V电动车电机无速度传感器矢量空间.docx
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V电动车电机无速度传感器矢量空间
48V电动车电机无速度传感器矢量空间
控制器软件设计说明书
目录
1引言2
2软件总体说明2
2.1ACI3_1（恒压频比控制程序）总体说明2
2.1.1功能介绍2
2.1.2理论依据2
2.1.3系统框图4
2.1.4程序流程图5
2.2ACI3_4（无速度传感器矢量控制程序）总体说明6
2.2.1功能介绍6
2.2.2理论依据6
2.2.3系统框图6
2.2.4程序流程图9
3软件模块说明9
3.1ACI_FE9
3.2ACI_SE11
3.3CLARK13
3.4FC_PWM_DRV13
3.5I_PARK14
3.6ILEG2_DCBUS_DRV14
3.7PARK16
3.8PID_REG317
3.9SVGEN_DQ（SVPWM模块）20
3.10CAN通信和液晶显示程序27
3.11方向控制程序28
4软件调试说明28
4.1ACI3_1（恒压频比控制程序）调试说明28
4.2ACI3_4（无速度传感器矢量控制程序）调试说明29
5软件调试效果29
5.1压频控制程序29
5.2适量控制程序29
6软件问题及需要改进之处29
6.1上弱电和强电后，踩踏板前电机会转动，并有时反转，有时正转。
29
6.2当踏板突然踩下和突然松开时容易产生自激震荡。
30
1引言
随着常规能源的日益减少和环境污染的日益严重，世界各国的环保意识逐渐增强，电动汽车以其零排放的优点受到世界各国的重视，并成为未来车辆的一个发展趋势。
传统的电动汽车多采用直流电机，其中最多的是有刷他励直流电机，因为存在电刷，导致电机的寿命和效率降低，目前比较新的无刷直流电机，这种电机寿长，效率比较高，但是因为位置传感器的安装精度不够导致控制效果不是很好。
目前研究比较多的是交流异步电机及其控制器，与直流电机相比，交流异步电机具有效率高，相同功率等级下成本低等优点，随着交流电机控制算法的日益完善，其控制性能可以和直流电机相媲美，交流异步电机在电动汽车上的广泛应用成为发展趋势。
本系统采用无速度传感器矢量控制策略，提高电机工作效率，采用SVPWM技术，提高电压利用率，并减少谐波干扰。
本系统采用TI公司的32位DSPTMS320F2808，芯片的最高工作速度100MIPS，内部资源丰富，有64K字的Flash和18K字的SARAM，有3个32位的CPU定时器。
具有增强型控制外设，主要包括16个PWM输出、6HRPWM输出、4个捕获输入、两组正交编码器接口和6个32位或16位的定时器。
有16个12位的AD转换器。
具有增强型通信接口模块，主要包括CAN、I2C、UART及SPI。
去掉了事件管理器，使PWM和功率保护配置更加灵活。
对上电时序无特殊要求，电路设计更加简单。
2软件总体说明
系统采用C语言编程，基于CCS3.3进行调试，采用SEEDusb2.0XD510仿真器进行在线仿真和下载程序。
2.1ACI3_1（恒压频比控制程序）总体说明
2.1.1功能介绍
ACI3_1是异步电机的恒压频比控制程序，系统采用开环控制，不需要电压电流反馈。
在额定转速之前，控制电机的电压和频率之比保持恒定，从而控制电机磁场恒定，使电机恒磁通运行，当转速超过额定转速则采用弱磁升速，使电机恒功率运行。
在程序中通过加速踏板给定电机转速，采用斜坡函数使电机缓慢从零速上升到给定速度，并保持该速度，通过调节踏板给定值改变速度给定值，从而动态调节电机转速。
2.1.2理论依据
ACI3_1的简易系统图如图1所示：
图1ACI3_1的简易系统图
图1所示为三相感应电机驱动的完整系统图。
使用了一个三相电压源逆变器来控制三相感应电机，DSP输出六路PWM信号控制逆变器的六个MOSFET的通断，从而控制电机电压。
还有一个捕获输入脚用来捕获电机速度传感器的输出以测量电机转速，但在实际调试时没有使用速度传感器，所以没有速度反馈，整个系统是一个开环系统。
感应电机的等效电路如图2所示：
图2感应电机的等效电路
在V/Hz控制中，感应电动机的转速由可调节的定子电压大小和对应的频率大小一起控制，其中磁通量在固定状态总是保持预期值。
假设定子电阻（Rs）为0，产生气隙磁通的磁化电流近似等于定子电压与频率比。
它们的矢量关系式（forsteady-state分析）为：
如果感应电动机运行在线性磁场区域，则Lm是不变的。
那么，等式
（1）可以在数值方面被简化为：
由此推出关系式：
为了保持不变，的比值在不同的转速也要不变。
当转速增大时，为了保持的比值不变，则定子电压必须要按比例增大。
然而，频率（或同步转速）不是真正的转速，因为存在转差s。
在空载时，s很小，转速接近同步转速。
因此，简单的开环恒压频比控制系统不能精确地控制存在负载转矩的转速，需要加入速度传感器。
在实际中，定子电压与频率的比率通常基于这些变量的额定值。
V/Hz典型轮廓曲线如图3所示。
主要地，V/Hz特性曲线有三个转速范围，如下图所示，其中为截止频率，为额定频率，为定子电压，为定子额定电压：
在0-时，定子电阻压降不能被忽略，需通过增加Vs来补偿。
所以，V/Hz特性曲线是非线性的。
我们可以从Rs≠0的稳态等效电路中解析计算出截止频率（fc）和适当的定子电压。
在-（基频）时，则遵循V/Hz不变关系。
图上的斜度代表了等式
（2）中的气隙磁通量。
在大于（基频）Hz时,为了避免定子绕组绝缘击穿，定子电压必须最多只能等于额定值，所以不能继续保持Vs/f比率不变。
于是，导致气隙磁通将会减少，不可避免地引起转矩相应地降低。
这区域通常被称为弱磁升速区，电机在此区域为恒功率运行。
2.1.3系统框图
系统原理框图
系统程序框图
2.1.4程序流程图
2.2ACI3_4（无速度传感器矢量控制程序）总体说明
2.2.1功能介绍
系统采用无速度传感器矢量控制技术驱动异步电机转动。
通过加速踏板给定转矩，带大负载时踏板踩下角度大，控制器输出转矩大，相反带小负载时踏板踩下角度大，控制器输出转矩小。
无速度传感器矢量控制系统动态性能好，效率高，是目前异步电机控制领域中技术最先进的控制方法。
2.2.2理论依据
理论上，感应电机的磁场定向控制有两种，直接磁场定向和间接磁场定向，用来定向的磁场可以是转子磁场、定子磁场和气隙磁场。
在间接磁场定向控制中需要通过估计或计算转子转速来估计转差率s，进而计算同步转速，而没有磁通估计。
直接磁场定向控制中，同步转速根据磁通角进行计算，磁通角可以根据磁通估计或磁通传感器测量得到。
系统的关键模块是磁通评估器。
交流电机直接转子磁场定向控制的基础是将总磁场定向在以同步速度旋转的d轴上，这样电磁转矩和磁通可以分别由同步旋转坐标系中定子电流的d轴分量和q轴分量独立控制。
如下图所示：
转子磁场定向控制中的定子电流和转子磁通向量
2.2.3系统框图
控制系统整体结构图如下，使用六路PWM信号控制三相逆变器的六个MOSFET，三项逆变器将48V直流电逆变成三相正弦交流电，驱动异步电机旋转。
采用三个AD采样通道分别采样A、B相电流和母线电压，作为反馈量估算转子磁通角和转子转速并调节PWM占空比。
原理框图如下图所示：
直接转子磁场定向系统原理框图
系统程序模块框图如下如所示：
系统程序框图
2.2.4程序流程图
3软件模块说明
3.1ACI_FE
该模块是一个是基于反电动势反向逼近积分的三相感应电机的磁通评估器，该模块可以同时产生转子角，通过积分补偿器引入补偿电压以减小纯积分器和定子电阻测量的误差，因此，磁通估计器可以在很大的转速范围内工作，即使是转速很低的情况。
模块的输入输出量如下图所示：
该模块涉及的文件有：
C文件：
aci_fe.c，aci_fe.h
IQmath库文件：
IQmathLib.h，IQmath.lib
使用的变量描述：
磁通估计器的整体框图如下：
在静止坐标系中转子磁链主要是通过对电压型中的反电动势积分得到的。
通过使用积分补偿器提供补偿电压，可以对纯积分器和定子电阻测量的误差进行处理。
程序流程图如下：
3.2ACI_SE
模块作用：
这个软件模块是基于数学模型的三相感应电机的速度评估器，该评估器的精度依赖于电机的关键参数。
模块的输入输出量如下：
C文件：
aci_se.c，aci_se.h
IQmath库文件：
IQmathLib.h，IQmath.lib
所使用的变量描述：
模块原理
开环速度评估器是基于静止坐标系中的感应电机的机械方程，精确的机械参数是必不可少的，否则将会产生稳态转速误差，但是，这个评估器的结构与其他高级技术相比更加简单。
正反转时的转子磁通角波形
程序流程图如下图所示：
3.3CLARK
Ø作用：
将两相电流值由三相abc坐标系转换到两相静止坐标系。
Ø模块的输入输出量如下图所示：
ØCVersionFileNames：
clarke.c，clarke.h
ØIQmathlibraryfilesforC：
IQmathLib.h，IQmath.lib
Ø变量定义
3.4FC_PWM_DRV
Ø作用：
根据占空比产生空间矢量PWM输出。
ØCVersionFileNames：
f281xpwm.c，f281xpwm.h（forx281x）
f280xpwm.c，f280xpwm.h（forx280x）
ØIQmathlibraryfilesforC：
N/A
Ø变量定义
结构体变量PWMGEN定义如下：
typedefstruct{Uint16PeriodMax;//Parameter：
PWMHalf-PeriodinCPUclockcycles（Q0）
int16MfuncPeriod;//Input：
Periodscaler（Q15）
int16MfuncC1;//Input：
PWM1&2Dutycycleratio（Q15）
int16MfuncC2;//Input：
PWM3&4Dutycycleratio（Q15）
int16MfuncC3;//Input：
PWM5&6Dutycycleratio（Q15）
void（*init）（）;//Pointertotheinitfunction
void（*update）（）;//Pointertotheupdatefunction
}PWMGEN;
typedefPWMGEN*PWMGEN_handle;
Ø各个变量的数据格式
3.5I_PARK
Ø作用：
将电压由d-q旋转坐标系变换到旋转坐标系。
Ø该模块的输入和输出变量如下图所示：
ØCVersionFileNames：
ipark.c，ipark.h
ØIQmathlibraryfilesforC：
IQmathLib.h，IQmath.lib
Ø变量定义
结构体变量IPARK定义如下：
typedefstruct{_iqAlpha;//Output：
stationaryd-axisstatorvariable
_iqBeta;//Output：
stationaryq-axisstatorvariable
_iqAngle;//Input：
rotating
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