高集成度轎車用電機(jī)控制技術(shù)研究(上)

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制原理
永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子為永磁體，采用旋轉(zhuǎn)變壓器作為電 機(jī)位置傳感器，以電機(jī)相電流作為反饋量，控制方式為轉(zhuǎn)矩 閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)原理如圖1所示。
高壓直流電源經(jīng)電機(jī)控制器DC/AC變換為電壓幅值和
頻率可調(diào)的三相交流電，驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)，通 過檢測(cè)當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和對(duì)電機(jī)的相電流進(jìn)行實(shí)時(shí)采 樣，并送入電機(jī)控制單元。電機(jī)控制單元通過CAN總線與 整車控制器進(jìn)行通信，從整車控制器獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)矩指令、運(yùn) 行模式和旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)反饋得到電流和電機(jī)位置信號(hào)， 控制電機(jī)控制器產(chǎn)生所需要的三相交流電，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正 常運(yùn)行。

2 控制器硬件功能描述及組成
2.1  電機(jī)控制器具有如下功能
(1)過流、過壓、過溫、欠壓、超速、電源極性連接錯(cuò) 誤等保護(hù)功能；
(2)轉(zhuǎn)矩監(jiān)控功能；

圖1 永磁同步電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作原理框圖    

圖2  電機(jī)控制器硬件框圖
(3)具有CAN電路接口用于通訊，232通訊接口用于程序
燒寫、監(jiān)控和標(biāo)定；
(4)控制永磁同步電機(jī)運(yùn)行。
2.2   控制器硬件組成
控制器硬件主要由低壓DC-DC控制電源單元、DSP控制 單元、功率變換單元、接口電路、檢測(cè)單元(溫度傳感器， 電流傳感器)構(gòu)成。控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。
2.3  DC-DC控制電源單元
DC-DC控制電源在寬范圍輸入電壓下，為DSP及驅(qū)動(dòng) 電路和控制電路提供多路相互隔離的電源。根據(jù)控制器實(shí)際 需求，DC-DC控制電源采用多個(gè)反激式開關(guān)電源來滿足需 求。
2.4  DSP控制單元
DSP控制單元以驅(qū)動(dòng)S320LF2407為主控芯片，采用永磁 同步電機(jī)變壓變頻矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。
D S P 控 制 單 元 主 要 功 能 包 括 ： 控 制 算 法 的 實(shí) 現(xiàn) ；
SVP WM信號(hào)的產(chǎn)生； 電流、 電壓及溫度信號(hào)的采樣與計(jì)算；電機(jī)轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)速的檢測(cè)與計(jì)算；通過CAN總線通
訊接收整車控制命令；各種保護(hù)功能(欠壓，過壓，過流，
過溫等)的實(shí)現(xiàn)。
DSP控制單元的電路主要包括：時(shí)鐘電路；復(fù)位電路； JTAG接口電路；外部中斷電路、PWM驅(qū)動(dòng)控制電路；AD采 樣電路、旋變信號(hào)檢測(cè)電路；CAN/232接口電路；D/A轉(zhuǎn)換

圖3  功率模塊圖    

圖4  RS232使能控制接口電路

圖5 永磁同步電機(jī)的電流控制策略    

圖6 永磁同步電機(jī)矢量控制基本框圖
電路；外擴(kuò)EEPROM電路；I/O控制電路等。
2.5 功率變換單元
控制器的功率變換單元由直流濾波電容、大功率器件
IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。
功率模塊驅(qū)動(dòng)電路主要接受DSP開關(guān)信息并反饋相關(guān) 信 息 (保 護(hù) 信 號(hào) )； 放 大 開 關(guān) 信 號(hào) 并 驅(qū) 動(dòng) IGBT； 提 供 電 壓 隔離和保護(hù)功能。控制器驅(qū)動(dòng)電路以隔離型驅(qū)動(dòng)芯片為核 心， 對(duì)控制單元提供的P W M信號(hào)進(jìn)行隔離放大， 驅(qū)動(dòng)大 功率器件IGBT， 實(shí)現(xiàn)D C -AC轉(zhuǎn)換。 控制器采用英飛凌的 FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin結(jié)構(gòu))作為大功率開關(guān)器 件。直流濾波電容采用國內(nèi)領(lǐng)先的AAEV42872膜電容，配套 與IGBT模塊組成模塊式結(jié)構(gòu)。
2.6  檢測(cè)電路
檢測(cè)電路主要包括電機(jī)相電流(A/C相)、母線電流、母 線電壓、電機(jī)溫度、控制器溫度及電機(jī)位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí) 檢測(cè)，并將采集到的信息送給DSP控制單元，是電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的保證。
3 控制器關(guān)鍵器件選型
3.1  DSP控制單元
電子控制技術(shù)已從模擬控制發(fā)展到以集成度高的微處 理器為核心的數(shù)字控制，與傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)相比，數(shù)字 控制擁有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)體積小、重量輕、能耗低，硬件成本低；
( 2 ) 硬 件 線 路 連 接 少 、 無 故 障 工 作 時(shí) 間 長、可靠性更高；
( 3 ) 受 溫 度 及 其 它
參數(shù)變化影響小；
( 4 ) 提 高 了 整 個(gè) 系 統(tǒng) 信 息 存 儲(chǔ) 、 監(jiān) 控 、 診 斷 及 實(shí) 時(shí) 性 的 能
力；
(5)可以通過軟件 編 程 實(shí) 現(xiàn) 復(fù) 雜 的 算 法 功 能 ， 使 系 統(tǒng) 具 有 較 高 的 適 應(yīng) 能 力 ， 容 易 應(yīng) 用 現(xiàn) 代 控 制 理 論 ， 提 高 了 系 統(tǒng) 的 綜 合 性 能。
以電力電子控制技術(shù)的數(shù)字化發(fā)展作為條件，電機(jī)控 制系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上也發(fā)生了很大的變化。尤其是DSP的出 現(xiàn)和快速發(fā)展，既簡化了電機(jī)控制的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn) 了電機(jī)控制的高性能、低成本和高可靠性。本系統(tǒng)選用了TI TMS320LF 2407 DSP作為主控制器芯片。
3.2  功率變換單元
功率變換單元的驅(qū)動(dòng)電路選用汽車級(jí)隔離型IGBT驅(qū)動(dòng) 芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SVPWM信號(hào)的放大，強(qiáng)弱電的電氣隔離
以及IGBT短路保護(hù)等功能。
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型 晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng) 管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件， 兼有 MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點(diǎn)， 驅(qū) 動(dòng) 功 率 小 而 飽 和 壓 降 低 。 非 常 適 合 應(yīng) 用 于 直 流 電 壓 為
600V及以上的車用電機(jī)及其控制系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。