車用永磁同步電機控制器系統開發與實現

歐陽澤華，李學明，張亮，何琪

（1.三一集團湖南汽車制造有限責任公司，湖南長沙 410100；2.中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南株洲 412001）

車用電機是將電能轉化為機械能并為車輛提供動力的關鍵部件，永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）因具有結構簡單、效率高、弱磁調速性能優良等優點[1-4]，是電動汽車（EV）及混動汽車（HEV）電驅動系統理想的動力源。

車用永磁同步電機控制系統通常采用矢量控制。在基速以下，要求車輛動力系統需有良好的轉矩輸出性能，故通常采用MTPA(Maximum Torque Per Ampere)控制方法[6-7]。在基速以上，通常采用弱磁控制方法。弱磁控制能保證在逆變器容量不變的前提下，提高驅動電機的啟動加速能力、爬坡能力，擴大高速運行范圍能力[8-9]。

文中在分析永磁同步電動機的基本特性及控制算法的基礎上，提出了車用電機控制器的軟硬件設計方案。主控芯片選擇Infineon公司的SAK-TC234T-64F200N 單片機為主平臺，通過分析各硬件功能模塊的工作原理，完成硬件電路設計。同時，文中提出了一種自適應最優弱磁控制算法，實現了車用永磁同步電動機控制器的模型設計。通過對樣機進行試驗研究，證明了系統方案設計的合理性。

1 永磁同步電機控制原理

1.1 永磁同步電機的數學模型

PMSM 系統具有多變量、非線性、強耦合等特性，為了建立正弦波PMSM 的d-q軸數學模型,首先作如下假設：①忽略電動機鐵心飽和、渦流及磁滯損耗；②電動機的電流為對稱的三相正弦波電流。

永磁同步電機在d-q坐標系下的數學模型如下：

定子電壓方程為:

磁鏈方程為：

電磁轉矩方程為：

式中，ud、uq為定子直軸、交軸電壓分量；id、iq為直軸、交軸電流；Ld、Lq為直軸、交軸電感；Rs為定子電阻；ωe為電角速度，ωe=Npω（ω為機械角速度，Np為極對數）；ψf為空載永磁磁鏈。

1.1.1 電壓極限橢圓

永磁同步電機穩態時在d-q坐標系下的電壓方程為：

式中，ulim為定子限制電壓；當轉速ω固定時，id和iq在d-q坐標里的圖形為橢圓。隨著轉速的上升，電壓極限橢圓往中心收縮，形成一系列動態橢圓簇[12-13]。對于車用永磁同步電機而言，一般采用內置式，即Lq≠Ld，電壓極限橢圓的中心點為(-ψf/Ld,0)，電壓極限橢圓如圖1 中橢圓環所示。

圖1 電機定子電流矢量軌跡圖

1.1.2 電流限制圓

電機的最大電流及可持續的時間是電機的固有參數，當工作電流過大時將會導致電機過熱，并對定子繞組造成不可逆損害。因此需要在設計中標定控制器的最大工作電流，以保證IGBT 等關鍵功率器件的使用壽命。電機和控制器的工作電流會受到最大電流的約束，其數學表達式為：

電流極限圓曲線如圖1 中圓環所示。

1.2 最大轉矩電流比控制

最大轉矩電流比(MTPA)算法的思想是使永磁同步電機定子單位電流所產生的電磁轉矩最大；控制核心是在給定參考值下計算id、iq的最優組合，實現定子電流幅值最小，從而降低逆變器的功率等級要求。對于任一給定轉矩Te，選擇其中電流矢量幅值最小的一個用于控制，則產生給定轉矩所需定子電流最小，即最大轉矩/電流比控制，如圖1 中的O-A段，電流id的數學表達式為：

1.3 弱磁控制

車輛在高速運行時，由于電機轉速高于基速，逆變器輸出電壓受到車用電源電壓的限制，不能繼續通過調節電壓來提速，如圖1 中的A-B-C段。此時需要通過削弱氣隙磁場來降低電壓限幅，從而提升轉速，這就是弱磁控制，弱磁控制可以有效地提升車輛的驅動性能。通過永磁同步電機直軸電流的負向增大等效地減弱電機氣隙磁場，實現永磁同步電機弱磁升速目的；或者減小定子電流的交軸電流，從而減小其永磁磁場的方法來實現弱磁擴速；但由于交軸電流的減少，其最大轉矩輸出也會降低。電流id的數學表達式為：

2 控制器硬件設計

2.1 控制系統設計

文中所設計的永磁同步電動機控制系統結構如圖2 所示。該系統主要由主控板、功率驅動板、IGBT 單元和永磁同步電動機組成。TC234 內部含一 個32 位TriCore MCU，主頻 為200 MHz；I/O 口供電電壓為DC 3.3 V，內部GTM 模塊可以實時輸出6 路SVPWM 信號，用于驅動IGBT 的上下橋臂。集成的ADC 模塊可5 V 供電，為提高系統可靠性，MCU 核心電路與外圍采集及驅動電路進行電氣隔離設計。

圖2 控制系統框圖

2.2 相電流采集電路設計

電機繞組為星型連接，根據基爾霍夫電流定律，三相電流之和為零，故在檢測時僅需檢測其中兩相即可。電路由傳感器電流采集和信號調理電路組成。電流傳感器采用LEM 公司的HAH1DRW800 傳感器。該傳感器采用+5 V 單電源供電。傳感器輸出電壓與被測電流的關系為：

式中，uout為輸出電壓；Ip為被測電流；uc為供電電壓；S為靈敏度；u0為uc2。MCU 通過讀取電壓的AD 值，根據式（8）運算后可獲取當前的被測電流值Ip。為了過濾噪聲干擾，前級電路在電壓值進行AD 轉換前需要作濾波處理。為了有效濾除定子電流中的諧波干擾，設計中采用低通濾波加電壓跟隨電路。電路圖如圖3 所示。

圖3 相電流采集電路

2.3 母線電壓采樣電路設計

電機工作在大功率制動能量回收或大功率充電時工況狀態下，將導致直流母線電壓升高，此時需要進行能量泄放。當電機長時間工作在大功率輸出的工況下時，若電機輸出扭矩不能滿足負載扭矩要求，將導致電機堵轉，從而損壞電機。因此設計母線電壓檢測電路，可以保證系統工作的可靠性。檢測電路由信號隔離電路及信號調理電路組成，如圖4 所示。電路可在高噪聲電機控制環境中,監測母線電壓的變化，控制系統根據檢測電壓值將母線電壓維持在合理工作范圍內。

圖4 母線電壓采樣電路

2.4 轉子位置采集電路設計

位置傳感器采用旋轉變壓器，為了增強系統的集成度和減少控制器TC234 的運算負荷，電路采用AD2S1210 集成芯片對旋轉編碼器的信號進行處理。芯片內部集成了數學運算處理功能，其工作原理為在旋轉變壓器的初級繞組上加入基準源激勵信號Vr，Vr=Vp×sinωt，在次級繞組上分別得到Va和Vb：

兩者進行差值處理后為：

利用芯片內部產生的合成基準信號解調該信號，處理后得到：

上式化簡后得到：

式中，Vp為激勵信號幅度，θ為轉子位置角，sinωt為轉子激勵頻率，E0為轉子激勵幅度，φ為芯片內部轉換器產生的輸出角。當θ-φ的值較小時，E0sin(θ-φ)≈E0(θ-φ)。芯片通過內部處理，將誤差信號歸零，使φ=θ，從而獲得旋轉變壓器的轉子位置角。

2.5 溫度檢測電路設計

溫度檢測電路用于采集電機溫度和IGBT 模塊的溫度，防止過熱導致電機及IGBT 模塊的損壞。采集信號為電阻信號，因此采集電路設計有上拉電阻，當NTC 隨溫度變化時，采集端口的電壓也隨之改變。MCU 將采集的電壓AD 值轉換為NTC 的電阻值，通過查表獲得當前溫度值。

2.6 CAN接口電路設計

電機控制器與整車其他控制部件之間的網絡通信使用CAN 總線，整車控制器（VCU）通過CAN 總線獲得電機運行狀態信息，相應的電機控制器接收來自整車控制器的轉矩與轉速等控制報文。TC234 處理器內部有CAN 控制器模塊，可處理CAN 協議，接口采用電氣隔離設計，通過光耦隔離芯片及CAN 接口電路設計實現電氣接口的匹配。設計電路如圖5所示。

圖5 CAN總線接口電路

3 算法設計

3.1 自適應最優弱磁控制

為實現電機在任意轉速下盡可能擴大轉矩輸出范圍并使控制電流最小，文中綜合最大轉矩電流比與最小磁鏈轉矩比算法的特點，提出了一種自適應最優磁鏈控制策略，其控制算法原理流程如圖6 所示。圖中各變量符號含義如表1 所示。

表1 變量含義

圖6 自適應最優弱磁控制算法流程圖

3.2 控制系統原理

為保證良好的速度跟蹤效果，文中在轉速閉環控制中采用積分分離PI 算法，使系統在啟動、結束和大幅度增減設定時，不會因積分積累導致控制量出現較大的超調。此外，在控制器中增加電壓前饋環節，補償式（1）中的耦合項，即補償反電勢來消除轉速變換對電流控制的影響，提高系統的動態性能。整個控制系統原理框圖如圖7 所示。

圖7 所提PMSM控制系統原理框圖

4 試驗結果

試驗平臺所用電機相關參數如表2 所示。為驗證所提算法的有效性，從t=0.1 s 開始，設定速度從0開始線性增加至650 r/min，t=4 s 開始線性下降至0，在t=2 s 時突加200 N·m 負載，模擬電機的加減速度控制以及負載突投來進行測試，得到相關測試結果如圖8-9 所示。

表2 電機參數

圖8 速度跟蹤效果

從圖8、圖9 可以看出，整個過程中控制系統通過對d軸、q軸電流的有效控制，能對設定速度進行準確無靜差跟蹤，而在負載突投時能快速響應，并進行及時調節，具有良好的控制性能。

圖9 d軸、q軸給定電流

5 結論

文中設計了一款汽車級永磁同步電機控制器，采用矢量化控制技術，對MTPA 控制及弱磁控制原理進行分析；提出了一種自適應最優磁鏈控制策略，并通過仿真驗證了算法的可行性。根據控制原理設計了相關控制電路，闡述了相電流檢測電路、母線電壓檢測電路、轉速與位置檢測電路、CAN 接口電路等硬件電路等的工作原理，在搭建硬件平臺的基礎上開發了控制軟件，使用embedded coder 將Simulink 模型轉為C 代碼，通過編譯軟件TASKING 生成hex 文件下載到電機控制器中。試驗結果表明，該控制器可滿足車輛使用環境需求，具有良好的動態性能。相關控制算法通過后續的參數標定和迭代優化，可在整車環境下能獲得更優的動力性能。