沈阳工业大学专业学位研究生专业实践报告书

沈阳工业大学专业学位研究生

专业实践报告书

学生姓名 学 号 领域名称 电气工程 校内导师 企业导师

研究方向 实践基地名称 实践起止时间 2016年9月到2016年12月 实践报告题目 电动汽车用永磁同步电机控制系统的实现 报告正文（见附页） 企业导师评语及成绩评定 成绩评定： 企业导师签名： 年 月 日 校内导师评语及成绩评定 成绩评定： 校内导师签名： 年 月 日 专业实践 综合成绩 一、实习目的与任务

1.通过实习，亲身感受实践与理论知识的异同，思考并探索理论与实际结合点，不断探索、不断创新，并最终将实践进一步升华成理论，做到理论指导实践，实践充实理论。

2.通过实习，全面认知将来所从事行业、岗位需要具备什么才能，什么养的职业岗位符合自己的兴趣。如果符合，自己将从哪几方面努力；如不符合，分析原因，是否可以通过实践改变，慢慢培养兴趣，如实在失之甚远，可以通过此次实践收获其他方面的所得。

3.通过实训，提高解决问题的能力，较全面、综合地了解企业的生产过程和关键技术；了解企业生产的设备和产品等相关知识；了解企业文化，培养独立办事和团体协作的能力，做到二者的辩证统一，以便适应今后工作的需要。

4.通过实践，对电机控制系统及核心控制算法有一个全新的认识，为以后的研究学习工作打下良好的基础系统的学习了专业知识，同时也对新能源及汽车行业也有了更为全面的认识，对我以后职业发展道路有很大的帮助，科研水平和实践能力都有了很大的进步。

5.积累一定的工作经验和社会经验，在职业道德、职业素质、劳动观念、工作能力等方面都要有明显的提高，逐步掌握从学生到员工的角色转换，为毕业后的就业打下良好的基础，提高就业竞争力。

二、实习主要内容

据统计报道分析，到2030年，全球汽车总量将达到20亿辆，甚至更多。汽车工业的飞速发展使得全球汽车总量迅速增长，如此庞大的汽车数量，大气的自净化能力已经不能完全化解汽车排放的尾气毒素，导致全球环境污染趋于更加严重化，因此，减少化石能源污染，遏制二氧化碳过度排放，缓解气候变暖，营造一个低碳、环保、舒适的生存环境将是整个人类社会未来20年甚至是长期努力的方向，寻求一种可持续发展的绿色交通工具成为了当前迫在眉睫的任务。新能源汽车按照动力能源可以分为：混合动力电动汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）、纯电动汽车（BEV）。混合动力电动汽车采用的是电机和燃油内燃机共同驱动的方式，虽然运行效率比传统汽车高，但没有真正实现零排放，而且其成本价格较高、维护复杂；燃料电池电动汽车基本可以实现零排放，但其燃料电

池的生命周期短，氢气燃料的制造、输送安全等问题都限制了该种电动汽车的产业化进程；纯电动汽车具有高的能量转换率和运行效率，不仅清洁无污染、低噪声，而且结构简单、易于维护，是未来近几十年内最具发展潜力的汽车之一。电动汽车的关键问题是一次充电续驶里程，目前在车载蓄电池技术未能突破的条件下，电动汽车的驱动控制系统是实现电动汽车基本性能和解决这一关键问题的重要因素。这要求电动汽车驱动系统应具有尽可能高的转矩密度、良好的转矩控制能力、较高的运行可靠性及在整个电动汽车调速范围内具有尽可能高的效率。对于电机驱动控制器来说，三个汽车动力性能标准的关键技术就是如何有效地实现低速大转矩和高速弱磁功能，而且保证电动汽车的稳定可靠运行的前提是要设计尽可能全面的故障保护策略。因此，开发具有全面保护功能的电机驱动控制器有很重要的工程实践和指导意义。

目前，国外对电动汽车整车控制器的研究经验积累充足，在技术方面较为成熟，产品性能稳定性好。如美国雪佛兰、通用、福特及ZAP Electric Vehicles 汽车公司；日本的丰田、本田、日立、三菱及日产汽车公司；德国的戴姆勒—奔驰、RWE 能源及宝马汽车公司；法国的雷诺、标致、雪铁龙汽车公司；意大利的菲亚特公司；挪威的Think Global 等，在研制电动汽车的技术上，处于世界领先水平。国内的奇瑞汽车公司、比亚迪股份有限公司、湖南南车时代电动汽车股份有限公司、中国汽车工程研究院股份有限公司、众泰股份有限公司及中国科学院深圳先进技术研究院、中科清华电动汽车研究院、北京理工大学、天津大学等在电动汽车研制方面取得了一定成就，已经应用到样车及小批量产品上。 就纯电动汽车而言，国外在四轮驱动等结构复杂的纯电动汽车中用整车控制器，对于单台电动机驱动的纯电动汽车，通常用电动机的驱动控制器代替整车控制器来控制电动汽车。。我国在《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》中明确规定了电驱系统的主要技术指标如表2.1所示。

表2.1 电驱动系统的主要技术指标

指标

电机功率密度kw/kg 控制器功率密度kw/kg 驱动系统效率

轿车

商用车 1.8 4.0

最高效率93% 效率80%的区域不低

65%

2.4 4.0

最高效率94% 效率80%的区域不低于

70%

在变频器驱动的车用永磁同步电动机系统中，蓄电池供给电动机的端电压值

有限，在基速以上需要减弱磁场才能增速，因不可能直接减弱永磁体产生的转子磁场，所以利用直轴电枢反应来减弱电动机的气隙磁场，基于以上的基本思想，目前，国内外学者提出的弱磁控制实现方案主要有以下几种：（1）六步电压法；（2）电流调节器法；（3）自适应弱磁算法；（4）直接转矩弱磁算法；（5）改进电动机结构各种弱磁控制方法，主要解决的问题如下：避免电流调节器在任何工况下饱和；电动机能否实现工作模式间的平滑、稳定过渡；对逆变器直流侧电压的最大利用情况；控制方法是否受电动机参数的影响；高速时dq轴参量交叉耦合；针对这些问题，如何在实际系统中更好的解决永磁同步电动机的弱磁问题，还需要进一步深入的分析和研究。

在未知转子初始位置的情况下，直接启动永磁同步电机有可能会出现不期望的现象，使电机运转紊乱，无法完成电机控制的其它一系列算法，因此必须知道转子在任意时刻的确定位置。目前，在工程中，用旋转变压器法进行初始位置检测，可靠性得到很大提高，可以抵抗恶劣环境，在高速下，并能将位置信号以绝对值信号输出，但是在永磁同步电机应用中，工装方法效率低，精度不高。

2.1 永磁同步电机弱磁控制策略分析

基于永磁同步电动机频域模型，通过积分调节器，让电压指令跟电压限制值同时控制励磁电流id，在电压饱和的状态下，仍然可以提高电机的运行速度，这种方法可以直接改变励磁电流id，整定目标直观明确，参数物理意义明确，结合工程实践，控制过程简单，成本低，易实现，同时可以解决电机弱磁运行时，随负载增大易产生的速度响应动态过程电流震荡，速度稳态误差和稳态时速度波动变大的问题。现分析如下： 2.1.1 弱磁积分调节器的设计

当加在电机上的电压限制到最大值，即电压达到饱和状态，让电压指令和输出电压限制值同时控制励磁电流id，提高电机的运行速度。弱磁控制系统框图如图2.1所示。受逆变器输出电压的限制，永磁同步电机稳定运行时，电压矢量幅值为：

VmVdVqVlim （2.1）

2222在不计铁心饱和及铁耗、三相电流对称、转子无阻尼绕组时，高速运行时忽

略电阻压降，可得到dq坐标系下永磁同步电机的电压方程：

Vdw1Lqiq （2.2）

Vqw1(Ldidf) （2.3）

基于式（2.2）和式（2.3）构成的弱磁控制系统框图，如图2.2所示。电机输出电压限制值Vm_limit与电机实际输出电压Vm之差经过积分调节器，结果作为输出的弱磁电流指令Id参考电压方程，乘以w1Lq，再加上反电动势的和即为q轴电压Vq。

积分调节器输出电压限制值Vm_limit+-KIFWS励磁电流指令Id电压指令Vm

图2.1 弱磁控制系统框图

积分调节器输出电压限制值fw1IdVm_limit+-KIFWSLdw1++VqVmVqVm

图2.2 弱磁控制系统框图

积分调节器Vm_limit+-WBFWSVm

图2.3 弱磁控制系统传递函数框图

基于图2.2，将从Vm_limit到Vm的整体视为传递函数G(S)，如图2.3所示，得到：

KI-FWV(Ldw1)(m)SVqG(S)KI-FWVm1(Ldw1)()1SVq1SKIFW(Ldw1)(Vm)Vq （2.4）

如果希望的传递函数为：

G(S)11SWBFW （2.5）

比较式（2.4）与式（2.5），定义频：

WB-FWKIFW(Ldw1)(Vm)Vq （2.6）

综上可知，积分增益KI-FW为：

KI-FWWBFW(Ldw1)(Vm)VqVq1WBFWLdw1Vm （2.7）

2.1.2 弱磁控制程序设计原理

基于式（2.7），在电机弱磁运行时，根据电机参数，改变速度w1和频带WB-FW，可以更新弱磁积分增益，通过偏差计算，可以改变输出弱磁控制电流Id。弱磁控制系统原理框图如图2.4所示。根据弱磁控制系统的原理图，进行建模仿真，电机各项参数给定，设置参数，可得到转矩，转速，dq轴电流和电压，功率的波形，得到预期的结果。

Umax+积分调节器-uduq22Teid电流分配iqUdcidnnPITe++PIudu-+-PIuqPark逆变换uSVPWM三相逆变桥idiPark变换iaClark变换iqiicPMSM位置速度反馈信号图2.4 弱磁控制系统原理图

2.2 永磁同步电机转子初始位置的精确检测

在实习过程中，提出了一种转子初始位置的精确检测方法，此方法能运行在更高的转速下，并能将位置信号以绝对值信号输出，成本低，可靠性高，抗干扰能力强，可以提高初始位置检测的精度，克服了传统初始位置检测效率低，精度不足的问题。现分析如下：

2.2.1 四步对称法检测转子初始位置

在静止的正交-坐标系下，如图2.5所示，电机转子初始位置检测旋转变换矢量图。对轴和轴方向进行电流控制：第一次给定轴正向电流进行控制，电流矢量持续时间为T1，电机旋转至0度或者180度的位置；然后给定轴正向电流进行控制，电流矢量持续时间为T2，电机沿着①方向转动（对应0度）或者①’方向旋转（对应180度）；第二次给定轴正向电流进行控制，电流矢量持续时间为T3，电机沿着②方向转动，旋变A相电流矢量和转子磁链矢量f的夹角为1，即对应于采用轴正向电流矢量获得的趋向轴的转子初始位置；然后给定轴负向电流进行控制，电流矢量持续时间为T4，电机沿着③方向移动；第三次给定轴正向电流进行控制，电流矢量持续时间为T5，电机沿着④方向

，f转动，旋变A相电流矢量和转子磁链矢量的夹角为2，即对应于采用轴负

向电流矢量获得的趋向轴的转子初始位置；最后对这两个位置进行数学处理并取平均值，从而完成一次转子初始位置的自动检测。

211f1'f234f'

-图2.5 检测转子初始位置旋转变换矢量图

2.2.2 初始位置软件设计原理

在初始位置检测过程中，采用时间基值来判断不同矢量给定。当T < T1 时，第一次给定轴正方向电流，使转子磁链转向轴正方向；当T < T1+T2 时，给定轴正方向电流，使转子磁链转向轴正方向；当T < T1+T2+T3 时，第二次给定轴正方向电流，使转子磁链转向轴正方向，此时读取转子位置绝对值Resolver_Temp1；当T < T1+T2+T3+T4时，给定轴负方向电流，使转子磁链转

向轴负方向；当T < T1+T2+T3+T4+T5时，第三次给定轴正方向电流，使转子磁链转向轴正方向，此时读取转子位置绝对值Resolver_Temp2；分别对读取的结果Resolver_Temp1和 Resolver_Temp2进行处理，并将处理后的结果取平均值，最后得到电机转子始位置。

2.3 实验验证

电机控制系统对微处理器的要求很高，需要主控芯片具有超强的实时处理功能和数字信号处理功能，同时要有强大的计算能力和多用的外设功能，TC1782 芯片属于TriCore系列汽车级芯片，具有功耗低、速度快、性价比高等特点。它的精简指令集计算（RISC）处理器架构以较低的系统成本实现了高计算带宽；数字信号处理（DSP）操作和寻址模式提供了强大的计算能力，能有效分析真实世界中的各种复杂信号；片上存储器和外设的优化设计科支持要求极其苛刻的高带宽实时嵌入式系统的各种任务，因此，选用了英飞凌公司的32位高性能微处理芯片TC1782 。

本次实习中，通过搭建了电动汽车实验平台，对系统控制算法进行编程与调试。主控芯片为英飞凌公司的32位高性能微处理器TriCore1782，使用了ADC模块、中断处理、PWM 调制、CAN通讯等片内外设模块，基于Tasking编程环境，通过德国PLS公司的在线调试UDE仿真器进行实验调试和数据监测，观察实验现象。最后电机驱动控制器装车进行了电动汽车悬架和路面实验。 2.3.1 软件程序架构设计

控制器软件程序架构采用分层结构域模块化的设计思路，根据结构可以分为底层驱动部分、中间层部分和应用层部分。底层驱动部分主要为系统与硬件资源相关配置；中间层部分是一些基本的库函数，包括正余弦查表、坐标变换、数据标定等；应用层部分主要包括整车控制单元、故障检测单元和电机控制单元，通过逻辑控制算法的编写实现整个电动汽车系统的功能。如图2.6所示为Tasking 编程环境界面，代码使用C语言进行编写，实现以下目标:（1）系统初始化配置；（2）系统输入值的更新与检测；（3）系统故障的响应动作及故障存储；（4）系统双闭环电机控制算法；（5）系统与整车控制器的实时通讯。

系统上电后先进行初始化程序，初始化程序主要完成以下内容，包括：（1）完成TC1782系统时钟、PWM 模块、CAN 模块、ADC 采集模块、IO 输入输出模块的初始化配置；（2）系统更新模块中标定参数配置；（3）故障检测模块中

阈值参数配置；（4）电机控制模块中电机参数、控制器参数配置；（5）中断系统配置及使能功能。在初始化程序执行结束后，系统进入主循环运行，等待中断事件的触发。系统中断包括PWM发生中断、外部中断、串行中断、CAN 通讯中断、ADC 采样中断等服务子程序，ADC 采样中断服务子程序是本系统电机驱动控制器算法实现的重要环节。应用层程序架构设计采用前后台处理机制，系统后台设定每10KHz 产生一次ADC中断进行系统更新、故障检测、电机控制等工作，中断执行完之后返回主函数前台进行整车控制、CAN 通讯等工作。

图2.6 Tasking编程环境界面

2.3.2 系统台架实验

新能源汽车电驱动综合试验系统是全新的智能化试验系统。该系统以计算机及精密测量仪器为核心，采用了当前最先进虚拟仪器技术，把计算机强大的数据计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，并通过软件实现对数据的显示、控制、存储以及分析处理，使系统功能远超一般仪器的简单组合。系统通过对所采集的数据进行运算，处理后显示计算结果，测试精度高，全中文界面显示，操作简单明了。

该试验系统由50Hz 380V三相四线制电网供电，配电容量150KVA。主要由一台额定容量125KVA 隔离变压器，输出电压200V~500V 200A的连续可调直流电源，一台额定功率90kW，额定转速3600rpm，最高转速9000rpm交流测功机及

其控制器系统组成，可提供200V~500V 的直流供被试电机控制器进行实验，工控操作台实物图及实验调试界面如图2.7所示。

图2.7 工况操作台及实验调试界面

图2.8 电机驱动控制器及实验平台

为了测试电机驱动控制器的性能，在实验台架上进行了以下几个方面实验，实验平台如图2.8所示。台架上的实验主要包括：空载实验、负载实验、温升实验、MAP实验、T-N曲线实验等等，实验调试过程中使用的是德国PLS公司的UDE 在线调试工具，该工具可以对电机控制环节中的任意值进行实时观察，并进行数据保存或绘制曲线，这一功能对于电机控制调试可以直观的观察电机运行状态的趋势，对于实验分析和调试有着至关重要的作用。 2.3.3 整车实验

在实验台架上进行了空载实验、负载实验等大量的测试，验证了电机控制系统静态性能的稳定性，不仅如此，电动汽车更注重的系统的动态性能，要有良好的加速性能，同时在电动汽车行驶过程中要保证系统的可靠性与稳定性，因此，

将电机控制器安装到电动汽车上来进行整车实验。如图2.9为电机驱动控制器实物图。

图2.9 电机驱动控制器实物图

电动汽车的整车路面实验，需要测试电动汽车的爬坡性能、加速性能、高速持续性能、驾驶舒适度、整车逻辑控制等方面内容，对电动汽车及电机控制器的关键信息进行观察，在电动汽车仪表盘上可以显示当前电池电压、电池电量、母线电流、汽车时速、档位信号、故障信号等关键信息，可以更方便进行观察实验数据与调试。

在电动汽车实际路面测试之前，首先进行了悬架实验，主要包括了猛踩油门测试、断主电测试、急刹车测试三个方面，目的是为了验证电动汽车最高车速限制功能、紧急情况断电对系统的影响、急刹车对控制器冲击的影响等三方面内容。 在实验台试验和悬架实验后，该电动汽车又进行了长时间的路面实验，实验内容 验证了电动汽车的爬坡性能、加速性能、高速性能和整车功能逻辑。

2.4总结

本文基于英飞凌公司的32位高性能微处理芯片TC1782开发出了一套峰值功率为60kW、峰值转速为7500 r/min、峰值转矩为170N.m的电动汽车用电机驱动控制系统，主要对电动汽车用永磁同步电机驱动控制器的关键性技术做了深入分析，归纳起来本文取得的主要结论如下：

（1）以永磁同步电机数学模型为基础，通过Matlab/Simulink 软件搭建了矢量控制系统仿真模型，对系统进行了仿真研究，确定了实际控制器的部分关键参数，为实际电机驱动控制系统调试提供了依据和指导。

（2）对电动汽车用永磁同步电机驱动控制器的关键性技术做了深入分析，重点分析了永磁同步电动机弱磁控制策略，转子初始位置的精确检测，实现了基

于32位高性能微处理芯片TC1782开发出了一套峰值功率为60kW、峰值转速为7500 r/ min、峰值转矩为170N•m 的电动汽车用电机驱动控制系统。

（3）主控芯片使用了ADC 模块、中断处理、PWM调制、CAN通讯等片内外设模块。软件采用了模块化设计思想，在基于Eclipse环境下的Tasking环境下进行了C 语言编程，通过德国PLS公司的在线调试仿真器UDE进行了实验调试，并通过试验台架测试、实际电动汽车的路面测试验证本文开发的电机驱动控制系统的各项性能指标和功能。

三、实习总结与心得体会

实习似弹指一灰间，转眼间接近尾声。实习期间，张老师严谨的治学态度和悉心指导，同事们的热情帮助和耐心讲解，使我受益匪浅，终身收益，特此表示衷心的感谢和敬意。从刚开始的茫然到现在内心的自信和淡定，我一直坚持“认真学习，真诚待人，踏实做事，勤奋做学问”的原则，以最快的速度适应全新的环境，提高专业认识水平和工程研发能力。实习期间，对整体实验台架系统深入了解和学习，对相关实验操作规范牢记于心，结合实验过程中出现的问题，进行分析，查找文献，对电动汽车驱动控制系统的关键性技术深入学习，对实验原理，设计过程，核心控制算法有了基本的认识，同时，对软件的学习，更深入地理解了算法的实现过程。“理论是灰色的，生活之树常青”，只有将理论付诸于实践才能实现理论自身的价值，才能使理论得以检验。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。通过这次实习，使我在生产实际中学习到了在学校无法学到的实践知识，对于巩固和加深所学的理论知识，培养我的独立工作能力和加强劳动观点起了重要作用，另外，在工作之中自己也有很多不足的地方，例如：经验不足，对实验中出现的问题，理解分析不到位；对系统程序的整体把握度和实验要解决的问题不能很好的融合；缺乏实践经验，缺乏对相关技能知识的标准掌握；结合工程实践，考虑成本性和实现可能性，应该在理论的基础上进行创新，提出简便且易行的策略等等。所以在以后的工作和学习实践中，我应该以一颗求真务实，善于思考之心，严格要求自己，将理论和实践相结合，保持求知欲，脚踏实地，努力学习，总结经验，及时总结和计划，不积跬步无以至千里，相信我可以用热情和活力，自信和学识来处理所遇到的各种困难，对于个人而言，更是又上升了一个台阶。