0口和各個(gè)控制模塊的初始化，并對(duì)對(duì)各個(gè)控制寄存器置初值，對(duì)運(yùn)算過(guò)程中使用的各個(gè)變量分配地址，并設(shè)置相應(yīng)的初值。

其中，電機(jī)調(diào)速模塊（包括電樞調(diào)整、勵(lì)磁調(diào)整）以及車(chē)輛狀態(tài)轉(zhuǎn)換模塊是系統(tǒng)最主要的兩個(gè)模塊，控制器的主要功能都在其中實(shí)現(xiàn)。

4.2中斷服務(wù)程序

中斷模塊是程序中最重要的部分，處理實(shí)時(shí)性要求較高的事件。中斷服務(wù)程序有定時(shí)器中斷、串口收發(fā)中斷和過(guò)電流中斷。中斷模塊中的定時(shí)器中斷服務(wù)子程序用來(lái)做-些需要定時(shí)完成的任務(wù)，如于模擬通道采樣，開(kāi)關(guān)采樣，故障顯示等。另外，定時(shí)器中斷還用于各個(gè)任務(wù)處理的計(jì)時(shí)作用，用以判斷任務(wù)處理是否超時(shí)以便及時(shí)報(bào)錯(cuò)。

4.3電機(jī)調(diào)速策略研究

在車(chē)輛駕駛過(guò)程中，道路上的交通情況和駕駛員的目的性是無(wú)法定量描述的，駕駛員通過(guò)觀察后做出判斷，然后再操縱“加速器踏板”和“方向開(kāi)關(guān)”來(lái)駕駛車(chē)輛。因而，這兩個(gè)輸入信號(hào)就是駕駛員的決策。在控制中如實(shí)地反映出駕駛員的意圖，將相應(yīng)的控制指令傳送給車(chē)輛是正確進(jìn)行車(chē)輛駕駛的先決條件。

傳統(tǒng)的控制算法幾乎無(wú)法對(duì)人的思維及決策進(jìn)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(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)的控制。駕駛員對(duì)車(chē)輛的駕駛及其想要實(shí)施的操作，可以提供用語(yǔ)言描述的信息，并將其具體化在兩個(gè)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(lì)磁調(diào)整策略

通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的方向和大小，輔助電樞電流，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的換向，制動(dòng)，超速限制，負(fù)載補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｏ到y(tǒng)在以下三種情況下需要?jiǎng)?lì)磁調(diào)整：

4.4.1調(diào)速

在電樞電流-定的情況下，在最小和最大勵(lì)磁電流之間，增大勵(lì)磁電流會(huì)減小電機(jī)轉(zhuǎn)速，相反減小勵(lì)磁電流可以增大電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4.4.2換向

在系統(tǒng)有換向請(qǐng)求時(shí)，改變勵(lì)磁電流的極性，獲得反向轉(zhuǎn)矩。

4.4.3調(diào)轉(zhuǎn)矩

當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，需要電機(jī)輸出新的轉(zhuǎn)矩，用于當(dāng)車(chē)輛負(fù)載變化時(shí)，保持車(chē)輛恒定的行駛速度。增大勵(lì)磁電流可以增加電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，相反減小勵(lì)磁電流可以減少電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。在直流電機(jī)的控制中，勵(lì)磁對(duì)電機(jī)和控制器以及人身安全起著至關(guān)重要的作用。

4.5下坡能量回收

主要是采用復(fù)合制動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)下坡能量的回收，這種制動(dòng)方式在制動(dòng)踏板踩下時(shí)電制動(dòng)力會(huì)發(fā)生變化，在某些情況下可以完全靠電制動(dòng)。但是，這種構(gòu)型對(duì)ESP要求較高，且需要考慮更多的功能安全問(wèn)題，比如由于某種原因電制動(dòng)失效后如何保持制動(dòng)力，以及電制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)之間的協(xié)調(diào)。

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