高集成度轿车用电机控制技术研究

 摘要：本文以某款新能源轿车为研究对象，对驱动电机系统进行研究开发，确定驱动控制原理图，通过分析其控制器组成及功能分析，确定控制器关键部件的选型。交流永磁电机电流最优控制方法，计算得到各个转速和转矩需求下的id和iq电流值，并作为指令值控制实际输出电流。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/277707.htm

1 驱动电机控制原理

永磁同步电机转子为永磁体，采用旋转变压器作为电机位置传感器，以电机相电流作为反馈量，控制方式为转矩闭环控制，控制系统原理如图1所示。

高压直流电源经电机控制器DC/AC变换为电压幅值和频率可调的三相交流电，驱动永磁同步电机运转;同时，通过检测当前的转子位置信号和对电机的相电流进行实时采样，并送入电机控制单元。电机控制单元通过CAN总线与整车控制器进行通信，从整车控制器获得当前转矩指令、运行模式和旋转方向，并根据反馈得到电流和电机位置信号，控制电机控制器产生所需要的三相交流电，从而实现电机正常运行。

2 控制器硬件功能描述及组成

2.1 电机控制器具有如下功能

(1)过流、过压、过温、欠压、超速、电源极性连接错误等保护功能;

(2)转矩监控功能;

(3)具有CAN电路接口用于通讯，232通讯接口用于程序烧写、监控和标定;

(4)控制永磁同步电机运行。

2.2 控制器硬件组成

控制器硬件主要由低压DC-DC控制电源单元、DSP控制单元、功率变换单元、接口电路、检测单元(温度传感器，电流传感器)构成。控制器硬件结构框图。

2.3 DC-DC控制电源单元

DC-DC控制电源在宽范围输入电压下，为DSP及驱动电路和控制电路提供多路相互隔离的电源。根据控制器实际需求，DC-DC控制电源采用多个反激式开关电源来满足需求。

2.4 DSP控制单元

DSP控制单元以驱动S320LF2407为主控芯片，采用永磁同步电机变压变频矢量控制方法，实现对永磁同步电动机的转矩闭环控制。

DSP控制单元主要功能包括：控制算法的实现;SVPWM信号的产生;电流、电压及温度信号的采样与计算;电机转子位置与转速的检测与计算;通过CAN总线通讯接收整车控制命令;各种保护功能(欠压，过压，过流，过温等)的实现。

DSP控制单元的电路主要包括：时钟电路;复位电路;JTAG接口电路;外部中断电路、PWM驱动控制电路;AD采样电路、旋变信号检测电路;CAN/232接口电路;D/A转换电路;外扩EEPROM电路;I/O控制电路等。

2.5 功率变换单元

控制器的功率变换单元由直流滤波电容、大功率器件IGBT及其驱动电路构成。

功率模块驱动电路主要接受DSP开关信息并反馈相关信息(保护信号);放大开关信号并驱动IGBT;提供电压隔离和保护功能。控制器驱动电路以隔离型驱动芯片为核心，对控制单元提供的PWM信号进行隔离放大，驱动大功率器件IGBT，实现DC-AC转换。控制器采用英飞凌的FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin结构)作为大功率开关器件。直流滤波电容采用国内领先的AAEV42872膜电容，配套与IGBT模块组成模块式结构。

2.6 检测电路

检测电路主要包括电机相电流(A/C相)、母线电流、母线电压、电机温度、控制器温度及电机位置和速度进行实时检测，并将采集到的信息送给DSP控制单元，是电机驱动系统可靠运行的保证。

3 控制器关键器件选型

3.1 DSP控制单元

电子控制技术已从模拟控制发展到以集成度高的微处理器为核心的数字控制，与传统的模拟控制技术相比，数字控制拥有以下优点：

(1)体积小、重量轻、能耗低，硬件成本低;

(2)硬件线路连接少、无故障工作时间长、可靠性更高;

(3)受温度及其它参数变化影响小;

(4)提高了整个系统信息存储、监控、诊断及实时性的能力;

(5)可以通过软件编程实现复杂的算法功能，使系统具有较高的适应能力，容易应用现代控制理论，提高了系统的综合性能。

以电力电子控制技术的数字化发展作为条件，电机控制系统在硬件结构上也发生了很大的变化。尤其是DSP的出现和快速发展，既简化了电机控制的硬件结构，同时还实现了电机控制的高性能、低成本和高可靠性。本系统选用了TI TMS320LF 2407 DSP作为主控制器芯片。

3.2 功率变换单元

功率变换单元的驱动电路选用汽车级隔离型IGBT驱动芯片，能够实现对SVPWM信号的放大，强弱电的电气隔离以及IGBT短路保护等功能。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的车用电机及其控制系统应用领域。

本系统功率模块选用英飞凌汽车专用IGBT FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin结构)作为大功率开关器件。

3.3 滤波电容

电机控制器直流滤波电容主要是用于滤除10kHz的高频纹波，瞬时功能及谐波补偿等作用。要求直流滤波电容具有高的有效值电流和抗浪涌能力，以及紧凑的体积。

膜电容具有介电常数较高、体积小、容量大、稳定性较好的特性，能够承受高的有效值电流，能承受两倍于额定电压的过压，能承受反向电压，能承受高峰值电流，拥有较长的使用寿命。与电解电容相比，实现相同的功能，其所需的容值要远远低于电解电容，可以大大减小系统的体积。

4 驱动电机的选型

由于新能源轿车频繁启动及加减速，低速大扭矩，高速高功率运行工况特点，对驱动电机技术要求总体归纳如下：

(1)满足电池能量利用最大化：要求高效率及宽效率区间特点，布置空间体积最优，重量轻量化的高密度要求;

(2)满足动力性能要求：需要高速宽调速性能，大启动转矩及强过载能力，快速转矩相应及高速高功率特定;

(3)满足整车舒适性、可靠性要求：电机转矩波动小、控制成熟、电机结构简单、可靠;

(4)满足成本要求：需要电机制造工艺简单，价格合理。

国内永磁同步电机技术不断发展，中国稀土资源也相对丰富，永磁同步电机满足新能源轿车技术需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高转矩密度、控制成熟、具有较宽效率区间和调速性能等技术特点，相对于直流电机结构简单、可靠、制造工艺成熟、工艺简单、成本适中。[!--empirenews.page--]

本文描述驱动电机基于以上特点，采用永磁同步电机方案，基于成熟车型电机V型磁钢冲片平台进行扩容设计，具有技术平台成熟，成本控制能力强等特点。

5 控制器接口电路

永磁同步电动机控制器有两个接口电路(完全相同)，使用23PIN的AMP接插件与整车及电机相连，提供控制电源、CAN通信、RS232下载等功能。

RS232接口电路。

 

 

 

6 电磁兼容性设计

控制器EMC设计主要从强电、弱点、结构三部分开展工作。

6.1 强电部分

(1)电机三相动力电缆采用屏蔽电缆，电机和控制器两端接地屏蔽;

(2)正负母线与机壳见加Y电容，消除共模干扰，正负母线加X电容消除差模干扰;

(3)正负采用叠层母排，降低线路寄生电感。

6.2 弱电部分

(1)电源输入/输出增加滤波电路;

(2)开关电源变压器设计尽量减小分部电容;

(3)所有输入/输出信号增加滤波电路;

(4)CAN通讯采用隔离电路，采用典型CAN接口电路，并使用双绞线。

6.3 结构部分

(1)箱体采用封闭式，对控制器进行整体屏蔽;

(2)控制器内部强弱电路分开布置，避免相互干扰;

(3)优化线束布置，避免交叉造成相互干扰。

7 永磁同步电机控制技术

对于转子磁钢内嵌式永磁同步电机控制，基速以下采用最大转矩/电流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制。

 

 

 

图5中交流永磁电机最佳电流矢量控制策略的基本思想如下：

(1)区间ω≤ω1时，定子电流矢量规定在A1点，电机采用最大转矩/电流比控制，电机以最大恒转矩运行。此时，定子电流满足：|is| =ilim， ilim为电流极限圆半径;定子电压满足：|μ|≤μlim，μlim为定子相电压极限值;

(2)区间ω1<ω≤ω2时，电机转速升高使得电机定子电流矢量从A1移动到A2点，A2对应电压达到极限时电机能够运行于最大输出功率的最低转速点，电机实现弱磁控制。此时， |is| =ilim， |μ|≤μlim;

(3)区间ω>ω2时，电流矢量沿着最大功率轨迹从A2移动至A3点，此时转速为理想的极限转速。此时，|is| =ilim， |μ|≤μlim 。

由上述分析可以看出，定子电流最佳控制过程中，电机处于驱动工况下的的定子电流运行轨迹为OA1A2A2。

基于电压前馈的永磁同步电机矢量控制基本框图。

 

 

 

图6中，给定电机的输入电流，由最大转矩-电流控制策略给出d、q轴电流，同时与弱磁电流进行运算产生给定的d、q轴给定电流。给定的电流与反馈的电流比较，经过PI调节器的作用产生给出的d，q轴电压经过变换产生电机的三相电压对电机进行控制。由于采用了转子磁场定向的矢量控制，可直接实现电机的转矩，实现四象限的运行。电流控制策略依照不同输入转矩需求和当前转速状态，按照图6所示的交流永磁电机电流最优控制方法，计算得到各个转速和转矩需求下的id和iq电流值，并作为指令值控制实际输出电流。

当车载动力电池电压随着负载、SoC状态发生变化时，Udc发生变化，电压控制量Us1w随着变化，通过电压闭环调解，使得电机输出能力随着电压变化而改变。基于直流母线电压可变得永磁电机控制以交流电压输出恒定为控制目标，使得电机在弱磁运行情况下输出电压恒定，充分发挥电机输出能力。Us1w经与实际电机电压的比较，通过PI调节输出电流补偿量，补偿电流控制策略中的id电流。

8 总结

 

本文对驱动电机系统进行研究开发，确定驱动控制原理图，通过分析其控制器组成及功能分析，确定控制器关键部件的选型。交流永磁电机电流最优控制方法，计算得到各个转速和转矩需求下的id和iq电流值，并作为指令值控制实际输出电流，设计方法合理，已搭载整车应用，性能可靠。