基于TC1782的永磁同步电机控制系统

　　摘要：本文在简要介绍当前驱动汽车技术革命的电动汽车技术的前提下，详细介绍了电动汽车主要核心部件的驱动电机及其控制器，重点分析了英飞凌32位新型单片机在电机控制器中的应用以及软件的基本架构，探讨了用软件实现旋变解码的可行性及其解决方案。并结合当前比较流行的汽车功能安全标准ISO26262，阐述英飞凌在汽车电机控制器的安全应用解决方案。

　　0 前言

　　电动汽车是21世纪的绿色交通工具，电动汽车技术是当前国际上正在进行研究的一项高新且热门的技术。作为核心部件之一的驱动电机及其控制系统在纯电动汽车(EV)及混合动力汽车(HEV)中起着至关重要的作用，对它们进行研究具有重要的理论和现实意义。

　　永磁同步电机(技术上也叫PMSM)相对于传统交流电机具有高效、高功率密度以及良好的调速性能[1]，正逐渐成为EV和HEV中驱动电机的首选之一。本文主要讨论了研制与开发永磁同步电机控制系统中的关键技术，阐述了控制系统的功能架构和软硬件的实现过程，初步形成了控制系统的开发体系，为电动汽车驱动电机控制系统的独立开发奠定了技术基础。

　　1 永磁同步电机

　　永磁同步电机PMSM转子上装有永久磁体，定子采用正弦绕组(图1左)，三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流(图1右)产生旋变磁场，从而拖动永磁转子同步旋转，定子绕组的通电频率以及由此产生的旋变磁场转速取决于转子的实际位置和转速。

　　和常见的交流感应电机不一样，PMSM电机所用正弦波必须和转子的角位置同步才能获得有用的扭矩,因此在控制电机时必须实时获取转子的实际位置和转速。电机转子角位置的值常常由一般用绝对位置传感器(包括绝对码盘和旋转变压器)。永磁同步电机低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向和定子磁链定向，高速时增加弱磁控制[2]。

　　2 电机控制系统

　　2.1 系统架构

　　永磁同步电机PMSM的特性决定了控制系统的复杂性，较为常见的PMSM电机控制系统主要由驱动器、主控制器(逻辑控制板)及各种传感器(电流传感器，温度传感器和旋变绕组等) 等组成[1]，图2所示为英飞凌推出的应用于在EV和HEV上PMSM电机控制系统的解决方案：

　　在上图所示方案中，驱动器由IGBT三相桥驱动板，HybridPACK™2 IGBT(简称HP2)模块和直流母线电容组成。IGBT三相桥驱动板包括6通道的IGBT预驱动电路，开关电源SMPS，逻辑门电路，故障检测电路，电压及温度测量电路。由六个IGBT单元组成驱动PMSM电机的三相桥臂的HP2模块是英飞凌专门为EV和HEV应用而设计的大功率模块，其最大工作电压为650 V，最大额定功率为80KW，模块的最高运行结温为150℃。主控制器则搭载了英飞凌32位新型单片机TC1782(Audo-MAX系列)的最小系统电路，旋变解码电路，支持ISO26262功能安全解决方案的监控电路和传感器接口电路等。

　　2.2 主控制器设计

　　PMSM电机控制系统的驱动器采用了Infineon生产的标准驱动模块，以下讨论将集中于主控制器的设计，最后验证测试整个控制系统。

　　2.2.1 主芯片选型

　　PMSM电机的控制要求主控制器不仅有强大的适合电机控制的专用外设，而且有很强的实时性能。TC1782是一款哈弗架构且有非对称双核(主核Tricore和外设控制协处理器PCP)的高性能32位单片机，主频高达180MHz，内置浮点运算单元FPU，支持DSP算法指令，2.5M字节FLASH，176K字节RAM。TC1782与电机控制相关的重要外设主要是通用时间阵列GPTA和数模转换ADC。GPTA提供一套灵活的定时，比较和捕获功能，可以灵活地组合成信号检测单元和信号发生单元，应用于电机控制时可以支持动态控制的死区时间和不同于边沿对齐和中央对齐的非对称PWM输出。由硬件触发(如GPTA)并实现同步转换的数模转换模块ADC至少可以支持在电机应用中两相电流的同时获取。图3中所示为电机控制的一个单周期时序，GPTA生成一相带死区的互补式PWM波形，在PWM中点同时触发ADC0和ADC1的转换，ADC模块在完成对应通道转换后启动CPU中断服务程序。

　　TC1782的每个AD转换模块(ADC0和ADC1)都支持16 路转换通道，具有可编程的转换精度(8/10/12比特)，12比特下最快转换时间小于1微秒。专用外设控制协处理器PCP可以承担大部分中断负荷，从而主核可以集中处理用于电机控制的复杂运算，如Park变换，Clarke变换和空间矢量调制(SVM)等。目前TC1782微控制器受到了越来越多的汽车厂商和零部件供应商的关注，被国内外主流OEM和零部件供应商选为电动汽车驱动电机控制器的关键部件之一。