摘要：本文以某款新能源轎車為研究對象，對驅(qū)動電機系統(tǒng)進行研究開發(fā)，確定驅(qū)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(guān)鍵部件的選型。交流永磁電機電流最優(yōu)控制方法，計算得到各個轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/277707.htm
1 驅(qū)動電機控制原理
永磁同步電機轉(zhuǎn)子為永磁體，采用旋轉(zhuǎn)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(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)動永磁同步電機運轉(zhuǎn);同時，通過檢測當(dāng)前的轉(zhuǎn)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(dāng)前轉(zhuǎn)矩指令、運行模式和旋轉(zhuǎn)方向，并根據(jù)反饋得到電流和電機位置信號，控制電機控制器產(chǎn)生所需要的三相交流電，從而實現(xiàn)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(zhuǎn)矩監(jiān)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(jiān)控和標(biāo)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(gòu)成?？刂破饔布Y(jié)構(gòu)框圖。
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)控制器實際需求，DC-DC控制電源采用多個反激式開關(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(xiàn)對永磁同步電動機的轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。
DSP控制單元主要功能包括：控制算法的實現(xiàn);SVPWM信號的產(chǎn)生;電流、電壓及溫度信號的采樣與計算;電機轉(zhuǎn)子位置與轉(zhuǎn)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(xiàn)。
DSP控制單元的電路主要包括：時鐘電路;復(fù)位電路;JTAG接口電路;外部中斷電路、PWM驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)動電路構(gòu)成。
功率模塊驅(qū)動電路主要接受DSP開關(guān)信息并反饋相關(guān)信息(保護信號);放大開關(guān)信號并驅(qū)動IGBT;提供電壓隔離和保護功能?？刂破黩?qū)動電路以隔離型驅(qū)動芯片為核心，對控制單元提供的PWM信號進行隔離放大，驅(qū)動大功率器件IGBT，實現(xiàn)DC-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(qū)動系統(tǒng)可靠運行的保證。
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：
(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(shù)變化影響小;
(4)提高了整個系統(tǒng)信息存儲、監(jiān)控、診斷及實時性的能力;
(5)可以通過軟件編程實現(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，既簡化了電機控制的硬件結(jié)構(gòu)，同時還實現(xiàn)了電機控制的高性能、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)動電路選用汽車級隔離型IGBT驅(qū)動芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(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，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。非常適合應(yīng)用于直流電壓為600V及以上的車用電機及其控制系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域。
本系統(tǒng)功率模塊選用英飛凌汽車專用IGBT FS400R07A1E3(400A/650V，PinFin結(jié)構(gòu))作為大功率開關(guān)器件。
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?shù)茸饔?。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。
膜電容具有介電常數(shù)較高、體積小、容量大、穩(wěn)定性較好的特性，能夠承受高的有效值電流，能承受兩倍于額定電壓的過壓，能承受反向電壓，能承受高峰值電流，擁有較長的使用壽命。與電解電容相比，實現(xiàn)相同的功能，其所需的容值要遠遠低于電解電容，可以大大減小系統(tǒng)的體積。
4 驅(qū)動電機的選型
由于新能源轎車頻繁啟動及加減速，低速大扭矩，高速高功率運行工況特點，對驅(qū)動電機技術(shù)要求總體歸納如下：
(1)滿足電池能量利用最大化：要求高效率及寬效率區(qū)間特點，布置空間體積最優(yōu)，重量輕量化的高密度要求;
(2)滿足動力性能要求：需要高速寬調(diào)速性能，大啟動轉(zhuǎn)矩及強過載能力，快速轉(zhuǎn)矩相應(yīng)及高速高功率特定;
(3)滿足整車舒適性、可靠性要求：電機轉(zhuǎn)矩波動小、控制成熟、電機結(jié)構(gòu)簡單、可靠;
(4)滿足成本要求：需要電機制造工藝簡單，價格合理。
國內(nèi)永磁同步電機技術(shù)不斷發(fā)展，中國稀土資源也相對豐富，永磁同步電機滿足新能源轎車技術(shù)需求的全部要求：具有高效、高功率密度、高轉(zhuǎn)矩密度、控制成熟、具有較寬效率區(qū)間和調(diào)速性能等技術(shù)特點，相對于直流電機結(jié)構(gòu)簡單、可靠、制造工藝成熟、工藝簡單、成本適中。[!--empirenews.page--]
本文描述驅(qū)動電機基于以上特點，采用永磁同步電機方案，基于成熟車型電機V型磁鋼沖片平臺進行擴容設(shè)計，具有技術(shù)平臺成熟，成本控制能力強等特點。
5 控制器接口電路
永磁同步電動機控制器有兩個接口電路(完全相同)，使用23PIN的AMP接插件與整車及電機相連，提供控制電源、CAN通信、RS232下載等功能。
RS232接口電路。
6 電磁兼容性設(shè)計
控制器EMC設(shè)計主要從強電、弱點、結(jié)構(gòu)三部分開展工作。
6.1 強電部分
(1)電機三相動力電纜采用屏蔽電纜，電機和控制器兩端接地屏蔽;
(2)正負母線與機殼見加Y電容，消除共模干擾，正負母線加X電容消除差模干擾;
(3)正負采用疊層母排，降低線路寄生電感。
6.2 弱電部分
(1)電源輸入/輸出增加濾波電路;
(2)開關(guān)電源變壓器設(shè)計盡量減小分部電容;
(3)所有輸入/輸出信號增加濾波電路;
(4)CAN通訊采用隔離電路，采用典型CAN接口電路，并使用雙絞線。
6.3 結(jié)構(gòu)部分
(1)箱體采用封閉式，對控制器進行整體屏蔽;
(2)控制器內(nèi)部強弱電路分開布置，避免相互干擾;
(3)優(yōu)化線束布置，避免交叉造成相互干擾。
7 永磁同步電機控制技術(shù)
對于轉(zhuǎn)子磁鋼內(nèi)嵌式永磁同步電機控制，基速以下采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，基速以上采用恒功率弱磁控制。
圖5中交流永磁電機最佳電流矢量控制策略的基本思想如下：
(1)區(qū)間ω≤ω1時，定子電流矢量規(guī)定在A1點，電機采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，電機以最大恒轉(zhuǎn)矩運行。此時，定子電流滿足：|is| =ilim， ilim為電流極限圓半徑;定子電壓滿足：|μ|≤μlim，μlim為定子相電壓極限值;
(2)區(qū)間ω1<ω≤ω2時，電機轉(zhuǎn)速升高使得電機定子電流矢量從A1移動到A2點，A2對應(yīng)電壓達到極限時電機能夠運行于最大輸出功率的最低轉(zhuǎn)速點，電機實現(xiàn)弱磁控制。此時， |is| =ilim， |μ|≤μlim;
(3)區(qū)間ω>ω2時，電流矢量沿著最大功率軌跡從A2移動至A3點，此時轉(zhuǎn)速為理想的極限轉(zhuǎn)速。此時，|is| =ilim， |μ|≤μlim 。
由上述分析可以看出，定子電流最佳控制過程中，電機處于驅(qū)動工況下的的定子電流運行軌跡為OA1A2A2。
基于電壓前饋的永磁同步電機矢量控制基本框圖。
圖6中，給定電機的輸入電流，由最大轉(zhuǎn)矩-電流控制策略給出d、q軸電流，同時與弱磁電流進行運算產(chǎn)生給定的d、q軸給定電流。給定的電流與反饋的電流比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的作用產(chǎn)生給出的d，q軸電壓經(jīng)過變換產(chǎn)生電機的三相電壓對電機進行控制。由于采用了轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制，可直接實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)四象限的運行。電流控制策略依照不同輸入轉(zhuǎn)矩需求和當(dāng)前轉(zhuǎn)速狀態(tài)，按照圖6所示的交流永磁電機電流最優(yōu)控制方法，計算得到各個轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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。
當(dāng)車載動力電池電壓隨著負載、SoC狀態(tài)發(fā)生變化時，Udc發(fā)生變化，電壓控制量Us1w隨著變化，通過電壓閉環(huán)調(diào)解，使得電機輸出能力隨著電壓變化而改變?；谥绷髂妇€電壓可變得永磁電機控制以交流電壓輸出恒定為控制目標(biāo)，使得電機在弱磁運行情況下輸出電壓恒定，充分發(fā)揮電機輸出能力。Us1w經(jīng)與實際電機電壓的比較，通過PI調(diào)節(jié)輸出電流補償量，補償電流控制策略中的id電流。
8 總結(jié)
本文對驅(qū)動電機系統(tǒng)進行研究開發(fā)，確定驅(qū)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(guān)鍵部件的選型。交流永磁電機電流最優(yōu)控制方法，計算得到各個轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)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，設(shè)計方法合理，已搭載整車應(yīng)用，性能可靠。
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