電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

摘要：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻繁工作于啟動(dòng)／停車、加／減速等復(fù)雜工況下，較工業(yè)用電機(jī)需要更寬的轉(zhuǎn)速范圍和更高的過載系數(shù)，同時(shí)對(duì)控制器的開發(fā)提出了較大的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)了一種適用于電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)(PMSM)控制器。給出了主電路的設(shè)計(jì)方法及驅(qū)動(dòng)、檢測和保護(hù)單元的參考電路。軟件部分采用矢量控制，并根據(jù)實(shí)時(shí)性要求將任務(wù)劃分為4級(jí)。最后搭建平臺(tái)，對(duì)控制器的性能進(jìn)行了測試。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；永磁同步電機(jī)；控制器

1 引言
當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境污染問題推動(dòng)了電動(dòng)汽車的發(fā)展。電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)包括汽車技術(shù)、電氣技術(shù)和電子技術(shù)等，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是電動(dòng)汽車的核心。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的任務(wù)是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能使汽車前進(jìn)。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)不同于工業(yè)用電機(jī)，通常要求能頻繁地啟動(dòng)／停車、加速／減速、具有較寬的轉(zhuǎn)速范圍和較高的過載系數(shù)，且要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速或爬坡時(shí)能提供高轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)則能輸出低轉(zhuǎn)矩。各國政府和主要汽車公司都對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的研究和開發(fā)給予了高度的重視，并取得了一定的成就。
目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動(dòng)汽車用電機(jī)主要有直流電機(jī)、無刷直流電機(jī)、PMSM、感應(yīng)電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。PMSM以其體積小、重量輕、慣性低、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩密度高、效率高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高和功率因數(shù)高的特點(diǎn)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。此處將設(shè)計(jì)一種適用于電動(dòng)汽車的PMSM控制器。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，功率部分包括：主電路；IGBT驅(qū)動(dòng)電路及開關(guān)電源電路。控制部分包括：DSP控制電路；電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速的檢測電路、故障與保護(hù)電路；開關(guān)量輸入輸出電路；模擬量輸入輸出電路、485／CAN通信電路和操作器電路，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 控制器主電路設(shè)計(jì)
控制器設(shè)計(jì)之初，需確定控制器負(fù)載、供電電源和使用環(huán)境的要求：①負(fù)載參數(shù)要求：負(fù)載額定功率Pn、額定電壓un、額定電流in和過載倍數(shù)kg等；②電源參數(shù)要求：額定電壓及變化范圍；③其他要求：工作環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)尺寸限制等。根據(jù)某電動(dòng)汽車的要求，此處研制的控制器性能指標(biāo)為：額定功率55 kW；額定轉(zhuǎn)速4 500 r·min-1；峰值功率82．5 kW；峰值功率運(yùn)行時(shí)間5 min；電動(dòng)方式轉(zhuǎn)速范圍0～9 000 r·min-1；發(fā)電方式轉(zhuǎn)速范圍800～9 000 r·min-1；基速峰值及額定功率時(shí)的效率89％～93％；工作電壓范圍405～583．2 V；扭矩控制精度為：額定扭矩以下：±5 N·m，額定扭矩以上：5％；扭矩控制響應(yīng)時(shí)間小于100 ms；速度控制響應(yīng)時(shí)間為在200 ms時(shí)進(jìn)入±50 r·min-1誤差之內(nèi)；速度控制精度：負(fù)載從0～100％變化，速度變化小于±1％；扭矩和速度控制模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間20 ms。
2．1．1 控制器容量選擇
由于電機(jī)控制器傳給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的是脈動(dòng)電流，其脈動(dòng)值比工頻供電時(shí)電流要大，因此須將電機(jī)控制器的容量留有適當(dāng)?shù)脑Ａ?。變頻器應(yīng)滿足：

式中：Scn為電機(jī)控制器的額定容量；Pn，η，cosφ分別為電機(jī)輸出功率、效率、功率因數(shù)，η=0．85，cosφ=0．8；K為電流波形的修正系數(shù)，PWM方式取1．05～1．1。
2．1．2 IGBT電壓選擇
IGWT電壓應(yīng)能承受母線峰值電壓，當(dāng)ICBT關(guān)斷時(shí)峰值電壓可表示為：

式中：Udcmax為母線最高電壓；α為過電壓保護(hù)系數(shù)，取α=1．15；β為安全系數(shù)，一般取β=1．1；Ldi／dt為母線電感引起的尖峰電壓，這里取100 V。
通過對(duì)式(2)進(jìn)行計(jì)算得到Ucesp=858．7 V，這樣應(yīng)選擇Uces=1 200V的元件。
2．1．3 IGBT電流規(guī)格選擇
IGBT電流的選擇，需保證電機(jī)峰值電流在IGBT的安全工作區(qū)內(nèi)。IGBT的額定電流應(yīng)滿足：

式中：S為電機(jī)控制器容量，此處S=114kVA；kg=1.5；kjw為考慮結(jié)溫的電流降額系數(shù)，此處kjw=1.4；U0為驅(qū)動(dòng)電機(jī)線電壓，
由式(3)可得，Ic應(yīng)大于508．94 A，根據(jù)IGBT的等級(jí)應(yīng)選擇Ic=600 A的元件。