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[導讀] 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,確定控制器關鍵部件的選型。交流永磁電機電流

 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。

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(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;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(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??刂破饔布Y構框圖。

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(xiàn)。

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(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)動電路構成。

功率模塊驅(qū)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(qū)動IGBT;提供電壓隔離和保護功能。控制器驅(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轉換??刂破鞑捎糜w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(nèi)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(qū)動系統(tǒng)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(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)復雜的算法功能,使系統(tǒng)具有較高的適應能力,容易應用現(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的數(shù)字化發(fā)展作為條件,電機控制系統(tǒng)在硬件結構上也發(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構,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(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅(qū)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(yōu)點,驅(qū)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(tǒng)應用領域。

本系統(tǒng)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。

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,大啟動轉矩及強過載能力,快速轉矩相應及高速高功率特定;

(3)滿足整車舒適性、可靠性要求:電機轉矩波動小、控制成熟、電機結構簡單、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需求的全部要求:具有高效、高功率密度、高轉矩密度、控制成熟、具有較寬效率區(qū)間和調(diào)速性能等技術特點,相對于直流電機結構簡單、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計,具有技術平臺成熟,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 電磁兼容性設計

控制器EMC設計主要從強電、弱點、結構三部分開展工作。

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)開關電源變壓器設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 結構部分

(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

對于轉子磁鋼內(nèi)嵌式永磁同步電機控制,基速以下采用最大轉矩/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,電機采用最大轉矩/電流比控制,電機以最大恒轉矩運行。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,電機轉速升高使得電機定子電流矢量從A1移動到A2點,A2對應電壓達到極限時電機能夠運行于最大輸出功率的最低轉速點,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,此時轉速為理想的極限轉速。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。由于采用了轉子磁場定向的矢量控制,可直接實現(xiàn)電機的轉矩,實現(xiàn)四象限的運行。電流控制策略依照不同輸入轉矩需求和當前轉速狀態(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。

當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,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

 

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,設計方法合理,已搭載整車應用,性能可靠。

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