摘要：本文以某款新能源轎車為研究對象，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究開發(fā)，確定驅(qū)動(dòng)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(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。

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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)，通過檢測當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置信號和對電機(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CAN總線與整車控制器進(jìn)行通信，從整車控制器獲得當(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，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)過流、過壓、過溫、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、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。

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(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信號的產(chǎn)生;電流、電壓及溫度信號的采樣與計(jì)算;電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的檢測與計(jì)算;通過CAN總線通訊接收整車控制命令;各種保護(hù)功能(欠壓，過壓，過流，過溫等)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、旋變信號檢測電路;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開關(guān)信息并反饋相關(guān)信息(保護(hù)信號);放大開關(guān)信號并驅(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，對控制單元提供的PWM信號進(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(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，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、無故障工作時(shí)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(gè)系統(tǒng)信息存儲、監(jiān)控、診斷及實(shí)時(shí)性的能力;

(5)可以通過軟件編程實(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)電路選用汽車級隔離型IGBT驅(qū)動(dòng)芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對SVPWM信號的放大，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專用IGBT FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin結(jié)構(gòu))作為大功率開關(guān)器件。

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。

膜電容具有介電常數(shù)較高、體積小、容量大、穩(wěn)定性較好的特性，能夠承受高的有效值電流，能承受兩倍于額定電壓的過壓，能承受反向電壓，能承受高峰值電流，擁有較長的使用壽命。與電解電容相比，實(shí)現(xiàn)相同的功能，其所需的容值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電解電容，可以大大減小系統(tǒng)的體積。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型

由于新能源轎車頻繁啟動(dòng)及加減速，低速大扭矩，高速高功率運(yùn)行工況特點(diǎn)，對驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)要求總體歸納如下：

(1)滿足電池能量利用最大化：要求高效率及寬效率區(qū)間特點(diǎn)，布置空間體積最優(yōu)，重量輕量化的高密度要求;

(2)滿足動(dòng)力性能要求：需要高速寬調(diào)速性能，大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩及強(qiáng)過載能力，快速轉(zhuǎn)矩相應(yīng)及高速高功率特定;

(3)滿足整車舒適性、可靠性要求：電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、控制成熟、電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠;

(4)滿足成本要求：需要電機(jī)制造工藝簡單，價(jià)格合理。

國內(nèi)永磁同步電機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，中國稀土資源也相對豐富，永磁同步電機(jī)滿足新能源轎車技術(shù)需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、控制成熟、具有較寬效率區(qū)間和調(diào)速性能等技術(shù)特點(diǎn)，相對于直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡單、成本適中。[!--empirenews.page--]

本文描述驅(qū)動(dòng)電機(jī)基于以上特點(diǎn)，采用永磁同步電機(jī)方案，基于成熟車型電機(jī)V型磁鋼沖片平臺進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計(jì)，具有技術(shù)平臺成熟，成本控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

5 控制器接口電路

永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器有兩個(gè)接口電路(完全相同)，使用23PIN的AMP接插件與整車及電機(jī)相連，提供控制電源、CAN通信、RS232下載等功能。

RS232接口電路。

6 電磁兼容性設(shè)計(jì)

控制器EMC設(shè)計(jì)主要從強(qiáng)電、弱點(diǎn)、結(jié)構(gòu)三部分開展工作。

6.1 強(qiáng)電部分

(1)電機(jī)三相動(dòng)力電纜采用屏蔽電纜，電機(jī)和控制器兩端接地屏蔽;

(2)正負(fù)母線與機(jī)殼見加Y電容，消除共模干擾，正負(fù)母線加X電容消除差模干擾;

(3)正負(fù)采用疊層母排，降低線路寄生電感。

6.2 弱電部分

(1)電源輸入/輸出增加濾波電路;

(2)開關(guān)電源變壓器設(shè)計(jì)盡量減小分部電容;

(3)所有輸入/輸出信號增加濾波電路;

(4)CAN通訊采用隔離電路，采用典型CAN接口電路，并使用雙絞線。

6.3 結(jié)構(gòu)部分

(1)箱體采用封閉式，對控制器進(jìn)行整體屏蔽;

(2)控制器內(nèi)部強(qiáng)弱電路分開布置，避免相互干擾;

(3)優(yōu)化線束布置，避免交叉造成相互干擾。

7 永磁同步電機(jī)控制技術(shù)

對于轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)嵌式永磁同步電機(jī)控制，基速以下采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制。

圖5中交流永磁電機(jī)最佳電流矢量控制策略的基本思想如下：

(1)區(qū)間ω≤ω1時(shí)，定子電流矢量規(guī)定在A1點(diǎn)，電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，電機(jī)以最大恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。此時(shí)，定子電流滿足：|is| =ilim， ilim為電流極限圓半徑;定子電壓滿足：|μ|≤μlim，μlim為定子相電壓極限值;

(2)區(qū)間ω1<ω≤ω2時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速升高使得電機(jī)定子電流矢量從A1移動(dòng)到A2點(diǎn)，A2對應(yīng)電壓達(dá)到極限時(shí)電機(jī)能夠運(yùn)行于最大輸出功率的最低轉(zhuǎn)速點(diǎn)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)弱磁控制。此時(shí)， |is| =ilim， |μ|≤μlim;

(3)區(qū)間ω>ω2時(shí)，電流矢量沿著最大功率軌跡從A2移動(dòng)至A3點(diǎn)，此時(shí)轉(zhuǎn)速為理想的極限轉(zhuǎn)速。此時(shí)，|is| =ilim， |μ|≤μlim 。

由上述分析可以看出，定子電流最佳控制過程中，電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)工況下的的定子電流運(yùn)行軌跡為OA1A2A2。

基于電壓前饋的永磁同步電機(jī)矢量控制基本框圖。

圖6中，給定電機(jī)的輸入電流，由最大轉(zhuǎn)矩-電流控制策略給出d、q軸電流，同時(shí)與弱磁電流進(jìn)行運(yùn)算產(chǎn)生給定的d、q軸給定電流。給定的電流與反饋的電流比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的作用產(chǎn)生給出的d，q軸電壓經(jīng)過變換產(chǎn)生電機(jī)的三相電壓對電機(jī)進(jìn)行控制。由于采用了轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，可直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)四象限的運(yùn)行。電流控制策略依照不同輸入轉(zhuǎn)矩需求和當(dāng)前轉(zhuǎn)速狀態(tài)，按照圖6所示的交流永磁電機(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。

當(dāng)車載動(dòng)力電池電壓隨著負(fù)載、SoC狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，Udc發(fā)生變化，電壓控制量Us1w隨著變化，通過電壓閉環(huán)調(diào)解，使得電機(jī)輸出能力隨著電壓變化而改變。基于直流母線電壓可變得永磁電機(jī)控制以交流電壓輸出恒定為控制目標(biāo)，使得電機(jī)在弱磁運(yùn)行情況下輸出電壓恒定，充分發(fā)揮電機(jī)輸出能力。Us1w經(jīng)與實(shí)際電機(jī)電壓的比較，通過PI調(diào)節(jié)輸出電流補(bǔ)償量，補(bǔ)償電流控制策略中的id電流。

8 總結(jié)

本文對驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行研究開發(fā)，確定驅(qū)動(dòng)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(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，設(shè)計(jì)方法合理，已搭載整車應(yīng)用，性能可靠。