混合動(dòng)力汽車用復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
劉 勇，佟誠(chéng)德，隋義，閆海媛
（哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱150001)
摘要：介紹了復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)混合動(dòng)力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。針對(duì)其雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和混合動(dòng)力汽車背景，由一片dsp同時(shí)控制定子電機(jī)和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，由arm負(fù)責(zé)通訊，最終完成了控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)、控制和通訊三大功能模塊設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)高效四象限能量變換提供了硬件平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車；復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)；電機(jī)控制系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：tm341; tm351 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848f 2010）07-0044-03
o引 言
由于日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題，汽車向著清沽、環(huán)保、低油耗、低排放的方向發(fā)展，作為理想的零排放或低排放車輛，純電動(dòng)汽車(ev)、混合動(dòng)力汽車(hev)和燃料電池汽車(fcv)已引起全世界的高度關(guān)注。純電動(dòng)汽車受行駛里程限制，暫時(shí)難以普及；燃料電池汽車具有效率高、低排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但其技術(shù)還不成熟、制造成本高，在一段時(shí)期內(nèi)還難以產(chǎn)業(yè)化；混合動(dòng)力電動(dòng)汽車作為新老技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物在近階段最被看好，配合先進(jìn)的控制系統(tǒng)，可以較小的投資大幅提高燃油利用率，減少尾氣排放，混合動(dòng)力技術(shù)也是未來(lái)車輛發(fā)展的共性關(guān)鍵技術(shù)。
復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)cs-pmsm由定子電機(jī)(sm)和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)(drm)復(fù)合而成，是用于混聯(lián)型混合動(dòng)力系統(tǒng)的電氣功率分配裝置，與目前國(guó)際混合動(dòng)力車領(lǐng)域最成功的日本豐田普瑞斯混合動(dòng)力電動(dòng)車具有相似的工作原理，其功能相當(dāng)于善瑞斯中的行星齒輪、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，由于采用了高度集成的結(jié)構(gòu)配置，結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單緊湊，控制也更加靈活，是當(dāng)前國(guó)際混合動(dòng)力車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)中定子電機(jī)和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)間的電磁耦合非常小，相當(dāng)于兩臺(tái)獨(dú)立的電機(jī)，但雙轉(zhuǎn)子電機(jī)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，位置檢測(cè)時(shí)需要根據(jù)內(nèi)外轉(zhuǎn)子****位置計(jì)算出磁極與定子的相對(duì)位置，因而需要設(shè)計(jì)控制器以實(shí)現(xiàn)定子電機(jī)和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的協(xié)調(diào)控制。
1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的混合動(dòng)力系統(tǒng)如圖1所示，雙轉(zhuǎn)子電機(jī)傳遞內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)矩，定子電機(jī)則根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩需求進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，通過(guò)控制該電機(jī)的運(yùn)行可以使內(nèi)燃機(jī)在高效率轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩曲線上運(yùn)行。在以內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行點(diǎn)為原點(diǎn)的轉(zhuǎn)速一轉(zhuǎn)矩坐標(biāo)系中，復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)可以運(yùn)行在四象限中，因而也被稱為四象限能量變換器[4-5]。
控制系統(tǒng)主要包括3部分：驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊和通訊模塊，如圖2所示。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊共用直流母線，分別用來(lái)驅(qū)動(dòng)定子電機(jī)和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，由功率開(kāi)關(guān)器件及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)、電流反饋等部分組成；控制模塊以dsp為核心，主要實(shí)現(xiàn)定子電機(jī)和雙轉(zhuǎn)子電機(jī)的控制算法，通過(guò)pwm信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)將驅(qū)動(dòng)模塊的錯(cuò)誤信號(hào)傳送至通訊模塊；為節(jié)省dsp資源，通訊模塊負(fù)責(zé)控制器與外界的所有的信息傳輸，包括can總線、rs485、rs232通訊及鍵盤輸入、液晶顯示等功能。模塊化的設(shè)計(jì)思想使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，方便設(shè)計(jì)調(diào)試，同時(shí)也提高了系坑可靠性。
2驅(qū)動(dòng)模塊
驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)額定功率為10 kw，其主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。由蓄電池為直流母線供電，母線中串聯(lián)限流電阻，電容充電完成后通過(guò)接觸器將其切除，可減小直流側(cè)上電時(shí)大電流對(duì)電源的沖擊。當(dāng)直流母線電壓過(guò)高時(shí)，多余的能量通過(guò)制動(dòng)回路泄放。電機(jī)三相和直流母線電流經(jīng)lem模塊檢測(cè)，調(diào)理輸出供過(guò)流保護(hù)和控制模塊電流反饋使用。
驅(qū)動(dòng)模塊原理如圖4所示。三相半橋選用6管igbt模塊fs100r12krl3．每個(gè)igbt耐壓600 v，額定電流為i00 a，復(fù)合結(jié)構(gòu)永磁同步電機(jī)樣機(jī)的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)和定子電機(jī)的額定功率均為10 kw，尚有很大余量。igbt驅(qū)動(dòng)使用6管igbt/mosfet驅(qū)動(dòng)模塊6sd106e |
