電動汽車用永磁同步電機驅(qū)動控制器設(shè)計

摘要：電動汽車驅(qū)動電機頻繁工作于啟動／停車、加／減速等復(fù)雜工況下，較工業(yè)用電機需要更寬的轉(zhuǎn)速范圍和更高的過載系數(shù)，同時對控制器的開發(fā)提出了較大的挑戰(zhàn)。設(shè)計了一種適用于電動汽車的永磁同步電機(PMSM)控制器。給出了主電路的設(shè)計方法及驅(qū)動、檢測和保護單元的參考電路。軟件部分采用矢量控制，并根據(jù)實時性要求將任務(wù)劃分為4級。最后搭建平臺，對控制器的性能進行了測試。
關(guān)鍵詞：電動汽車；永磁同步電機；控制器

1 引言
當前能源危機和環(huán)境污染問題推動了電動汽車的發(fā)展。電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括汽車技術(shù)、電氣技術(shù)和電子技術(shù)等，其中電機驅(qū)動技術(shù)是電動汽車的核心。電機驅(qū)動系統(tǒng)的任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換為機械能使汽車前進。電動汽車驅(qū)動電機不同于工業(yè)用電機，通常要求能頻繁地啟動／停車、加速／減速、具有較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較高的過載系數(shù)，且要求驅(qū)動電機低速或爬坡時能提供高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時則能輸出低轉(zhuǎn)矩。各國政府和主要汽車公司都對驅(qū)動電機控制器的研究和開發(fā)給予了高度的重視，并取得了一定的成就。
目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動汽車用電機主要有直流電機、無刷直流電機、PMSM、感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機。PMSM以其體積小、重量輕、慣性低、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、啟動轉(zhuǎn)矩高和功率因數(shù)高的特點在電動汽車領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。此處將設(shè)計一種適用于電動汽車的PMSM控制器。

2 控制器硬件設(shè)計
驅(qū)動電機控制器采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，功率部分包括：主電路；IGBT驅(qū)動電路及開關(guān)電源電路?？刂撇糠职ǎ篋SP控制電路；電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速的檢測電路、故障與保護電路；開關(guān)量輸入輸出電路；模擬量輸入輸出電路、485／CAN通信電路和操作器電路，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 控制器主電路設(shè)計
控制器設(shè)計之初，需確定控制器負載、供電電源和使用環(huán)境的要求：①負載參數(shù)要求：負載額定功率Pn、額定電壓un、額定電流in和過載倍數(shù)kg等；②電源參數(shù)要求：額定電壓及變化范圍；③其他要求：工作環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)尺寸限制等。根據(jù)某電動汽車的要求，此處研制的控制器性能指標為：額定功率55 kW；額定轉(zhuǎn)速4 500 r·min-1；峰值功率82．5 kW；峰值功率運行時間5 min；電動方式轉(zhuǎn)速范圍0～9 000 r·min-1；發(fā)電方式轉(zhuǎn)速范圍800～9 000 r·min-1；基速峰值及額定功率時的效率89％～93％；工作電壓范圍405～583．2 V；扭矩控制精度為：額定扭矩以下：±5 N·m，額定扭矩以上：5％；扭矩控制響應(yīng)時間小于100 ms；速度控制響應(yīng)時間為在200 ms時進入±50 r·min-1誤差之內(nèi)；速度控制精度：負載從0～100％變化，速度變化小于±1％；扭矩和速度控制模式的轉(zhuǎn)換時間20 ms。
2．1．1 控制器容量選擇
由于電機控制器傳給驅(qū)動電機的是脈動電流，其脈動值比工頻供電時電流要大，因此須將電機控制器的容量留有適當?shù)脑Ａ?。變頻器應(yīng)滿足：

式中：Scn為電機控制器的額定容量；Pn，η，cosφ分別為電機輸出功率、效率、功率因數(shù)，η=0．85，cosφ=0．8；K為電流波形的修正系數(shù)，PWM方式取1．05～1．1。
2．1．2 IGBT電壓選擇
IGWT電壓應(yīng)能承受母線峰值電壓，當ICBT關(guān)斷時峰值電壓可表示為：

式中：Udcmax為母線最高電壓；α為過電壓保護系數(shù)，取α=1．15；β為安全系數(shù)，一般取β=1．1；Ldi／dt為母線電感引起的尖峰電壓，這里取100 V。
通過對式(2)進行計算得到Ucesp=858．7 V，這樣應(yīng)選擇Uces=1 200V的元件。
2．1．3 IGBT電流規(guī)格選擇
IGBT電流的選擇，需保證電機峰值電流在IGBT的安全工作區(qū)內(nèi)。IGBT的額定電流應(yīng)滿足：

式中：S為電機控制器容量，此處S=114kVA；kg=1.5；kjw為考慮結(jié)溫的電流降額系數(shù)，此處kjw=1.4；U0為驅(qū)動電機線電壓，
由式(3)可得，Ic應(yīng)大于508．94 A，根據(jù)IGBT的等級應(yīng)選擇Ic=600 A的元件。