高集成度轎車用電機控制技術研究

摘要：本文以某款新能源轎車為研究對象，對驅動電機系統進行研究開發，確定驅動控制原理圖，通過分析其控制器組成及功能分析，確定控制器關鍵部件的選型。交流永磁電機電流最優控制方法，計算得到各個轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實際輸出電流。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/277707.htm

關鍵詞：永磁同步電機；DC/DC；控制策略

1 驅動電機控制原理

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控制，控制系統原理如圖1所示。

高壓直流電源經電機控制器DC/AC變換為電壓幅值和頻率可調的三相交流電，驅動永磁同步電機運轉：同時，通過檢測當前的轉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，控制電機控制器產生所需要的三相交流電，從而實現電機正常運行。

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、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。控制器硬件結構框圖，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及驅動電路和控制電路提供多路相互隔離的電源。根據控制器實際需求，DC-DC控制電源采用多個反激式開關電源來滿足需求。

2.4 DSP控制單元

DSP控制單元以驅動S320LF2407為主控芯片，采用永磁同步電機變壓變頻矢量控制方法，實現對永磁同步電動機的轉矩閉環控制。

DSP控制單元主要功能包括：控制算法的實現：SVPWM信號的產生：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。

DSP控制單元的電路主要包括：時鐘電路；復位電路；JTAG接口電路：外部中斷電路、PWM驅動控制電路：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及其驅動電路構成。

功率模塊驅動電路主要接受DSP開關信息并反饋相關信息（保護信號）；放大開關信號并驅動IGBT；提供電壓隔離和保護功能?？刂破黩寗与娐芬愿綦x型驅動芯片為核心，對控制單元提供的PWM信號進行隔離放大，驅動大功率器件IGBT，實現D C-AC轉換。控制器采用英飛凌的FS400R07AIE3（400A/650V， PinFin結構）作為大功率開關器件。直流濾波電容采用國內領先的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，是電機驅動系統可靠運行的保證。

3 控制器關鍵器件選型

3.1 DSP控制單元

電子控制技術已從模擬控制發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相比，數字控制擁有以下優點：

（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）受溫度及其它參數變化影響?。?/p>

（4）提高了整個系統信息存儲、監控、診斷及實時性的能力：

（5）可以通過軟件編程實現復雜的算法功能，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的數字化發展作為條件，電機控制系統在硬件結構上也發生了很大的變化。尤其是DSP的出現和快速發展，既簡化了電機控制的硬件結構，同時還實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電路選用汽車級隔離型IGBT驅動芯片，能夠實現對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（絕緣柵型場效應管）組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的車用電機及其控制系統應用領域。

本系統功率模塊選用英飛凌汽車專用IGBTFS400R07AIE3（400A/650V， PinFin結構）作為大功率開關器件，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。

4 驅動電機的選型

由于新能源轎車頻繁啟動及加減速，低速大扭矩，高速高功率運行工況特點，對驅動電機技術要求總體歸納如下：

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

（2）滿足動力性能要求：需要高速寬調速性能，大啟動轉矩及強過載能力，快速轉矩相應及高速高功率特定；

（3）滿足整車舒適性、可靠性要求：電機轉矩波動小、控制成熟、電機結構簡單、可靠；

（4）滿足成本要求：需要電機制造工藝簡單，價格合理。

國內永磁同步電機技術不斷發展，中國稀土資源也相對豐富，永磁同步電機滿足新能源轎車技術需求的全部要求：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特點，相對于直流電機結構簡單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡單、成本適中。

本文描述驅動電機基于以上特點，采用永磁同步電機方案，基于成熟車型電機V型磁鋼沖片平臺進行擴容設計，具有技術平臺成熟，成本控制能力強等特點。

5 控制器接口電路

永磁同步電動機控制器有兩個接口電路（完全相同），使用23PIN的AMP接插件與整車及電機相連，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。

6 電磁兼容性設計

控制器EMC設計主要從強電、弱點、結構三部分開展工作。

6.1強電部分

（1）電機三相動力電纜采用屏蔽電纜，電機和控制器兩端接地屏蔽；

（2）正負母線與機殼見加Y電容，消除共模干擾，正負母線加X電容消除差模干擾：

（3）正負采用疊層母排，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。

6.3結構部分

（1）箱體采用封閉式，對控制器進行整體屏蔽；

（2）控制器內部強弱電路分開布置，避免相互干擾；

（3）優化線束布置，避免交叉造成相互干擾。

7 永磁同步電機控制技術

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，定子電流矢量規定在A₁點，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，定子電流滿足：|i_s| =i_limi_lim，為電流極限圓半徑；定子電壓滿足：|μ|≤μ_lim，μ_lim為定子相電壓極限值：

（2）區間ω₁<ω≤ω₂時，電機轉速升高使得電機定子電流矢量從A₁移動至A₂點，A₂對應電壓達到極限時電機能夠運行于最大輸出功率的最低轉速點，電機實現弱磁控制。此時，|i_s|=i_lim，|μ|≤μ_lim；

（3）區間ω>ω₂：時，電流矢量沿著最大功率軌跡從A₂移動至A₃點，此時轉速為理想的極限轉速。此時，|i_s|=i_lim，|μ|≤μ_lim。

由上述分析可以看出，定子電流最佳控制過程中，電機處于驅動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，同時與弱磁電流進行運算產生給定的d、q軸給定電流。給定的電流與反饋的電流比較，經過PI調節器的作用產生給出的d，q軸電壓經過變換產生電機的三相電壓對電機進行控制。由于采用了轉子磁場定向的矢量控制，可直接實現電機的轉矩，實現四象限的運行。電流控制策略依照不同輸入轉矩需求和當前轉速狀態，按照圖6所示的交流永磁電機電流最優控制方法，計算得到各個轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實際輸出電流。

當車載動力電池電壓隨著負載、SoC狀態發生變化時，Udc發生變化，電壓控制量Uslw隨著變化，通過電壓閉環調解，使得電機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，充分發揮電機輸出能力。Uslw經與實際電機電壓的比較，通過PI調節輸出電流補償量，補償電流控制策略中的id電流。

8 總結

本文對驅動電機系統進行研究開發，確定驅動控制原理圖，通過分析其控制器組成及功能分析，確定控制器關鍵部件的選型。交流永磁電機電流最優控制方法，計算得到各個轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實際輸出電流，設計方法合理，已搭載整車應用，性能可靠。