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高集成度轎車(chē)用電機控制技術(shù)研究
摘要：本文以某款新能源轎車(chē)為研究對象，對驅動(dòng)電機系統進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，確定驅動(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。交流永磁電機電流最優(yōu)控制方法，計算得到各個(gè)轉速和轉矩需求下的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;控制策略;DC/DC
一、驅動(dòng)電機控制原理
永磁同步電機轉子為永磁體，采用旋轉變壓器作為電機位置傳感器，以電機相電流作為反饋量，控制方式為轉矩閉環(huán)控制，控制系統原理如圖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的三相交流電，驅動(dòng)永磁同步電機運轉：同時(shí)，通過(guò)檢測當前的轉子位置信號和對電機的相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并送入電機控制單元。電機控制單元通過(guò)CAN總線(xiàn)與整車(chē)控制器進(jìn)行通信，從整車(chē)控制器獲得當前轉矩指令、運行模式和旋轉方向，并根據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(shí)現電機正常運行。
二、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(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫、欠壓、超速、電源極性連接錯誤等保護功能;
(2)轉矩監控功能;
(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)構成�？刂破饔布Y構框圖，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及驅動(dòng)電路和控制電路提供多路相互隔離的電源。根據控制器實(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(mǎn)足需求。
2.4 DSP控制單元
DSP控制單元以驅動(dòng)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(shí)現對永磁同步電動(dòng)機的轉矩閉環(huán)控制。
DSP控制單元主要功能包括：控制算法的實(shí)現：SVPWM信號的產(chǎn)生：電流、電壓及溫度信號的采樣與計算：電機轉子位置與轉速的檢測與計算：通過(guò)CAN總線(xiàn)通訊接收整車(chē)控制命令;各種保護功能(欠壓，過(guò)壓，過(guò)流，過(guò)溫等)的實(shí)現。
DSP控制單元的電路主要包括：時(shí)鐘電路;復位電路;JTAG接口電路：外部中斷電路、PWM驅動(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及其驅動(dòng)電路構成。
功率模塊驅動(dòng)電路主要接受DSP開(kāi)關(guān)信息并反饋相關(guān)信息(保護信號);放大開(kāi)關(guān)信號并驅動(dòng)IGBT;提供電壓隔離和保護功能�？刂破黩寗�(dòng)電路以隔離型驅動(dòng)芯片為核心，對控制單元提供的PWM信號進(jìn)行隔離放大，驅動(dòng)大功率器件IGBT，實(shí)現D C-AC轉換�？刂破鞑捎糜w凌的FS400R07AIE3(400A/650V， PinFin結構)作為大功率開(kāi)關(guān)器件。直流濾波電容采用國內領(lǐng)先的AAEV42872膜電容，配套與IGBT模塊組成模塊式結構。
2.6檢測電路
檢測電路主要包括電機相電流(A/C相)、母線(xiàn)電流、母線(xiàn)電壓、電機溫度、控制器溫度及電機位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，并將采集到的信息送給DSP控制單元，是電機驅動(dòng)系統可靠運行的保證。
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字控制，與傳統的模擬控制技術(shù)相比，數字控制擁有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)體積小、重量輕、能耗低，硬件成本低：
(2)硬件線(xiàn)路連接少、無(wú)故障工作時(shí)間長(cháng)、可靠性更高：
(3)受溫度及其它參數變化影響小;
(4)提高了整個(gè)系統信息存儲、監控、診斷及實(shí)時(shí)性的能力：
(5)可以通過(guò)軟件編程實(shí)現復雜的算法功能，使系統具有較高的適應能力，容易應用現代控制理論，提高了系統的綜合性能。
以電力電子控制技術(shù)的數字化發(fā)展作為條件，電機控制系統在硬件結構上也發(fā)生了很大的變化。尤其是DSP的出現和快速發(fā)展，既簡(jiǎn)化了電機控制的硬件結構，同時(shí)還實(shí)現了電機控制的高性能、低成本和高可靠性。本系統選用了TI TMS320LF 2407DSP作為主控制器芯片。
3.2功率變換單元
功率變換單元的驅動(dòng)電路選用汽車(chē)級隔離型IGBT驅動(dòng)芯片，能夠實(shí)現對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 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)效應管)組成的復合全控型電壓驅動(dòng)式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)，驅動(dòng)功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的車(chē)用電機及其控制系統應用領(lǐng)域。
本系統功率模塊選用英飛凌汽車(chē)專(zhuān)用IGBTFS400R07AIE3(400A/650V， PinFin結構)作為大功率開(kāi)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lOkHz的高頻紋波，瞬時(shí)功能及諧波補償等作用。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較高、體積小、容量大、穩定性較好的特性，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(cháng)的使用壽命。與電解電容相比，實(shí)現相同的功能，其所需的容值要遠遠低于電解電容，可以大大減小系統的體積。
四、驅動(dòng)電機的選型
由于新能源轎車(chē)頻繁啟動(dòng)及加減速，低速大扭矩，高速高功率運行工況特點(diǎn)，對驅動(dòng)電機技術(shù)要求總體歸納如下：
(1)滿(mǎn)足電池能量利用最大化：要求高效率及寬效率區間特點(diǎn)，布置空間體積最優(yōu)，重量輕量化的高密度要求;
(2)滿(mǎn)足動(dòng)力性能要求：需要高速寬調速性能，大啟動(dòng)轉矩及強過(guò)載能力，快速轉矩相應及高速高功率特定;
(3)滿(mǎn)足整車(chē)舒適性、可靠性要求：電機轉矩波動(dòng)小、控制成熟、電機結構簡(jiǎn)單、可靠;
(4)滿(mǎn)足成本要求：需要電機制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格合理。
國內永磁同步電機技術(shù)不斷發(fā)展，中國稀土資源也相對豐富，永磁同步電機滿(mǎn)足新能源轎車(chē)技術(shù)需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高轉矩密度、控制成熟、具有較寬效率區間和調速性能等技術(shù)特點(diǎn)，相對于直流電機結構簡(jiǎn)單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡(jiǎn)單、成本適中。
本文描述驅動(dòng)電機基于以上特點(diǎn)，采用永磁同步電機方案，基于成熟車(chē)型電機V型磁鋼沖片平臺進(jìn)行擴容設計，具有技術(shù)平臺成熟，成本控制能力強等特點(diǎn)。
五、控制器接口電路
永磁同步電動(dòng)機控制器有兩個(gè)接口電路(完全相同)，使用23PIN的AMP接插件與整車(chē)及電機相連，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、電磁兼容性設計
控制器EMC設計主要從強電、弱點(diǎn)、結構三部分開(kāi)展工作。
6.1強電部分
(1)電機三相動(dòng)力電纜采用屏蔽電纜，電機和控制器兩端接地屏蔽;
(2)正負母線(xiàn)與機殼見(jiàn)加Y電容，消除共模干擾，正負母線(xiàn)加X(jué)電容消除差模干擾：
(3)正負采用疊層母排，降低線(xiàn)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)電源變壓器設計盡量減小分部電容;
(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(xiàn)。
6.3結構部分
(1)箱體采用封閉式，對控制器進(jìn)行整體屏蔽;
(2)控制器內部強弱電路分開(kāi)布置，避免相互干擾;
(3)優(yōu)化線(xiàn)束布置，避免交叉造成相互干擾。
七、永磁同步電機控制技術(shù)
對于轉子磁鋼內嵌式永磁同步電機控制，基速以下采用最大轉矩/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中交流永磁電機最佳電流矢量控制策略的基本思想如下：
(1)區間ω≤ω1，時(shí)，定子電流矢量規定在A(yíng)1點(diǎn)，電機采用最大轉矩/電流比控制，電機以最大恒轉矩運行。此時(shí)，定子電流滿(mǎn)足：|is| =ilimilim，為電流極限圓半徑;定子電壓滿(mǎn)足：|μ|≤μlim，μlim為定子相電壓極限值：
(2)區間ω1<ω≤ω2時(shí)，電機轉速升高使得電機定子電流矢量從A1移動(dòng)至A2點(diǎn)，A2對應電壓達到極限時(shí)電機能夠運行于最大輸出功率的最低轉速點(diǎn)，電機實(shí)現弱磁控制。此時(shí)，|is|=ilim，|μ|≤μlim;
(3)區間ω>ω2：時(shí)，電流矢量沿著(zhù)最大功率軌跡從A2移動(dòng)至A3點(diǎn)，此時(shí)轉速為理想的極限轉速。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，電機處于驅動(dòng)工況下的的定子電流運行軌跡為OA1A2A2。
基于電壓前饋的永磁同步電機矢量控制基本框圖如圖6所示。
圖6中，給定電機的輸入電流，由最大轉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調節器的作用產(chǎn)生給出的d，q軸電壓經(jīng)過(guò)變換產(chǎn)生電機的三相電壓對電機進(jìn)行控制。由于采用了轉子磁場(chǎng)定向的矢量控制，可直接實(shí)現電機的轉矩，實(shí)現四象限的運行。電流控制策略依照不同輸入轉矩需求和當前轉速狀態(tài)，按照圖6所示的交流永磁電機電流最優(yōu)控制方法，計算得到各個(gè)轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實(shí)際輸出電流。
當車(chē)載動(dòng)力電池電壓隨著(zhù)負載、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(zhù)變化，通過(guò)電壓閉環(huán)調解，使得電機輸出能力隨著(zhù)電壓變化而改變�；谥绷髂妇�(xiàn)電壓可變得永磁電機控制以交流電壓輸出恒定為控制目標，使得電機在弱磁運行情況下輸出電壓恒定，充分發(fā)揮電機輸出能力。Uslw經(jīng)與實(shí)際電機電壓的比較，通過(guò)PI調節輸出電流補償量，補償電流控制策略中的id電流。
八、總結
本文對驅動(dòng)電機系統進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，確定驅動(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。交流永磁電機電流最優(yōu)控制方法，計算得到各個(gè)轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實(shí)際輸出電流，設計方法合理，已搭載整車(chē)應用，性能可靠。
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