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基于F2407aDSP的全數字混合動力電動汽車驅動系統的設計

關鍵字: 混合動力電動汽車、驅動、 F2407A 、 bsm300gb600dlc 、 TX-KA101 、 bldcm

1 引言
隨著城市環境污染問題的日益嚴重,汽車尾氣的控制越來越受到人們的重視,很多國家都開展了電動汽車的研究。但是電動汽車存在續駛里程短、動力性能差等弱點,加之成本太高,目前還無法大批量投入市場。為了兼顧傳統燃油汽車和電動汽車的優點,國內外都開始進行混合動力汽車的研究?;旌隙Φ綞凳悄殼敖餼齙團歐?、大幅度地降低污染最有效最現實的一種環保交通工具,它不僅具有續駛里程長的優點,還能發揮出更好的動力性能?;旌隙Φ綞低庇滌械緇湍諶薊?,對電機驅動系統不僅要求具有較高的重量比功率,而且既能作電動機運行,還能作發電機運行。
本文所介紹的混合動力系統采用 tms320lf2407a dsp 芯片構成主控制器,同時選用 infineon 公司的 bsm300gb600dlc igbt ??樽魑β勢骷?,選用北京落木源公司的 TX-KA101 作為 IGBT 驅動芯片。實現了基于無刷直流電機 (brushless dc motor, bldcm) 的控制系統。實驗結果表明,該系統設計合理,性能可靠。

2 bldcm 的控制原理
bldcm 轉子采用永磁體激磁,功率密度高,控制簡單,調速性能好,既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等特點,又具備直流電機的運行效率高、無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點,故廣泛應用于車輛驅動,家用電器等方面。
如圖 1 所示,通常的無刷直流電機具有 120 °的反電動勢波形,在每相反電動勢的最大處通入電流,就能產生恒定的電磁轉矩,其轉矩表達式如下式。

圖 1 三相反電勢和電流波形

(1)

其中 td 是電機的電磁轉矩, ea 、 eb 、 ec 分別是每相的反電動勢, ia 、 ib 、 ic 分別是每相的電流值,ω是電機的角速度。因此,當電機反電動勢純梯形分布時,其力矩與電流的大小成正比。但是,通常情況下電機的反電動勢不是純梯形分布,另外,由于電機繞組電感的存在使得電流在換相時存在脈動,從而造成較大的轉矩脈動。已有大量的文獻對 bldcm 的換相轉矩脈動抑制進行了討論。 bldcm 調速中另一個必須知道的是電機轉子軸位置,一般通過檢測電機的霍爾信號來獲得,并以此進行電機的換相控制。

3 主電路以及控制策略

圖 2 驅動系統主電路
圖 2 是整個系統的主電路圖,本系統中, bldcm 的驅動采用了 buck + full_bridge 的電路結構。與常規三相橋的驅動方式不同,通過控制 buck 電路的輸出電流,即電感 l1 上的電流來使 bldcm 獲得近乎直流的電流,以此來獲得盡可能好的力矩控制效果。圖 3(a) 、 (b) 、 (c) 分別是電感 l1 ,電容 c0 以及電機母線端電流波形。
下面來分析該電路的工作原理。
(1) 正向電動模式
此時 t1 工作于開關狀態, t2 不導通, d2 作為 buck 電路的二極管。通過控制電感 l1 上的電流和電容 c0 上的電壓可以實現電路的恒流、恒壓控制。此時,后端的 full_bridge 電路根據電機的三相霍爾信號進行換相控制,其開關工作在低頻條件下。通過對電感 l1 電流的控制可以減少電機啟動時的沖擊電流,減少啟動轉矩的脈動。

圖 3 恒流控制下各元件電流波形
(2) 反向充電模式
當整個系統的內燃機開始工作后,后端 bldcm 處于發電狀態。此時 t2 工作于開關狀態, t1 不導通, d1 作為 boost 電路的二極管工作。通過控制 boost 電路的輸出電壓和電感 l1 上的電流可以使電路工作于恒壓、恒流等模式,從而實現對蓄電池的恒壓限流、恒流和浮充三段式充電方式。此時后端的三相橋電路工作于不控整流狀態下。
(3) 制動模式
當車輛需要停止或剎車時,通過反向對蓄電池充電來進行制動,其工作方式與反向充電模式類似。此時電機內相反電動勢與相電流反相位,其電磁轉矩起制動作用,從而可以使電機很快的停下來。

4 系統軟硬件設計
4.1 軟件設計
f2407a 控制程序由 3 個部分組成 : 主程序的初始化、 pwm 定時中斷程序和 dsp 與周邊資源的數據交換程序。
(1) 主程序
主程序先完成系統的初始化、 i/o 口控制信號管理、 dsp 內各個控制??榧拇嫫韉納柚玫?,然后進入循環程序,并在這里完成系統參數的保存。
(2) pwm 定時中斷程序
pwm 定時中斷程序是整個控制程序的核心內容,在這里實現電流環、速度環采樣控制以及 bldcm 的換相控制、 pwm 信號生成、電感連續、斷續控制,工作模式的選擇,軟件過流、過壓的?;?,以及與上位控制器的通訊等。中斷控制程序周期為 50 μ s ,即 igbt 開關頻率為 20khz 。其中每個開關周期完成電流環的采樣和開關信號的輸出,每 20 個開關周期完成一次速度環控制。 pwm 控制信號采用規則采樣 pwm 調制方法生成。
(3) 數據交換程序
數據交換程序主要包括與上位機的通訊程序、 eeprom 中參數的存儲。其中通訊可以采用 rs-232 或 can 總線接口,根據特定的通訊協議接受上位機的指令,并根據要求傳送參數。 eeprom 的數據交換通過 dsp 的 spi 口完成。
4.2 硬件設計
(1) dsp 以及周邊資源
整個系統的控制電路由 f2407a+gal 組成。其中 gal 主要用于系統 io 空間的選通信號以及開關驅動信號的輸出控制等。 f2407a 作為控制核心,接受上位機信息后判斷系統的工作模式,并轉換成 igbt 的開關信號輸出,該信號經隔離電路后直接驅動 igbt ??楦緇┑?。另外 eeprom 用于參數的保存和用戶信息的存儲。
(2) 功率電路
系統的功率器件選用了 infineon 公司 bsm300 gb600dlc igbt ???,其內部集成 2 個 igbt 開關管,耐壓 600v ,耐流 300a 。驅動選用北京落木源公司的 TX-KA101 igbt 驅動芯片,內含三段式的過流?;さ緶?。系統的輔助電源采用反激式開關電源,主要供電包括系統所有開關管的驅動電源, f2407a 和 gal 以及其他控制芯片的電源和采樣 lem 以及三相霍爾的工作電源。
(3) 采樣電路
本系統需要采樣電感 l1 上的電流,另外需要對蓄電池電壓和電機端輸入電壓進行采樣,從而完成電路的恒流、恒壓等控制功能。采樣電路采用霍爾傳感器并經模擬電路處理在 0~3.3v 的電壓范圍內,再送入 f2407a 的 ad 采樣口。
(4) 轉子位置檢測電路
電機位置反饋采用雙極性鎖存型霍爾元件,在電機的每相繞組處都安放一個元件?;舳藕鷗蕕緇喲偶募岳床講ㄐ藕??;舳卜諾奈恢猛ǔS?60 °和 120 °之分。 f2407a 通過判斷方波信號跳變的極性來獲取換相信息,同時記錄方波脈沖的個數來計算電機的轉速,從而實現電機速度的閉環控制。
(5) ?;さ緶?
系統的?;し治磧布;?,由于硬件?;に俁冉峽?,通常用于驅動信號的直接封鎖。從?;さ燃獨捶?,可以分系統級?;ず頹侗;?,其中,驅動級?;な峭ü?igbt 驅動芯片 TX-KA101 特有的?;すδ芾詞迪值?。系統級?;ぐǹ刂破韉墓?、過壓、欠壓,過溫以及霍爾元件故障等?;?。

5 實驗結果
實驗中采用了寧波欣達集團樂邦電機廠的 bldcm ,其額定功率為 50kw ,最大功率 100kw ,額定轉矩 212n · m ,額定轉速 2300r/min ,額定電流 214a 。額定電壓 336v ,通過蓄電池組供電。整個驅動系統采用 f2407a dsp 芯片控制,其開關頻率為 20khz, 電感 l1=75 μ h ,電容 c0=100 μ f 。功率??檠∮?infineon 公司的 bsm300gb600dlc 低損耗 igbt ???,其內部是一個半橋電路,具有低引線電感的封裝結構。系統散熱采用水冷。圖 4 是正向電動時電感 l1 上的電流,此時電流連續,圖 5 是電流連續時二極管 d2 兩端的電壓波形,可以看出幾乎沒有尖峰電壓。圖 6 是電感電流不連續時的波形,圖 7 是電流斷續時二極管 d2 兩端電壓波形。圖 8 是電機輕載時的相電流波形,其電流較為平穩。圖 9 ,圖 10 分別是 igbt 在導通和關斷時的電壓波形,其開關時間都在 100ns 左右,且關斷時沒有尖峰電壓。

圖 4 正向放電電流連續波形

圖 5 電流連續時二極管電壓結論

圖 6 正向放電電流斷續波形

圖 7 電流斷續時二極管電壓

圖 8 電機相電流波形

圖 9 igbt 導通時的電壓波形

圖 10 igbt 關斷時的電壓波形

6 結束語
本系統控制上采用 dsp 的數字結構,電路設計簡單,緊湊,滿足了大功率 bldcm 的實時控制要求。同時全數字化的控制,使系統在控制精度、功能和抗干擾能力上都有了很大程度的提高。整個系統不僅具有正向電動的功能,同時具有反向充電和制動功能。實驗結果表明該系統設計合理,適應混合動力電動汽車的應用要求。

 

關于

落木源電子——IGBT驅動領域專家,是全國第一家專注于IGBT驅動??檠蟹⑸某?,依托高校及研究院所,技術力量雄厚,擁有多項專利,現有各類驅動器產品六十余種。經過數年發展,落木源已成為IGBT驅動領域知名品牌,多款出口型號得到廣泛應用,是 IGBT 驅動??櫓叛〗餼齜槳腹┯ι?。

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