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高集成度轎車用電機(jī)控制技術(shù)研究
摘要：本文以某款新能源轎車為研究對(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。
關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī);控制策略;DC/DC
一、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(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。
二、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)D C-AC轉(zhuǎn)換�？刂破鞑捎糜w凌的FS400R07AIE3(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。
三、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 2407DSP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(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 BipolarTransistor)，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IGBTFS400R07AIE3(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lOkHz的高頻紋波，瞬時(shí)功能及諧波補(bǔ)償?shù)茸饔谩Ｒ笾绷鳛V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(guò)壓，能承受反向電壓，能承受高峰值電流，擁有較長(zhǎng)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。
四、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(duì)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(guò)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(jiǎn)單、可靠;
(4)滿足成本要求：需要電機(jī)制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格合理。
國(guó)內(nèi)永磁同步電機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，中國(guó)稀土資源也相對(duì)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(duì)于直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡(jiǎn)單、成本適中。
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(tái)進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計(jì)，具有技術(shù)平臺(tái)成熟，成本控制能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
五、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，如圖4所示。
六、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(kāi)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(jiàn)加Y電容，消除共模干擾，正負(fù)母線加X(jué)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(kāi)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(hào)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(duì)控制器進(jìn)行整體屏蔽;
(2)控制器內(nèi)部強(qiáng)弱電路分開(kāi)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。
七、永磁同步電機(jī)控制技術(shù)
對(duì)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，如圖5所示。
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| =ilimilim，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)至A2點(diǎn)，A2對(duì)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(guò)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)矢量控制基本框圖如圖6所示。
圖6中，給定電機(jī)的輸入電流，由最大轉(zhuǎn)矩一電流控制策略給出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(guò)PI調(diào)節(jié)器的作用產(chǎn)生給出的d，q軸電壓經(jīng)過(guò)變換產(chǎn)生電機(jī)的三相電壓對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。由于采用了轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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?qǐng)D6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Uslw隨著變化，通過(guò)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�；谥绷髂妇�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。Uslw經(jīng)與實(shí)際電機(jī)電壓的比較，通過(guò)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。
八、總結(jié)
本文對(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，設(shè)計(jì)方法合理，已搭載整車應(yīng)用，性能可靠。
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