设计和发展一种基于双处理器的电动机矢量控制系统应用于电动车辆中
罗文·罗伯茨和丹·佛斯曼
摘要:在电动车辆(EV)中,电动机调速的矢量控制方法被设计和发展。 以双处理器为基础(单片机80C196KC和数字信号处理器TMS320F2407) 的硬件系统被实现。在矢量控制的旋转坐标系( M- T 坐标系)中，电机基本的数学公式被坐标转换实现。进而推论转子电流推导公式和转矩公式。按照这些等式，分别设计电机数学模型和转子模型。由于这些模型，转子电流导出的矢量变换控制方法在系统软件中实现,此外一些Matab/Simulink仿真被给出。仿真结果显示电机矢量控制系统有比较好的静态和动态的效果，而且转子电流导出的矢量变换控制方法被实际验证。
从1980年以来，由于节省能源和保护环境，电动车辆(EV)已经成为世界关注的焦点。电动机控制系统是电动车辆的核心。电动车辆的电动机通常需要经常发生的启动/停止，经常需要加速/减速,攀山时高的转矩低的速度，在一般时低的转力矩高速度，进而需要非常宽的速度操作的范围。他们单独成为一个体系。交流电机调速已经成为调速控制系统的主流并且广泛地被为电动车辆接受。因为它高功率、高稳定性、低的价格、高的效率和在各种不同的电动机调速之中是较成熟的技术。我们已经了解转矩的去藕控制和转子电流, 所以矢量控制是一个普遍使用的方法。我们试着去设计一种矢量控制方法，使其应用于双处理器（单片机80C196KC和数字信号处理器(DSP)TMS320F2407的电机系统。
1.系统的结构
控制系统结构如图1所示：
主要由所组成电源、三相鼠笼电机、变频器、控制器及辅助系统。为三相四极 30kW 3600 r/min水冷却电机特别地设计，用312V电源供电。三相PWM逆变器被设计了驱动，而且有低的谐波分量。双处理器（单片机80C196KC和数字信号处理器TMS320F2407能完成所有电动机控制。辅助系统主要地包括冷却系统和指示系统。
2.系统的硬件
2.1 主要线路
控制系统的主要线路如图2所示，它采用一种普遍的三相电压型变频器,它主要功率模块是IPM(智能模块)。IPM由高速度、低的能源耗的IGBT，简易的基极驱动和保护线路组成，IPM能完成过压、短路、缺相和温度的检测、保护。在电机的矢量控制中，SKIIP PACK的IPM变频器402GD0612358CTVU采用了三个电流传感器去采样定子三相电流信号，以完成电机的矢量控制。
2.2 系统的微处理器控制器
控制系统采用双处理器（单片机80C196KC和数字信号处理器TMS320F2407）。矢量控制中，数字信号处理器TMS320F2407能高速计算，可以完成应用于电动车辆矢量控制的复杂的控制算法的计算。如果只有数字信号处理器TMS320F2407参加计算和控制,它的控制周期将会延长，而且它是很难完成电动机的高速实时控制的。因此,附加一个单片机80C196KC，他完成主要控制系统的控制。数字信号处理器TMS320F2407作为电机矢量控制使用。
美国被德克萨斯公司，专门研制了新型数字信号处理器TMS320F2407，它是电机控制的专用芯片。数字信号处理器TMS320F2407是结合了微控制器外围设备，它是建立在20 M IPS数子信号处理器上的一枚单一芯片,包括了脉冲宽度(PWM)调制器、数据转换器(ADC)和储存器，提供数字驱动和电机控制算法。它还有四个捕获模块和十二个PWM输出口，三个定时器可以被用作产生输出信号，这三个定时器可以独立工作，也可以同时或延时工作。每个定时器有六种不同的模式，支持对称或不对称模式。三对PWM口可以完成空间矢量调制，还要去驱动三相变频器。在应用于电动车辆的电动机矢量控制中，数字信号处理器TM S320F2407主要完成坐标转换、电流环、速度环和转矩的数据转换。通过输出的PWM信号，最终控制开关器件IGBT的通断。单片机80C196KC包括的资源(处理器， ROM或EPROM，随机存取储存器RAM，定时器，中断源，A/D和D/A转换器和输入/输出口)构成一个单一芯片，它拥有一定的先进的硬件和简明的软件。单片机80C196KC实现数据采集和主电路、数字信号处理器TMS320F2407和辅助系统的控制。数据采集主要地包括驱动信号(例如P—部件，R—制动，N—空转，D—驱动， S—启动，E—紧急停车，加速，停车等)。各种传感器采集系统的状态信号和反馈信号(例如冷却的温度,过流, 直流线电压,IGBT温度和高温度)。单片机80C196KC的输出信号控制主要的接触器，或者通电，断电，热泵和制冷风扇。
在单片机80C196KC和数字信号处理器TMS320F2407之间有一个数据交换的双重的随机存取储存器,使得系统高效率而且没有障碍。在微计算机80C196KC和个人计算机之间采用Max232实现数据沟通。
3.系统的软件
控制系统的软件结构以算法设计为基础。它主要包括主程序算法和矢量算术控制中断算法。单片机80C196KC运行主程序，并运行管理主要的工作。数字信号处理器TMS320F2407用来实现中断程序，并控制电机。
4.矢量控制
4.1 电机的基本原理
尽管电机有非常简单的结构,由于大量的变量和非线性双重的因素，它的数学的模型很复杂。如图3所示，静止的坐标系(a, b, c)是三相系统坐标系，可以被转换成静止的坐标系（α, β），假定此时参数α和β在同一方向。如果参数M和ψr有联系，静止的坐标系（α, β）能被转换成旋转坐标系（M，T）。同步旋转坐标系（M，T）表示了著名的三相鼠笼电动机的数学电压模型，公式如下：
(1)
如图3所示：定子电压空间矢量被分解成iM（电流分量）和iT（磁通分量，Im和iT分别与M和T有联系，iM和iT分别与M和T有联系。
因为参数M是同步旋转的，又和定子电流分量iM是相互联系，电机的流量方程如下所示：
(2)
在等式(1)(2)中, Rs是每相定子阻抗，Rr是每相转子阻抗，Ls是每相定子电感，Lr是转子电感，Lm是互感，p是转差率, um和ut分别是M和T定子电压,im和it分别是M和T桥转子电流，iM和iT分别是M和T定子电流，ωs是同步频率,ωr是转子频率,ωs1=ωs-ωr是转差率，ΨM是定子参数M方向的磁通，ΨT是定子参数T方向的磁通，Ψm是转子参数M方向的磁通。
从等式：(1)(2), 我们能推出转子电磁通和转子转矩公式：
(3)
(4)
Tr是转子时间常数,P是极对数。
从等式：(3)(4),我们能得到下式：
(5)
我们能看见出Te依赖定子电流。
4.2 控制策略
转子的控制(RFOC)叫做矢量控制，能用达到动态高效率的控制，我们采用RFOC矢量控制控制电机转矩。通过等式(5)知，通常维持iM的一定的幅值，在Te和iT之间有一个线性关系，我们可以通过控制iT来控制Te，这使得控制非常精确（有稳定的动态和暂态特性）。
矢量控制与角度变换有关系，使得交流电机可以和直流电机相似，其中iM系相似于直流电机中的励磁电流，iT相当于电枢电流。结果，一个相对地简单的实用的控制非常相似于一个特殊存在的直流电动机。数字信号处理器 TMS320F2407的作用是把定子变量（电流和角度）转变成一个流量模型，把定子变量与参考值作比较, 更新PI电流控制，把转子速度与速度设定值作比较，更新PI速度控制。最后，电压输出将把PWM信号传给电动机的智能模块。数字信号处理器硬件产生的PWM信号。
这些运算法则很复杂，因此需要一个快速的处理器。控制系统的软件指令能被数字信号处理器TMS320F2407短周期次的一个计算解决。在RFOC控制中达到最好的动态特性和比较少的谐波，电流观测是非常重要的。从等式：(2)(3)知, 电流的精确值是很难被检测的，尤其在低速区域内，将导致转矩波动。为了这个原因，我们采用了一个闭环电流传感器，提供了一个在两个非常合乎需要的开环电流传感器模型，（低频时的电流模型和高频时的电压模型）之间的自动转换。 因此电机的参数变化的问题被解决了。
电机转力矩特性曲线如图4所示。图5展示了加速角和转矩的线性关系。转矩 信号T1和T2分别相对于θx和θy被输出。图4画出了相对特性曲线，从车辆的启动、加速，爬坡到稳态,电流分量和转矩分量被控制完成转换，转矩曲线也满足电动车辆的能量特性。
5.结论
以双处理器为基础的矢量控制系统特别地被设计来，并应用于电动车辆，满足了不同道路情况的要求。双处理器控制系统满足了检测和调试。有数字信号处理器的RFOC矢量控制方式能减少全部的系统花费了，而且改良了电动车辆的推进力系统的稳定性。
参考文献
[1] 戴耐克.基于新型空间矢量的PWM逆变器.北美电气协会,1991
[2] 艾哥达斯.最佳非决定性的PWM三相的逆变器.北美电气协会,1993
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