基于TC1782的永磁同步電機控制系統

　　摘要：本文在簡要介紹當前驅動汽車技術革命的電動汽車技術的前提下，詳細介紹了電動汽車主要核心部件的驅動電機及其控制器，重點分析了英飛凌32位新型單片機在電機控制器中的應用以及軟件的基本架構，探討了用軟件實現旋變解碼的可行性及其解決方案。并結合當前比較流行的汽車功能安全標準ISO26262，闡述英飛凌在汽車電機控制器的安全應用解決方案。

　　0 前言

　　電動汽車是21世紀的綠色交通工具，電動汽車技術是當前國際上正在進行研究的一項高新且熱門的技術。作為核心部件之一的驅動電機及其控制系統在純電動汽車(EV)及混合動力汽車(HEV)中起著至關重要的作用，對它們進行研究具有重要的理論和現實意義。

　　永磁同步電機(技術上也叫PMSM)相對于傳統交流電機具有高效、高功率密度以及良好的調速性能[1]，正逐漸成為EV和HEV中驅動電機的首選之一。本文主要討論了研制與開發永磁同步電機控制系統中的關鍵技術，闡述了控制系統的功能架構和軟硬件的實現過程，初步形成了控制系統的開發體系，為電動汽車驅動電機控制系統的獨立開發奠定了技術基礎。

　　1 永磁同步電機

　　永磁同步電機PMSM轉子上裝有永久磁體，定子采用正弦繞組(圖1左)，三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流(圖1右)產生旋變磁場，從而拖動永磁轉子同步旋轉，定子繞組的通電頻率以及由此產生的旋變磁場轉速取決于轉子的實際位置和轉速。

　　和常見的交流感應電機不一樣，PMSM電機所用正弦波必須和轉子的角位置同步才能獲得有用的扭矩,因此在控制電機時必須實時獲取轉子的實際位置和轉速。電機轉子角位置的值常常由一般用絕對位置傳感器(包括絕對碼盤和旋轉變壓器)。永磁同步電機低速時常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向和定子磁鏈定向，高速時增加弱磁控制[2]。

　　2 電機控制系統

　　2.1 系統架構

　　永磁同步電機PMSM的特性決定了控制系統的復雜性，較為常見的PMSM電機控制系統主要由驅動器、主控制器(邏輯控制板)及各種傳感器(電流傳感器，溫度傳感器和旋變繞組等) 等組成[1]，圖2所示為英飛凌推出的應用于在EV和HEV上PMSM電機控制系統的解決方案：

　　在上圖所示方案中，驅動器由IGBT三相橋驅動板，HybridPACK™2 IGBT(簡稱HP2)模塊和直流母線電容組成。IGBT三相橋驅動板包括6通道的IGBT預驅動電路，開關電源SMPS，邏輯門電路，故障檢測電路，電壓及溫度測量電路。由六個IGBT單元組成驅動PMSM電機的三相橋臂的HP2模塊是英飛凌專門為EV和HEV應用而設計的大功率模塊，其最大工作電壓為650 V，最大額定功率為80KW，模塊的最高運行結溫為150℃。主控制器則搭載了英飛凌32位新型單片機TC1782(Audo-MAX系列)的最小系統電路，旋變解碼電路，支持ISO26262功能安全解決方案的監控電路和傳感器接口電路等。

　　2.2 主控制器設計

　　PMSM電機控制系統的驅動器采用了Infineon生產的標準驅動模塊，以下討論將集中于主控制器的設計，最后驗證測試整個控制系統。

　　2.2.1 主芯片選型

　　PMSM電機的控制要求主控制器不僅有強大的適合電機控制的專用外設，而且有很強的實時性能。TC1782是一款哈弗架構且有非對稱雙核(主核Tricore和外設控制協處理器PCP)的高性能32位單片機，主頻高達180MHz，內置浮點運算單元FPU，支持DSP算法指令，2.5M字節FLASH，176K字節RAM。TC1782與電機控制相關的重要外設主要是通用時間陣列GPTA和數模轉換ADC。GPTA提供一套靈活的定時，比較和捕獲功能，可以靈活地組合成信號檢測單元和信號發生單元，應用于電機控制時可以支持動態控制的死區時間和不同于邊沿對齊和中央對齊的非對稱PWM輸出。由硬件觸發(如GPTA)并實現同步轉換的數模轉換模塊ADC至少可以支持在電機應用中兩相電流的同時獲取。圖3中所示為電機控制的一個單周期時序，GPTA生成一相帶死區的互補式PWM波形，在PWM中點同時觸發ADC0和ADC1的轉換，ADC模塊在完成對應通道轉換后啟動CPU中斷服務程序。

　　TC1782的每個AD轉換模塊(ADC0和ADC1)都支持16 路轉換通道，具有可編程的轉換精度(8/10/12比特)，12比特下最快轉換時間小于1微秒。專用外設控制協處理器PCP可以承擔大部分中斷負荷，從而主核可以集中處理用于電機控制的復雜運算，如Park變換，Clarke變換和空間矢量調制(SVM)等。目前TC1782微控制器受到了越來越多的汽車廠商和零部件供應商的關注，被國內外主流OEM和零部件供應商選為電動汽車驅動電機控制器的關鍵部件之一。