高集成度轎車用電機控制技術(shù)研究

摘要：本文以某款新能源轎車為研究對象，對驅(qū)動電機系統(tǒng)進行研究開發(fā)，確定驅(qū)動控制原理圖，通過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。交流永磁電機電流最優(yōu)控制方法，計算得到各個轉(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際輸出電流。

1 驅(qū)動電機控制原理

　　永磁同步電機轉(zhuǎn)子為永磁體，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機位置傳感器，以電機相電流作為反饋量，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)動永磁同步電機運轉(zhuǎn);同時，通過檢測當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置信號和對電機的相電流進行實時采樣，并送入電機控制單元。電機控制單元通過CAN總線與整車控制器進行通信，從整車控制器獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)矩指令、運行模式和旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)反饋得到電流和電機位置信號，控制電機控制器產(chǎn)生所需要的三相交流電，從而實現(xiàn)電機正常運行。

2 控制器硬件功能描述及組成

2.1 電機控制器具有如下功能

　　(1)過流、過壓、過溫、欠壓、超速、電源極性連接錯誤等保護功能;

　　(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、監(jiān)控和標定;

　　(4)控制永磁同步電機運行。

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、檢測單元(溫度傳感器，電流傳感器)構(gòu)成。控制器硬件結(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)控制器實際需求，DC-DC控制電源采用多個反激式開關(guān)電源來滿足需求。

2.4 DSP控制單元

　　DSP控制單元以驅(qū)動S320LF2407為主控芯片，采用永磁同步電機變壓變頻矢量控制方法，實現(xiàn)對永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

　　DSP控制單元主要功能包括：控制算法的實現(xiàn);SVPWM信號的產(chǎn)生;電流、電壓及溫度信號的采樣與計算;電機轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的檢測與計算;通過CAN總線通訊接收整車控制命令;各種保護功能(欠壓，過壓，過流，過溫等)的實現(xiàn)。

　　DSP控制單元的電路主要包括：時鐘電路;復(fù)位電路;JTAG接口電路;外部中斷電路、PWM驅(qū)動控制電路;AD采樣電路、旋變信號檢測電路;CAN/232接口電路;D/A轉(zhuǎn)換電路;外擴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)動電路構(gòu)成。

　　功率模塊驅(qū)動電路主要接受DSP開關(guān)信息并反饋相關(guān)信息(保護信號);放大開關(guān)信號并驅(qū)動IGBT;提供電壓隔離和保護功能。控制器驅(qū)動電路以隔離型驅(qū)動芯片為核心，對控制單元提供的PWM信號進行隔離放大，驅(qū)動大功率器件IGBT，實現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換?？刂破鞑捎糜w凌的FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin結(jié)構(gòu))作為大功率開關(guān)器件。直流濾波電容采用國內(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 檢測電路

　　檢測電路主要包括電機相電流(A/C相)、母線電流、母線電壓、電機溫度、控制器溫度及電機位置和速度進行實時檢測，并將采集到的信息送給DSP控制單元，是電機驅(qū)動系統(tǒng)可靠運行的保證。

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：

　　(1)體積小、重量輕、能耗低，硬件成本低;

　　(2)硬件線路連接少、無故障工作時間長、可靠性更高;

　　(3)受溫度及其它參數(shù)變化影響小;

　　(4)提高了整個系統(tǒng)信息存儲、監(jiān)控、診斷及實時性的能力;

　　(5)可以通過軟件編程實現(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，既簡化了電機控制的硬件結(jié)構(gòu)，同時還實現(xiàn)了電機控制的高性能、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)動電路選用汽車級隔離型IGBT驅(qū)動芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對SVPWM信號的放大，強弱電的電氣隔離以及IGBT短路保護等功能。

　　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(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(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，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的車用電機及其控制系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。

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

3.3 濾波電容

　　電機控制器直流濾波電容主要是用于濾除10kHz的高頻紋波，瞬時功能及諧波補償?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。