電動汽車中異步電機控制器硬件電路設計

魏潔菲， 易映萍

(上海理工大學，上海200093)

電動汽車中異步電機控制器硬件電路設計

魏潔菲， 易映萍

(上海理工大學，上海200093)

以電動汽車為研究對象，低壓5 kW異步電機為控制對象，完成驅動系統設計。以TMS320F2812DSP芯片為控制核心，采用MOSFET并聯模塊作為逆變器的開關器件，其中還包括了輔助電源、信號采集調理、驅動等電路設計，搭建了一個帶速度傳感器的電動汽車異步電機控制硬件電路。

電動機；異步電機；TMS320F2812；MOSFET并聯模塊

隨著世界能源危機以及環境問題的日益突出，新能源電動汽車在節能和環保方面體現出巨大優勢，世界各國對電動汽車爭相研究，使得它必將成為21世紀首要的交通工具。電機及其控制系統的設計作為電動汽車的核心部件和關鍵技術，是研制和發展電動汽車首先要解決的問題。隨著電力電子技術和各種微處理器的不斷向前發展，以及電機仿真建模和先進控制技術的提出，極大地推動了電動汽車電機調速技術的發展，從而使得高精度、寬調速范圍和良好的控制性能的電動汽車電機控制器的研發成為現實。

1　控制器硬件電路結構設計

本文設計的硬件框圖如圖1所示。由于電動汽車的控制電流較大，在選擇換流器件與設計電路時要考慮承受較大的電流，因此采用MOSFET并聯結構；為了同時驅動6路PWM信號，驅動芯片選擇IR21363S作為PWM驅動芯片，采用LEM公司的電流霍爾檢測，簡化對異步電機兩相電流的檢測；采用電阻分壓式檢測直流母線電壓；使用工業熱敏電阻采樣逆變器功率管采集溫度，同時將電壓、電流和溫度信號通過二階濾波電路濾波以提高AD采樣模塊的系統可靠性與采樣的準確性；為保護逆變電路，使用繼電器對其進行保護；輔助電源的設計為控制調理電路隔離供電；控制芯片為TI公司的DSP芯片TMS320F2812[1]，下文對電控制器硬件電路主要電路的設計進行詳細介紹。

圖1　硬件電路結構圖

2　主電路結構與功率器件選擇

在電動汽車控制器的功率器件運用上大多數為：絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)、功率場效應晶體管(MOSFET)與智能功率模塊(IPM)[4]。

IGBT使用于大功率場合，IPM主要應用于高智能低斬波頻率與具有較高成本的場合。針對本文的硬件電路設計，考慮本文的電動汽車為5 kW低電壓，器件開關頻率快，驅動電路與成本等因素，文本設計的電路選擇MOSFET作為異步電動機逆變控制器的功率器件。基于MOSFET并聯的主電路結構設計：本文選擇的電動汽車控制器的控制對象為三相異步電動機(額定功率PN=5 kW,線電壓UN=51 V,工作效率ηN=0.89)。由:

得異步電動機額定電流為72 A。直流母線電壓為64～84 V，MOSFET所能承受的最大值為直流母線電源電壓最大值，考慮2倍的電壓裕量，MOSFET開關管的耐壓值為Uds=2×Umax=168 V。電機額定線電流74 A，考慮4倍過載能力，同時考慮1.5倍左右裕量，選擇每個橋臂能承受500 A電流。

綜上考慮，選擇耐壓值為168V，允許通過最大電流為500A的功率場效應管，因此選擇的功率管型號FDP075N15A_F102。圖2為三相MOSFET并聯主電路逆變器的結構圖。

圖2　三相MOSFET并聯主電路逆變器的結構圖

在設計主電路并聯MOSFET時，實現并聯的均流使每個功率管所承受的電流是一個值得考慮的問題。在實踐中為了使MOSFET的均流特性更加完善，我們需要以下幾種措施：(1)選擇同一型號同一批次器件；(2)電路布局對稱，連線一致；(3)保證漏極電感相同；(4)加強電路熱耦合性。

3　驅動電路設計

功率采樣為6個MOSFET并聯的形式，因此驅動電流很大。可采用IR21363S，適用于變速電機驅動器設計。集成了6個MOSFET高電壓柵驅動器，并融合多元化的保護功能，系統成本比光耦解決方案降低30%。此芯片為高電壓，速度快的功率MOSFET驅動芯片。IR2136集成電路系列適用于省電節能的電子驅動式變速電機，有助于降低成本和簡化電路結構，在汽車電機驅動領域應用十分廣泛[5]。

驅動電路硬件設計如圖3所示，電路分為前后兩級，前級是DSP輸出PWM信號，IR2136S輸出驅動信號；后級是IR21363S的輸出信號經過三極管進行同相放大。其中COM端為電壓采樣，用于檢測是否過流，檢測信號輸入ITRIP端。當有過流信號時，ITRIP電壓大于0.5 V，此時IR21363S將關閉PWM輸出，同時輸出一個低電平故障指示信號，該信號輸入DSP的功率保護端口TZ1，DSP檢測到該信號后，置為高阻態，從而從軟硬件兩方面控制電路，根據實際情況減小PWM占空比。

圖3　驅動電路硬件設計

4　輔助電源設計

基于反激電源[6]具有電路結構簡單，能夠將輸入輸出電氣隔離、輸入輸出電壓調節范圍寬和滿足多路輸出要求等特點，適合于電氣設備內的輔助開關電源[7]。本系統的電源為車載電池，設計反激式輔助電源為電動汽車的主控制系統和驅動系統提供所需的工作電源。輸入為72 V車載電池，輸出為一路+5 V用于DSP供電，一路－5 V與+5 V配合給運放電路供電。一路+15 V給驅動電路與開關電源等芯片供電。目前開關電源的控制方式分為單閉環電壓控制系統的電壓控制型和電壓、電流雙閉環控制系統的電流控制型，電流控制型系統響應迅速，具有較高的電壓頻率，同時空盒子電路較為穩定，明顯優于電壓控制型。因此，本系統電源選擇了UC3845電流型控制器作為隔離開關穩壓電源的控制核心,進行電流采樣，并將電流變化量轉換成電壓變化量，在用負反饋的方式來控制脈沖寬度的變化，最后和經誤差放大器輸出的電壓信號進行比較控制占空比的變化，穩定和調節輸出電壓。控制電路采樣電壓外環電流內環雙環控制模式，能夠提高輸出電壓穩定性。圖4為反激式輔助電源原理圖。

5　電流采樣電路設計

直流母線電壓與交流電路與加速踏板信號以及溫度等采樣的精度以及過電壓、欠電壓保護、過電流保護和速度控制與過溫保護的精度對控制系統有直接的影響，特別是對轉速和電流雙閉環調速影響很大，因此精確地進行信號采樣是電動汽車電機調速的關鍵。

DSP芯片的輸入電壓為0 V到3 V，采樣信號進入DSP之前必須通過信號調理系統處理，滿足DSP的輸入電壓范圍要求之后才能通過DSP模塊中AD采樣端口采樣參與程序計算。還有一些溫度、欠壓過壓保護信號經過開關電流生成高低電平信號，通過故障保護電路，當其值超過或者低于某個規定值時立刻執行保護動作。

圖4　反激式輔助電源原理圖

電流采樣信號用于轉子磁鏈角度計算、坐標變化以及過流保護等。因異步電機正常工作時三相電流是對稱的，因此只需要對其中兩路電流進行采樣。本文應用的信號采樣方法是霍爾傳感器采樣，這種采樣方式具有頻帶寬、響應快和精度高的特點，霍爾傳感器的型號為HC5F-600S，工作電壓為5 V單電源供電，額定量程范圍為±600 A，作高采樣電流值可達到±900 A，采樣精度為2%，輸出電壓關系為：

式中：Vc為供電電壓一般為±5 V；Ip為交流側電流值。當輸入電流值在±600 A之間時，對應電流霍爾輸出電壓值為+0.25 V到+4.48 V之間。當輸入為0 A時，輸出電壓值為+2.5 V，在實際應用中需要對輸入輸出關系進行校正。但經過電流霍爾傳感器生成的電壓信號不能直接進入DSP芯片，需要將電壓值轉換到DSP芯片能夠承受的范圍，同時還要防止電路中其他信號的干擾，因此還需要隱形信號調理濾波處理。圖5為信號調理電路。

圖5　信號調理

6　轉速檢測電路設計

轉速采樣使用的是異步電機自帶的旋轉編碼器，轉速信號采樣電路設計是希望能擴大電機調速范圍、使低速時的輸出紋波小、有效改善低速時的平穩性。轉速測量電路如圖6所示，為了使得脈沖信號更加理想，同時能夠減小干擾，設計的編碼器調理電路的作用主要有兩點：一是對信號進行整形處理運用與非施密特觸發器；二是采用SN74HC245芯片當OE、DIR分別為低電平與高電平時，信號從A端傳送到B端，將輸入的+5 V信號變成+3.3 V信號防止損壞DSP。

圖6　轉速檢測電路

7　總結

本文主要對電動汽車驅動器系統的硬件電路設計進行論述，介紹了硬件電路的整體框架，同時對主要的電路進行了詳細論述。通過對不同功率器件進行分析，最后本課題采用的是MOSFET并聯作為主功率電路，采用兩級驅動放大形式驅動功率管，采用反激電源對電路提供輔助電源，以及還論述了電流采樣電路、速度檢測電路等。

[1]張希明,陳立銘,倪光正.一種基于TMS320F2812的電動汽車電驅動系統[J].機電工程,2008,25(3):61-63.

[2]王志福.電動汽車電驅動理論與設計[M].北京:機械工業出版社,2012.

[3]張舟云,貢俊.新能源汽車電機技術與應用[M].上海:上海科學技術出版社,2013.

[4]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,1999.

[5]蘇娟.高頻功率MOSFET驅動電路及并聯特性研究[D].西安:西安理工大學,2003.

[6]徐龍祥.RDC籍位反擊變換器的設計與實現[J].電源技術應用，2002，5(10):33-35.

[7]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京：電子工業出版社，2004.

Hardware circuit design of asynchronous motor controller for electric vehicle

WEI Jie-fei,YI Ying-ping
(University of Shanghai for Science and Technology(USST),Shanghai 200093,China)

In this paper,with the electric vehicle as the research object,using low voltage 5 kW asynchronous motor as the controlled object,a driving system was designed.TMS320F2812 DSP chip was adopted as the control core, and using MOSFET parallel module as the inverter switching devices,a belt speed sensor was built for electric vehicle induction motor control hardware circuit.

motor;asynchronous motor;TMS320F2812;MOSFET parallel module

TM 921.5

A

1002-087 X(2016)10-2055-03

2016-03-20

國家高技術研究發展計劃 (“863”計劃)資助項目(2012AA050206)

魏潔菲(1991—)，女，遼寧省人，碩士研究生，主要研究方向為電機驅動與控制。