基于Infineon XC2267的電機控制系統(tǒng)設計

摘要 在電動汽車的研究當中，驅動電機及其控制系統(tǒng)設計尤為重要，文中基于英飛凌公司的16位微控制器芯片XC2267，設計了電動汽車用永磁同步電機磁場定向矢量控制系統(tǒng)。對控制系統(tǒng)部分硬件電路進行了設計，并在Simulink仿真環(huán)境下建立電機控制系統(tǒng)的的仿真模型。仿真結果表明，系統(tǒng)設計合理、電機運行響應快、穩(wěn)定性好，而且對永磁同步電機實際控制系統(tǒng)具有一定的指導意義。

關鍵詞 永磁同步電機;Infineon;矢量控制;Simulink

電機驅動系統(tǒng)是電動汽車的關鍵部件之一。永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)伺服調速性能優(yōu)越，去除了直流伺服電機的額機械換向器和電刷，使結構更加簡單;且具有質量輕、體積小、功率因數高等優(yōu)點;被廣泛應用于對精度和性能要求較高的領域。

本文基于磁場定向控制(FOC)原理，設計了以資源豐富和高速響應為特點的英飛凌16位微控制器XC2000作為主控芯片構建一個高性能的永磁同步電機伺服控制系統(tǒng)。最后，在Simulink環(huán)境下構建控制系統(tǒng)模型，驗證了控制系統(tǒng)的有效性。

1 系統(tǒng)總體控制設計方案

1.1 FOC原理

永磁同步電機矢量控制是在磁場定向坐標上，將定子電流矢量分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量，實現解耦定子電流的完全解耦，然后分別對兩者進行調節(jié)選擇。從而簡化PMSM的控制。根據磁勢和功率不變原則，將永磁同步電機的三相電壓、電流和磁鏈經過坐標變換由三相ABC靜止坐標系下的量變換成d—q旋轉坐標系下的量，定子電流矢量被分解為按轉子磁場定向的兩個相互正交的電流分量，即定子電流的勵磁分量id和轉矩分量iq。iq調節(jié)參考量由速度控制器給出，經過電流環(huán)調節(jié)后輸出d—q軸上的電壓分量，即ud和uq。將控制量ud和uq經過反Parke變換后，得到α-β坐標系上的分量uα和uβ。根據uα和 uβ值的大小和SVPWM空間矢量合成方法實現矢量控制的輸出，達到矢量控制的目的。

1.2 三閉環(huán)控制系統(tǒng)設計

系統(tǒng)采用電流、轉速、位置三閉環(huán)控制來實現對電機的轉速控制。

其中速度環(huán)的作用在于保證電機的實際轉速與指令值一致，消除負載轉矩擾動等因素對電機轉速的影響。速度指令與反饋的電機實際轉速相比較，其差值通過速度調節(jié)器產生相應的電流參考信號的幅值，再與通過磁極位置檢測得到的電流參考信號相位相乘，既得到完整的電流參考信號，該信號控制電機加速、減速或勻速，從而使電機的實際轉速與指令值保持一致。

電流環(huán)由電流控制器和逆變器組成，其作用是使電機繞組電流實時、準確地跟蹤電流參考信號。位置環(huán)產生電機的速度指令并使電機準確定位。通過設定的目標位置與電機的實際位置相比較，利用其偏差通過位置調節(jié)器來產生電機的速度指令，當電機初始啟動后，會產生最大速度指令，使電機加速并以最大速度恒速運行，在小偏差區(qū)域，產生逐次遞減的速度指令，使電機減速運行直至最終定位。

控制系統(tǒng)的內環(huán)及外環(huán)控制器均為數字控制，都是由XC2267來編程實現。芯片根據給定速度值與經霍爾傳感器得到的速度值進行比較運算得到電流給定值，實際為對應的電機給定電壓值。伺服系統(tǒng)采用三閉環(huán)級聯控制模式，主要功能模塊包括位置及速度檢測、電流采樣、PI調節(jié)器、SVPWM、坐標變換單元等。設計的伺服控制系統(tǒng)使用CCU6單元比較產生PWM輸出信號，通用定時器GPT用于檢測轉子位置并計算轉速，ADC用來采樣繞組電流和速度模擬量指令。具體控制系統(tǒng)軟硬件結構如圖所示。

2 硬件電路的設計

控制系統(tǒng)采用XE164FN系列MCU，三相全橋驅動芯片6ED003L6和OptiMOS功率晶體管，電機為永磁同步電機，位置傳感器采用光電編碼盤，電流傳感器采用LEM公司的霍爾傳感器。系統(tǒng)供電由36 V直流電提供。

2.1 PMSM驅動電路設計

PMSM驅動電路使用的驅動芯片是英飛凌的3相橋驅動芯片6ED003L06-F，它集成了三相電平轉換、門極驅動和電路保護等諸多特性，在縮小芯片尺寸的同時提高了性能，如抗反相瞬態(tài)電壓的魯棒性等。

PMSM驅動電路采用DC24～36V外部電源。6ED003L06-F工作電壓為15V，霍爾傳感器工作電壓為5V。15V電源通過降壓型DC—DC電壓轉換器LM317得到，具體結構如圖2所示。

2.2 電流采樣電路

采用LEM公司的閉環(huán)電流傳感器LTSR25-NP，該元件具有出色的精度、良好的線性度和最佳的反應時間。LTSR25-NP的測量電流為6～25A，測量范圍為±80A，精度為0.7%，工作溫度為-40～85 ℃。LTSR25-NP可將電流轉化為電壓信號，其初級額定采樣電流IPN=25 A，在25 A時輸出電壓為3.125 V，0 A時輸出電壓為2.5 V，輸出電壓通過單片機的ADC模塊進行采樣處理。圖為V相電流采樣的電路圖：

2.3 信號處理電路

該電路通過RC構建低通濾波電路對增量式光學編碼器的輸出信號進行濾波，同時采用反相器74HC14對信號進行隔離處理，以提高信號的輸入阻抗。光電編碼器A、B、Z信號處理電路如圖所示。

本電路采用總線收發(fā)器74HC245來增強PWM信號的驅動能力，以彌補單片機的數據總線端口負載能力不足。具體電路結構如圖6所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設計

電機控制系統(tǒng)的軟件設計必須滿足實時性、可靠性和易維護性的要求。

3.1 主函數

和普通控制系統(tǒng)軟件一樣，主程序設計相對內容較少，大部分是系統(tǒng)的初始化，復位后首先完成main.c文件中的初始化過程，對各個初始化變量進行賦值。完成初始化后，主函數main()不斷執(zhí)行模擬給定速度采樣流程，主函數流程圖如圖7所示。

3.2 CCU6中斷函數

在CCU6中斷函數中完成的主要程序控制任務包括：

(1)在定時器周期匹配中斷中，執(zhí)行PMSM_FOC()函數實現采樣處理以及SVPWM計算，算出SVPWM波形需要的比較時間，并寫入通道映射寄存器。

(2)在定時器CCU6的1-匹配中斷中是使能映射寄存器傳輸，就將比較值寫入了各個通道的比較寄存器。

(3)Trpf中斷是外部保護中斷，出現異常時用來封鎖PWM輸出口并切換至停機狀態(tài)，起到保護作用。

3.3 PMSM_FOC()函數

CCU6定時器Timer12每100μs產生一次中斷，而PMSM_FOC()函數分成兩個階段。

period_number 1：進行電流采樣和位置速度采樣，并進行累加計數。計數至給定值count時進行速度環(huán)調節(jié)，完成Clarke和Parke變換。

period_number 2：執(zhí)行電流環(huán)的PI調節(jié)和SVPWM空間矢量生成。

4 控制系統(tǒng)建模仿真分析

在Simulink環(huán)境下建立了PMSM控制系統(tǒng)的仿真模型，并設定相關參數：額定轉速n=3 000 r/min，額定轉矩M=4 N·m，極對數p=4，轉動慣量J=0.008 kg·m2，定子繞組電阻R=2.875 Ω，母線直流電壓Udc=310 V。

為驗證所設計的PMSM控制系統(tǒng)仿真模型靜、動態(tài)性能，系統(tǒng)空載啟動，給定的初始速度為500 r/min，在t=0.05 s時給定速度升為2 000 r/min。并在t=0.1 s時突加負載TL=10 N·m，在0.3 s的仿真時間中的到系統(tǒng)的轉速、轉矩和A相電流仿真曲線如圖9-圖11所示。

由圖可以看出系統(tǒng)在電機通電以后，迅速到達最大轉矩，然后快速回到穩(wěn)定值，在0.05 s時給定速度上升到2 000 r/min，轉矩稍有波動后趨近平穩(wěn)，在0.1 s時負載轉矩突變?yōu)?0 N·m，輸出轉矩波形隨之給定，實現對電機瞬時力矩的控制如圖10所示;轉速以直線上升，迅速到達給定值500 r/min，在0.05 s時給定值變?yōu)? 000 r/min，轉速平穩(wěn)上升至給定值，在0.1 s負載轉矩發(fā)生變化時，轉速稍有波動如圖9所示;定子A相電流的變化如圖11所示。由此可以看出，此控制系統(tǒng)響應快，抗干擾性能好，仿真波形與理論分析隋況一致，說明了所建模型的正確性和控制策略的有效性。

5 結束語

本文使用英飛凌芯片XC2267實現了對永磁同步電機速度控制系統(tǒng)的設計。設計了系統(tǒng)的各部分硬件電路，包括驅動電路、電流采樣電路和信號處理電路等;在控制策略上使用了磁場定向控制;在Simulink環(huán)境下進行控制系統(tǒng)的建模仿真，實驗結果表明此模型響應快速平穩(wěn)。