高集成度轎車(chē)用電機(jī)控制技術(shù)研究

摘要：本文以某款新能源轎車(chē)為研究對(duì)象，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，確定驅(qū)動(dòng)控制原理圖，通過(guò)分析其控制器組成及功能分析，確定控制器關(guān)鍵部件的選型。交流永磁電機(jī)電流最優(yōu)控制方法，計(jì)算得到各個(gè)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實(shí)際輸出電流。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制原理

　　永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)位置傳感器，以電機(jī)相電流作為反饋量，控制方式為轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

　　高壓直流電源經(jīng)電機(jī)控制器DC/AC變換為電壓幅值和頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn);同時(shí)，通過(guò)檢測(cè)當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和對(duì)電機(jī)的相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并送入電機(jī)控制單元。電機(jī)控制單元通過(guò)CAN總線與整車(chē)控制器進(jìn)行通信，從整車(chē)控制器獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)矩指令、運(yùn)行模式和旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)反饋得到電流和電機(jī)位置信號(hào)，控制電機(jī)控制器產(chǎn)生所需要的三相交流電，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常運(yùn)行。

2 控制器硬件功能描述及組成

2.1 電機(jī)控制器具有如下功能

　　(1)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫、欠壓、超速、電源極性連接錯(cuò)誤等保護(hù)功能;

　　(2)轉(zhuǎn)矩監(jiān)控功能;

　　(3)具有CAN電路接口用于通訊，232通訊接口用于程序燒寫(xiě)、監(jiān)控和標(biāo)定;

　　(4)控制永磁同步電機(jī)運(yùn)行。

2.2 控制器硬件組成

　　控制器硬件主要由低壓DC-DC控制電源單元、DSP控制單元、功率變換單元、接口電路、檢測(cè)單元(溫度傳感器，電流傳感器)構(gòu)成?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

2.3 DC-DC控制電源單元

　　DC-DC控制電源在寬范圍輸入電壓下，為DSP及驅(qū)動(dòng)電路和控制電路提供多路相互隔離的電源。根據(jù)控制器實(shí)際需求，DC-DC控制電源采用多個(gè)反激式開(kāi)關(guān)電源來(lái)滿足需求。

2.4 DSP控制單元

　　DSP控制單元以驅(qū)動(dòng)S320LF2407為主控芯片，采用永磁同步電機(jī)變壓變頻矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

　　DSP控制單元主要功能包括：控制算法的實(shí)現(xiàn);SVPWM信號(hào)的產(chǎn)生;電流、電壓及溫度信號(hào)的采樣與計(jì)算;電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與計(jì)算;通過(guò)CAN總線通訊接收整車(chē)控制命令;各種保護(hù)功能(欠壓，過(guò)壓，過(guò)流，過(guò)溫等)的實(shí)現(xiàn)。

　　DSP控制單元的電路主要包括：時(shí)鐘電路;復(fù)位電路;JTAG接口電路;外部中斷電路、PWM驅(qū)動(dòng)控制電路;AD采樣電路、旋變信號(hào)檢測(cè)電路;CAN/232接口電路;D/A轉(zhuǎn)換電路;外擴(kuò)EEPROM電路;I/O控制電路等。

2.5 功率變換單元

　　控制器的功率變換單元由直流濾波電容、大功率器件IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。

　　功率模塊驅(qū)動(dòng)電路主要接受DSP開(kāi)關(guān)信息并反饋相關(guān)信息(保護(hù)信號(hào));放大開(kāi)關(guān)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)IGBT;提供電壓隔離和保護(hù)功能?？刂破黩?qū)動(dòng)電路以隔離型驅(qū)動(dòng)芯片為核心，對(duì)控制單元提供的PWM信號(hào)進(jìn)行隔離放大，驅(qū)動(dòng)大功率器件IGBT，實(shí)現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換?？刂破鞑捎糜w凌的FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin結(jié)構(gòu))作為大功率開(kāi)關(guān)器件。直流濾波電容采用國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的AAEV42872膜電容，配套與IGBT模塊組成模塊式結(jié)構(gòu)。

2.6 檢測(cè)電路

　　檢測(cè)電路主要包括電機(jī)相電流(A/C相)、母線電流、母線電壓、電機(jī)溫度、控制器溫度及電機(jī)位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將采集到的信息送給DSP控制單元，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保證。

3 控制器關(guān)鍵器件選型

3.1 DSP控制單元

　　電子控制技術(shù)已從模擬控制發(fā)展到以集成度高的微處理器為核心的數(shù)字控制，與傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)相比，數(shù)字控制擁有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)體積小、重量輕、能耗低，硬件成本低;

　　(2)硬件線路連接少、無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)、可靠性更高;

　　(3)受溫度及其它參數(shù)變化影響小;

　　(4)提高了整個(gè)系統(tǒng)信息存儲(chǔ)、監(jiān)控、診斷及實(shí)時(shí)性的能力;

　　(5)可以通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法功能，使系統(tǒng)具有較高的適應(yīng)能力，容易應(yīng)用現(xiàn)代控制理論，提高了系統(tǒng)的綜合性能。

　　以電力電子控制技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展作為條件，電機(jī)控制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了很大的變化。尤其是DSP的出現(xiàn)和快速發(fā)展，既簡(jiǎn)化了電機(jī)控制的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了電機(jī)控制的高性能、低成本和高可靠性。本系統(tǒng)選用了TI TMS320LF 2407 DSP作為主控制器芯片。

3.2 功率變換單元

　　功率變換單元的驅(qū)動(dòng)電路選用汽車(chē)級(jí)隔離型IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SVPWM信號(hào)的放大，強(qiáng)弱電的電氣隔離以及IGBT短路保護(hù)等功能。

　　IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的車(chē)用電機(jī)及其控制系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

　　本系統(tǒng)功率模塊選用英飛凌汽車(chē)專(zhuān)用IGBT FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin結(jié)構(gòu))作為大功率開(kāi)關(guān)器件，如圖3所示。

3.3 濾波電容

　　電機(jī)控制器直流濾波電容主要是用于濾除10kHz的高頻紋波，瞬時(shí)功能及諧波補(bǔ)償?shù)茸饔?。要求直流濾波電容具有高的有效值電流和抗浪涌能力，以及緊湊的體積。