电动车控制器十篇

电动车控制器篇1

关键词：自行车；控制器；研究

0引言

能源问题造就了电动车的时代，特别是家用电动自行车发展迅猛，俨然成为当今最主要的交通工具之一。时至今日，电动自行车的一些关键技术如电力电子、计算机控制、微电子及电机等技术的迅速发展，为其研制开发提供了良好的条件。电动自行车控制器作为管理和控制电动自行车的核心，具有平滑的电机控制、稳定可靠的电池管理、人性化及合理的人机交互等优点。随着电动自行车的迅速普及，电动自行车控制器在电动自行车领域内已经得到广泛的应用。无刷直流电机以控制简单、高可靠性及输出转矩大等优点，被大量地用作电动自行车驱动电机。以至于相关技术的不断发展使电动自行车控制器及驱动电机等成为研究的热点。

1、电动自行车控制器涉及的相关技术

控制系统就是控制器，概括地说就是一个中枢系统，它将监督电机及电路的运行状态等各种有用的信号进行采样及分析，然后转变为控制指令或者保护指令。

对电动自行车控制器而言，便是将给定的电机速度信号、转子位置信号及定子的电压、电流反馈信号转变为控制信号或者保护指令，进而监督电机控制电路的运行状态；采样及对比分析并将信号转变为控制指令，从而控制电机的启动或停止、加速或减速等运行状态。

2、控制结构

本系统主要是对驱动电机速度的控制，这就需要根据转子位置的信号来确定换相操作，所以按照电机工作流程采用三环控制接口：电流环、位置环和速度环；按照电机的正常控制有可采用双环控制接口：开环启动控制和闭环速度调控。

2.1控制技术

电机的启动采用三段式恒压升频启动方式，电机的调速通过采集霍尔转把的线性电压变化，来实时改变主控芯片对应的 PWM 占空比。PWM 分为单极性 PWM 和双极性 PWM，经过以往的经验可知，一般采用单极性 PWM，因为单极性 PWM 控制的电流波动最大值也只有双极性 PWM 控制电流波动最大值的一半，所以考虑到减小电流脉动及功率管的开关损耗，本电机控制器采用单极性 PWM 控制技术。

2.2控制器芯片选择

对于控制器来说，其实就是以主控芯片为核心加上一些电路模块组成的，因此主控芯片的性能对控制器的性能起到决定性的作用。结合本系统的性能要求并且兼顾成本，对主控芯片的要求如下：

（1）容量足够大的存储器。ROM 足以存放控制程序的代码，RAM 足以存放运算的中间及最终结果的数据。

（2）足够快的运算性能。因为电机的运转是非常迅速的，所以需要主控芯片快速的调节驱动时序，并且需要尽量小的采样周期去检测位置，从而提高整体指标。

（3）足够强的输入输出功能与逻辑判断功能。

（4）能方便产生稳定的 PWM 波，因为需要通过 PWM 进行无刷直流电机的调压调速。

（5）具有 AD 转换功能。因为要对电流、电压等进行检测，防止过流、过压。另外还最好具有低功耗、稳定性强、体积小、成本低等特点。

3、控制器硬件构件化设计

在以单M CU为核心的嵌入式系统中，MCU 的最小系统就是典型的核心构件。中间构件既有需求接口又有提供接口；而终端构件只有需求接口，因此只能接受服务。利用硬件构件进行嵌入式系统硬件设计之前，必须进行硬件构件的合理划分，按照一定规则，设计与系统目标功能无关的的构建个体，然后进行组装，完成具体系统的硬件设计。

3.1 电源模块构件设计

本设计选的外接电源是七组串联锂电池，其采用安全系数高的锰酸锂电池，经过国家法定机构充电放电、短路、跌路、加热、挤压、针刺等6大实验，达到国家863范围要求，并采用铜薄膜防爆阀，从根本上解决了锂电池易爆易燃的问题。

这款电池最大输出电压为29.6V。为使系统正常工作，需要将电压转换为15V 和5V。其中15V电源主要用于功率MOS管自举升压驱动电路。5V电源则为MOS管驱动电路、主控芯片、线性霍尔转把、高低压刹把及保护电路模块提供稳定的电源。在电源通往各模块间，大量使用了二极管来保证控制器的稳定性。

3.2 电调模块构件

为了便于理解本电路的原理及后面的测试方法，首先要熟悉一个关键的元件即场效应管（也叫 MOS 管），它承载了驱动电机的开关的作用。场效应管分为 N 沟道型场效应管和P沟道型场效应管两种。一般N型功率型场效应管的VGS

阈值电压都会在3～20V 之间。

3.3 过零检测构件设计

过零检测的及时性和准确性影响着电机的运行，当过零检测不准或着不及时时，则电机因为缺相而抖动，严重的或造成短时间短路而烧坏控制器。因此在硬件上采用LM339 高速比较器来采样截至相的感应电动势和总线中点电压进行比较，使用 MCU的输入捕捉功能来捕捉输出信号。

4、控制器软件系统设计

电动自行车控制器是用来控制电动自行车电机的启动、运行、进退、速度、停止以及电动自行车的其它电子器件的核心控制器件，它就像是电动自行车的大脑，是电动自行车上重要的部件。电机控制器是无刷直流电机正常运行并实现各种调速控制功能的指挥中心，它主要完成以下任务：对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压等一些故障保护功能。

4.1 控制器底层驱动构件化设计

嵌入式系统是软件与硬件的结合体，硬件设计和软件设计必须相辅相成。嵌入式系统中的驱动程序是直接工作在各种硬件设备上的软件，正是由于驱动程序的存在，各种硬件设备才能正常工作，从而达到理想工作效果，嵌入式软件构件是实现一定嵌入式系统功能的一组封装的、规范的、可重用的、具有嵌入特性的软件单元，是组成嵌入式系统的功能单位。

4.2 AD采集程序构件

A/D 转换模块（Analog To Digital Convert Module）即模/数转换模块，其功能是将电压信号转换为相应的数字信号。实际应用中，这个电压信号可能由温度、湿度、压力等实际物理量经过传感器和相应的变换电路转化而来。经过 A/D 转换后，MCU就可以处理这些物理量。进行 A/D 转换，应该了解以下一些基本问题：第一，采样精度是多少；第二，采样速率有多快；第三，滤波问题；第四，物理量回归等。

参考文献

[1] 孙立志 . PWM 与数字化电动机控制技术应用 [M]. 中国电力出版社，2008.

[2] 叶金虎. 现代无刷直流永磁电动机[M]. 科学出版社， 2007.

电动车控制器篇2

【关键词】 电机控制器 电磁干扰 干扰抑制

1 前言

近年来，在能源和环境双重危机的压力下，各国陆续开始了电动汽车的研发，在有限的车内空间里高频率开关使用以及大量电子部件的集成都给电动汽车带来很多电磁兼容问题。

2 电机控制器的电磁干扰问题

2.1 问题情况描述

本研究对一辆典型的国产电动汽车电机控制器进行了试验。电机控制器的功率为12kw，控制方法为矢量控制。电机控制器主要包括功率电子系统和控制电子系统，其控制对象为永磁同步电动机。功率电子系统包括PWM逆变器主电路及其驱动模块等；控制电子系统主要包括PWM逆变器的控制系统和电机控制模块。电机控制系统与电动机之间存在电源供电电缆和旋变测速电缆。

根据“GB/T 18387-2008 电动车辆的电磁场发射强度的限值和测量方法，宽带，9kHz～30MHz”辐射发射标准对选取的电机控制器进行磁场辐射发射试验（环天线），其检测结果如图1所示，系统在高频范围向外辐射的磁场很大，超出限值，不满足标准要求。

2.2 问题分析

电机控制系统主要包括功率电子系统和控制电子系统，其控制对象为永磁电动机。功率电子系统包括PWM逆变器主电路及其驱动模块等；控制电子系统主要包括PWM逆变器的控制系统和电机控制模块。电机控制系统与电动机之间存在电源供电电缆和旋变测速电缆。

结合检测结果，本课题基于电机控制系统差模辐射和共模辐射、逆变器环节的辐射发射，以及壳体屏蔽环节的辐射发射等方面，针对问题产生的原因进行分析。

2.2.1 电机控制系统差模辐射和共模辐射

功率电子系统中，往往会因平行双线而组成环路的电感（H/m）L是[1]：

在上式中：s表示平行双线的距离；r表示线的半径长度。[1]在电机控制器的功率电子系统中，开关的频率一般在几十kHz左右，这将产生很高的du/dt与di/dt，它们与电机控制器上母线的杂散电感相作用，必然会产生严重的电磁骚扰。这些骚扰信号通过共模和差模回路进行传播，可通过电缆向外辐射出去。

2.2.2 逆变器的电磁干扰

电压源逆变器使用空间矢量脉宽调制技术，由于电机的三相输出电压不是绝对对称，造成电机中点的电压值实际上很难是零值，于是就产生了共模电压。同时，PWM脉冲有很高的du/dt，于是在逆变器与电机之间就存在了大幅值的共模电压和高du/dt，这就形成了主要的干扰源。

2.2.3 壳体的电磁干扰

电机控制器的壳体屏蔽性差也会引起电磁干扰问题，这时因为壳体的屏蔽性差，壳体内部控制电路的电磁信号就可以通过“场”的形式传播出去，而壳体外部的各种电磁干扰噪声也可以进入到控制电路中来影响控制电路。

3 电机控制器的电磁干扰抑制措施

3.1 线束的辐射信号处理

引起电机控制器电磁干扰问题的原因有很多，其中最重要的就是电缆，因为电缆可以作为天线，将周围的电磁信号发射出去。同时，由于电动汽车上可供安装设备的空间十分有限，无法使安装的电缆均保持安全的距离。本文将电机控制器系统使用的电缆分为2类，如表1所示。

线束布线规则：

（1）为达到充分的退耦，电机控制器与电机之间的动力线和CAN总线、信号线应尽可能远离，保持的最小间距为0.3m；

（2）I类电缆与S类电缆可以垂直交叉，这时，不需要考虑电缆距离问题；

（3）I类电缆采用带屏蔽层的电缆，供电线和回线之间的距离尽量靠近；

（4）CAN总线信号电缆采用带屏蔽层双绞线方式，尽量绞紧，且贴近底盘布线，以减少回路面积，防止低频段的辐射干扰，高频段加瓷珠解决；

（5）其它信号线采用带屏蔽层的电缆，电缆的屏蔽层采取单端接地的方式，且贴近底盘布线。

3.2 逆变器环节的抑制措施

本研究检测的电机控制器系统使用的电压源逆变器，采用空间矢量脉宽调制方法。由于电机的三相输出电压不是绝对对称的，这就造成电机中点的电压值实际上很难是零值，于是就产生了共模电压。同时，PWM脉冲控制开关管通断，会产生很高的du/dt，于是在逆变器与电机之间就存在了大幅值的共模电压和高du/dt，这就形成了主要的干扰源。

因此，在电动汽车中，电机控制器与电机应尽可能得靠近，使其连接电缆尽可能得短以减少共模电流的环路面积，同时，连接电缆应贴近底盘同时带有屏蔽层，其屏蔽层分别与电机控制器、电机360度搭接，这样使得电缆屏蔽层与电机控制器和电机共同构成一个完整的屏蔽体，从而减少共模辐射[2]。

3.3 壳体屏蔽

电磁辐射以“场”的形式沿空间传播，因此通过壳体的屏蔽作用切断辐射骚扰的传播，是行之有效的抑制电磁辐射的方法。而壳体的屏蔽作用取决于壳体的导电连续性，壳体的导电连续性越好，耦合到被屏蔽电路的电磁场通过反射损耗和吸收损耗衰减得就越多。壳体总的屏蔽效能等于通过壳体的电磁场的反射损耗与吸收损耗之和。

从电力电子技术的角度看，电动汽车的电机控制器系统就是逆变器和变速电机控制器的组合。这类设备能够产生大量的射频噪声。本试验的电机控制器的壳体是铝制的，其电磁屏蔽性首先应注意壳体上各电缆的开口和壳体的缝隙。因此，控制器的壳体与电缆之间使用金属连接器，电缆均为屏蔽电缆，且保证电缆与连接器之间360度搭接，以抑制电磁信号的辐射发射；壳体螺钉间距要短，同时，加入实心导电橡胶条作为密封衬垫；用导电布将铝制壳体的缝隙粘接起来，以减小缝隙引起的电磁干扰[3]。

另外，我们将电机控制器的功率模块和控制电路分别用铝板隔离，同时，将铝制壳体可靠接地，使电机控制器的屏蔽性进一步加强，既确保逆变器周围的电磁能量不进入控制电路影响设备功能，又使控制电路或功率模块中产生的电磁能量不扩散出去。

4 结语

本文根据电机控制器的磁场辐射发射检测结果分析了其存在的电磁干扰问题，经过反复验证，提出了有效的抑制方法，满足了纯电动汽车电机控制器的可靠性和安全性。

参考文献：

[1]沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术[M].北京：中国电力出版社，1999.

电动车控制器篇3

CY8C24533是Cypress半导体生产的具有8位MCU核和数字与模拟混合信号阵列的可编程片上系统， 集三种可编程能力于一体，不仅具有MCU的可编程序能力，还包含了部分可编程逻辑运算功能，同时也提供了可编程模拟阵列；通过对寄存器的配置或控制，三者之间可以相互作用、协调工作。是专门针对电机控制而开发的一款PSoC芯片。它对电机控制扩展了部分的资源和功能，使得它非常适合应用在电动自行车的控制以及其他的电机控制。

1 CY8C24533的系统资源和周边性能

CY8C24533的内部结构如图1所示。其资源包括：

图1：CY8C24533内部系统资源框图

1.1 系统资源

CY8C24533使用8位哈佛结构处理器内核(M8C CPU)，它具有独立的程序存储器和数据存储器总线，处理器速度可达24MHz。拥有丰富的M8C架构指令，系统提供便捷的寻址方式。CY8C24533的系统资源中包括一个乘加器(MAC)。MAC系统中作为一个独立的组件，并映射到特定的寄存器地址空间，由输入寄存器和输出寄存器，能执行带符号的8×8乘法运算和32位的加法运算。只要把数据传送到输入寄存器，在下一个指令周期，输出寄存器就能得到运算结果。寄存器加速内存数据交换，大大提高了处理数据的速度。CY8C24533有两个时钟发生器：主时钟发生器和低频时钟发生器。其中主时钟发生器为24MHz作为系统时钟，可分频或不分频作为CPU时钟。系统时钟N1，N2和N3次(均可由用户设定)分频产生的时钟VC1，VC2和V3可以提供给用户作为模拟PSoC模块和数字PSoC模块的输入时钟。系统时钟也可以倍频产生48MHz的时钟作为PWM的输入，以提高PWM的分辨率。低频时钟发生器是一个32KHz内部低速振荡器，主要用于看门狗/睡眠定时器的时钟。其他的系统资源还包括可设定电压阀值的电源低电压检测(LVD/POR)、中断控制器、I2C、用于-∑模数转换的采样抽取器(Decimator)、片内温度传感器和片内电压参考等。

1.2 片内存储器

CY8C24533有8KB的闪存用于程序存储以及256B的片内SRAM数据存储器。可以用闪存的部分空间模拟E2PROM。此外，它还具有串行在系统编程功能(ISSP)。CY8C24533对片内存储器提供多种保护加密方式。与传统的熔丝保护加密方式不同，CY8C24533是以块加密方式实施对片内存储器的加密保护，所以具有更高的安全性。

1.3 模块资源

CY8C24533有4个数字模块和4个模拟模块。片内的数字模块可以配置成各种各样的用户模块，比如时间定时器、实时时钟、脉宽调制和死区脉宽调制(DB PWM)、循环冗余校对模块、全双工UART、SPI等功能模块。片内的模拟模块可以配置多种模拟周边功能，如比较器、可编程增益放大器、差分放大器、可编程滤波器。结合数字模块和模拟模块可以实施各种模数转换，如7-14位的增量式模数转换，8和11位的-∑模数转换等等。PSoC Designer集成开发环境也为用户提供了灵活和完善的数字模块和模拟模块的输入输出路由、模块和模块之间的路由及数字模块和模拟模块之间的路由。在这些路由中还包括了一些硬件的逻辑运算块(LUT)，这些逻辑运算块可以进行16种逻辑运算。用户可以通过路由选择和路由之间的逻辑运算使模块和模块之间形成相互关联的有机的功能块，使这些功能块具有更复杂更独特更强大的功能。从而减少片外资源的使用，使系统更简洁。

图2：同步触发方式原理框图。

1.4 SAR ADC模块

在电机控制中通常需要一个高速的ADC用于检测过流信号进而实施对功率MOS管的保护。CY8C24533集成了一个专用的8位逐次逼近ADC。它的一次转换时间只有3.33μs，这对于快速的检测过流信号非常有用。另外为了能在合适的时间进行模数转换，CY8C24533还提供了多种触发方式来启动模数转换。它包括自由运行、手动单次触发和同步触发方式。同步触发方式原理框图如图2。在同步触发方式有两条通路(Low Path和High Path)可以实施触发。这两条通路分别有一个8位的寄存器与来自数字模块的的计数值进行比较，如果Low Path的比较结果相等时CMP_LO输出高电平，如果High Path的比较结果相等时CMP_HI输出高电平，CMP_LO和CMP_HI的输出在通路逻辑(Path Logic)进行逻辑运算，逻辑运算的结果为1时便触发启动模数转换。通路逻辑有“与”和“或”两种逻辑运算功能，CMP_LO和CMP_HI的值由用户设定。这个性能对电机控制非常有用。比如，当DBB0被配置成一个8位的PWM时，在一个PWM的周期里，ADC可以被触发一次或两次。当CMP_LO或CMP_HI寄存器有一个被设置，并且通路逻辑设置“或”运算时被触发一次；当CMP_LO和CMP_HI的寄存器被设置一样并且通路逻辑设置“与”运算时也被触发一次；当CMP_LO和CMP_HI的寄存器被设置不一样并且通路逻辑设置“或”运算时被触发两次。当DBB0和DBB1被配置成一个16位的PWM时，在一个PWM的周期里，模数转换可以被触发一次，这时通路逻辑设置“与”运算。在直流无刷电机的控制中，通常PWM值用于控制电机的电压或速度，每一个PWM周期中的相电流的大小是变化的，用同步触发方式可以在每一个PWM周期的固定时刻触发模数转换，采样电机的电流信号，判断电流是否异常，实施对电机和MOS管的有效保护。

2 电动车自行车控制器系统

图3所示是一个电动自行车控制器系统原理框图。图中，CY8C24533作为主控芯片，左边为各种输入信号：调速转把信号、刹车信号、电池电压、电机的霍尔信号和其他外设信号。右边是MOSFET的驱动电路、功率MOSFET三相桥电路以及电池电量显示电路。现在的电动自行车都使用“无刷直流电机”作为传动部件，所以CY8C24533必须通过来自电机的霍尔信号产生合适的相序信号提供给MOSFET的驱动电路，进而驱动功率MOSFET三相桥，使无刷直流电机的三相绕组得到按一定规律变化的励磁电流。

图3：电动自行车控制器系统原理框图

2.1 PWM输出

为了通过调速转把来控制转速，必须将PWM信号叠加在相序信号上，通过调节PWM的占空比，来控制电机绕组的相电压和电流实现转速控制。通常MCU的PWM输出是从固定的管脚输出，所以传统的MCU做法是在芯片的外部加逻辑电路将6路或3路相序信号和PWM信号相“与”后输出。而CY8C24533芯片有灵活多样的模块输入和输出的路由资源可以选择，可以将一路PWM信号在不同的时刻路由到一个或同时路由到多个I/O上。如图4所示将一个数字模块配置成双缓冲器，PWM信号的输出配合双缓冲器中的一个缓冲器便将PWM信号路由到LUT的四个输出上，进而通过数字输出总线路由到一个或多个I/O上。这样在换相且当某一相或几相需要PWM输出时，可在获得换相信号时通过中断程序将PWM输出切换到相应的I/O口上。I/O口的输出可以直接输入到MOS管的驱动电路，这样就不需要外部加逻辑电路。图5是在PSoC Designer开发环境下的PWM输出路由配置图。

图4：PWM输出路由选择和比较器输出路由选择图

图5：PWM输出路由配置图

2.2 峰值电流保护

电动自行车在使用过程中会有多种可能的情况导致瞬间峰值电流很大，这个电流如果超过MOS管的最大可耐受电流，MOS管将被击穿。所以峰值电流保护是非常必要的。峰值电流保护的关键是响应速度。通常采用硬件的方式来实施，如将采样的电流送到一个比较器进行比较，比较器的输出再通过逻辑电路与PWM的输入信号相“与”。在CY8C24533芯片中包含模拟模块，CT(连续时钟)的模拟模块可以作可编程的比较器和可编程的放大器。我们将CT模块作放大器用于放大电流信号，另一个CT模块作比较器，用于比较电流信号，比较器的阈值可以程序设置。放大器的输出作为比较器的输出，比较器输出到比较总线，比较总线经LUT输入到数字模块的双缓冲器中的另一个缓冲器，这个缓冲器的输出经由行输出总线的LUT与PWM信号实现“与”操作(见图4或图5)。如果峰值电流超过设定的阈值，比较器的输出将封住PWM的输出，对MOS管实施有效的保护。

2.3 平均值电流保护

平均值电流保护对保护电机和MOSFET是非常重要的，尤其在堵转时。因为长时间的堵转会产生高温而致使电机或MOSFET被烧毁。CY8C24533有高速逐次逼近ADC，因此可以利用上述的同步触发方式在每个PWM周期的固定时刻采样电流值，以获得平均值电流。如果这个值超过设定的阈值并持续一段时间(如3s以上)，控制器自动保护软件即会采取相应的措施，如减少PWM的输出或关断PWM，来对电机和MOSFET实施有效的保护。

2.4 1:1助力

CY8C24533有数字模块可以用作捕捉定时器，捕捉踏板转轴的转速信号，获得模拟的1:1助力信号，然后通过对PWM的输出的控制，实现模拟的1:1助力或1:N控制。由于CY8C24533的闪存空间高达8KB，可允许用户程序设计多种功能和保护。

基于CY8C24533的电动自行车控制器还包括超静音功能、防飞车功能、短路保护功能、欠压保护功能、定速巡航、ABS刹车再生制动等功能。超静音功能减少了起步噪声；防飞车功能解决了无刷控制器由于转把或线路故障引起的飞车现象，提高了系统的安全性；短路保护功能防止电机三根相线输出端任意两端短路或三端全短路，以及控制器不会烧毁；欠压保护功能使得电池电量不足时及时通知用户更换电池。定速巡航、ABS刹车使控制器的性能更加完善。

电动车控制器篇4

1、首先 确定电源正负极，和电门锁线：方法是先把万用表打直流档上，再把万用表的负极[黑线]接在电池的负极上[地线] 然后用万用表的正极[红线]一个一个量，有电压的是正极[稍微比电源电压高点]、无电压的是负极，这里说明一下，有电源是三根线，其中那跟是电门锁线，这根线的特点是，打开钥匙和电源电压一样，关上钥匙没电压。

2、其次 关上钥匙连接电源线和电门锁线这三根线：控制器电源线粗红色的是正极，粗黑色的是负极。接好后打开钥匙，再量量电源电压和电门锁线的电压是不是正常，然后在分别量转把线的电源电压5V左右[红黑线]，霍尔线的电源电压5V左右[红黑线][别忘了万用表打到直流档上]。

3、第三 各个电压正常对接白色学习线：若反转拔开在对接一次，电机正转后拔开学习线。接转把线，一般按颜色接就可能了，若还不可以有可能转把坏掉了，那么拔掉转把线，直接连接控制器转把线的红线和绿线。电机正常转，证明转把有问，换个转把。

4、安装完成后用脚踏称把撑起整车后，连接好控制器将学习线对插再打开电门锁，这时会进入自学习，当转动正常后，如发现电机运行方向相反就调一下调速转把，就能改变电机运行方向，然后拨开学习线即可。

（来源：文章屋网 ）

电动车控制器篇5

贴片三极管：y1为NPN三极管L8050；

可以和y5、1hc互换 y2:为PNP三极管L8550；

可以和y6、1hd互换。

电动车控制器篇6

关键词：PLC 变频器 卷扬 上料

中图分类号：TP23 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

0 引言

上料主卷扬系统是高炉炼铁设备中的主要组成部分，是高炉原料输送的重要装置，它的稳定性是保证整个炼钢工艺过程中的关键。如何进行高炉上料卷扬系统的技术改进和优化，已成为现代钢铁生产工艺中的一个重要课题。

目前，国内许多中小型高炉的上料形式主要是皮带上料。皮带上料作为标准上料设备是国内中小型企业采用的最原始的一种上料方法。生成中，要求上料设备要具备足够的运送能力，即上料速度要满足高炉生产的要求：1、运行可靠，耐用，保证高炉能连续生产；2、能够实现上料自动化；3、结构简单，维护方便；4、一旦投产上料，设备就不能中途暂停，必须一直运行，保证原料不断地运上高炉。否则，系统因不稳定而造成慢风、休风、停产等问题。为了降低生产中可能出现的问题，本设计通过M340 PLC和ABB ACS800型变频器的有机结合，实现对上料系统精确、可靠的控制，来提高卷扬上料系统的稳定性，有效地解决了长期因卷扬控制系统不稳定而造成的慢风、休风、停产等问题，降低上料系统的故障率。

本设计高炉卷扬机上料系统主要由主令控制器、变频电机、变速箱、抱闸、靠背轮和主卷扬组成，如图1.1所示。卷扬机动力驱动主要依靠三相异步电机通过减速器带动钢丝绳卷筒转动，料车分左车和右车，左车、右车的上下移动由钢丝绳牵引。上料时，各种原料经过槽下配料后进入中间料斗，再送到料坑，供料至料车，此时，中间料闸门关闭到位。当炉顶准备好后，料车启动，经过加速匀速一级减速二级减速到达炉顶停车、制动。牵引两个上料小车的钢丝绳由同一个卷筒驱动，假如左车（装料车）上行时，右车（空料车）下行，左车到顶，对应的右车到底，没有空行程，如图1.2所示。

1总体设计

系统改进时采用施耐德M340 PLC和ABB ACS800型变频器来控制左右上料车。其特点：自带启动引导程序，具有自定义编程功能，即内置有可编程模块、滤波器、斩波器及电抗器，是目前最先进的交流异步电机的控制方式。组态监控软件使用IFIX，IFIX的作用是采集和传递工业现场数据，能实现集中显示和远程操作。其最大的优势就是具有强大的开放式功能和完善的通讯协议以及用户权限管理功能，能够很好支持各类PLC。完善之后高炉上料系统组态监控实现的功能如图1.2所示，由料车系统、探尺系统、皮带系统、小钟系统和大钟系统组成。

1.1设计要求

以某公司某车间为例：该车间每天二十四小时都处于工作状态，每小时上6批料，每车料用时60秒，其中料车运行时间为45秒，料车停、运和槽下装料的时间为12秒。这样，主卷扬电机反复启动快速加速（5～10S）高速运行（30～20S）快速减速（5～10S）低速运行（5S）停止，工作工况于正转、反转反复交换，工作条件恶劣。主卷扬电机由变频器驱动，变频器必须经受住每天二十小时反复地启动时大电流的冲击和减速时的高电压冲击而不出现问题。根据产能和技术经验，该设计时选用了2台重载功率为110KW ABB ACS800型的变频器作调速装置（一台备用）。在运行过程中，该装置通过矢量控制方式来实现精确的速度控制。同时，系统还配置了制动单元和制动电阻来实现卷扬系统的制动。主传动部分由两台变频调速柜组成，一台主用，一台备用。在实际生产中，通过主控制柜实现两个装置之间的切换，来解决因系统故障不能运行而造成停产的问题。同时实现每个变频器的控制信号均通过双向切换电气设备来完成基本的联锁及控制功能，在主PLC与切换柜之间、操作台与切换柜之间还有继电器相互隔离，提高了整个系统的可靠性。

1.2系统主回路控制电路的实现

两台卷扬变频器的主回路靠0DK倒闸切换来独立供电，互不干扰，彻底杜绝了供电主回路共用时主回路的自动空气断路器、接触器、快速熔断器任何一个元件损坏而导致上料停止的事故发生。两台主卷扬变频器的输出回路都接至双投隔离开关2DK上，经2DK的倒闸切换可将任一台主卷扬变频器的输出回路与主卷扬电机接通，如图1.3所示。

1.3变频控制功能的实现

① 主卷扬变频器的启停控制（以左车上行及停止为例，右车与左车同）：变频器启动的前提条件为变频器无故障，控制回路DC24V电源Z+、Z-正常且变频器主回路供电输入AC380V正常。左车上行，继电器1001K、1002K得电后动作，变频器的RUN FOR控制端子为高电平（DC24V），则变频器启动并正向运转，料车左车上行。左车上行到位，主令控制器XK到位停车点（第2点）断开或左车上行位置检测绝对值编码器检测到左车上行到位，而输出继电器1014K（自动停止左车上行继电器）得电动作使左车上行继电器1001K、1002K失电，变频器立即停止工作输出。当受料斗继电器K1009得电动作，此时，料车禁止上行，直至接收到解除料车禁止上行信号为止，如图1.3所示。

② 抱闸制动器控制（以1#变频器工作、左车上行到位后抱闸为例，右车与左车同）：抱闸制动器打开，保证控制线路电源正常得电21KA，即：变频控制回路（1DK）合闸正确，变频输出回路（2D）合闸正确，抱闸制动器供电回路（3DK）合闸也正确。在满足上述的条件后，1#变频器正确合闸，继电器1XLJ得电。当左车上行方向继电器1012K得电动作后，1#变频器启动运行，1RU N得电。1#变频器输出力矩继电器1TORQ也得电，这时，继电器26KA得电自保，抱闸制动接触器ZDC闭合，抱闸制动器液压泵电机得电运转，抱闸制动器打开。当左车上行到位，主令控制器XK的到位制动点（第七点）断开或左车上行位置的绝对值编码器检测到左车上行到位，该制动输出继电器1010K（左车自动定位抱闸继电器）得电，抱闸制动接触器ZDC便断开，抱闸制动器液压泵电机失电停止运转，则抱闸制动器抱闸，实现抱闸功能。

③ 变频器的速度控制（以左车上行及停车为例，右车控制同）：变频器左重车启动前4KA、5KA得电动作，则变频器的SPEED SEL1控制端为低电平（DC0V），1007K失电则变频器的SPEED SEL2控制端子亦为低电平（DC0V），启动后变频器按重车高速：45～50HZ的给定频率加速（5～10S）到给定频率，重车高速运行（30～20S），4KA、5KA相继失电，则变频器的SPEED SEL1控制端子为高电平（DC24V），变频快速减速（5～10S）至重车低速给定频率：5～15HZ，直至到位停车。变频器左空车启动时1007K得电，变频器的SPEED SEL2控制端子为高电平（DC24V），变频快速加速（5～10S）至空车高速给定频率：35～40HZ，空车高速运行（30～20S），5KA一失电则变频器的SPEED SEL1控制端子为高电平（DC24V），变频快速减速（5～10S）至空车低速给定频率：5～15HZ，直至到位停车。

④ 料车定位控制。主卷扬上料车定位控制有两种方式，一是依靠与卷筒同轴转动的无触点主令控制器，这种方式简单、可靠。另一种采用绝对值编码器控制方式，该编码器采用现场总线传输至PLC控制站，实现料车定位的数字化控制，定位精度高（±1cm）且调整、调试简单，只须通过键盘就可更改定位点；另外通过键盘还可设定定位的最大、最小值，这样就可避免料车冲顶而造成严重的事故。

⑤ 系统安全联锁

a、在N7（料车主卷扬低压柜）上设置有紧急停车按钮TA。 b、左（右）车上行方向超极限保护有XK的第1点、第9点。 c、当出现钢绳的松绳故障时，松绳检测开关1SK或2SK动作，变频器合闸主接触器断开，变频器失电，抱闸制动器失电抱闸。 d、抱闸制动器液压泵电机供电主回路空气开关跳闸，则试变频器合闸主接触器无法合闸或跳闸，变频器失电，抱闸制动器失电抱闸。 e、当出现以下任一故障：制动系统故障、超速故障、运行方向故障、减速频率错误故障时，16KA均得电引起变频器合闸主接触器断开，变频器失电，抱闸制动器失电抱闸。 f、过流继电器1001GL1、1001GL2或非门1002GL1、1002GL2任一动作时，均引起变频器合闸主接触器断开，变频器失电，抱闸制动器失电抱闸。g、快速熔断器R1、R2、R3或R4、R5、R6任一动作时，均引起变频器合闸主接触断开，变频器失电，抱闸制动器失电抱。

1.4 PLC控制功能的实现

PLC控制流程图如图1.4所示。本控制系统通过改造设计实现了振筛振动下料、各仓闸门的关与开、变频器工作与电机调速、料车的上下行、料车倒料和装料、大小钟的关闭与打开的自动控制。其中：

① 振筛控制

PLC的信号：料仓称重传感器为“0”，表示仓闸门已关到位，当震动下料，料仓称重传感器为“1”时，振筛的振动就停止。

② 仓阀门控制

中间仓阀门关闭，料仓称重传感器为“1”，同时中间仓阀门称重传感器为“0”，PLC控制仓阀门打开；反之，PLC控制仓阀门关闭，则料仓称重传感器为“0”。

③ 变频器控制

变频器正、反转由PLC控制实现。小车停在斜桥底部，当料满载后，PLC控制变频器正转，加速上行；小车空载且在斜桥顶部，PLC控制变频器反转，加速下行。中间过程还有匀速和减速控制，靠限位开关给PLC输入，改变料车运行状态。

④ 大小钟控制

小车倒料完毕，PLC控制小钟开，延时12S后，小钟关闭。小钟关闭后，PLC控制大钟开，延时10S后，大钟关闭。

⑤ 故障和报警

为避免料车失控、变频器故障、松绳和设备异常等故障，本系统设置了相应的检测等装置，显示故障并采取了电机抱闸等安全控制措施。

2 结论

本设计通过PLC与变频器及编码器的有机结合实现了仓闸门的开与关、变频器调速、大、小钟的开与关的控制。通过一年多的生产运行，无论是正常启动还是中途停车再启动，均能实现高炉上料的平稳运行。同时，能按照工艺流程完成从料仓经运矿皮带运至中间仓、从中间仓下落至料车、由料车运至高炉顶卸料至高炉进行冶炼的过程，达到全自动控制的目的。年产值比改造前提升了20%以上，对高炉稳产、高产，降低成本起到关键作用，确保较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 朱安远.高炉料车主卷扬及探尺卷扬电力传动方式浅析[J]，基础自动化，1996（1）：47-51.

[2] 张燕宾.变频调速应用实践[M]，北京：机械工业出版社，2000.

[3] 姬广盈，祝兆华.设备管理与维修杂志编辑部[J]，北京：设备管理与维修，2006（2）：（31-32）

[4] Siemens.S7-200系统手册[M]，2004.

电动车控制器篇7

【关键词】电力机车；主电气电路；辅助电气电路；控制系统

1 引言

和谐系列电力机车是南车集团和北车集团与国外企业合作，引进消化技术，并国产化的新一代交流货运机车，型号有HXD1、HXD1B、HXD1C，HXD2、HXD2B、HXD2C和HXD3、HXD3B、HXD3C。和谐型系列机车电气系统的主、辅回路均采用了交流控制技术，系统的设计坚持起点高、技术领先的原则，采用先进、成熟、可靠的技术，按照标准化、系列化、模块化、信息化的总体要求进行全方位设计的。

2 主电气系统

机车主电气电路主要由网侧电路、主变压器、牵引变流器及牵引电机构成，如图1所示。其中和谐型系列电力机车网侧电路主要由受电弓、主断路器、台避雷器、高压电压传感器、高压电流传感器、高压隔离开关、主变压器原边、回流侧互感器和接地碳刷等组成。下面主要从主变压器、变流器和牵引电机三个方面进行比较。

图1 简化主电气电路

2.1 HXD1型电力机车主电路特点

（1）主变压器

采用EFAT6744型电力机车牵引变压器。其内除主变压器外，还装有两台100HZ滤波电抗器。它们装在一个邮箱内，共用一个冷却系统。主变压器是单相变压器，卧式结构，采取车体下悬安装方式。

（2）牵引变流器

每台机车由2节车组成，每节车设有1个牵引变流柜，每个牵引变流柜由2套相互独立的变流器组成。一个变流器包含2个并联的四象限整流器、1个牵引逆变器和1个辅助逆变器等。

（3）牵引电机

采用西门子公司的1TB2624-0TD02型或国产化的JD160型鼠笼式三相异步牵引电动机，额定功率为1224千瓦，冷却方式为强迫通风，采用直接转矩控制（DTC）。

2.2 HXD2型电力机车主电路特点

（1）主变压器

主变压器为模块化的卧式结构，包括1个原边绕组，4个牵引绕组，4个二次滤波电抗器，2个辅助滤波电抗器，强迫油循环风冷却系统以及内置的多种保护电器。

（2）牵引变流器

采用ONIX系统将IGBT技术应用于异步交流传动机车。牵引传动系统的每台牵引电机与1个牵引逆变器和1个四象限整流器相连，组成四个独立的驱动单元，这样每根车轴驱动可以单独切除，因此发生一个单独的故障后，1台机车上仍保持3/4牵引功率。

（3）牵引电机

牵引电动机采用由永济电机公司国产化的YJ90A型牵引电机（阿尔斯通公司原型号为6 FRA 4567 B型），该型电动机为六极三相鼠笼式异步牵引电动机，定子采用全叠片无机壳结构以减轻重量和改善散热，额定功率为1224千瓦，冷却方式为强迫通风，采用磁场定向直接转矩控制。

3 辅助电气系统

辅助电气系统是由三相输出辅助电源、充电机、辅助负载、低压电器和辅助控制单元等组成。

3.1 HXD1型电力机车辅助电气系统特点

HXD1型电力机车辅助电气系统由集成在牵引变流器内的辅助逆变器供电。两个辅助逆变器分别从牵引变流器的一路中间直流环节取电，通过滤波变压器和一组滤波电容器滤波后向两个三相支路供电。230V/60Hz单相交流支路由一个440V/230V变压器从三相恒频恒压支路取电。直流负载支路由蓄电池充电机供电。

3.2 HXD2型电力机车辅助电气系统特点

两个独立的辅助变流器均采用 IGBT技术。每个辅助变流器包括降压斩波器和逆变器，直接由主电路中间回路供电，变压器不用设辅助绕组。在正常模式下，一个辅助变流器为定频载荷供电，另一个为变频载荷供电。如果一个辅助变流器驱动失效，另一个将为蓄电池充电器和整个机车的辅助载荷供电。蓄电池充电器单节车采用冗余设计，每两节车也互为冗余，保证了110V电源的可靠性。

3.3 HXD3型电力机车辅助电气系统特点

在HXD3型机车中，其三相辅助电路采用了辅助变流器给机车的各类辅助电机供电，三相辅助变流系统是采用日本东芝公司现有成熟的辅助传动变流技术，由两组辅助变流器组成。每组辅助变流器的功率均为230kVA，它们分别是APU1和PU2。APUl和APU2分别同2套牵引变流器安装在一起，组成两组功率变流柜。其风冷部分共用一个通风机和通风道，简化了机车通风系统，减少了牵引变流器和辅助变流器之间的电气接口，有利于设备安装、检修和维护。

4 微机控制系统

机车控制监视系统，简称TCMS可以实现以下功能：根据司机指令完成对机车逻辑控制、主变流器及牵引电机控制、辅助变流器控制、牵引特性控制、制动特性控制、定速控制、半自动过分相控制，机车运行状态显示，具备故障保护、显示、记忆，并在一定程度上可以自动排除、切换故障。

4.1 HXD1型电力机车微机控制系统特点

HXD1型电力机车装载了西门子公司开发的“SIBAS32”32位微机控制系统和列车通信网络（TCN），并安装了“Locotrol”多机牵引无线同步控制系统和克诺尔公司的“CCB II”微机控制电空制动系统。“SIBAS 32”系统采用集散控制模式，由中央控制单元（CCU）、牵引控制单元（TCU）、辅助控制单元（ACU）、液晶显示屏（HMI）和外设智能接口（KLIP）构成，并采用网络控制系统进行数据通信，由绞线列车总线（WTB）和多功能车辆总线（MVB）两级网络构成，使机车控制系统具有控制、监测、传输、故障诊断、显示和存储功能。

4.2 HXD2型电力机车微机控制系统特点

HXD2型电力机车采用了阿尔斯通公司开发的“Agate”微机网络控制系统，该系统是基于WorldFIP网络通信总线，网络架构分为FIP车辆网络（FIPV）和FIP列车网络（FIPT）两级，其中FIPV负责每节机车内部各设备的信息交换，而FIPT用于两节机车之间或两组重联机车之间的通信；控制系统具有全面的机车控制、监测、传输、故障诊断、显示和存储功能。由基本硬件和软件模块组成：MPU（主处理）、CRT（牵引传动控制模块）、 CRA（辅助控制模块）、RIOMS（远程输入输出模块）、DDU（司机室显示器）等。

5 结论

通过对和谐型系列机车的电气系统的分析，掌握了各系列机车交流电气系统的特点，为机车的运营和管理提供可靠的技术支持。

参考文献：

[1]黄济荣.电力牵引交流传动与控制.北京：机械工业出版社，1999.

[2]王立民，郝凤荣.HXD3型交流传动电力机车电气系统.铁道机车车辆，2008.

[3]连级三.电传动机车概论.成都：西南交通大学，2001.

电动车控制器篇8

关键词： 混合动力汽车； 发动机； 节能控制器； X186单片微控制器

中图分类号： TN245?34； TPK414.3 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）06?0084?04

Abstract： The research on engine energy?saving controller of hybrid power automobile is not perfect in various countries， which has caused poor stability of the researched products and poor energy?saving effect. Therefore， the engine energy?saving controller with high stability and high energy?saving effect for hybrid power automobile are considered. X186 single chip microcontroller of the energy?saving controller is controlled by PID to mornitor the engine speed and driving instruction signals of the hybrid power vehicle in real time. The signal secondary processing circuit is used to reprocess speed signal to reduce energy consumption of hybrid power automobile caused by engine speed. The energy?saving control signals acquired by X186 single chip microcontroller and the signal secondary processing circuit are transmitted to the output control circuit for the summary and analysis to output an optimal energy?saving solution finally. The functional diagram and the process of engine energy?saving control adopting PID control algorithm are given in the Controller Paragraph. The experiment result shows that the energy?saving control effect of the engine energy?saving controller for hybrid power automobiles is more obvious， and has high stability.

Keywords： hybrid power automobile； engine； energy?saving controller； X186 single chip microcontroller

0 引 言

当前汽车已成为人们生活中必不可少的交通工具，由汽车行业发展所带来的资源短缺问题也不容小觑。基于以上原因，产生了能够综合利用电能、燃气和煤柴油的混合动力汽车。对混合动力汽车发动机节能控制器的研究与发展，是交通运输领域中的一项重要技术革新[1?3]。由于各国对混合动力汽车发动机节能控制器的研究尚不健全，所研究出的产品往往稳定性较差、节能效果不佳。因此，开发出兼顾高稳定性和高节能效果的混合动力汽车发动机节能控制器，是当前交通运输领域的重点研究项目[4?6]。

各科研组织研究出的混合动力汽车发动机节能控制器均存在一定的问题，如文献[7]开发THS?Ⅱ混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器能够对混合动力汽车发动机驾驶系统实施全方位的节能控制，其节能效果较好。但其价格昂贵，不利用广泛推广。文献[8]开发Honda混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器的设计者意识到混合动力汽车在急停时的耗能量最大，故设计者在发动机处于高速运行的情况下，为混合动力汽车发动机添加了慢减速功能，进而缩减混合动力汽车发动机的耗能量。但该节能控制器的能耗缩减效果并不明显，控制能力有待提高。文献[9]开发基于线控制的混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器利用发动机能耗线控制图，将混合动力汽车发动机分成三等级的能耗区间，分别对三个能耗区间进行节能控制。由于该节能控制器要求相关人员需具有较高的控制水平，因而其节能效果并不理想。文献[10]开发基于实时节能优化算法的混合动力汽车发动机节能控制器，该节能控制器通过构建能耗目标函数，预测混合动力汽车发动机的能耗趋势，进而最大限度地缩减发动机能耗。但该节能控制器的稳定性较差，对全局能耗的掌控有待加强。

为了解决以上问题，开发了稳定性较强、节能效果明显的混合动力汽车发动机节能控制器。实验结果表明，所设计的混合动力汽车发动机节能控制器节能控制效果较为明显，并具有较高的稳定性。

1 混合动力汽车发动机节能控制器设计

所设计的混合动力汽车发动机节能控制器主要由控制芯片和各功能电路组成。

1.1 控制芯片设计

混合动力汽车发动机节能控制器的控制芯片是单片微控制器，由于混合动力汽车发动机的内部元件较多，故所选用的单片微控制器必须拥有较强的硬件兼容性，且能够实时修正混合动力汽车发动机的高耗能信号，并将其准确输出。

基于以上约束条件，混合动力汽车发动机节能控制器选用某公司最新出品的嵌入式X186纹微控制器。该公司的设计人员针对混合动力汽车发动机的耗能特点，为X186单片微控制器匹配了实时节能控制功能，使其能够有针对性地进行混合动力汽车发动机信号的开采和处理，并强有力地保证了发动机信号的完好传输。

当混合动力汽车开始调用发动机进行减速行驶时，如何保证汽车行驶的安全稳定，是混合动力汽车发动机节能控制器需要考虑的首要问题。X186单片微控制器中利用PID控制方法，针对混合动力汽车发动机扭矩进行实时控制，其旨在将混合动力汽车发动机中的多余机械能转换成汽车行驶中利用率较高的电能。混合动力汽车发动机的扭矩主要包括转速、行驶指令、功率等。图1是X186单片微控制器PID控制原理图。

由图1可知，X186单片微控制器的PID控制流程为：X186单片微控制器先进行其采集到的混合动力汽车发动机信号的扭矩识别工作，其主要识别内容为混合动力汽车发动机的转速，以及驾驶人员给予汽车的行驶指令。X186单片微控制器根据其所识别出的扭矩类型进行分步处理。不需要进行调节的扭矩直接进入标准扭矩转换操作并输出；需要进行调节的扭矩则进入PID控制。在PID控制中，X186单片微控制器先将扭矩等比例放大（其中，驾驶人员给予汽车的行驶指令是不可控变量，虽存在需要处理的信号，但无法进行PID控制，直接将其输出即可），再进行扭矩调节工作，即将发动机信号中多余的机械能转换成电能。在扭矩调节工作中，X186单片微控制器将应尽可能地减少PID控制能量的损失，以提高混合动力汽车发动机节能控制器的能量利用率。

经由X186单片微控制器PID控制后的混合动力汽车发动机信号，会传输到信号二次处理电路进行进一步的节能控制。

1.2 信号二次处理电路设计

由于发动机转速对混合动力汽车的能耗影响较大，故混合动力汽车发动机节能控制器构建了信号二次处理电路进行转速信号的二次处理工作。该信号的处理工作要求信号二次处理电路拥有极高的信号传输速度。

转速信号主要采集于混合动力汽车发动机的曲轴。信号二次处理电路在曲轴处安装了特定传感器，经由传感器进行发动机转速的二次采集，再结合X186单片微控制器PID控制的输出信号，对混合动力汽车发动机的能耗进行优化，如图2所示。

当汽车发动时，发动机曲轴上安装的传感器会对发动机转速信号进行滤波、整波等处理。为避免汽车行驶中环境因素对混合动力汽车节能控制器带来的干扰，在设计图2所示的信号二次处理电路时，二极管和信号隔离器是必不可少的。

信号二次处理电路工作结束后，根据公式[ek=][TPS2k-TPS1k]，求取混合动力汽车发动机的优化偏差[ek]。其中：[TPS1k]是信号二次处理电路的信号输出值；[TPS2k]是X186单片微控制器PID控制的信号输出值。优化偏差直接影响着混合动力汽车节能控制器的稳定性，若该值较大，则应重新进行优化工作；否则，则将X186单片微控制器和信号二次处理电路获取到的节能控制信号反馈到输出控制电路。

1.3 输出控制电路设计

输出控制电路的设计目标是将X186单片微控制器和信号二次处理电路的输出信号汇总、解析，最终输出最优节能方案，如图3所示。

图3所示的输出控制电路能够将混合动力汽车发动机节能控制器中的所有已处理信号接入进来，经由格式转换和构建传输文件夹的方式，将发动机节能方案快速传输出去。文件会在其传输过程中分离到特定位置，以对混合动力汽车发动机的不同位置进行特定的节能控制。输出控制电路也能够调节混合动力汽车电子节气门的电流传输规律，进而控制发动机的扭矩。输出控制电路利用并行串行传输接口2，3，14，15进行电路同发动机的串行传输，也能够同时对发动机进行故障检测和故障排除。

2 混合动力汽车发动机节能控制器的实现

2.1 混合动力汽车发动机节能控制器功能设计

设计的混合动力汽车发动机节能控制器具有信号管理、故障检测、信号解析、后台监控等功能，如图4所示。图4中的信号管理功能主要是对X186单片微控制器和信号二次处理电路的信号采集和信号处理进行管理，其管理方式主要是编码控制；故障检测功能是通过检测硬件部分的传输信号，实现混合动力汽车发动机节能控制器故障的预警与处理，其与输出控制电路对混合动力汽车发动机的故障排查内容不同，应加以区分；信号解析功能管理着输出控制电路的解析工作；后台监控功能能够对混合动力汽车发动机节能控制器和混合动力汽车发动机进行实时监控和异常项预测，包括信号采集超时、电路负载趋势不正常、能耗超限等。

2.2 PID控制算法设计

X186单片微控制器中的PID控制算法较为简单，其拥有比例、积分、微分三种控制方式，在混合动力汽车发动机节能控制器的实际应用中，应根据这三种方式的特点选择较为适合的PID控制。

比例PID控制能够对混合动力汽车发动机中产生的多余机械能进行实时控制，其控制效率高、效果好。比例PID控制要求其所控制的多余机械能应为无限增长的，一旦机械能维持在一个稳定的数值不变，其控制误差便会急速增长，进而降低混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性；积分PID控制与比例PID控制相反，其要求混合动力汽车发动机中多余机械能的增减幅度应较为平稳。但该控制方式的控制能力有效，不能给予发动机较高的节能效果；微分PID控制的控制能力和控制要求则介于比例PID控制和积分PID控制之间。

设PID控制工作时间为[t]，PID控制的输出值为[u（t）]，则PID控制算法的函数表达式为：

[u（t）=KPe（t）+KI0te（t）dt+KDde（t）dt+u0] （1）

式中：[KP]，[KI]，[KD]分别代表比例、积分、微分三种PID控制方式的比例系数，三者协同作业且互相限制；[e（t）]代表混合动力汽车发动机的信号输入值与混合动力汽车发动机节能控制器的输出值之差；[u0]代表PID控制常数。

3 实 验

实验对本文设计的混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性和节能效果进行验证。设定实验中的自变量为发动机的总扭矩和转速，总扭矩直接反应了混合动力汽车发动机的总能耗；在汽车行驶中，其发动机转速越大，电子节气门的开度就越大，实时耗能量就越大。因此，缩减发动机总扭矩和转速便能够得到良好的节能控制效果。同时，节能控制后的两者曲线波动越小，混合动力汽车发动机节能控制器的稳定性就越强。

实验将发动机未采用本文节能控制器进行控制的混合动力汽车在相同的路况和天气下，以2档位和4档位分别行驶2 000 m，行驶过程中的急停、起步、加速度等驾驶员操作因素均相同，其行驶过程中发动机的总扭矩曲线和转速曲线如图5、图6所示。

由图5和图6可知，在相同情况下，未采用本文节能控制器的混合动力汽车发动机的4档位总扭矩最高值为70 N・m，发动机转速最高值为2 000 r/min。排除汽车行驶的起步状态（此时汽车行驶动力主要依靠电机给予，故排除），在200～2 000 m的行驶距离内，4档位总扭矩的平均值约为48 N・m，发动机转速的平均值为1 355 r/min；2档位总扭矩的最高值为68 N・m，发动机转速最高值为1 980 r/min。在200～2 000 m的行驶距离内，2档位总扭矩的平均值约为40 N・m，发动机转速的平均值为1 402 r/min。

现给出采用本文节能控制器，进行节能控制后的发动机总扭矩曲线图和发动机转速曲线图，如图7、图8所示。对比图5～图8可得知，本文设计的混合动力汽车发动机节能控制器能够进行发动机的节能控制，且节能控制效果较为明显。

图7、图8中的曲线波动较比图5、图6曲线有明显下降，验证了本文所设计的混合动力汽车发动机节能控制器具有较高的稳定性。

4 结 论

本文设计兼顾高稳定性和高节能效果的混合动力汽车发动机节能控制器。该节能控制器的X186单片微控制器利用PID控制，对混合动力汽车发动机转速和行驶指令等信号进行实时监管，并经由信号二次处理电路进行转速信号再处理，降低发动机转速对混合动力汽车的能耗。由X186单片微控制器和信号二次处理电路获取到的节能控制信号，传输到输出控制电路进行汇总和解析，最终输出最优节能方案。控制器的实现部分给出了其功能图，以及控制器采用PID控制算法对发动机进行节能控制的过程。实验结果表明，所设计混合动力汽车发动机节能控制器的节能控制效果较为明显，并具有较高的稳定性。

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[8] 蒋南希.刍议汽车发动机怠速控制技术[J].科技资讯，2015，13（5）：82.

电动车控制器篇9

【关键词】汽车防盗器；电子防盗系统

随着人们生活水平的不断提高，汽车越来越成为人们生活中不可缺少的一部分。从世界上第一辆T型福特牌轿车被盗开始，偷车已成为现今城市里最常见的犯罪行为之一。汽车数量增多，车辆被盗的数量也逐年上升，这给社会带来极大的不安定因素，担心车辆被盗，成为困扰每一位汽车用户的难题。随着敞篷汽车的流行，汽车门锁已无法成为万无一失的铁将军，使车门锁止系统的概念进一步被淡化，由此汽车防盗器也应运而生。现在市场上各种电子防盗器琳琅满目，销量最好的电子防盗锁在300元至400元之间即可买到。现在市场上许多新款轿车上都已经安装了原厂的汽车防盗器，有些车辆的钥匙上就有防盗芯片，随机变开锁密码，使盗车贼无法用科技手段解锁，而这种钥匙一旦丢失就只能凭车辆的用户登记卡到原厂再配一套钥匙。最新的技术资料上称，有些车型已经开始使用隐型IC卡代替车钥匙，车主只要走进车辆3至5米范围，防盗器将自动解锁，车主坐进车内按下点火开关车辆就被起动。当车主离开车辆5米后，车门将自动上锁。

一、汽车防盗器的定义与类型

（一）汽车防盗器的定义

汽车防盗器就是一种安装在车上，用来增加盗车难度，延长盗车时间的装置，是汽车的保护神。它通过将防盗器与汽车电路配接在一起，从而可以达到防止车辆被盗、被侵犯、保护汽车并实现防盗器各种功能的目的。

（二）汽车防盗器的类型和特点

随着科学技术的进步，为对付不断升级的盗车手段，人们研制出各种方式、不同结构的防盗器，目前防盗器按其结构可分四大类：机械式、机电式、电子式和网络式。

1.机械式防盗器。早期的汽车防盗器材主要是机械式的防盗锁。机械锁发展至今经过了数次技术升级，钩锁、转向盘锁和变速档锁等基本属于机械式防盗器，它主要是通过锁定离合、制动、油门或转向盘、变速档来达到防盗的目的，只防盗不报警。其优点是价格便宜，只需几十元至几百元，且安装简便，可以在一定程度上吓阻盗车贼，或增加盗贼被发现的可能性。缺点是防盗不彻底，每次拆装比较麻烦，不用时还得找地方放置。

目前市场上推出了一种护盘式方向盘锁。这种锁较为隐藏，有一层防锯防钻钢板保护，材质比传统的拐杖锁坚固，锁芯也设计得更加精密，因而可靠性更高。但是车主必须找一个空间藏这个拆下的转向盘；排档锁是目前车主最欣赏的防盗装置之一，这种防盗装置简便又而坚固，材质采用特殊高硬度合金钢制造，防撬、防钻、防锯，且采用同材质镍银合金锁芯和钥匙，没有原厂配备的钥匙极难打开。如果钥匙丢失，可用原厂电脑卡复制钥匙。

2.机电式防盗装置。随着科学的进步，出现了机电一体式的防盗装置（中央门锁）。中央门锁是以电来控制门锁的开启或锁止，并由驾驶员集中控制所有车门门锁的锁止或开启。中央门锁系统具有下列功能：

当锁住(或打开)驾驶员侧车门门锁时，其它几个车门及行李厢都能锁止（或打开）；如钥匙锁门也可锁好（或打开）其它车门和行李厢；在车内个别门锁需要打开时，可分别拉开各自门锁的按钮。

3.电子式防盗器。为了克服机械锁只防盗不报警的缺点，电子报警防盗器应运而生。汽车电子防盗系统是在原有中央门锁的基础上加设了防盗系统的控制电路，以控制汽车移动的同时并报警。电子防盗是目前较为理想的防盗装置。如果有行窃者盗窃汽车或汽车上的物品，防盗系统不仅具有切断起动电路、点火电路、喷油电路、供油电路和变速电路、将制动锁死等的功能，同时，还会发出不同的求救的声光信号进行报警，给窃贼一个精神上的打击，以阻止窃贼行窃。

插片式、按键式和遥控式等都属于电子式防盗器。遥控式汽车防盗器的特点是可遥控防盗器的全部功能，可靠方便，可带有振动侦测门控保护及微波或红外探头等功能。随着科技的快速发展，遥控式汽车防盗器还增加了许多方便实用的附加功能，如：遥控中控门锁、遥控送放冷暖风、遥控电动门窗及遥控开行李舱等。现在市场上已有双向功能的电子防盗器，这种防盗器不仅能由车主遥控车辆，车辆还能将自身状态传送给车主，例如车门被开启或车窗玻璃被破坏等。但是电子防盗器普遍存在误报警现象，而且也没有根本上解决车辆丢失问题。

4.GPS卫星定位汽车防盗系统。GPS卫星定位汽车防盗系统(或其他网络系统)，将报警信息和报警车辆所在位置无声地传送到报警中心，具有车辆定位、遥控熄火、网络查询及跟踪、车内监听、路况信息查询、人工导航等多种功能，是全方位的防盗系统。

GPS卫星定位汽车防盗系统属网络式防盗器，它主要靠锁定点火或起动达到防盗的目的，同时还可通过GPS卫星定位系统，将报警信息和报警车辆所在位置无声地传送到报警中心。可以在全国范围内实时监测车辆位置，还可以通过车载移动电话监听车内声音，必要时可以通过手机关闭车辆油路、电路并锁死所有门窗。如果GPS防盗器被非法拆卸，它会自己发出报警信息，但缺点是价格较为昂贵，所以目前车主选用的为数尚不多。

二、汽车防盗器的发展与应用

目前汽车防盗器已由初期的机械控制，发展成为钥匙控制———电子密码———遥控呼救———信息报警的汽车防盗系统，由以前单纯的机械钥匙防盗技术走向电子防盗、生物特征式电子防盗。电子防盗系统主要由电子控制的遥控器或钥匙、电子控制电路、报警装置和执行机构等组成。电子防盗系统的类型主要有:

1.钥匙控制式。通过用钥匙将门锁打开或锁止，同时将防盗系统设置或解除。

2.遥控式。防盗系统能够远距离控制门锁打开或锁止，也就是远距离控制汽车防盗系统的防盗或解除。

3.报警式。防盗系统遇有汽车被盗窃时，只是报警但无防止汽车移动功能。

4.具有防盗报警和防止车辆移动式的防盗系统。当遇有窃车时，除音响信号报警外，还要切断汽车的起动电路、点火电路或油路等，起到防止汽车移动的作用。

5.电子跟踪防盗系统。该系统分为卫星定位跟踪系统（简称GPS）和利用对讲机通过中央控制中心定位监控系统。

电子跟踪定位监控防盗系统是利用电波在波朗管地图上显示被盗车位置并向警方报警的追踪装置。设跟踪定位监控防盗系统，需有关单位专门设立这样一套机构和一套专用的设备，并需24小时不间断地监视，否则，即使安装了电子跟踪定位监控防盗系统还是起不到防盗作用。

（一）钥匙控制式防盗系统

钥匙控制式防盗系统作用是：当驾驶员将车门锁住的同时，接通了电子防盗系统电路，同时电子防盗系统开始进入工作状态。一旦有窃贼非法打开车门，电子防盗系统一方面用喇叭报警求救，另一方面切断点火系统电路，使发动机不能起动，于是起到了防盗报警的作用。

而电子钥匙编码控制装置，是靠带编码的点火钥匙来控制汽车发动机的起动，以达到防止汽车被盗走的目的。它主要由身份代码的点火钥匙、编码器构成的控制器和发动机控制单元等组成。带编码的点火钥匙中镶有电阻管芯，在电阻管芯内设有身份代码（电阻值）。点火锁筒内存储有代码，当插入的钥匙与存储的代码不符，即电阻值不符合点火锁内存储的电阻值，则点火系的电路不能接通，从而起到了防盗作用。

（二）电子密码防盗系统

防盗器的电子密码就是开启防盗器的钥匙。它一方面记载着防盗器的身份码，区别各个防盗器的不同；另一方面，它又包含着防盗的功能指令码、资料码，负责开启或关闭防盗器，控制完成防盗器的一切功能。

根据密码发射方式的不同，遥控式汽车防盗器主要分为定码防盗器和跳码防盗器两种类型。早期防盗器多采用定码方式，但由于其易被破译，现已逐渐被技术上较为先进、防盗效果较好的跳码防盗器所取代。下面就两种不同类型防盗器的原理、特点等分别加以介绍。1.定码防盗器。早期的遥控式汽车防盗器是主机与遥控器各有一组相同的密码，遥控器发射密码，主机接收密码，从而完成防盗器的各种功能，这种密码发射方式称为第一代固定码发射方式(简称定码发射方式)。定码发射方式在汽车防盗器中的应用并不普及，当防盗器用量不多即处于一个初期防盗器应用市场里时，其防盗器的安全性和可靠性还有所保证。但对于一个防盗器使用已成熟的市场而言，定码方式就显得既不可靠又不安全，原因有三：

（1）密码量少，容易出现重复码，即发生一个遥控器控制多部车辆的现象。

（2）遥控器丢失后，若单独更换遥控器极不安全，除非连同主机一道更换，但费用过高。

（3）也是最大的危险即安全性差，密码易被复印或盗取，从而使车辆被盗。

2.跳码防盗器。定码防盗器长期以来一直存在密码量少、容易出现重复码且密码极易被复制盗取等不安全问题，因此跳码防盗器应运而生，其特点如下：

（1）遥控器的密码除身份码和指令码外，多了跳码部分。跳码即密码依一定的编码函数，每发射一次，密码随即变化一次，密码不会被轻易复制或盗取，安全性极高。

（2）密码组合上亿组，根本杜绝了重复码。

（3）主机无密码，主机通过学习遥控器的密码，从而实现主机与遥控器之间的相互识别。若遥控器丢失，可安全且低成本地更换遥控器，无后顾之忧。

（三）遥控电子防盗系统

目前这种电子防盗系统广泛应用于许多原厂配置防盗系统的汽车上使用。遥控电子防盗系统是利用发射和接收设备，并通过电磁波或红外线来对车门进行锁止或开启，也就是控制防盗系统进行防盗值班或解除。

遥控电子防盗系统种类繁多，常见的有电磁波遥控电子防盗系统和红外线控制防盗系统。遥控电子防盗系统在夜间无需灯光帮助就能方便快捷的将车门锁止或开启。

1.结构组成。一套完整的遥控汽车防盗器应由下面几个部分组成：

（1）主机部分：它是防盗器的核心和控制中心。

（2）感应侦测部分：它可由感应器或探头组成，目前普遍使用的是振荡感应器，微波及红外探头应用极少。

（3）门控部分：包括前盖开关、门开关及行李舱开关等。

（4）报警部分：喇叭。

（5）配线部分。

（6）其他部分：包括不干胶、螺钉及继电器等配件和使用说明书及安装配线图等。

2.遥控电动中央门锁防盗系统的功能及操作

（1）遥控锁车及防盗设定。按遥控器上的相应按键，四个转向灯闪烁一次，示意驾驶员车门及行李厢已上锁。防盗状态指示灯不停的慢闪，提示驾驶员车已进入了防盗状态。此状态下起动及点火电源均被切断。

（2）遥控开锁及防盗解除。按遥控器上的相应按键，四个转向灯闪烁两次，示意驾驶员车门及行李厢已开锁。防盗状态指示灯熄灭，提示驾驶员车已解除防盗，起动及点火电源电路恢复正常。同时室内灯点亮持续20s，方便驾驶员及乘员上车。

（3）自动防盗设定。停车后将点火开关转到断开位置，如果任何一车门打开再关上，延迟3s，四个转向灯持续闪烁五次后，自动进入防盗设定状态。5s内再次打开车门，则系统停止记时。当又关上全部车门时，系统重新开始记时，四个转向灯又开始闪烁，5s后再次进入防盗系统设定状态。此间如不用钥匙或遥控器锁车，中央控制门锁不会锁车，以防驾驶员或遥控器忘在车上。

（4）二次防盗设定。如果误触动了遥控器的相应按键，使防盗解除（此时室内灯会自动点亮20s）；或有意识的解除防盗后，30s内车门没有打开，系统再次进入防盗设定状态，并将车门自动锁上。

（5）防窃车功能。当点火开关转到行车档，汽车在遥控距离内遭抢或强行开走时，被抢驾驶员按住大键持续3s，四个转向灯会不停地闪烁。同时车上的喇叭一直鸣叫，以示报警并警告抢车人停车。如果抢车人弃车逃走，车在遥控距离内，驾驶员按下相应的按键可解除转向灯的闪烁和喇叭的鸣叫。如果抢车人将车开走，即使将车停下拔出钥匙，四个转向灯仍一直闪烁，直至将蓄电池的电能耗完；上车再起动，车的起动及点火电源被切断，汽车不能再被开走，若钥匙转至点火位置，车上的喇叭又会开始鸣叫。

（6）防盗系统被触动，自动报警，系统再次进入防盗设定状态

车在防盗设定过程中，未经遥控器解除，强行打开车门及行李厢或强行起动发动机，四个转向灯会自动继续闪烁30s以示报警。若系统恢复正常，30s后转向灯自动熄灭，系统再次进入防盗设定状态。若系统未恢复正常，90s后转向灯自动熄灭，系统再次进入防盗设定状态。

（7）停车自动开锁。停车后，点火开关转到关断位置，中央控制门锁系统自动开锁、室内灯自动点亮20s，方便驾驶员和乘员下车。

（8）自检功能。防盗设定后，四个转向灯闪烁一次，系统自动进入防盗设定的同时也处于自检状态。即如果任何一车门未关好或出现故障造成车门联动开关短路时，四个转向灯闪烁4次；如果行李厢未关好或行李厢开关出现故障造成开关短路时，四个转向灯闪烁6次，提示驾驶员检查故障点。自检系统还将四个车门及行李厢分为两个检测区。即：四个车门为一个检测区，行李厢是一个独立的检测区。如果其中有一个检测区出现故障不会影响另一个检测区执行防盗功能。

（9）防盗被触动，自动记忆、自动显示。在防盗设定时间，系统中任一部位被触动过，在防盗解除时，状态指示灯将快闪，以提示驾驶员引起注意。

（10）防盗系统解除。如果防盗系统发生故障、遥控器电池没电或汽车需要维修时，须将防盗系统解除，系统中遥控中央门锁的功能仍可正常使用。其方法为：将点火开关转到行车档，将解除开关闭合，四个转向灯闪烁一次，状态指示灯闪烁一次后熄灭，表示防盗系统进入解除状态（防盗系统不能使用）。

（11）防盗系统的恢复。将点火开关转到行车档，将解除开关断开，四个转向灯闪烁3次，状态指示灯闪烁3次后熄灭，表示防盗系统可以正常使用。

电动车控制器篇10

关键词　轨道交通　交流传动　逆变器　调压调频分类号

1 　交流传动系统与直流传动系统的比较

随着电力电子器件、控制理论和计算技术的发展,交流传动已经逐步在取代直流传动,并显示了其在性能价格比和运行性能上的优势. 自1970 年bbc 公司开发的第一台交流传动内燃机车de2500 问世以来,到目前已有数千台交流传动机车和电动车组投入运营. 交流传动机车的粘着系数比直流传动机车高约10 % , 且交流传动机车的电机型式一般采用结构简单、可靠性好、寿命长,几乎免维护的鼠笼式异步电机。交流传动机车与直流传动机车的性能比较如表1 所示[ 1 ].

交流传动机车较直流传动有相当大的优越性,目前,欧洲和日本等工业化国家铁路工业部门,已基本停止了直流传动电力机车的生产[2 ]. 与斩波器─ 直流电机斩波调压电气传动系统相比,调压调频(vvvf) 逆变器─ 交流电机的系统主电路变得十分简单. 主要由高速断路器、

表1 　交流传动机车与直流传动机车的性能比较

少了电阻发热的危害. 现在,以斩波器为核心的直流传动电动车组也逐步让位于以vvvf 为核心的交流传动电动车组,如日本的东京、韩国的汉城、德国的汉堡和法兰克福、美国的波特兰[3 ] 等.

2 　我国城市轨道交通传动系统的现状和发展趋势

国内城市轨道交通(除香港外) 发展比较缓慢,除了地铁以外,几乎没有城区和近郊的地面轨道交通. 而地铁交通,目前也只有北京、天津、上海和广州等城市开通运营.

2. 1 　供电制式

以北京和天津为代表的北方地区采用dc 750 v 供电电压制式,允许电压波动范围为dc 500 v～dc 900 v , 第三轨受流;以上海和广州为代表的南方地区采用dc 1 500 v 供电电压制式,允许电压波动范围为dc 1 000 v～dc 1 800 v , 架空接触网受电弓受流.

上述两种供电电压制式都是国际电工委员会推荐的,都能满足城市轨道交通供电的要求. 但是,从减少城市轨道交通牵引供电系统的电能损失和电压降,延长供电距离以降低牵引变电站的数量及投资,以及从降低受流接触网的悬挂重量、降低结构复杂性及投资而言,采用dc 1 500 v 的牵引供电电压制式比采用dc 750 v 的牵引供电电压制式显然要经济得多. 高耐压电力电子变流器件的不断发展,如4 500 v 的gto 、3 300 v 的igbt 等,为采用dc 1 500 v 供电的城市轨道交通牵引传动系统提供了可靠的技术保障. 因此,今后我国的城市轨道交通牵引传动系统的供电电压制式的发展趋势应该是逐步采用统一的dc 1 500 v.

2. 2 　牵引传动系统

北京的地铁列车采用国产电动车组,牵引控制装置为凸轮调阻和斩波调阻方式,牵引电机为直流电机. 正在新建的复八线(复兴门─ 八王坟) 线长16. 7 km , 预计1999 年10 月1 日通车,牵引控制装置采用gto 元件的vvvf 逆变器,牵引电机为鼠笼式交流电机,主机由日本东洋电机公司制造.

天津的地铁列车采用国产电动车组,牵引控制装置为凸轮调阻器方式,牵引电机为直流电机. 上海的地铁列车采用德国进口的电动车组,牵引控制装置为调压斩波器,牵引电机为直流电机. 正在新建的新线,也将采用vvvf 逆变器的交流传动装置. 广州地铁列车于1997 年6 月投入试运行,全部采用进口电动车组,牵引控制装置为gto 元件的直交vvvf 逆变器,牵引电机为鼠笼式交流电机.

由上可见,我国今后城市轨道交通的牵引传动系统的发展会普遍采用vvvf 逆变器和鼠笼式异步电机的交流传动系统.

3 　基于北京地铁的交流传动系统逆变器国产化方案

国产化交流传动系统采用由电压源vvvf 逆变器控制三相交流牵引电机的方式. 该系统主要包括如下设备:主控制器、vvvf 逆变器系统(包括逆变器主电路和控制器) 、高速断路器箱、l2c 滤波器、鼠笼式异步牵引电机、主隔离开关和主熔断器、母线隔离开关和高速熔断器、接地开关箱和接地装置[4 ] 等. 以上这些设备除了vvvf 逆变器外,其它设备国产化比较容易实现,而且不少设备已经在北京地铁列车上使用. 这里着重讨论vvvf 逆变器的国产化方案.

3. 1 　vvvf 逆变器结构型式

笔者建议交流传动系统vvvf 逆变器的开关器件选用已商品化的大功率快速开关器件igbt 模块(若市场有供货,也可选用集成了驱动和保护电路的igbt 模块,即ipm 模块). 已商品化的大功率igbt 器件目前有:800 a/1 700 v 、1 200 a/1 700 v 、800 a/2 500 v 、1 200 a/2 500 v 、800 a/3 300 v 、1 200 a/ 3 300v 等. 本方案之所以选用igbt , 而不选用gto , 是因为igbt 与gto 相比有如下优点[5 ] : ① 开关频率较高,提高逆变器输出波形质量,使得噪声水平和电机损耗较低,igbt 的开关频率为1 khz 时,电磁噪声能下降3～4 db ; ② 门控简单,触发能耗较低,只有gto 的1/ 20 ; ③ 吸收电路非常简单,其能耗只有gto 吸收电路的1/ 60 ; ④ 保护系统简化,且短路时可自关断保护; ⑤ 可靠性较高,备品可减少到原gto 备品的1/ 10 ; ⑥ 相同容量装置的重量和尺寸大大减少.

当然,无论选用igbt , 还是选用gto , 这种大容量的开关元器件国内厂家都不能生产,均需要从国外公司进口. 采用igbt 后,由于元器件成本下降,逆变器系统要简化得多,故国产化更易实现.

我国城市轨道交通的供电电压是直流750 v(允许500～900 v 变化) 和直流1 500 v(允许1 000 v～1 800 v 变化),故vvvf 逆变器主电路结构选用电压型二电平三相逆变器结构即可. 对于直流750 v 供电的交流传动vvvf 逆变器,igbt 器件耐压可选1 700 v 或2 500 v ; 对于直流1 500 v 供电的交流传动vvvf 逆变器,igbt 器件耐压可选3 300 v.

3. 2 　控制方案

城市轨道交通牵引列车中,交流传动系统常见的逆变器─ 电机控制方案有两种:第一种是1 台逆变器控制4 台电机;第二种是1 台逆变器控制2 台电机. 针对北京复八线地铁列车来说,1 台电机的额定容量为180 kw , 故第一种方案逆变器容量需要1 000 kva 左右,第二种方案逆变器容量需要500 kva 左右即可. 笔者建议采用第二种控制方案,即1 台逆变器控制2 台电机的方案. 理由如下: ① 城市轨道交通车辆一般都是四轴车,第二种方案是1 台逆变器控制一个转向架的2 台电机,与第一种方案1 台逆变器控制两个转向架上4 台电机相比,第二种方案能更充分利用轮轨之间的粘着系数,更有利于列车牵引力的发挥; ② 采用第二种方案,每台逆变器需要从散热器上移走的热量减少一半,这使得散热的处理更加容易; ③ 对于现行的三动三拖六辆编组的列车来说,如果列车上1 台逆变器发生故障,被切除运行,那么对于第一种方案列车的牵引动力将损失1/ 3 , 而对于第二种方案列车的牵引动力只损失1/ 6. 由此可见, 采用第二种方案列车故障时的运行能力优于第一种方案; ④ 现有的igbt 器件电流水平是1 200 a , 采用第一种方案至少需要4 只igbt 并联,采用第二种方案只需两只igbt 并联. ig2 b t 两只并联均流比4 只并联均流更容易些.

3. 3 　vvvf 逆变器控制模式

北京地铁列车的最高运行速度是80 km/ h , 平均速度为35～40 km/ h. 其速度控制由逆变器来实现. 牵引电机的转速、直流侧电压、逆变器三相输出电压等检测信号送入逆变器的控制电路中,由逆变器控制器按照运行指令和电机牵引特性的要求计算出电压和频率指令,并转化为pwm 开关信号来控制逆变器的开关器件,从而实现电机(电动车组) 的速度控制. 对于轨道交通牵引来说,逆变器─ 电机系统应该满足下列要求[ 6～8 ] :平稳典型起动、抑制滑行和空转、再生制动、调速范围宽. 为此,电动车组从起动到停车的调速控制模式如下:

(1) 恒转矩牵引控制阶段. 该阶段转差频率(f s) 一定、电压/ 频率( v/ f) 一定, 逆变器输出频率按速度要求逐渐增大, 对逆变器输出电压实行pwm 控制, 可以保持牵引力恒定, 电机电流基本不变. 该阶段对电机零速到基速之间调速适用.

(2) 恒功率牵引控制阶段. 逆变器输出电压达到最大值后保持不变, 使电机的转差频率随逆变器频率增加, 维持电机电流不变, 从而得到恒功率控制. 该阶段电机牵引力随逆变器输出频率的上升成反比减少, 相当于直流电机的弱磁控制. 该阶段从电机基速一直持续到转差频率达到所给定的最大值.

(3) 自然特性牵引控制阶段. 这一阶段逆变器输出电压保持最大值不变, 转差频率也保持最大值不变, 逆变器输出频率随速度要求逐渐增大, 电机电流与频率成反比逐渐减少, 直到最高运行速度. 该阶段电机牵引力与逆变器频率的平方成反比减少, 相当于串激直流电机在最弱磁场下的自然特性.

(4) 再生制动自然特性控制阶段. 这一阶段与控制模式( 3) 的阶段相同, 只是速度变化由高到低. 电机电流随逆变器输出频率的减少成反比增大, 本应持续到下一个阶段, 但由于逆变器容量的限制, 决定了电机电流的上限, 当电机电流达到最大值后将实行恒流控制. 这时制动力矩随逆变器频率的降低成反比例增加, 相当于直流复励电机的电流限制区.

(5) 再生制动恒转矩控制阶段一. 逆变器电压仍保持最大值, 控制时使转差频率的绝对值与逆变器频率的平方成正比, 逆变器频率随着电机的速度逐渐下降. 该阶段电机电流基本上与逆变器频率成反比减少, 使得制动力矩保持恒定.

(6) 再生制动恒转矩控制阶段二. 这一阶段与控制模式( 1) 的阶段相同, 只是速度变化由高到低. 再生制动恒转矩控制可以持续到速度降到5 km/ h , 然后切除电制动, 转换到空气制动, 直到停车. 3. 4 　vvvf 逆变器系统主要技术指标

(1) 供电输入电压　额定电压为dc 750 v ; 变化范围为dc 500 v～dc 900 v ; 再生制动时为直流侧电压不高于1 000 v.

(2) 额定容量　2 ×500 kva ; 最大输出容量为2 ×600 kva (牵引时).

(3) 元器件规格　开关器件igb t ─1 700 v/1 200 a , 内含续流二极管.

(4) 控制组合　1 台逆变器控制2 台180 kw 的鼠笼式电机.

(5) 逆变器控制器　采用16 位单片机与数字信号处理器(dsp) 相结合,dsp 实现高速运算,16 位单片机完成pwm 脉冲,达到对逆变器的高速高精度的控制.

(6) 输出电压　幅值为0～550 v 三相交流,频率为1～150 hz , 三相不平衡度为基波电压不超过5 %. (7) 效率　额定工况不低于95 %.

(8) 冷却方式　热管交换热能,走行风自然冷却.

3. 5 　牵引电机主要电参数与性能

型式为三相4 极鼠笼式异步电机, 输出功率为180 kw(小时制), 额定电压为550 v , 额定电流为240 a , 额定频率为77 hz , 额定效率> 92 % , 额定功率因数> 0. 85 , 耐压强度:在高温条件下加压ac 3 700 v(50 hz)1 min , 无闪络.

3. 6 　vvvf 逆变器系统保护功能

vvvf 逆变器内设监控装置用于故障分析和维修. 逆变器系统具有各项保护功能,其中轻微故障引起的保护动作在系统恢复正常后或主控制器操作回零后自动复位.

(1) 控制电路欠电压保护　控制电路的110 v 电源电压低于72 v 时封锁igb t 脉冲,并切断主电路电压;电压高于77 v 时恢复正常.

(2) 主电路欠电压保护　电压低于450 v , 持续0. 2 s , 切断主电路,封锁igb t 脉冲;电压低于325 v , 切断主电路,封锁igb t 脉冲;电压高于500 v 时恢复正常.

(3) 主电路过电压保护　电压高于1 050 v , 持续1 s , 切断主电路,封锁igb t 脉冲,开放放电电阻;电压高于1 100 v , 切断主电路;电压高于900 v 时恢复正常.

(4) 输出过电流保护　当逆变器输出电流超过设定值后封锁igb t 脉冲;过流消失0. 5 s 后,恢复正常. 若释放脉冲后仍过流,则再次封锁igb t 脉冲,并切断主电路.

(5) 输出缺相保护　三相检测电流整流后,电流波动大于设定值,则封锁igb t 脉冲,切断主电路.

(6) 轮对空转或滑行保护　减少电机输出电流,依照预定曲线实行再粘着控制.

(7) 散热器过热保护　散热器温度超过80 ℃ 时,封锁igb t 脉冲,切断主电路.

(8) igb t 短路保护　一旦igb t 短路,依照短路保护程序,封锁igb t 脉冲,不可恢复.

(9) 电流传感器故障保护　三相电流之和的绝对值大于设定值时,封锁igb t 脉冲,切断主电路.

4 　辅助电源系统

辅助电源是给客室照明、客室通风机、司机室空调机、蓄电池组浮充电电源及系统控制设备供电的电源,其容量为40 kw.

该辅助电源由igb t 升降压dc/ dc 变换器(即斩波器) 把直流500～900 v 的电网电压变为直流750 v 的稳定电压,再由igb t 静止逆变器把直流750 v 的电压逆变为380 v 、50 hz 的交流电压,再由工频变压器变压并整流以得到所需的电压. 由于采用igb t 作为开关器件, 故在dc/ dc 变换器结构上毋需二重化,交流输出端也不需交流滤波器.

(1) 输出电压及容量　三相交流负载为电压380 ×(1 ±0105) ,频率(50 ±1) hz ,24 kw ; 直流负载一为电压110 ×(1 ±0101) ,15 kw ; 直流负载二为电压24 ×(1 ±0101) 1

(2) 逆变器效率　> 90 %1

(3) 逆变器过载能力　150 % 过载,10 s 后自动停机; 200 % 过载,立即停机1

(4) 使用温度　-20 ℃～ + 40 ℃1

(5) 保护功能　静止逆变器与vvvf 逆变器相同. dc/ dc 变换器输出电压大于800 v 时,停机保护.

5 　交流传动系统逆变器国产化的可能性

对于城市轨道交通列车所需的交流传动vvvf 逆变器、辅助电源的dc/ dc 变换器(即斩波器) 和静止逆变器的研制与产品化,从目前的技术水平看,我国完全能够自力更生来实现. 我国铁路系统于1996 年研制成功了ac 4000 型交流传动电力机车原型车. 目前正在开展200 km/ h 交流传动高速动车组研制.

笔者提出了基于北京地铁的轨道交通交流传动逆变器系统的国产化方案,认为采用1 700 v 电压等级的igb t 构成二电平vvvf 逆变器用于直流750 v 供电的交流传动系统是合适的,也是可行的. 对于辅助电源,我国已有在8 k 电力机车上成功应用的经验,可供轨道交通列车辅助电源设计的参考.

参考文献

1 　柏华. 基于双微机结构的异步牵引电机直接力矩控制系统的研制: [ 学位论文] . 北京:铁道科学研究院机车车辆研究所, 1998.

2 　铁道科学研究院机车车辆研究所. 城市轨道交通列车国产化论证报告. 北京:铁道科学研究院机车车辆研究所,1998.

3 　西门子交通技术部. 牵引变流器发展战略. 1997.

4 　奥地利政府交通部. 铁路机车和动车用的牵引变流器. 中—奥铁路技术研讨会上的报告,1996.

5 　三菱电机株式会社. 交流电机传动控制技术交流会资料. 1996.

6 　郑树选主编. 8 k 型电力机车. 北京:中国铁道出版社,1994.