基于DSP的電動汽車用IPMSM 矢量控制系統設計*

陳方輝

（廈門城市職業學院，福建廈門 361008）

0 引言

受能源短缺、環境污染等問題影響，傳統內燃機汽車的發展面臨困境，節能減排、動力升級推動汽車技術不斷創新，以電動汽車為特色的新能源汽車成為主要選擇。而電機系統作為電動汽車的核心部件，直接關系到其性能和節能減排。內置式永磁同步電機（IPMSM）是高性能電機，與其他同容量的電機相比，它具有高功率密度、高效率、轉矩脈動小和較寬的弱磁調速范圍等一系列優點，是電動汽車驅動電機的理想選擇［1-4]。

本文從改善電動汽車的使用性能出發，以內置式永磁同步電機為研究對象，設計一款基于高性能的TMS320F28335 DSP為控制核心的電機驅動系統，其主要由硬件電路和控制軟件兩部分組成。硬件電路主要包括IPM 驅動隔離電路、信號采樣電路、系統保護電路；控制軟件主要包括主程序模塊和中斷服務程序模塊。最后，通過制作樣機和實驗，驗證所設計的硬件電路和編寫的控制軟件的正確性、合理性和有效性。

1 永磁同步電機控制策略

考慮到電動汽車在性能、負載和工作環境等方面對電機的特殊要求，系統采用最大轉矩/電流比控制（MTPA）和弱磁控制相結合的矢量控制策略。在低速時（基速以下），采用MTPA控制，讓永磁同步電機在恒轉矩區運行，以提高系統效率；在高速時（基速以上），采用弱磁控制，以拓寬電機的調速范圍，實現高速恒功率運行［5-6]。

IPMSM控制系統原理圖如圖1所示，該系統采用速度-電流雙閉環系統，外環為速度調節器，其輸出經MTPA和弱磁控制器后作為電流調節器的給定輸入，經電流調節器的計算，輸出dq旋轉坐標系的d軸和q軸電壓分量Vd和Vq。經過Park逆變換，轉化為兩相靜止αβ 坐標系的α 軸和β 軸給定電壓分量Vα和Vβ，再利用空間矢量脈寬調制信號（SVPWM）控制三相逆變器，把直流輸入電壓VDC轉換為三相交流電壓VA、VB、VC，施加到IPMSM 三相定子繞組上，控制電機運行。

圖1 IPMSM控制系統原理圖

2 控制系統硬件設計

永磁同步電機控制系統的硬件構成包括主電路和控制電路兩部分，主要由IPMSM、位置速度檢測電路、電流檢測電路、智能功率模塊（IPM）和隔離驅動電路、DSP 最小系統等構成。硬件結構如圖2所示。

圖2 IPMSM控制系統的硬件結構圖

系統運行時，DSP控制器通過相應的檢測電路實時獲取IPMSM的電流、轉速、電壓等信號，同時DSP控制器根據油門等輸入信號通過矢量控制算法及SVPWM 脈寬調制產生PWM信號控制隔離驅動電路，觸發IPM 工作，實現IPMSM按給定的轉矩和轉速運行。

2.1 DSP芯片

由于系統采用SVPWM 矢量控制技術，控制算法復雜，對控制器的運算能力要求很高。為滿足系統實時運行性能要求，選用高性能的TMS320F28335 DSP 作為電機系統的控制核心。該芯片是TI公司推出的一款32 位高精度浮點型數字信號處理器，具有強大的控制和信號處理能力，能夠實現復雜的控制算法，成本低，功耗小，主頻可達150 MHz，具有更高精度操作的增強型控制外設以及更精確快速的AD 轉換等資源。

2.2 IPM功率模塊及驅動隔離電路

智能功率模塊IPM考慮到耐壓強度、額定電流以及開關頻率等性能參數，選用三菱公司的PM600CLA060，其內部不僅集成了功率開關器件的柵極驅動電路，還有過流、欠壓、過熱、短路等故障監測電路，提高系統可靠性和安全性。主電路由6個IGBT模塊組成，其受DSP輸出的6路SVPWM信號觸發控制，實現直流逆變為特定交流電，給IPMSM三相定子繞組供電。

為提高系統抗干擾能力，實現電平轉換，在DSP 與IPM之間需加入電氣隔離驅動電路，如圖3 所示。隔離驅動電路由1個電平轉換芯片SN74LVC4245A（3.3 V to 5 V）和6 個高速光耦ACPL-P480 組成。其中，PWM1～6 為DSP 芯片輸出的PWM信號，光耦輸出的UP、UN為IPM的驅動信號。

圖3 IPM驅動隔離電路

2.3 信號采樣電路

2.3.1 轉子位置和速度檢測電路

準確、可靠的轉子位置檢測是永磁同步電機進行磁場定向矢量控制的必要條件。另外，為確保電機運轉平穩，也需要計算電機轉速實現速度閉環反饋控制。本系統采用永磁同步電機自帶的2500 線增量式編碼器進行轉子位置和轉速的測量，其輸出為差分信號，電壓信號范圍為0 ～5 V，故需對編碼器輸出信號進行電平變換（因DSP的QEP電壓信號范圍為0 ～3.3V）。光電編碼器實時輸出6 路差分信號，經差動、電平轉換和整形處理后得到QEP-A、QEP-B 和QEP-Z 三路脈沖信號，輸入到QEP模塊中，經計算便可得到轉速和轉子位置信號。

位置和速度檢測電路如圖4 所示。其中，AM26LS32ACD芯片將差分信號轉換成單極性信號，光電耦合器HCPL-2631起到電氣隔離和電平轉換作用，施密特非門SN74LS14D對光電耦合器輸出信號進行整形，以便QEP模塊能準確地捕獲方波脈沖信號的上、下沿，確保轉子位置檢測的準確性。

圖4 位置和速度檢測電路

此外，光電編碼器輸出的初始位置差分脈沖信號U +、U-、V+、V -、W +、W -，經AM26LS32ACD 和HCPL-2631、SN74LS14D芯片進行濾波差分、電平轉換、整形處理后得到U、V、W 三路脈沖信號，輸入DSP 通用I/O 口，根據它們電平高低組合關系可對轉子磁極位置進行初判，以確定電機轉子的初始位置，解決電機起動困難問題。

2.3.2 電流采樣電路

圖5 電流檢測電路

電機高性能的轉矩的控制實質是通過控制電流來實現的，所以準確、實時、可靠的電流檢測對電機調速系統的動態性和穩態性能尤為重要。本系統選用美國Honeywell 公司的CSNS230-700霍爾電流傳感器，測量范圍為±320 A，其輸出為電流信號，而DSP 的ADC 模塊只能輸入0 ～3.3 V 電壓信號，因此需進行信號轉換。電流檢測電路如圖5 所示，該電路利用精密電阻R9把霍爾電流傳感器輸出的電流信號CURA轉換成電壓信號，再經緩沖器、π型濾波器、加法電路及調幅器等處理后，輸入DSP 的ADC 模塊轉化為數字量。IPMSM定子繞組采用星型聯接，因此系統只需采用兩個霍爾電流傳感器任意檢測主電路中的兩相電流即可。

2.3.3 電壓采樣電路

為了獲得較高定子磁鏈測量精度，更好地監控電機的運行，確保系統穩定性，需要對直流母線電壓進行檢測［7]。本系統選用瑞士萊姆（LEM）公司的LV28-P 霍爾電壓傳感器對直流母線進行檢測，其測量范圍10 ～500 V，其輸出為電流信號，需進行信號轉換方可輸入DSP的ADC模塊進行處理。電壓檢測電路如圖6 所示。其中，電位器Rm1 把霍爾電壓傳感器輸出電流信號轉換成電壓信號，運算放大器LM124AND作緩沖器用，高線性度光電耦合器HCNR201 及前后由運算放大器等組成的輔助電路作為模擬信號輸入與輸出線性隔離，且增益可通過調節R17 與R19 的比值來實現，電容C12 與R17并聯構成低通濾波器。

圖6 電壓檢測電路

2.4 系統保護電路

為確保系統工作的可靠性和安全性，需設計保護電路。其主要包括母線過流、繞組過熱、電機缺相、散熱片過熱、IPM故障等。其中母線過流和IPM 故障信號，要求系統立即關斷IPM，以保護電機和IPM。

母線過流信號選用美國Honeywell 公司的CSNS230-700霍爾電流傳感器進行采集，其電路如圖7 所示。其中，運算放大器LM124AN作為比較器使用。當母線出現過流時，比較器輸出低電平信號給DSP，觸發軟件中斷封鎖PWM 信號輸出，同時通過I/O端口控制繼電器切斷母線總電源，實現雙重保護。

圖7 過流檢測電路

IPM故障主要有短路、過熱、欠壓等3種。PM600CLA060的故障信號由對應的6個IGBT功率模塊的**FO引腳輸出，其輸出故障信號電壓為20 V。為節省DSP 的I/O 口開銷，6 個IGBT模塊故障信號（如WPFO、WNFO）經光電耦合器HCPL-2631 隔離后，輸入MC14532 編碼器的D0 ～D5 引腳，再由其Eout引腳輸出給DSP識別，其電路如圖8所示。

圖8 IPM故障接口電路

另外，繞組過熱、電機缺相、散熱片過熱等故障檢測電路的原理同母線過流檢測的基本相同，核心均是利用比較器使實際信號與設定基準相比較得到相應的故障信號。

3 軟件設計

為滿足IPMSM的性能要求，其控制軟件必須與所設計的硬件系統緊密結合，為便于程序調試和維護，按模塊化結構進行設計。系統控制軟件主要由主程序模塊、定時器中斷處理模塊、故障中斷處理模塊及CAN通信模塊等組成。

主程序模塊的功能是對DSP 的片內資源進行初始化，如中斷初始化、相關寄存器設置、變量初始化、I/O 初始化、ADC轉換模塊初始化等。

定時器中斷處理模塊是軟件的核心部分，主要用來實現坐標變換、SVPWM調制、電機轉子的轉角和轉速計算、電流A/D采樣及轉換、電流PI 調節、轉速PI 調節等。圖9 所示為定時器T1下溢中斷服務程序流程圖。

圖9 定時器T1 下溢中斷服務程序流程圖

故障中斷處理模塊主要功能是故障監控和故障處理。當電機運行過程中，若出現過流、IPM、過熱、缺相等故障時［8]，進入故障中斷處理程序，封鎖PWM 輸出，及時采取相應的保護措施，以確保系統的安全。圖10所示為故障中斷處理程序流程圖。

圖10 故障中斷處理程序流程圖

4 實驗結果

為測驗所設計的軟硬件系統，以及所采用的控制策略在實際應用中的可行性和有效性，因此搭建了實驗平臺。實驗所使用的電機為內置式永磁同步電機，其額定電壓115 V，功率7.5 kW，額定電流為45 A，峰值電流120 A，額定轉速3000 r/min。

實驗中，主要對電機的電流、電壓等參數進行錄波、觀測。電流通過霍爾電流傳感器轉化成電壓信號用示波器直接觀測，電壓采用電壓互感器把高壓轉換成低壓信號再用示波器進行測量。圖11、12分別為實驗測量的電流和電壓波形圖。

圖11 電機相電流實驗波形

圖12 電機U相輸入電壓實驗波形

5 結束語

在前期利用MatLab/Simulink 仿真驗證了電動汽車用IPMSM驅動系統采用MTPA 和弱磁控制相結合的SVPWM 矢量控制策略是可行和有效的理論分析基礎上，設計了以TMS320F28335 DSP為核心的硬件系統，并以此為基礎利用CCS5.5平臺編寫和調試系統軟件。通過樣機測驗，實驗結果也同樣表明電動汽車用IPMSM驅動系統采用此矢量控制策略的有效性和可行性，能滿足電動汽車的使用性能要求。