基于永磁同步電機的新能源汽車控制系統研究

朝陽工程技術學校 遼寧 朝陽 122000

引言

永磁同步電動機本身有著諸多優勢,包括能量密度高、體積小、能耗低以及動力性強等,所以在各種領域內實現了廣泛應用。然而車輛在實際使用方面存在一定的特殊性,所以其對于電機運行的質量有了更高的要求,與此同時,也在永磁同步電機控制以及性能的設計方面有了全新的要求。

1 新能源汽車永磁同步驅動電機設計步驟

1.1 結構設計 在正式開展永磁同步驅動電機結構設計的過程中,相關人員要從電機轉子磁路結構的實際情況出發進行具體的設定工作,磁路結構之間的差異性直接影響著其實際性能,所以要綜合考慮汽車驅動的要求與特點,再結合相應的制造成本等多方面影響因素,進而科學合理地對轉子結構形式進行選擇。

1.2 尺寸設計 同步電機設計有著一定的特殊性,其實際工作比較復雜,很難一次便完全使其滿足需求,所以相關人員需要多次開展對與電機方案的優化以及調整工作,其主要尺寸應當采用“路”的形式,在此基礎上展開解析計算工作,唯有如此才能夠同相關要求相符合,而在線路以及繞組參數方面可以參照傳統的永磁電機。

1.3 額外性能設計 從其實際情況來看,電機額外使用性能是至關重要的組成部分,其主要指的是在永磁同步電機中實現對于其他相關功能的融合,可以將額外的性能設計加入到電機控制方式當中,進而在電機正式進行運行的過程中對其本身的真實狀態進行測量,以此保證能夠同電機外設計方案的額定性能標準相適應[1]。

1.4 磁爐、繞組、參數計算和優化 電機在最終成型之前需要經歷多次的測試以及調整,在實際進行設計的過程中,永磁同步電機與同步電機的電路設計是分開的,在新能源汽車上也要對驅動電機展開分開的設計工作,此舉能夠有效提升解析計算方法的精確程度,從而實現設計效率以及性能的增強。

1.5 制定樣機、核實電機實際性能 若想在最大限度上提升設計方案的科學性,在電機各種運行狀態下,設計人員應當反復進行計算以及測試,并對比分析相應的仿真結果以及實驗結果,在此基礎為形成更優設計方案指標奠定堅實的基礎。

2 基于永磁同步電機的新能源汽車控制系統設計

2.1 新能源汽車驅動電機控制系統設計

2.1.1 控制系統總體結構 對于新能源驅動電機來說,其硬件電路有著較為復雜的構成,包含汽車外部通信電路、駕駛端信號接收電路、信號檢測電路以及控制芯片等等,各部分電路之間展開高效協同,進而落實驅動電機的效果,控制系統結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖

其控制系統硬件電路控制芯片選用的是STM32F407VET6型號的控制器,該型號的控制器本身在計算能力方面有著較強的性能,可以高質量并迅速地實現對于較大計算量的計算,蓄電池作為供電電路和驅動電機的供電電源。控制系統的主要工作原理為,控制系統對驅動電機的兩相電流展開檢測工作,并對第三相電流進行計算,然后在相應的驅動電機控制器中進行所得出三相電路的輸入。與此同時,還要在控制器中輸入相應的電機轉速信號,通過采用控制器的算法計算,然后便由SVPWM輸出PWM信號驅動電機。此外,駕駛員信號檢測電路則需要對檔位、油門以及剎車等信號進行檢測,利用CAN通訊向控制器進行相關數據的輸送,然后展開計算工作。

2.1.2 驅動電機硬件電路 對于驅動電機硬件電路來說,主控電路設計是較為重要的組成部分。新能源汽車驅動電機有著較為復雜和繁瑣的驅動電路結構,與此同時,控制器能夠對各種類型的信號進行接收,當完成相應的處理工作之后還要開展大量的計算。執行的精確度以及速度對于新能源汽車是非常重要的,所以這便對芯片的實際性能有了相對較高的要求,應當確保其有著良好的數據處理以及計算能力。驅動電路對于外部接口有著一定的需求,所以針對控制器來說,其本身應存在較多的內部可利用資源。因此,筆者在驅動電機控制電路主控器的應用上選擇了STM32單片機系列的控制器,該類型的控制器在實際應用上存在較多的優勢,包括與其它控制器相比抗干擾能力較強、效率高、成本較低以及計算能力強等,能夠充分同永磁同步電機控制系統的計算要求相符合。

除了主控電路設計以外,相關人員還要加強對于信號接收電路設計的重視。在實際驅動電機的時候,應當隨時對電機返回的信號進行接收以及處理,所以開展了信號接收電路的設計工作。信號接收電路主要便是增量式光電編碼器,在差分信號的基礎上對三相脈沖信號進行輸出以及輸入。將隔離電路使之與信號接收電路當中,此舉能夠有效實現對于控制芯片與光電編碼器的隔離,避免二者之間出現相互干擾的問題,切實保障電路整體具有良好的抗干擾能力[2]。

電流采樣電路設計是驅動電機硬件電路的重要組成部分。為了能夠高效實現在電機電流轉速雙閉環控制系統中對于電流反饋值的采樣工作,所以便開展對于電流采樣電路的設計工作。當實際進行控制系統電流采樣的時候,因為其所采集的電流屬于模擬量,所以其在采樣器件本身檢測精度方面有著相對較高的要求。

2.2 新能源汽車驅動電機軟件控制系統設計

2.2.1 軟件系統主程序 對于永磁同步電機軟件控制系統來說,其程序的科學性以及可靠性有著至關重要的作用,若是其程序在運行過程中出現錯誤便有極大的可能性會造成車輛失控等現象,并產生難以挽回的后果,所以相關人員要加強對于軟件架構的重視,確保其合理性。若想高效實現控制系統的驅動,則需要保障好硬件部分以及軟件部分之間的相互協調合作,盡管在硬件部分的電路設計中已經實現了對于抗干擾模塊的加入,但是對于復雜的電路來說很難估計電壓電流的信號干擾,所以使得控制系統在正常運行的過程中面臨著一定程度的阻礙。由此可見,對于軟件部分來說同樣應該適當加入相應的抗干擾模塊,有效將抗干擾硬件與軟件部分結合起來便能在極大程度上促進控制系統的持續平穩運行。在控制系統的軟件部分中,其設計主要使用的是結構化編程的方法,程序結構比較嚴謹,為了能夠有效實現對于開發周期的縮短,所以筆者通過應用模塊式的編程方式,讓各個模塊能夠各司其職,此種編程模式的應用能夠在程序出現問題的時候及時找到問題模塊,并在原有的基礎上降低調試工作開展的難度。當汽車面臨著相對較為復雜的行駛工況時候,有必要切實提升其實際的駕駛體驗,靈活應用STM32控制器可以通過對于自身定時器的使用實現對于控制器的復位操作,一旦程序出現問題,便能夠將其及時復位,并重新運行程序,主控制程序流程如圖2所示。

圖2 主控制程序流程

在正式運行控制系統的過程中,應當先將程序初始化,同時進入自檢模式,對系統的各方面情況展開檢查工作,判斷其是否存在異常現象,一旦發現異常便啟動報警子程序,同時將程序返回,再次開展相應的系統自查工作。若是控制系統能夠實現正常運行,程序便可以開展相應的數據采集工作,向控制器傳送驅動電機的各項參數,然后狀態檢查程序則需要分析其參數,若是故障便要進行報警。

2.2.2 工況判斷子程序 工況判斷程序的設計能夠有效保障新能源汽車對于各種環境的應對能力,并實現其實際行駛性能的提升,針對工況類型的不同展開相應的分級控制工作。首先控制器需要先有效處理以及判斷搜采集到的信號,并針對預設工況下的參數以及當前的信號進行對比,若是能夠符合便可以進行驅動控制,若是不符合則應當重新進行采集與判斷,進而保障汽車具有良好的驅動性能[3]。

結論

綜上所述,優化開展對于基于永磁同步電機的新能源汽車控制系統的設計工作能夠有效保障其應用質量,對于新能源汽車領域的整體發展有著積極的促進作用。因此,相關人員應當加強該方面的重視,在推動新能源汽車行業迅速發展的同時,提升其整體的可持續發展水平。