基于Infineon XC2267的電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 在電動(dòng)汽車的研究當(dāng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤為重要，文中基于英飛凌公司的16位微控制器芯片XC2267，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)磁場(chǎng)定向矢量控制系統(tǒng)。對(duì)控制系統(tǒng)部分硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在Simulink仿真環(huán)境下建立電機(jī)控制系統(tǒng)的的仿真模型。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、電機(jī)運(yùn)行響應(yīng)快、穩(wěn)定性好，而且對(duì)永磁同步電機(jī)實(shí)際控制系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 永磁同步電機(jī);Infineon;矢量控制;Simulink

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件之一。永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)伺服調(diào)速性能優(yōu)越，去除了直流伺服電機(jī)的額機(jī)械換向器和電刷，使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單;且具有質(zhì)量輕、體積小、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn);被廣泛應(yīng)用于對(duì)精度和性能要求較高的領(lǐng)域。

本文基于磁場(chǎng)定向控制(FOC)原理，設(shè)計(jì)了以資源豐富和高速響應(yīng)為特點(diǎn)的英飛凌16位微控制器XC2000作為主控芯片構(gòu)建一個(gè)高性能的永磁同步電機(jī)伺服控制系統(tǒng)。最后，在Simulink環(huán)境下構(gòu)建控制系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)總體控制設(shè)計(jì)方案

1.1 FOC原理

永磁同步電機(jī)矢量控制是在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將定子電流矢量分解成勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量，實(shí)現(xiàn)解耦定子電流的完全解耦，然后分別對(duì)兩者進(jìn)行調(diào)節(jié)選擇。從而簡(jiǎn)化PMSM的控制。根據(jù)磁勢(shì)和功率不變?cè)瓌t，將永磁同步電機(jī)的三相電壓、電流和磁鏈經(jīng)過坐標(biāo)變換由三相ABC靜止坐標(biāo)系下的量變換成d—q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的量，定子電流矢量被分解為按轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)相互正交的電流分量，即定子電流的勵(lì)磁分量id和轉(zhuǎn)矩分量iq。iq調(diào)節(jié)參考量由速度控制器給出，經(jīng)過電流環(huán)調(diào)節(jié)后輸出d—q軸上的電壓分量，即ud和uq。將控制量ud和uq經(jīng)過反Parke變換后，得到α-β坐標(biāo)系上的分量uα和uβ。根據(jù)uα和 uβ值的大小和SVPWM空間矢量合成方法實(shí)現(xiàn)矢量控制的輸出，達(dá)到矢量控制的目的。

1.2 三閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速、位置三閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

其中速度環(huán)的作用在于保證電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令值一致，消除負(fù)載轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等因素對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。速度指令與反饋的電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速相比較，其差值通過速度調(diào)節(jié)器產(chǎn)生相應(yīng)的電流參考信號(hào)的幅值，再與通過磁極位置檢測(cè)得到的電流參考信號(hào)相位相乘，既得到完整的電流參考信號(hào)，該信號(hào)控制電機(jī)加速、減速或勻速，從而使電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令值保持一致。

電流環(huán)由電流控制器和逆變器組成，其作用是使電機(jī)繞組電流實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地跟蹤電流參考信號(hào)。位置環(huán)產(chǎn)生電機(jī)的速度指令并使電機(jī)準(zhǔn)確定位。通過設(shè)定的目標(biāo)位置與電機(jī)的實(shí)際位置相比較，利用其偏差通過位置調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生電機(jī)的速度指令，當(dāng)電機(jī)初始啟動(dòng)后，會(huì)產(chǎn)生最大速度指令，使電機(jī)加速并以最大速度恒速運(yùn)行，在小偏差區(qū)域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電機(jī)減速運(yùn)行直至最終定位。

控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)及外環(huán)控制器均為數(shù)字控制，都是由XC2267來編程實(shí)現(xiàn)。芯片根據(jù)給定速度值與經(jīng)霍爾傳感器得到的速度值進(jìn)行比較運(yùn)算得到電流給定值，實(shí)際為對(duì)應(yīng)的電機(jī)給定電壓值。伺服系統(tǒng)采用三閉環(huán)級(jí)聯(lián)控制模式，主要功能模塊包括位置及速度檢測(cè)、電流采樣、PI調(diào)節(jié)器、SVPWM、坐標(biāo)變換單元等。設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)使用CCU6單元比較產(chǎn)生PWM輸出信號(hào)，通用定時(shí)器GPT用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并計(jì)算轉(zhuǎn)速，ADC用來采樣繞組電流和速度模擬量指令。具體控制系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)如圖所示。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用XE164FN系列MCU，三相全橋驅(qū)動(dòng)芯片6ED003L6和OptiMOS功率晶體管，電機(jī)為永磁同步電機(jī)，位置傳感器采用光電編碼盤，電流傳感器采用LEM公司的霍爾傳感器。系統(tǒng)供電由36 V直流電提供。

2.1 PMSM驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

PMSM驅(qū)動(dòng)電路使用的驅(qū)動(dòng)芯片是英飛凌的3相橋驅(qū)動(dòng)芯片6ED003L06-F，它集成了三相電平轉(zhuǎn)換、門極驅(qū)動(dòng)和電路保護(hù)等諸多特性，在縮小芯片尺寸的同時(shí)提高了性能，如抗反相瞬態(tài)電壓的魯棒性等。

PMSM驅(qū)動(dòng)電路采用DC24～36V外部電源。6ED003L06-F工作電壓為15V，霍爾傳感器工作電壓為5V。15V電源通過降壓型DC—DC電壓轉(zhuǎn)換器LM317得到，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 電流采樣電路

采用LEM公司的閉環(huán)電流傳感器LTSR25-NP，該元件具有出色的精度、良好的線性度和最佳的反應(yīng)時(shí)間。LTSR25-NP的測(cè)量電流為6～25A，測(cè)量范圍為±80A，精度為0.7%，工作溫度為-40～85 ℃。LTSR25-NP可將電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，其初級(jí)額定采樣電流IPN=25 A，在25 A時(shí)輸出電壓為3.125 V，0 A時(shí)輸出電壓為2.5 V，輸出電壓通過單片機(jī)的ADC模塊進(jìn)行采樣處理。圖為V相電流采樣的電路圖：

2.3 信號(hào)處理電路

該電路通過RC構(gòu)建低通濾波電路對(duì)增量式光學(xué)編碼器的輸出信號(hào)進(jìn)行濾波，同時(shí)采用反相器74HC14對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離處理，以提高信號(hào)的輸入阻抗。光電編碼器A、B、Z信號(hào)處理電路如圖所示。

本電路采用總線收發(fā)器74HC245來增強(qiáng)PWM信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，以彌補(bǔ)單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線端口負(fù)載能力不足。具體電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)必須滿足實(shí)時(shí)性、可靠性和易維護(hù)性的要求。

3.1 主函數(shù)

和普通控制系統(tǒng)軟件一樣，主程序設(shè)計(jì)相對(duì)內(nèi)容較少，大部分是系統(tǒng)的初始化，復(fù)位后首先完成main.c文件中的初始化過程，對(duì)各個(gè)初始化變量進(jìn)行賦值。完成初始化后，主函數(shù)main()不斷執(zhí)行模擬給定速度采樣流程，主函數(shù)流程圖如圖7所示。

3.2 CCU6中斷函數(shù)

在CCU6中斷函數(shù)中完成的主要程序控制任務(wù)包括：

(1)在定時(shí)器周期匹配中斷中，執(zhí)行PMSM_FOC()函數(shù)實(shí)現(xiàn)采樣處理以及SVPWM計(jì)算，算出SVPWM波形需要的比較時(shí)間，并寫入通道映射寄存器。

(2)在定時(shí)器CCU6的1-匹配中斷中是使能映射寄存器傳輸，就將比較值寫入了各個(gè)通道的比較寄存器。

(3)Trpf中斷是外部保護(hù)中斷，出現(xiàn)異常時(shí)用來封鎖PWM輸出口并切換至停機(jī)狀態(tài)，起到保護(hù)作用。

3.3 PMSM_FOC()函數(shù)

CCU6定時(shí)器Timer12每100μs產(chǎn)生一次中斷，而PMSM_FOC()函數(shù)分成兩個(gè)階段。

period_number 1：進(jìn)行電流采樣和位置速度采樣，并進(jìn)行累加計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)至給定值count時(shí)進(jìn)行速度環(huán)調(diào)節(jié)，完成Clarke和Parke變換。

period_number 2：執(zhí)行電流環(huán)的PI調(diào)節(jié)和SVPWM空間矢量生成。

4 控制系統(tǒng)建模仿真分析

在Simulink環(huán)境下建立了PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速n=3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩M=4 N·m，極對(duì)數(shù)p=4，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=0.008 kg·m2，定子繞組電阻R=2.875 Ω，母線直流電壓Udc=310 V。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PMSM控制系統(tǒng)仿真模型靜、動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)空載啟動(dòng)，給定的初始速度為500 r/min，在t=0.05 s時(shí)給定速度升為2 000 r/min。并在t=0.1 s時(shí)突加負(fù)載TL=10 N·m，在0.3 s的仿真時(shí)間中的到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和A相電流仿真曲線如圖9-圖11所示。

由圖可以看出系統(tǒng)在電機(jī)通電以后，迅速到達(dá)最大轉(zhuǎn)矩，然后快速回到穩(wěn)定值，在0.05 s時(shí)給定速度上升到2 000 r/min，轉(zhuǎn)矩稍有波動(dòng)后趨近平穩(wěn)，在0.1 s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?0 N·m，輸出轉(zhuǎn)矩波形隨之給定，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)瞬時(shí)力矩的控制如圖10所示;轉(zhuǎn)速以直線上升，迅速到達(dá)給定值500 r/min，在0.05 s時(shí)給定值變?yōu)? 000 r/min，轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升至給定值，在0.1 s負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速稍有波動(dòng)如圖9所示;定子A相電流的變化如圖11所示。由此可以看出，此控制系統(tǒng)響應(yīng)快，抗干擾性能好，仿真波形與理論分析隋況一致，說明了所建模型的正確性和控制策略的有效性。

5 結(jié)束語

本文使用英飛凌芯片XC2267實(shí)現(xiàn)了對(duì)永磁同步電機(jī)速度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的各部分硬件電路，包括驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路和信號(hào)處理電路等;在控制策略上使用了磁場(chǎng)定向控制;在Simulink環(huán)境下進(jìn)行控制系統(tǒng)的建模仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此模型響應(yīng)快速平穩(wěn)。