基于分段輸出的電動汽車電機PWM占空比控制系統(tǒng)設計

楊立英,劉曉敏

(吉林大學 應用技術(shù)學院，長春 130022)

0 引言

占空比指的是在一個標準的脈沖循環(huán)內(nèi)，設備通電時間在總通電時長中所占據(jù)的比例數(shù)值。對于單純的電力驅(qū)動體系而言，占空比能夠決定輸出電壓的數(shù)值水平，隨著脈沖寬度值的不斷增大，占空比數(shù)值也會不斷增大，此時電量主機也可以對輸出電壓信號進行精確調(diào)制[1-3]。分段PWM電路的主要執(zhí)行功能是將已輸入電壓的振動幅度轉(zhuǎn)換成寬度值恒定的脈沖輸出波，簡單來說，就是將輸入電壓的振幅資料與輸出脈沖的寬度數(shù)值匹配起來。在電量供應系統(tǒng)中，由于占空比指標參量的存在，分段PWM電路可以長期維持相對穩(wěn)定的存在狀態(tài)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)對壓差比數(shù)值的按需調(diào)控，也可以控制電動勢場強對主電路體系的影響強度，從而使得電動機元件所輸出的電量波能夠滿足驅(qū)動電路的實際應用需求[4-6]。

當前電動汽車的種類有：純電動汽車、混合動力汽車、燃料電池汽車三類，本文所設計的電動車控制系統(tǒng)適用于純電動汽車。純電動機驅(qū)動的電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車的能源供應方式有很大不同，前者的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中包含多個分支體系，能夠借助能量轉(zhuǎn)換單元，將所有傳輸電量聚合起來，并可以將其暫時存儲于動力電池結(jié)構(gòu)之中[7]。隨著電動汽車行駛距離的延長，能源電池所承擔的力學負載量也會不斷增大，此時點電荷會在輸電通路內(nèi)大量累計，從而導致電量響應速率持續(xù)下降，并最終增大了電動機控制指令執(zhí)行所需的電能消耗量。為避免上述情況的發(fā)生，文獻[8]提出基于Quasi-Z源間接矩陣變換器的控制系統(tǒng)通過確定電流收斂速度的方式，確定電動機元件的當前執(zhí)行狀態(tài)，再根據(jù)電機參數(shù)的變化域區(qū)間，完成對能源供應量的有效控制。然而此系統(tǒng)在單位時間內(nèi)對傳輸電量的按需規(guī)劃能力有限，并不能使得電動汽車電量響應速率達到預期數(shù)值水平。文獻[9]提出基于IW 電機驅(qū)動的電動汽車主動振動控制系統(tǒng)，首先，通過理論推導檢驗了一般電動車輪結(jié)構(gòu)平順性差的原因，建立6自由度車輛模型，提出了一種模糊最優(yōu)滑?？刂品椒ǎ迷摽刂评碚撛O計了電動汽車電機主動振動系統(tǒng)。然而此系統(tǒng)對電動汽車電量響應的時延較大。

為解決上述問題，設計基于分段輸出的電動汽車電機PWM占空比控制系統(tǒng)，并通過對比實驗的方式，突出該系統(tǒng)的實際應用價值。

1 電動汽車電動機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

電動汽車電動機控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)由功率變換器、主電路體系、DSP控制板、軟啟動模塊、滑模轉(zhuǎn)矩控制器幾部分共同組成，電動汽車電動機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 電動汽車電動機控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

具體設計如下。

1.1 帶存貯電容的功率變換器

在電動汽車電動機控制系統(tǒng)中，帶存貯電容的功率變換器負責將波動式輸入電量轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流輸出電量，并可以將這些電量傳輸信號存放于電阻電容結(jié)構(gòu)中，以便于PWM電路可對這些信號參量進行提取與利用[10]。存儲電容接入?yún)^(qū)域位于功率變換器頂端，有多個連接卡槽組成，且卡槽與卡槽之間必須放置一個薄片狀擋板結(jié)構(gòu)，一方面屏蔽了負載電量信號對功率變換器造成的影響，另一方面也可以避免相鄰電容元件之間出現(xiàn)互相侵擾的情況下，從而使得電動汽車電動機的電量輸出行為得到較好保障。功率變換器核心主板并不是一個完全閉合的物理結(jié)構(gòu)，其外表面上具有多個圓形通路，負責將發(fā)電動汽車電動機所產(chǎn)生的物理熱量傳導至控制系統(tǒng)外部，從而使得電動機體系內(nèi)的感應溫度始終維持相對較低的數(shù)值狀態(tài)[11]。

為使分段PWM占空比指標的數(shù)值水平達到實際應用需求，所有電容連接結(jié)構(gòu)都需要具有極大的電量存貯空間，且出于安全性考慮，電容元件還應具有較強的電量感知能力，必須將已存儲電量完全整合成標準的傳輸格式，以促使功率變換器結(jié)構(gòu)能夠具有充足地儲備電信號參量。

1.2 主電路體系

電動汽車電動機控制系統(tǒng)的主電路體系以功率變換器驅(qū)動電路、檔位與油門給定輸入電路作為核心結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)特征如下。

1)功率變換器驅(qū)動電路：

功率變換器驅(qū)動電路以IR2110芯片作為核心設計結(jié)構(gòu)，能夠借助多個負載結(jié)構(gòu)，將電動機電量信號反饋至模態(tài)電阻、電磁干擾器、電量儀表等多個設備結(jié)構(gòu)中，并可以在R級電阻元件的作用下，對已堆積的電量傳輸信號進行疏導處理，從而使得控制系統(tǒng)內(nèi)的電信號供應需求得到較好保障[12]。IR2110驅(qū)動芯片具有較強的電量信號感知能力，可以決定電動汽車電動機在單位時間內(nèi)所承擔的電壓與電流水平，并以此為基礎(chǔ)，促使模態(tài)電阻長期處于相對穩(wěn)定的供電狀態(tài)。具體電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 功率變換器驅(qū)動電路示意圖

驅(qū)動陀螺能夠負載所有剩余電量信號，對于電動汽車電動機元件而言，該結(jié)構(gòu)負責對功率變換器驅(qū)動電路提供保障作用。在電動汽車電動機控制系統(tǒng)中，由于功率變換器內(nèi)所存儲感應電容的數(shù)值水平相對較高，所以整個驅(qū)動電路必須同時具備電量整合與電信號反饋的執(zhí)行能力。

2)檔位與油門給定輸入電路：

電動汽車電動機控制系統(tǒng)利用LF2407A芯片的I/O模擬接口，來完成4個基礎(chǔ)檔位之間的輸出關(guān)系變換[13]。具體示意結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 檔位與油門給定輸入電路示意圖

1號接口與5號接口對應，管控電動汽車電動機的低速檔變換需求；2號接口與6號接口對應，管控電動汽車電動機的中速檔變換需求；3號接口與7號接口對應，管控電動汽車電動機的高速檔變換需求；4號接口與8號接口對應，管控電動汽車電動機的其他檔位變化需求；兩個0號接口互相對應，管控電動汽車電動機與給定輸入電路之間的物理連接關(guān)系。出于應用安全性考慮，各個物理接口之間不具備互相轉(zhuǎn)化的能力。

1.3 DSP控制板

DSP控制板也叫DSP控制器主機，存在于I/O總線與程序總線之間，且由于電量控制信息寄存通路的存在，相關(guān)數(shù)據(jù)信息指令始終得到流暢地傳輸與處理，這也是電動汽車在負載量變化時所表現(xiàn)出來的電量響應速率依然不會出現(xiàn)大幅下降情況的主要原因[14]。電動汽車電動機控制程序經(jīng)由外部總線接口進入外部控制總線中，但由于其物理結(jié)構(gòu)相對簡單，所以總線及接口結(jié)構(gòu)僅負責對控制指令進行傳輸，不具備任何的處理與分辨能力。完整的DSP控制板功能框圖如圖4所示。

圖4 DSP控制板的功能框圖

電動汽車電動機控制程序由DARAM主板制定，能夠在TMS320C2XX芯片的短暫存儲作用下，順利進入SARAM主板之中，并可以完全釋放程序指令中的剩余數(shù)據(jù)信息參量[15]。電信號管理器同時協(xié)調(diào)下級電流發(fā)生器與電壓發(fā)生器，可在調(diào)取電流與電壓傳輸信號的同時，分析程序指令的傳輸價值，從而使得電動汽車的檔位轉(zhuǎn)換需求得到較好滿足。

1.4 軟啟動模塊

在啟動電動汽車電動機結(jié)構(gòu)時，電信號負載量會快速出現(xiàn)變化，在此情況下，電量指標的響應速率也會受到明顯影響。而由于軟啟動模塊的存在，IPM裝置可以不斷將控制電流與控制電壓中的電量成分分離出來，再借助晶閘管結(jié)構(gòu)將這些信號參量反饋給開關(guān)器件，不但滿足了系統(tǒng)主機對于電動汽車電動機元件的控制需求，也使得各級電量傳輸信號得到了有效利用[16]。在僅考慮IPM裝置、晶閘管、開關(guān)器件、限流電阻四類用于結(jié)構(gòu)的情況下，可將軟啟動模塊內(nèi)的設備連接模式如圖5所示。

圖5 軟啟動模塊內(nèi)的設備連接模式

從功能性角度來看，軟啟動模塊的存在是為了使電動汽車電動機元件的電量響應速率能夠長期保持相對穩(wěn)定的數(shù)值狀態(tài)。在實際應用過程中，由于限流電阻的安插位置并不完全固定，所以電阻元件必須同時包含直流、交流兩種連接形式。

1.5 滑模轉(zhuǎn)矩控制器

滑模轉(zhuǎn)矩控制器負責將DSP控制板、軟啟動模塊與核心電動機控制設備連接起來，并可在不改變電量信號傳輸方向的前提下，更改電壓的輸入數(shù)值，從而使得電動汽車單位電量區(qū)間內(nèi)的傳輸電流水平得到較好控制，避免電動機元件承擔不必要的電量擊穿作用。一般來說，整個滑模轉(zhuǎn)矩控制器始終呈現(xiàn)立方體連接狀態(tài)，在電動汽車電動機控制系統(tǒng)中，只要存在物理導線裝置，該結(jié)構(gòu)即可存在于任何連接位置處，不但節(jié)省了系統(tǒng)內(nèi)的位置空間，也可大幅縮短控制器元件與核心控制主機直連的導線連接長度，從而在根本上解決控制指令傳輸時間過長的問題[17]。由于主控制器與轉(zhuǎn)矩單位之間始終保持直行連接關(guān)系，所以滑模組織的行為方向不會受到電量信號傳輸方向的影響，一方面使得電動汽車電動機的電量響應速率水平得到有效保障，另一方面也可以將電動機元件內(nèi)的電信號損耗量控制在較低數(shù)值水平。

為適應電動汽車電動機對于電量信號的利用需求，滑模轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)速數(shù)值必須具備一定的可調(diào)試空間。在考慮軟啟動模塊作用能力的情況下，滑模轉(zhuǎn)矩控制器的轉(zhuǎn)動速率越快，則表示主電路體系對于DSP控制板的實時調(diào)控能力越強，反之則越弱。

2 基于分段PWM占空比輸出電動機控制行為分析

針對各級硬件應用結(jié)構(gòu)，按照PWM占空比控制原理，建立完整的開關(guān)磁阻電機數(shù)學模型，再聯(lián)合已知的脈沖行為成因，對電量傳輸信號的分段區(qū)間進行規(guī)劃，在已知分段區(qū)間規(guī)劃標準的情況下，系統(tǒng)控制主機可以直接調(diào)度電動汽車電機所需的功率信號，消除不必要的用電行為，從而解決控制指令執(zhí)行過多導致的用電問題，完成基于分段PWM占空比輸出電動機控制行為分析。

2.1 PWM占空比控制原理

PWM 占空比控制原理可以理解為在電量信號出現(xiàn)占空狀態(tài)時，PWM電路所具備的電量輸出能力不會快速發(fā)生改變。在初期變化階段，電流與電壓的輸出行為依然可以維持原有形式；而隨著變化行為的不斷深入，電流與電壓的單位輸出量會出現(xiàn)逐漸下降的變化狀態(tài)，且這種低量級輸出行為會持續(xù)到電量信號恢復至正常供應狀態(tài)為止。

設Ut表示PWM電路的實際電壓輸出量，U0表示PWM電路的原有電壓輸出量，θ表示電壓信號的占空比系數(shù)。利用上述物理量，可將電壓量U0與電壓量Ut的影響強度表示為：

Ut=θ·U0

(1)

設It表示PWM電路的實際電流輸出量，I0表示PWM電路的原有電流輸出量，φ表示電流信號的占空比系數(shù)。利用上述物理量，可將電流量I0對電流量It的影響強度表示為：

(2)

規(guī)定λ表示PWM電路內(nèi)的電量誤差值指標，β表示與電動汽車電動機元件匹配的電量定標值，et表示電量信號的實際輸出強度，e0表示電量信號的原有輸出強度。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(1)、公式(2)，可將PWM 占空比控制原理表達式定義為：

式中，W表示PWM 控制占空比值。在電動汽車電動機控制系統(tǒng)中，PWM電路對于電量信號的占空比控制能力越強，就表示電流與電壓的輸出行為越穩(wěn)定，電量信號所表現(xiàn)出來的響應速率水平也就相對更高。

2.2 開關(guān)磁阻電機數(shù)學模型

開關(guān)磁阻電機數(shù)學模型是分段PWM占空比控制算法得以順利應用的核心參考條件，可作為數(shù)值標準，對電動汽車電動機元件內(nèi)的電量輸出行為進行約束，不但解決了負載量變化情況下電量指標響應速率過慢的問題，也可將系統(tǒng)控制主機調(diào)試到相對穩(wěn)定的應用狀態(tài)，從而使得電動機控制指令執(zhí)行所需的電能消耗量數(shù)值大幅縮小[18]。

規(guī)定qmax表示電動汽車電動機開關(guān)元件的滿額磁阻作用強度，qmin表示電動汽車電動機開關(guān)元件在占空輸出情況下的磁阻作用強度，χmax表示與qmax系數(shù)匹配的電動機運轉(zhuǎn)常量，χmin表示與qmin系數(shù)匹配的電動機運轉(zhuǎn)常量，聯(lián)立公式(3)，可將開關(guān)磁阻電機所承擔的電量負載作用定義為：

(4)

設δ、γ表示兩個不同的PWM電路占空比定標值，d1、d2分別表示與δ和γ指標匹配的電信號輸出量，β表示電量信號的占空傳輸權(quán)限，ΔD表示電信號的單位傳輸量。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(4)，可將開關(guān)磁阻電機的數(shù)學模型定義為：

(5)

為避免PWM電路內(nèi)的電量占空比指標取值結(jié)果過大，開關(guān)磁阻電機數(shù)學模型的建立必須以PWM 占空比控制原理表達式作為關(guān)鍵參考條件。

2.3 脈沖行為成因

脈沖行為描述了電量信號的傳輸狀態(tài)，在占空比情況下，PWM電路的分段區(qū)間越多，電量信號的主動傳輸能力就越強，脈沖波的主動行為趨勢也就越明顯，此時與電動汽車電動機匹配的電量響應速率水平較高，是控制系統(tǒng)所追求的理想化行為模式[19]。在電動機元件分段PWM占空比輸出能力不發(fā)生改變的情況下，電量信號脈沖行為的主要成因包含如下幾類。

1)低速檔：低速檔位下，電動汽車電動機所需的驅(qū)動電量相對較少，此時電量脈沖行為將主導控制系統(tǒng)的實時執(zhí)行能力；

2)中速檔：中速檔位下，電動汽車電動機可能出現(xiàn)占空比運轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時只有充分抑制電量脈沖行為，才能使得控制系統(tǒng)的執(zhí)行能力得到保障[20]；

3)高速檔：高速檔位下，電動汽車電動機一定會出現(xiàn)占空比運轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時PWM電路中的電信號輸出量并不完全可控，因此需要通過電動機自身的電量復原作用，對已產(chǎn)生的電量脈沖行為進行抵抗；

4)其他檔位：與低速檔情況下電量脈沖行為的成因完全一致。

2.4 分段區(qū)間規(guī)劃

分段區(qū)間規(guī)劃能夠滿足PWM電路在占空比運行狀態(tài)下的所有電量輸出需求。在已知分段區(qū)間規(guī)劃標準的情況下，系統(tǒng)控制主機能夠直接調(diào)度電動汽車電動機所需的電量信號，省去了不必要的電量消耗行為，從而解決了因控制指令過度執(zhí)行而帶來的電信號消耗過量問題，使得電動汽車具備了長久行進的能力[21-23]。

設ω表示最小的分段定量指標，gω表示指標取值為ω時的PWM占空比區(qū)間規(guī)劃權(quán)限，k表示既定的占空區(qū)間標度值，f表示電動汽車電動機在當前情況下所選擇的檔位系數(shù)[24-25]。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(5)，可將分段區(qū)間規(guī)劃標準定義為：

3 實例分析

為突出說明基于Quasi-Z源間接矩陣變換器控制系統(tǒng)、基于分段PWM占空比輸出型控制系統(tǒng)的實際應用價值，設計如下對比實驗。具體實驗流程如下。

步驟一：選取圖6所示電動汽車作為實驗對象，分別應用基于分段PWM占空比輸出型應用系統(tǒng)、基于Quasi-Z源間接矩陣變換器應用系統(tǒng)對實驗用汽車進行控制，其中前者作為實驗組、后者作為對照組；

圖6 電動汽車實驗對象

步驟二：將圖7所示電動機供電設備裝入實驗用電動汽車之中，分別記錄在實驗組、對照組系統(tǒng)控制下，相關(guān)實驗指標參量的具體數(shù)值變化情況；

圖7 電動機供電設備

步驟三：對比實驗組、對照組指標參量；

電量響應速率能夠反映執(zhí)行電動機控制指令時，供應電能的消耗量水平，其具體計算式如下：

(7)

圖8反映了在電動汽車負載量不斷變化的情況下，實驗組、對照組電量響應速率指標的數(shù)值記錄結(jié)果。

圖8 電量響應速率指標的記錄數(shù)值

分析表1可知，當τ指標取值為300 N時，對照組供應電能消耗量(P)呈現(xiàn)出下下降、再上升、最后繼續(xù)下降的數(shù)值變化趨勢，實驗組供應電能消耗量(P)則呈現(xiàn)出先下降、再上升的數(shù)值變化趨勢，整個實驗過程中，實驗組最大值達到了2.40 kW，與對照組最大值4.20 kW相比，下降了1.8 kW，且實驗組均值水平也相對較低；當τ指標取值為500 N時，實驗組、對照組供應電能消耗量(P)均呈現(xiàn)出不斷增大的數(shù)值變化趨勢，實驗組最大值1.57 kW，與對照組最大值1.71 kW相比，下降了0.14 kW。

表1 單位時間內(nèi)的供應電能消耗量

綜上可知，在基于分段PWM占空比輸出型應用系統(tǒng)的作用下，當電動汽車負載量等于300 N與500 N時，電量響應速率指標的數(shù)值水平均會出現(xiàn)明顯增大的數(shù)值變化趨勢，此時若電量負載系數(shù)取值保持不變，則能夠降低執(zhí)行電動機控制指令所需的電能消耗量，能夠有效提升電動汽車的電能利用率。

4 結(jié)束語

與基于Quasi-Z源間接矩陣變換器控制系統(tǒng)相比，新型電動汽車電動機控制系統(tǒng)通過計算分段PWM占空比輸出系數(shù)的方式，確定功率變換器、DSP控制板、軟啟動模塊、主電路體系、應用電阻電容等多個硬件設備結(jié)構(gòu)的連接形式，又根據(jù)開關(guān)磁阻電機數(shù)學模型，完成對分段區(qū)間的按需規(guī)劃，從而實現(xiàn)對電量脈沖行為的準確分析。從實用性的角度來看，在這種新型應用系統(tǒng)的作用下，電動汽車電動機的電能消耗量能夠得到有效控制，這對于供應電能的節(jié)約與高效利用能夠起到較強的促進性影響作用。