基于特種車輛永磁同步多用途電機驅動系統設計

蔣雨菲，沈 堅，段卓琳，王偉洋，董星言，楊金波，吳 丹

(1.北京航天發射技術研究所，北京 100047；2.中國航天萬源國際(集團)有限公司，北京 100176；3.北京長征天民高科技有限公司，北京 100047)

0 引 言

特種電驅車輛中普遍采用分布式電驅系統和多輪驅動架構，各驅動電機具有獨立的控制自由度。根據車輛的不同行駛工況及路面狀態，協同控制驅動電機。同時，整車其他系統采用相同功率級別的電機完成油源驅動，且輪邊驅動電機和油源電機工作流程不存在重疊工況。設計多用途電機驅動系統，考慮輪邊驅動電機和油源電機復用一套電機驅動器，可以提高系統集成度，減少硬件成本，應用效果明顯，多用途電機驅動系統架構如圖1所示。

在車輛行駛過程中，多用途電機驅動器功率通道通過配電單元連接至輪邊驅動電機，同時采集輪邊驅動電機的旋轉變壓器反饋信號，完成電機驅動。

在駐車工況中，多用途電機驅動器功率通道通過配電單元連接至油源驅動電機，同時選擇油源驅動電機旋轉變壓器反饋信號，采用轉速控制模式，實現輪邊驅動功能。

圖1 多用途電機驅動系統復用架構

伺服系統又稱隨動系統，可以精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統[1]。永磁同步電機(以下簡稱PMSM)的控制方法有多種，目前成熟和廣泛應用的是在1971由德國學者Blaschke首次提出的矢量控制方法[2]。矢量控制是將磁鏈和轉矩解耦并分別調節，實現電機轉速的高性能控制，適用于高性能控制場合，滿足特種車輛的應用需求。

多用途電機驅動系統設計已成為現代工業的發展趨勢，其相關研究也成為研究熱點[3]。多用途電機驅動器要求具備轉速及轉矩工作模式，具備多路反饋信號適配能力，具備較強的電磁兼容能力。為滿足多功能復用系統要求，即兩路電機的編碼器信號輸入，通常需要設計控制板，采用板上片選方式，實現驅動電機及油源電機雙編碼器信號兼容設計。開展雙電機匹配控制設計，根據工作流程需要，實現雙電機轉速控制的模態切換。軟件設計中采用兩組控制參數，在不同模態下選用，實現雙電機參數匹配設計。

1 PMSM控制方案設計

1.1 數學模型

通過坐標變換可知，PMSM在dq坐標系下的電壓方程、磁鏈方程、電磁轉矩方程等如下所示。

電壓方程：

(1)

磁鏈方程：

(2)

電磁轉矩方程：

Te=pψs×is=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

運動方程：

(4)

(5)

式中：ωn為機械角速度；ωe為電角速度，ωe=pωn；Te為電機電磁轉矩；J為轉動慣量；TL為負載轉矩；Bm為粘滯摩擦系數(可忽略)。

1.2 PMSM的矢量控制

矢量控制本質是對電機電流的控制[4]。其中，id=0的矢量控制致去磁作用的產生，控制效果好，滿足特種車輛的應用需求。id=0的矢量控制算法含電流、轉速、位置三閉環結構[5]，如圖2所示。

圖2 矢量控制框圖

2 多用途電機驅動系統設計

2.1 總體方案設計

多用途電機驅動系統如圖3所示。主回路包括母線支撐電容、IGBT和電流霍爾傳感器。母線支撐電容的作用是穩定母線電壓，阻止功率器件開通和關斷產生的電流諧波進入電源。IGBT是控制器的核心器件，通過對IGBT開關狀態的控制可以控制電機的三相電流，進而控制電機的轉矩和轉速。電流傳感器用來檢測相電流和直流母線電流。電機相電流檢測可以為電機矢量控制提供所需的電流反饋，母線電流檢測可用于控制器輸入功率估算。濾波電路通常由磁環、X電容、Y電容組成，主要作用是提供控制器的電磁兼容能力。為了盡可能壓縮控制器體積，并參考市場主流產品的功能配置，取消了預充電路，預充、輸出切換的功能將在高壓配電箱中實現。

圖3 多用途電機驅動系統框圖

控制與驅動電路主要完成母線電壓、電機相電流、母線電流、電機1和電機2的溫度、電機1和電機2的轉子位置等信號的采集，電機控制所需要的各種運算的實現，與其它設備的通訊以及提供IGBT所需要的驅動信號等功能。

2.2 控制電路設計

控制器所需檢測的實時信號多，算法復雜。DSP28335作為系統控制芯片，運算速度快、實時性高，擁有專門用于電機控制外設——增強型脈寬調制模塊(ePWM)、ADC轉換單元、串行通信(SCI、SPI)等接口，可發揮其高性能的信號處理和控制功能。

控制電路框圖如圖4所示，該系統利用DSP(TMS320F28335)的AD轉換模塊實現直流母線電壓、相電流信號的采樣與保護功能；ePWM模塊產生PWM波；CAN模塊實現通訊功能；考慮DSP運行過程狀態參數監控及故障狀態發生時的狀態保存，需要選用鐵電存儲器，掉電后數據能夠保存以便進行故障診斷和數據處理。控制器具有雙抱閘輸出控制信號功能，即通過DSP的I/O口和外部電路控制報閘繼電器線圈，繼電器閉合抱閘制動器工作。

圖4 控制系統框圖

位置檢測電路是該驅動器的設計亮點，利用旋轉變壓器專用解碼芯片AD2S1210，可將旋轉變壓器輸出的角位置和角速度信號直接轉換為數字邏輯電平信號[6]。DSP的SPI接口將該轉子位置信號采集并解析，同時具備多路反饋信號復用功能，按照AD2S1210解碼芯片串行接口時序要求，開展多路片選設計，分時將數據傳輸至片內寄存器中，實現雙電機信號兼容采樣設計的要求。

多用途電機驅動系統編碼器信號輸入存在信號切換過程，電磁屏蔽的完整性較單一狀態有所下降，且存在天線效應和局部電磁兼容問題。同時考慮電機驅動器中大功率器件在PWM變換過程中會造成電磁干擾信號，因此在有限空間里控制板、功率板、電源板和功率模塊設計，以及機箱內線纜布局設計，均以提高抗干擾能力。

2.3 控制軟件設計

本軟件基于DSP28335平臺，圖5、圖6為系統程序框圖。其中，主程序主要完成初始化，包括配置寄存器、雙電機所對應的參數賦值操作等，然后進行上電自檢，若系統正常則程序運行，若報故則驅動器輸入保護，上位機顯示故障并提示檢修。中斷處理程序是系統控制算法的核心部分，它包括AD轉換、轉子位置處理、閉環PI調節、坐標變換子程序以及SVPWM算法程序等。

圖5 控制系統主程序框圖

圖6 中斷處理程序框圖

3 試驗及結果分析

3.1 試驗平臺

試驗采用一臺自主研制的多用途電機控制器分時驅動兩臺92 kW PMSM。控制器主要由控制板、功率板、電源板和功率模塊等組成，如圖7、圖8所示。

圖7 控制器實物圖圖8 控制器結構

兩臺PMSM參數一樣，如表1所示。

3.2 試驗內容及結果

采用對拖臺架進行加載，試驗環境如圖9所示。

表1 永磁同步電機的參數

圖9 臺架試驗環境示意圖

對兩路電機轉子位置信號采樣測試，檢測旋轉變壓器返回信號，用CANalyzer采集數據如圖10所示，通過軟件切換，可實現電機1(電機位置值為458)和電機2(電機位置值為3384)轉子位置信號采樣。

圖10 兩路電機轉子位置信號采樣測試

結果如圖11、圖12所示。根據運行曲線知，電機在±1 000 r/min、額定電壓550 V(DC)，可正常運行，信號采集正常。

圖11 電機1實際轉速曲線

圖12 電機2實際轉速曲線

4 結 語

本文論述了在特種車輛應用場合多用途電機驅動系統設計的重要性，著重介紹了矢量控制方案、多用途電機驅動系統總體方案、控制電路方案以及控制軟件設計，并通過相關試驗對系統設計進行充分驗證，為特種車輛永磁同步多用途電機驅動系統研發提供借鑒。