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： 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，如图2所示。

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，如图3所示。

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。

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