电动汽车用永磁同步电机驱动控制器设计

摘要：电动汽车驱动电机频繁工作于启动／停车、加／减速等复杂工况下，较工业用电机需要更宽的转速范围和更高的过载系数，同时对控制器的开发提出了较大的挑战。设计了一种适用于电动汽车的永磁同步电机(PMSM)控制器。给出了主电路的设计方法及驱动、检测和保护单元的参考电路。软件部分采用矢量控制，并根据实时性要求将任务划分为4级。最后搭建平台，对控制器的性能进行了测试。
关键词：电动汽车；永磁同步电机；控制器

1 引言
当前能源危机和环境污染问题推动了电动汽车的发展。电动汽车的关键技术包括汽车技术、电气技术和电子技术等，其中电机驱动技术是电动汽车的核心。电机驱动系统的任务是将电能转换为机械能使汽车前进。电动汽车驱动电机不同于工业用电机，通常要求能频繁地启动／停车、加速／减速、具有较宽的转速范围和较高的过载系数，且要求驱动电机低速或爬坡时能提供高转矩，高速行驶时则能输出低转矩。各国政府和主要汽车公司都对驱动电机控制器的研究和开发给予了高度的重视，并取得了一定的成就。
目前正在应用或开发的电动汽车用电机主要有直流电机、无刷直流电机、PMSM、感应电机和开关磁阻电机。PMSM以其体积小、重量轻、惯性低、响应快、转矩密度高、效率高、启动转矩高和功率因数高的特点在电动汽车领域应用较为广泛。此处将设计一种适用于电动汽车的PMSM控制器。

2 控制器硬件设计
驱动电机控制器采用全数字化结构，功率部分包括：主电路；IGBT驱动电路及开关电源电路。控制部分包括：DSP控制电路；电压、电流、温度、转速的检测电路、故障与保护电路；开关量输入输出电路；模拟量输入输出电路、485／CAN通信电路和操作器电路，其硬件结构如图1所示。

2．1 控制器主电路设计
控制器设计之初，需确定控制器负载、供电电源和使用环境的要求：①负载参数要求：负载额定功率Pn、额定电压un、额定电流in和过载倍数kg等；②电源参数要求：额定电压及变化范围；③其他要求：工作环境条件、结构尺寸限制等。根据某电动汽车的要求，此处研制的控制器性能指标为：额定功率55 kW；额定转速4 500 r·min-1；峰值功率82．5 kW；峰值功率运行时间5 min；电动方式转速范围0～9 000 r·min-1；发电方式转速范围800～9 000 r·min-1；基速峰值及额定功率时的效率89％～93％；工作电压范围405～583．2 V；扭矩控制精度为：额定扭矩以下：±5 N·m，额定扭矩以上：5％；扭矩控制响应时间小于100 ms；速度控制响应时间为在200 ms时进入±50 r·min-1误差之内；速度控制精度：负载从0～100％变化，速度变化小于±1％；扭矩和速度控制模式的转换时间20 ms。
2．1．1 控制器容量选择
由于电机控制器传给驱动电机的是脉动电流，其脉动值比工频供电时电流要大，因此须将电机控制器的容量留有适当的裕量。变频器应满足：

式中：Scn为电机控制器的额定容量；Pn，η，cosφ分别为电机输出功率、效率、功率因数，η=0．85，cosφ=0．8；K为电流波形的修正系数，PWM方式取1．05～1．1。
2．1．2 IGBT电压选择
IGWT电压应能承受母线峰值电压，当ICBT关断时峰值电压可表示为：

式中：Udcmax为母线最高电压；α为过电压保护系数，取α=1．15；β为安全系数，一般取β=1．1；Ldi／dt为母线电感引起的尖峰电压，这里取100 V。
通过对式(2)进行计算得到Ucesp=858．7 V，这样应选择Uces=1 200V的元件。
2．1．3 IGBT电流规格选择
IGBT电流的选择，需保证电机峰值电流在IGBT的安全工作区内。IGBT的额定电流应满足：

式中：S为电机控制器容量，此处S=114kVA；kg=1.5；kjw为考虑结温的电流降额系数，此处kjw=1.4；U0为驱动电机线电压，
由式(3)可得，Ic应大于508．94 A，根据IGBT的等级应选择Ic=600 A的元件。