高集成度轿车用电机控制技术研究(上)

1 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；

图1 永磁同步电机及其驱动系统工作原理框图    

图2  电机控制器硬件框图
(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。
D S P 控 制 单 元 主 要 功 能 包 括 ： 控 制 算 法 的 实 现 ；
SVP WM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

图3  功率模块图    

图4  RS232使能控制接口电路

图5 永磁同步电机的电流控制策略    

图6 永磁同步电机矢量控制基本框图
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P W M信号进行隔离放大， 驱动大 功率器件IGBT， 实现D C -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。