论文部分内容阅读
摘 要：随着近些年来，井下深部开采延伸到1000米以下，通风条件越来越差，电动车凭借着自身的巨大优势，获得了越来越多矿山工作者的喜爱。其自身较为便捷的操作特性，使其在多个场景下都能被灵活使用。随着现代技术的不断发展，电控系统产品也将迎来新的基数变革时期，其产品性能将会变得越来越稳定，功能性和复杂环境下的适应性将会变得越来越强。通过计算机控制技术和电力电子技术在内的多种技术综合运用，设计一款大功率井下电动车用他励牵引控制器，是本课题的主要研究内容。
关键词：牵引控制器;模糊控制;电动车;DSP
1电动车控制器新技术的应用
现代化电控技术有着非常明显的技术特点，无论是其灵敏度还是自我故障分析功能都可以在显示面板上进行准确显示。其强大的储存功能可以对每次的故障原因和发生时间进行精准记录，并供人们进行查阅和分析。除此之外，还可以对包括输入电源、电量剩余、电机电压等一系列重要参数进行精准显示，确保机器自身的状态是否稳定。触点无弧断开，斩波器内部有接触器线圈放电回路，高频使电机和电瓶的效率提高，对最大速度有优先考虑。
其中再生制动技术的应用领域十分宽广，根据加速踏板和刹车踏板的实际状态，牵引电机可在电机和发电机之间进行自由切换，实现能量的及时充能，避免资源的浪费。这种制动方式可以有效缩短充电时间，进一步减少因为制动带来的经济损耗，使得使用成本能够有所控制。
2电机调速控制装置
电机系统是电动汽车的重要核心系统组成部分，也是与内燃机存在明显不同的重要特征。对于以内燃机为动力构成的汽车来说，速度的控制主要和离合器有着密切的关联，主要以机械手段完成。电动汽车在这一方面的要求相对较高，因为其只能通过加速器和方向开关能够做到实际操控，对控制系统的要求也就更高。
早期的电动车上，直流电动机的调速采用串联电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。最初电动车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过对电压的灵活调整实现电动机的速度切换。而随着电子技术的持续进步，调速装置也变的越来越多，过于传统的调速控制装置已经不再被使用。
3硬件总体设计
3.1存储模块
存储模块用来存储控制器的型号、编程参数以及历史故障等信息;通信接口用于与其配套的编程器连接，通过编程器来设定电动车的工作性能.（如最大速度）、查看工作状态（如控制器内部温度，PWM占空比）以及查看控制器的故障历史等;状态显示模块告诉操纵者控制器是否正常工作以及发生了何种故障;2个PWM模块分别控制电机励磁电流和电枢电流并可以独立调节，实现对速度和负载的要求，脉宽调制波经电机驱动模块即功率MOSFET放大后给电枢和励磁提供电流;电枢和励磁电流检测用于实现电流调节及过流保护功能;温度检测和电压检测（包括电池电压和加在电机两端的电压）主要用于对控制器及电机的保护，保证欠温、高温自动减流，过压、欠压自动保护，提高行驶的安全性，延长控制器及电机的使用寿命。
3.2 CPU模块
根据控制方案的分析及车辆驾驶的需要，本控制器的CPU需要有较强的计算能力和事件处理能力，以及两路PWM输出，6个模拟输入通道，14路数字输出，10路数字输入，另外还需要SCI模块和SPI模块。因此该控制器的中央处理器采用了TI公司的定点DSP TMS320LF2407A芯片，这是一款性价比较高的芯片。
TMS320LF2407A是定点DSP C2000平台系列中的一员，专门为电机控制与运动控制而设计。其最大工作频率为40MHz，片上集成了32KX16的Flash存储器，2KX16的单口RAM，544X16的双口RAM，以及大量的片上外设，具有较强的计算能力和丰富的外设资源，足以满足大计算量的控制任务需要。
3.3电源模块
该控制器的供电电源为24V的蓄电池，系统需要的工作电压从大到小有15V（模拟部分）、5V（TTL）、3.3V（DSP），所以要经过多级转换。
从蓄电池过来的24V电压首先经过达林顿功率管TIP112和稳压管1N4745将电压稳到15V左右，然后经LM7805转换成5V电压，最后经过带集成延时复位功能的低压差稳压器TPS7301Q得到DSP使用的3.3V电源。
4基于模糊控制的软件设计
4.1主程序设计
主体软件是整个控制器软件的框架，它从结构上安排控制器的功能任务，对控制器任务要求的实现至关重要。DSP复位后经初始化和内存检查后，开始系统的初始化，包括I0口和各个控制模块的初始化，并对对各个控制寄存器置初值，对运算过程中使用的各个变量分配地址，并设置相应的初值。
其中，电机调速模块（包括电枢调整、励磁调整）以及车辆状态转换模块是系统最主要的两个模块，控制器的主要功能都在其中实现。
4.2中断服务程序
中断模块是程序中最重要的部分，处理实时性要求较高的事件。中断服务程序有定时器中断、串口收发中断和过电流中断。中断模块中的定时器中断服务子程序用来做-些需要定时完成的任务，如于模拟通道采样，开关采样，故障显示等。另外，定时器中断还用于各个任务处理的计时作用，用以判断任务处理是否超时以便及时报错。
4.3电机调速策略研究
在车辆驾驶过程中，道路上的交通情况和驾驶员的目的性是无法定量描述的，驾驶员通过观察后做出判断，然后再操纵“加速器踏板”和“方向开关”来驾驶车辆。因而，这两个输入信号就是驾驶员的决策。在控制中如实地反映出驾驶员的意图，将相应的控制指令传送给车辆是正确进行车辆驾驶的先决条件。
传统的控制算法几乎无法对人的思维及决策进行判断。智能控制为仿人控制提供了可能，特别是模糊控制是能够利用专家经验的控制。驾驶员对车辆的驾驶及其想要实施的操作，可以提供用语言描述的信息，并将其具体化在两个指令踏板上。在这种情况下，采用模糊控制器是最为适合的。
4.4励磁调整策略
通过调节励磁电流的方向和大小，辅助电枢电流，实现系统的换向，制动，超速限制，负载补偿等功能。系统在以下三种情况下需要励磁调整：
4.4.1调速
在电枢电流-定的情况下，在最小和最大励磁电流之间，增大励磁电流会减小电机转速，相反减小励磁电流可以增大电机转速。
4.4.2换向
在系统有换向请求时，改变励磁电流的极性，获得反向转矩。
4.4.3调转矩
当负载变化时，需要电机输出新的转矩，用于当车辆负载变化时，保持车辆恒定的行驶速度。增大励磁电流可以增加电机输出转矩，相反减小励磁电流可以减少电机输出转矩。在直流电机的控制中，励磁对电机和控制器以及人身安全起着至关重要的作用。
4.5下坡能量回收
主要是采用复合制动方式来实现下坡能量的回收，这种制动方式在制动踏板踩下时电制动力会发生变化，在某些情况下可以完全靠电制动。但是，这种构型对ESP要求较高，且需要考虑更多的功能安全问题，比如由于某种原因电制动失效后如何保持制動力，以及电制动和机械制动之间的协调。
参考文献：
[1]徐新国，陈军峰.电动车无刷直流电机控制器系统研究[J].电子世界，2016（10）：85.
[2]崔幸.电动汽车驱动电机控制系统制作实训台方案的实施[J].中国新技术新产品，2015（24）：68.
（招远旭日矿山机械有限公司，山东 烟台 265400）
关键词：牵引控制器;模糊控制;电动车;DSP
1电动车控制器新技术的应用
现代化电控技术有着非常明显的技术特点，无论是其灵敏度还是自我故障分析功能都可以在显示面板上进行准确显示。其强大的储存功能可以对每次的故障原因和发生时间进行精准记录，并供人们进行查阅和分析。除此之外，还可以对包括输入电源、电量剩余、电机电压等一系列重要参数进行精准显示，确保机器自身的状态是否稳定。触点无弧断开，斩波器内部有接触器线圈放电回路，高频使电机和电瓶的效率提高，对最大速度有优先考虑。
其中再生制动技术的应用领域十分宽广，根据加速踏板和刹车踏板的实际状态，牵引电机可在电机和发电机之间进行自由切换，实现能量的及时充能，避免资源的浪费。这种制动方式可以有效缩短充电时间，进一步减少因为制动带来的经济损耗，使得使用成本能够有所控制。
2电机调速控制装置
电机系统是电动汽车的重要核心系统组成部分，也是与内燃机存在明显不同的重要特征。对于以内燃机为动力构成的汽车来说，速度的控制主要和离合器有着密切的关联，主要以机械手段完成。电动汽车在这一方面的要求相对较高，因为其只能通过加速器和方向开关能够做到实际操控，对控制系统的要求也就更高。
早期的电动车上，直流电动机的调速采用串联电阻或改变电动机磁场线圈的匝数来实现。因其调速是有级的，且会产生附加的能量消耗或使用电动机的结构复杂，现在已很少采用。最初电动车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速，通过对电压的灵活调整实现电动机的速度切换。而随着电子技术的持续进步，调速装置也变的越来越多，过于传统的调速控制装置已经不再被使用。
3硬件总体设计
3.1存储模块
存储模块用来存储控制器的型号、编程参数以及历史故障等信息;通信接口用于与其配套的编程器连接，通过编程器来设定电动车的工作性能.（如最大速度）、查看工作状态（如控制器内部温度，PWM占空比）以及查看控制器的故障历史等;状态显示模块告诉操纵者控制器是否正常工作以及发生了何种故障;2个PWM模块分别控制电机励磁电流和电枢电流并可以独立调节，实现对速度和负载的要求，脉宽调制波经电机驱动模块即功率MOSFET放大后给电枢和励磁提供电流;电枢和励磁电流检测用于实现电流调节及过流保护功能;温度检测和电压检测（包括电池电压和加在电机两端的电压）主要用于对控制器及电机的保护，保证欠温、高温自动减流，过压、欠压自动保护，提高行驶的安全性，延长控制器及电机的使用寿命。
3.2 CPU模块
根据控制方案的分析及车辆驾驶的需要，本控制器的CPU需要有较强的计算能力和事件处理能力，以及两路PWM输出，6个模拟输入通道，14路数字输出，10路数字输入，另外还需要SCI模块和SPI模块。因此该控制器的中央处理器采用了TI公司的定点DSP TMS320LF2407A芯片，这是一款性价比较高的芯片。
TMS320LF2407A是定点DSP C2000平台系列中的一员，专门为电机控制与运动控制而设计。其最大工作频率为40MHz，片上集成了32KX16的Flash存储器，2KX16的单口RAM，544X16的双口RAM，以及大量的片上外设，具有较强的计算能力和丰富的外设资源，足以满足大计算量的控制任务需要。
3.3电源模块
该控制器的供电电源为24V的蓄电池，系统需要的工作电压从大到小有15V（模拟部分）、5V（TTL）、3.3V（DSP），所以要经过多级转换。
从蓄电池过来的24V电压首先经过达林顿功率管TIP112和稳压管1N4745将电压稳到15V左右，然后经LM7805转换成5V电压，最后经过带集成延时复位功能的低压差稳压器TPS7301Q得到DSP使用的3.3V电源。
4基于模糊控制的软件设计
4.1主程序设计
主体软件是整个控制器软件的框架，它从结构上安排控制器的功能任务，对控制器任务要求的实现至关重要。DSP复位后经初始化和内存检查后，开始系统的初始化，包括I0口和各个控制模块的初始化，并对对各个控制寄存器置初值，对运算过程中使用的各个变量分配地址，并设置相应的初值。
其中，电机调速模块（包括电枢调整、励磁调整）以及车辆状态转换模块是系统最主要的两个模块，控制器的主要功能都在其中实现。
4.2中断服务程序
中断模块是程序中最重要的部分，处理实时性要求较高的事件。中断服务程序有定时器中断、串口收发中断和过电流中断。中断模块中的定时器中断服务子程序用来做-些需要定时完成的任务，如于模拟通道采样，开关采样，故障显示等。另外，定时器中断还用于各个任务处理的计时作用，用以判断任务处理是否超时以便及时报错。
4.3电机调速策略研究
在车辆驾驶过程中，道路上的交通情况和驾驶员的目的性是无法定量描述的，驾驶员通过观察后做出判断，然后再操纵“加速器踏板”和“方向开关”来驾驶车辆。因而，这两个输入信号就是驾驶员的决策。在控制中如实地反映出驾驶员的意图，将相应的控制指令传送给车辆是正确进行车辆驾驶的先决条件。
传统的控制算法几乎无法对人的思维及决策进行判断。智能控制为仿人控制提供了可能，特别是模糊控制是能够利用专家经验的控制。驾驶员对车辆的驾驶及其想要实施的操作，可以提供用语言描述的信息，并将其具体化在两个指令踏板上。在这种情况下，采用模糊控制器是最为适合的。
4.4励磁调整策略
通过调节励磁电流的方向和大小，辅助电枢电流，实现系统的换向，制动，超速限制，负载补偿等功能。系统在以下三种情况下需要励磁调整：
4.4.1调速
在电枢电流-定的情况下，在最小和最大励磁电流之间，增大励磁电流会减小电机转速，相反减小励磁电流可以增大电机转速。
4.4.2换向
在系统有换向请求时，改变励磁电流的极性，获得反向转矩。
4.4.3调转矩
当负载变化时，需要电机输出新的转矩，用于当车辆负载变化时，保持车辆恒定的行驶速度。增大励磁电流可以增加电机输出转矩，相反减小励磁电流可以减少电机输出转矩。在直流电机的控制中，励磁对电机和控制器以及人身安全起着至关重要的作用。
4.5下坡能量回收
主要是采用复合制动方式来实现下坡能量的回收，这种制动方式在制动踏板踩下时电制动力会发生变化，在某些情况下可以完全靠电制动。但是，这种构型对ESP要求较高，且需要考虑更多的功能安全问题，比如由于某种原因电制动失效后如何保持制動力，以及电制动和机械制动之间的协调。
参考文献：
[1]徐新国，陈军峰.电动车无刷直流电机控制器系统研究[J].电子世界，2016（10）：85.
[2]崔幸.电动汽车驱动电机控制系统制作实训台方案的实施[J].中国新技术新产品，2015（24）：68.
（招远旭日矿山机械有限公司，山东 烟台 265400）