高集成度轎車用電機控制技術研究

摘要：本文以某款新能源轎車為研究對象，對驅動電機系統進行研究開發，確定驅動控制原理圖，通過分析其控制器組成及功能分析，確定控制器關鍵部件的選型。交流永磁電機電流最優控制方法，計算得到各個轉速和轉矩需求下的id和iq電流值，并作為指令值控制實際輸出電流。

1 驅動電機控制原理

　　永磁同步電機轉子為永磁體，采用旋轉變壓器作為電機位置傳感器，以電機相電流作為反饋量，控制方式為轉矩閉環控制，控制系統原理如圖1所示。

　　高壓直流電源經電機控制器DC/AC變換為電壓幅值和頻率可調的三相交流電，驅動永磁同步電機運轉;同時，通過檢測當前的轉子位置信號和對電機的相電流進行實時采樣，并送入電機控制單元。電機控制單元通過CAN總線與整車控制器進行通信，從整車控制器獲得當前轉矩指令、運行模式和旋轉方向，并根據反饋得到電流和電機位置信號，控制電機控制器產生所需要的三相交流電，從而實現電機正常運行。

2 控制器硬件功能描述及組成

2.1 電機控制器具有如下功能

　　(1)過流、過壓、過溫、欠壓、超速、電源極性連接錯誤等保護功能;

　　(2)轉矩監控功能;

　　(3)具有CAN電路接口用于通訊，232通訊接口用于程序燒寫、監控和標定;

　　(4)控制永磁同步電機運行。

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、檢測單元(溫度傳感器，電流傳感器)構成。控制器硬件結構框圖，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及驅動電路和控制電路提供多路相互隔離的電源。根據控制器實際需求，DC-DC控制電源采用多個反激式開關電源來滿足需求。

2.4 DSP控制單元

　　DSP控制單元以驅動S320LF2407為主控芯片，采用永磁同步電機變壓變頻矢量控制方法，實現對永磁同步電動機的轉矩閉環控制。

　　DSP控制單元主要功能包括：控制算法的實現;SVPWM信號的產生;電流、電壓及溫度信號的采樣與計算;電機轉子位置與轉速的檢測與計算;通過CAN總線通訊接收整車控制命令;各種保護功能(欠壓，過壓，過流，過溫等)的實現。

　　DSP控制單元的電路主要包括：時鐘電路;復位電路;JTAG接口電路;外部中斷電路、PWM驅動控制電路;AD采樣電路、旋變信號檢測電路;CAN/232接口電路;D/A轉換電路;外擴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及其驅動電路構成。

　　功率模塊驅動電路主要接受DSP開關信息并反饋相關信息(保護信號);放大開關信號并驅動IGBT;提供電壓隔離和保護功能。控制器驅動電路以隔離型驅動芯片為核心，對控制單元提供的PWM信號進行隔離放大，驅動大功率器件IGBT，實現DC-AC轉換。控制器采用英飛凌的FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin結構)作為大功率開關器件。直流濾波電容采用國內領先的AAEV42872膜電容，配套與IGBT模塊組成模塊式結構。

2.6 檢測電路

　　檢測電路主要包括電機相電流(A/C相)、母線電流、母線電壓、電機溫度、控制器溫度及電機位置和速度進行實時檢測，并將采集到的信息送給DSP控制單元，是電機驅動系統可靠運行的保證。

3 控制器關鍵器件選型

3.1 DSP控制單元

　　電子控制技術已從模擬控制發展到以集成度高的微處理器為核心的數字控制，與傳統的模擬控制技術相比，數字控制擁有以下優點：

　　(1)體積小、重量輕、能耗低，硬件成本低;

　　(2)硬件線路連接少、無故障工作時間長、可靠性更高;

　　(3)受溫度及其它參數變化影響小;

　　(4)提高了整個系統信息存儲、監控、診斷及實時性的能力;

　　(5)可以通過軟件編程實現復雜的算法功能，使系統具有較高的適應能力，容易應用現代控制理論，提高了系統的綜合性能。

　　以電力電子控制技術的數字化發展作為條件，電機控制系統在硬件結構上也發生了很大的變化。尤其是DSP的出現和快速發展，既簡化了電機控制的硬件結構，同時還實現了電機控制的高性能、低成本和高可靠性。本系統選用了TI TMS320LF 2407 DSP作為主控制器芯片。

3.2 功率變換單元

　　功率變換單元的驅動電路選用汽車級隔離型IGBT驅動芯片，能夠實現對SVPWM信號的放大，強弱電的電氣隔離以及IGBT短路保護等功能。

　　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(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導通壓降兩方面的優點，驅動功率小而飽和壓降低。非常適合應用于直流電壓為600V及以上的車用電機及其控制系統應用領域。

　　本系統功率模塊選用英飛凌汽車專用IGBT FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin結構)作為大功率開關器件，如圖3所示。

3.3 濾波電容

　　電機控制器直流濾波電容主要是用于濾除10kHz的高頻紋波，瞬時功能及諧波補償等作用。要求直流濾波電容具有高的有效值電流和抗浪涌能力，以及緊湊的體積。