基于TC1782的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)

　　摘要：本文在簡要介紹當(dāng)前驅(qū)動(dòng)汽車技術(shù)革命的電動(dòng)汽車技術(shù)的前提下，詳細(xì)介紹了電動(dòng)汽車主要核心部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器，重點(diǎn)分析了英飛凌32位新型單片機(jī)在電機(jī)控制器中的應(yīng)用以及軟件的基本架構(gòu)，探討了用軟件實(shí)現(xiàn)旋變解碼的可行性及其解決方案。并結(jié)合當(dāng)前比較流行的汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，闡述英飛凌在汽車電機(jī)控制器的安全應(yīng)用解決方案。

　　0 前言

　　電動(dòng)汽車是21世紀(jì)的綠色交通工具，電動(dòng)汽車技術(shù)是當(dāng)前國際上正在進(jìn)行研究的一項(xiàng)高新且熱門的技術(shù)。作為核心部件之一的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車(EV)及混合動(dòng)力汽車(HEV)中起著至關(guān)重要的作用，對它們進(jìn)行研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

　　永磁同步電機(jī)(技術(shù)上也叫PMSM)相對于傳統(tǒng)交流電機(jī)具有高效、高功率密度以及良好的調(diào)速性能[1]，正逐漸成為EV和HEV中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首選之一。本文主要討論了研制與開發(fā)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，闡述了控制系統(tǒng)的功能架構(gòu)和軟硬件的實(shí)現(xiàn)過程，初步形成了控制系統(tǒng)的開發(fā)體系，為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的獨(dú)立開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

　　1 永磁同步電機(jī)

　　永磁同步電機(jī)PMSM轉(zhuǎn)子上裝有永久磁體，定子采用正弦繞組(圖1左)，三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流(圖1右)產(chǎn)生旋變磁場，從而拖動(dòng)永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋變磁場轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速。

　　和常見的交流感應(yīng)電機(jī)不一樣，PMSM電機(jī)所用正弦波必須和轉(zhuǎn)子的角位置同步才能獲得有用的扭矩,因此在控制電機(jī)時(shí)必須實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置的值常常由一般用絕對位置傳感器(包括絕對碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器)。永磁同步電機(jī)低速時(shí)常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉(zhuǎn)子磁鏈定向和定子磁鏈定向，高速時(shí)增加弱磁控制[2]。

　　2 電機(jī)控制系統(tǒng)

　　2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　永磁同步電機(jī)PMSM的特性決定了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，較為常見的PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)器、主控制器(邏輯控制板)及各種傳感器(電流傳感器，溫度傳感器和旋變繞組等) 等組成[1]，圖2所示為英飛凌推出的應(yīng)用于在EV和HEV上PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)的解決方案：

　　在上圖所示方案中，驅(qū)動(dòng)器由IGBT三相橋驅(qū)動(dòng)板，HybridPACK™2 IGBT(簡稱HP2)模塊和直流母線電容組成。IGBT三相橋驅(qū)動(dòng)板包括6通道的IGBT預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，開關(guān)電源SMPS，邏輯門電路，故障檢測電路，電壓及溫度測量電路。由六個(gè)IGBT單元組成驅(qū)動(dòng)PMSM電機(jī)的三相橋臂的HP2模塊是英飛凌專門為EV和HEV應(yīng)用而設(shè)計(jì)的大功率模塊，其最大工作電壓為650 V，最大額定功率為80KW，模塊的最高運(yùn)行結(jié)溫為150℃。主控制器則搭載了英飛凌32位新型單片機(jī)TC1782(Audo-MAX系列)的最小系統(tǒng)電路，旋變解碼電路，支持ISO26262功能安全解決方案的監(jiān)控電路和傳感器接口電路等。

　　2.2 主控制器設(shè)計(jì)

　　PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器采用了Infineon生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模塊，以下討論將集中于主控制器的設(shè)計(jì)，最后驗(yàn)證測試整個(gè)控制系統(tǒng)。

　　2.2.1 主芯片選型

　　PMSM電機(jī)的控制要求主控制器不僅有強(qiáng)大的適合電機(jī)控制的專用外設(shè)，而且有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性能。TC1782是一款哈弗架構(gòu)且有非對稱雙核(主核Tricore和外設(shè)控制協(xié)處理器PCP)的高性能32位單片機(jī)，主頻高達(dá)180MHz，內(nèi)置浮點(diǎn)運(yùn)算單元FPU，支持DSP算法指令，2.5M字節(jié)FLASH，176K字節(jié)RAM。TC1782與電機(jī)控制相關(guān)的重要外設(shè)主要是通用時(shí)間陣列GPTA和數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC。GPTA提供一套靈活的定時(shí)，比較和捕獲功能，可以靈活地組合成信號檢測單元和信號發(fā)生單元，應(yīng)用于電機(jī)控制時(shí)可以支持動(dòng)態(tài)控制的死區(qū)時(shí)間和不同于邊沿對齊和中央對齊的非對稱PWM輸出。由硬件觸發(fā)(如GPTA)并實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADC至少可以支持在電機(jī)應(yīng)用中兩相電流的同時(shí)獲取。圖3中所示為電機(jī)控制的一個(gè)單周期時(shí)序，GPTA生成一相帶死區(qū)的互補(bǔ)式PWM波形，在PWM中點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)ADC0和ADC1的轉(zhuǎn)換，ADC模塊在完成對應(yīng)通道轉(zhuǎn)換后啟動(dòng)CPU中斷服務(wù)程序。

　　TC1782的每個(gè)AD轉(zhuǎn)換模塊(ADC0和ADC1)都支持16 路轉(zhuǎn)換通道，具有可編程的轉(zhuǎn)換精度(8/10/12比特)，12比特下最快轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1微秒。專用外設(shè)控制協(xié)處理器PCP可以承擔(dān)大部分中斷負(fù)荷，從而主核可以集中處理用于電機(jī)控制的復(fù)雜運(yùn)算，如Park變換，Clarke變換和空間矢量調(diào)制(SVM)等。目前TC1782微控制器受到了越來越多的汽車廠商和零部件供應(yīng)商的關(guān)注，被國內(nèi)外主流OEM和零部件供應(yīng)商選為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的關(guān)鍵部件之一。