輪轂永磁同步電機雙處理器控制系統(tǒng)設(shè)計

馬曉婧，劉向辰

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060）

輪轂電機是永磁同步電機（Permant Magnet Synchemical Motor, PMSM）在新能源汽車領(lǐng)域中的一種全新應(yīng)用。輪轂電機最重要的優(yōu)勢是將傳統(tǒng)車輛的動力部分、機械傳動部分和剎車部分整合安裝到汽車的輪轂內(nèi)，極大地簡化了新能源汽車的整體機械框架，但其基本工作原理與永磁同步電機相同。

為了提高輪轂永磁同步電機運行的可靠性，文獻(xiàn)[1]采用全階狀態(tài)滑模觀測器對電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩進(jìn)行實時觀測并實施補償，從而有效提高了電機的控制精度。輪轂電機傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制存在較大的轉(zhuǎn)矩脈動，針對這一問題，文獻(xiàn)[3]提出一種將最小二乘法誤差優(yōu)化思想與空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）矢量控制相結(jié)合的SVPWM矢量柔性控制策略，該策略具有良好的電機動態(tài)性能。文獻(xiàn)[5]以四輪輪轂電機驅(qū)動為研究對象，針對驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向容易失穩(wěn)的問題，提出一種基于輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)的差動轉(zhuǎn)向與橫擺力矩相融合的控制策略，該策略能夠保證輪轂電機在中低速工況下，依然保持良好的控制性能。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，提出一種新能源汽車輪轂永磁同步電機雙處理器控制系統(tǒng)，正常運行狀態(tài)下，由主處理器帶動輪轂電機工作，當(dāng)主處理器出現(xiàn)故障時，通過RS422通訊總線將故障信號送至輔助處理器，同時立刻切換至輔助處理器帶動輪轂電機工作，提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性。經(jīng)過Matlab/Simulink仿真和試驗，搭建輪轂永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)模型，驗證了本文所提出方案能夠有效提高電機控制系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 永磁同步電機數(shù)學(xué)模型

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，輪轂表貼式永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型為

式中，u、u為輪轂永磁同步電機定子電壓的軸分量；i、i為輪轂永磁同步電機定子電流的軸分量；為輪轂永磁同步電機的定子電感；為輪轂永磁同步電機的定子電阻；為輪轂永磁同步電機的角速率；為輪轂永磁同步電機極對數(shù)；為輪轂永磁同步電機的轉(zhuǎn)動慣量；為輪轂永磁同步電機的磁鏈；為輪轂永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)；為輪轂永磁同步電機的摩擦系數(shù)；為輪轂永磁同步電機的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

輪轂永磁同步電機在矢量控制系統(tǒng)中，因i、i和存在耦合問題，為了對電機進(jìn)行精確的控制，需要對輪轂永磁同步電機的定子電流的軸分量i、i進(jìn)行解耦。令輪轂永磁同步電機定子電流的軸分量=0，則式（1）可寫為

2 雙數(shù)字信號處理器控制

本文采用一種主數(shù)字信號處理器與輔助數(shù)字信號處理器相結(jié)合的矢量控制策略。正常運行狀 態(tài)下，由主數(shù)字信號處理器驅(qū)動輪轂電機工作，當(dāng)主數(shù)字信號處理器出現(xiàn)故障時，通過RS422通訊總線將故障信號送至輔助數(shù)字信號處理器，并立即切換至輔助數(shù)字信號處理器驅(qū)動電機工作。輪轂永磁同步電機雙數(shù)字信號處理器控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 輪轂永磁同步電機雙數(shù)字信號處理器控制系統(tǒng)原理圖

采用電機矢量控制策略，將電機三相定子旋轉(zhuǎn)電流、、通過3s→2s變換，變換成兩相靜止坐標(biāo)系下的兩相定子旋轉(zhuǎn)電流i、i，在經(jīng)過2s→2r變換成兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相定子靜止電流i、i，之后模擬直流電機的控制，便可以實現(xiàn)輪轂永磁同步電機的矢量控制。

3 硬件設(shè)計

3.1 數(shù)字信號處理器設(shè)計

根據(jù)輪轂永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)的設(shè)計 方案和要求，數(shù)字信號處理器的主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的采集和處理功能。本設(shè)計采用的數(shù)字信號處理器為TMS320F2812，該處理器是一款高性能32位CPU，處理器內(nèi)部包括：16×16和32×32的MAC運算；哈佛（Harvard）總線結(jié)構(gòu)；快速中斷響應(yīng)和處理功能；統(tǒng)一存儲器編程模型；4M線性程序/數(shù)據(jù)地址訪問。

除此之外，該處理器還具有150 MHz的工作頻率，低功耗等諸多優(yōu)點。數(shù)字處理器TMS320 F2812最小系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字處理器TMS320F2812最小系統(tǒng)原理圖

3.2 RS422串行通信設(shè)計

RS422的全稱為電壓數(shù)字接口電路，RS422串行通信接口共有5根線，由于其內(nèi)部的輸入阻抗較高為4 k，因此，驅(qū)動能力更強（最大負(fù)載為10×4 k+100 Ω），在同一根傳輸線上最多可以連接10個節(jié)點。RS422串行通信電路如圖3所示。

圖3 RS422串行通訊電路原理圖

3.3 信號采集電路

信號采集電路主要包括：輪轂永磁同步電機定子A相、B相電流采集電路；輪轂永磁同步電機定子A相、B相電壓采集電路；輪轂永磁同步電機溫度采集電路。

信號采集電路的主要目的是用于對電機電壓信號、電流信號和溫度信號的準(zhǔn)確觀測，并參與電機矢量控制。信號采集電路原理如圖4所示。

圖4 信號采集電路原理圖

3.4 故障信號采集電路

故障信號采集電路主要包括：絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）溫度故障信號、IGBT斷路短路故障信號、母線電壓故障信號、電機溫度過高信號等。若輪轂永磁同步電機出現(xiàn)故障，故障采集電路將故障信號送入處理器，采取報警或者停車措施，故障信號采集電路如圖5所示。

圖5 故障信號采集電路

4 軟件設(shè)計

本設(shè)計方案采用輪轂永磁同步電機矢量控制，外環(huán)為電機的轉(zhuǎn)速作為矢量控制，內(nèi)環(huán)為電機的定子電流作為矢量控制，軟件基于C語言進(jìn)行編程，軟件流程如圖6所示。

圖6 輪轂永磁同步電機軟件流程圖

在以上輪轂永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)中，軟件對輪轂永磁同步電機的溫度、母線電壓和電流等進(jìn)行檢測，若出現(xiàn)故障則會及時停車。

5 仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建了輪轂永磁同步電機雙數(shù)字處理器系統(tǒng)模型來驗證本設(shè)計所提方案的正確性和有效性，仿真原理如圖7所示。

圖7 矢量控制系統(tǒng)原理圖

仿真參數(shù)如下：輪轂永磁同步電機的額定功率為1.5 kW、輪轂永磁同步電機的額定轉(zhuǎn)矩為5 Nm、輪轂永磁同步電機的定子電阻為1.2 Ω、輪轂永磁同步電機的定子電感為2.2 mH、輪轂永磁同步電機的磁鏈為0.1 Wb、輪轂永磁同步電機的極對數(shù)為4、直流母線電壓為280 V、輪轂永磁同步電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)為2.2 Nm/A、輪轂永磁同步電機的轉(zhuǎn)動慣量為10×10kg·m。

在系統(tǒng)仿真模型中，加入了軟上電模塊，軟上電模塊是一種目前電機控制領(lǐng)域較為先進(jìn)的啟動設(shè)備，其采用了晶閘管、電阻和電容等電力電子器件，功能涵蓋包含軟啟動、軟停車、電路保護(hù)等。本設(shè)計采用了軟上電可以保證電機啟動、停車的平穩(wěn)。

令輪轂永磁同步電機在正常運行至0.4 s時刻，主處理器出現(xiàn)故障，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和本文所提出的雙數(shù)字信號處理器控制系統(tǒng)下的電機三相定子電流如圖8所示，電機A相定子電流諧波畸變率如圖9所示。

圖8 輪轂永磁同步電機定子三相電流仿真波形

通過比較圖8（a）、（b）得知，當(dāng)電機正常運行至0.4 s主處理器出現(xiàn)故障時，傳統(tǒng)系統(tǒng)下的電機定子電流變成0，本文所提出的雙數(shù)字信號處理器控制系統(tǒng)下的定子三相電流依然正常。

圖9 輪轂永磁同步電機A相定子電流諧波畸變率

通過比較圖9（a）、（b）得知，當(dāng)電機正常運行至0.4 s主處理器出現(xiàn)故障時，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)下的電機A相定子電流變成諧波畸變率= 11.01%，本文所提出的雙數(shù)字信號處理器控制系統(tǒng)下的電機A相定子電流變成諧波畸變率= 5.11%。

通過以上仿真可以看出，相比于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，本文所提出的雙數(shù)字信號處理器控制系統(tǒng)在主處理器出現(xiàn)故障時，電機依然能夠正常工作，且工作狀態(tài)較為理想。

6 實驗驗證

為了驗證理論和仿真的實用性，搭建了輪轂永磁同步電機雙數(shù)字處理器系統(tǒng)實驗平臺。

數(shù)字信號處理器選擇TMS320F2812、DC-DC電路選擇ZHDC5C5/5W、光電耦合芯片選擇JPGH281- 8、2GH302S、RS-422芯片選擇HWD3232、電源芯片選擇HWD70302、示波器選擇MDO4104B-3。

令輪轂永磁同步電機以額定轉(zhuǎn)速200 r/min穩(wěn)定運行至0.4 s主處理器出現(xiàn)故障時，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和本文所提出的雙數(shù)字信號處理器控制系統(tǒng)下的電機轉(zhuǎn)速實驗波形如圖10所示。

圖10 輪轂永磁同步電機轉(zhuǎn)速動態(tài)實驗波形

通過比較圖10（a）、（b）得知，當(dāng)電機正常運行至0.4 s主處理器出現(xiàn)故障時，傳統(tǒng)系統(tǒng)下的電機轉(zhuǎn)速變成0，本文所提出的雙數(shù)字信號處理器控制系統(tǒng)下的電機轉(zhuǎn)速正常。

7 結(jié)論

通過仿真和實驗，驗證本文提出的新能源汽車輪轂永磁同步電機雙處理器控制系統(tǒng)，在正常 運行狀態(tài)下，由主處理器帶動輪轂電機工作，當(dāng)主處理器出現(xiàn)故障時，通過RS422通訊總線將故障信號送至輔助處理器，并立即切換至輔助處理器帶動輪轂電機工作，能夠提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。