車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

崔洪志，林 立，王 雯

(邵陽(yáng)學(xué)院，湖南邵陽(yáng)422000)

0 引言

永磁同步電動(dòng)機(jī)(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中［1］.電機(jī)控制器實(shí)時(shí)快速調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，使其具有較寬的調(diào)速范圍和較高的過(guò)載系數(shù)［2］.所以，電機(jī)控制器是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件，而控制算法決定了控制器的性能.為驗(yàn)證車用永磁同步電機(jī)控制策略的有效性，必須進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.因此，本文開發(fā)出一整套車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在該平臺(tái)上開展了基于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的永磁同步電機(jī)矢量控制算法研究，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能和靜態(tài)性能，完全滿足電動(dòng)汽車電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的要求，為驗(yàn)證車用永磁同步電機(jī)系統(tǒng)高性能控制策略奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 永磁同步電機(jī)矢量控制原理

永磁同步電機(jī)將永磁體嵌入或內(nèi)裝在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，在結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)了可靠性，提高了運(yùn)行速度，而且能夠有效利用其凸極效應(yīng)產(chǎn)生磁阻轉(zhuǎn)矩，提高轉(zhuǎn)矩與電流比，還可降低永磁體勵(lì)磁磁通，減小永磁體的體積，既有利于弱磁運(yùn)行，擴(kuò)展速度范圍，又可降低成本.

圖1 dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)模型Fig.1 PMSM model in dq coordinate system

圖1為dq坐標(biāo)系下永磁同步電機(jī)模型.將單軸線圈s分解為dq坐標(biāo)系下的雙軸線圈d和q，每個(gè)軸下線圈的有效匝數(shù)仍與單軸線圈相同.這相當(dāng)于將定子電流矢量分解成d軸電流(勵(lì)磁電流)分量id和q軸電流iq(轉(zhuǎn)矩電流)分量，其電磁轉(zhuǎn)矩Te為公式為

由轉(zhuǎn)矩公式可知分別控制id和iq電流就可以控制電磁轉(zhuǎn)矩，但是對(duì)于每一個(gè)轉(zhuǎn)矩，電流id和iq都可有無(wú)數(shù)組組合與之對(duì)應(yīng).電動(dòng)汽車用電機(jī)大多工作在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行區(qū)，其轉(zhuǎn)速在基速以下，鐵耗不是主要的，而銅耗占的比例較大，通常選擇按轉(zhuǎn)矩/電流比最大原則來(lái)控制定子電流，這樣不僅使電動(dòng)機(jī)銅耗最小，還減小了逆變器和整流器的損耗，可降低系統(tǒng)的總損耗［3］.本系統(tǒng)選擇按轉(zhuǎn)矩/電流比最大的原則來(lái)控制定子電流，對(duì)式(1)求導(dǎo)得出id和iq.為了計(jì)算方便對(duì)式(1)進(jìn)行標(biāo)幺值處理，寫成

式中，Ten為轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值，iqn為交軸電流標(biāo)幺值，idn為直軸電流標(biāo)幺值.對(duì)式(2)求導(dǎo)得出，可得這兩個(gè)電流分量的關(guān)系，即為

根據(jù)以上兩式，構(gòu)建函數(shù)發(fā)生器，根據(jù)轉(zhuǎn)矩指令，計(jì)算出id和iq的值.

圖2為PMSM矢量控制系統(tǒng)框圖，PMSM電機(jī)控制是建立在坐標(biāo)變換及電磁轉(zhuǎn)矩方程上，通過(guò)對(duì)定子電流矢量的相位和幅值的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制.即dq軸電流經(jīng)過(guò)矢量變換和坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn).

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件原理如圖3所示，包括主電路、控制電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、旋轉(zhuǎn)解碼電路、CAN通訊電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路等.

圖3 系統(tǒng)硬件原理圖Fig.3 Structure of hardware

2.1 主電路

本系統(tǒng)主電路逆變部分采用智能功率模塊(intelligent power module，IPM)，它由集成了驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路的7個(gè)IGBT組成，具有驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用穩(wěn)定可靠等特點(diǎn).耐壓等級(jí)最高達(dá)1200V.其外圍電路主要包括6路PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)加快速光耦隔離，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單可靠，保護(hù)電路穩(wěn)定可靠.IPM內(nèi)部控制電路由一個(gè)15V電源供電.如果當(dāng)電源電壓低于規(guī)定的欠壓動(dòng)作數(shù)值，該功率器件將被關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào).如果毛刺干擾時(shí)間小于規(guī)定的時(shí)間，則不影響控制電路.如果流過(guò)IGBT的電流超出過(guò)流動(dòng)作數(shù)值的時(shí)間大于關(guān)斷時(shí)間toff，IGBT將被關(guān)斷，同時(shí)輸出一個(gè)故障信號(hào).如果負(fù)載發(fā)生短路或系統(tǒng)控制器故障而導(dǎo)致上下臂同時(shí)導(dǎo)通，IPM內(nèi)置短路保護(hù)電路將關(guān)斷IGBT，同時(shí)輸出一個(gè)故障信號(hào).鑒于本系統(tǒng)功率和電流的要求，本文選用智能功率模塊FS450R12KE3，圖4是其原理框圖.

圖4 IPM框圖Fig.4 Structure of IPM

2.2 控制電路

TMS320F2812為32位定點(diǎn)DSP控制芯片，采樣頻率為150MHz，具有兩個(gè)電機(jī)控制外設(shè)模塊—事件管理器，獨(dú)立的死區(qū)產(chǎn)生和控制單元，16通道12位的A/D轉(zhuǎn)換器，高效的代碼轉(zhuǎn)換功能(支持C/C++和匯編)并與TMS320F24x/LF240x程序代碼兼容，片內(nèi)存儲(chǔ)器資源豐富，還具有SPI串行外圍接口和和SCI串行通信接口和增強(qiáng)型eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊控制器接口［4］.本系統(tǒng)采用TMS320F2812作為主控制芯片，其中SPI用做外擴(kuò)E2PROM接口，上位機(jī)訪問(wèn)E2PROM來(lái)設(shè)置控制系統(tǒng)中的各種有關(guān)參數(shù).主要包括PI系數(shù)、定子磁鏈、d軸q軸電感、初始位置角、濾波時(shí)間常數(shù)、采樣頻率、開關(guān)頻率等，本系統(tǒng)可以標(biāo)定64個(gè)變量.此外，E2PROM實(shí)時(shí)記錄電機(jī)工作狀態(tài)，儲(chǔ)存故障代碼，以便于分析電機(jī)的工作狀態(tài).SCI外擴(kuò)串口燒寫，CAN通訊接口用做與上位機(jī)或者整車控制器通訊接口.圖5為控制系統(tǒng)外形圖.

圖5 系統(tǒng)外形圖Fig.5 Appearance of system

電動(dòng)汽車行駛工況較為惡劣，所以永磁同步電機(jī)大多采用旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速，本文中采用硬件電路解碼旋變信號(hào).在結(jié)構(gòu)布置方面，強(qiáng)電與弱電之間由隔板隔離，IGBT長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流狀態(tài)，溫度升高較快，系統(tǒng)中在IGBT下端面設(shè)置水流槽，控制器采用水冷形式.

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括主循環(huán)程序和用于磁場(chǎng)定向的下溢中斷子程序.圖6所示為定時(shí)器下溢中斷子程序流程圖，程序每0.1ms進(jìn)入一次中斷子程序.圖7為系統(tǒng)主程序流程圖，主要包括系統(tǒng)初始化和CAN主循環(huán)程序.CAN通訊包括接收上位機(jī)指令子程序和發(fā)送子程序，CAN波特率為250Kbps發(fā)送周期為20ms.此外軟件中還包括AD采樣子程序、速度計(jì)算子程序、SPI讀寫E2prom子程序、故障處理和保護(hù)程序.按照電動(dòng)汽車控制要求，設(shè)置了三級(jí)故障保護(hù)，一級(jí)故障包括母線電流過(guò)流和IGBT故障;二級(jí)故障包括相電流過(guò)流、母線電壓過(guò)壓、過(guò)溫、超速;三級(jí)故障包括欠壓報(bào)警、過(guò)壓報(bào)警、溫度報(bào)警等.其中一級(jí)和二級(jí)故障為不可恢復(fù)故障，為嚴(yán)重故障，只能通過(guò)故障重置消除，三級(jí)故障通過(guò)電機(jī)降功率處理，可以消除的故障，是一般故障.

圖6 定時(shí)器下溢中斷子程序流程Fig.6 Flow chart of timer underflow interrupt

圖7 主程序流程圖Fig.7 Flow chart of the main program

圖8 車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 The platform of PMSM control system

4 平臺(tái)實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證開發(fā)平臺(tái)的實(shí)用性，在開發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行矢量控制策略研究.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用的永磁同步電機(jī)參數(shù)為:額定電壓550V，額定功率110kW，額定轉(zhuǎn)速2000rpm，轉(zhuǎn)速范圍0～4200rpm，峰值功率160kW，峰值轉(zhuǎn)矩，采用水冷形式.本系統(tǒng)中，速度PI調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器均根據(jù)轉(zhuǎn)速不同采用分段形式，以提高控制精度.上位機(jī)基于LabView編寫，嚴(yán)格按照整車控制器與電機(jī)控制器CAN通訊協(xié)議編寫.

圖8為車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由被測(cè)永磁同步電機(jī)、測(cè)功機(jī)、DSP2812控制系統(tǒng)、功率分析儀等組成.為了測(cè)試永磁同步電機(jī)調(diào)速性能，實(shí)驗(yàn)由鋰電池供電.圖9為主電路母線電壓541V，電機(jī)轉(zhuǎn)速1000rpm時(shí)，A相電流200A波形.圖10為500r/min的電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，圖11為1500-3000rpm的轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線，由圖可知其響應(yīng)速度在300ms以內(nèi)，最大超調(diào)量低于0.7%，穩(wěn)態(tài)誤差在正負(fù)60r/min以內(nèi).很好的達(dá)到了電動(dòng)汽車的瞬態(tài)調(diào)速要求.圖12為轉(zhuǎn)矩控制精度MAP圖，從圖中可以看出400N·m以下其控制精度達(dá)到98.7%以上，400-800N·m其控制精度在97.5%以上.達(dá)到了電動(dòng)汽車對(duì)控制精度的要求.

圖9 200A電流波形Fig.9 AC current curve at 200A

圖10 500rpm階躍響應(yīng)曲線Fig.10 Step response at 500rpm

圖11 1500rpm階躍響應(yīng)曲線Fig.11 Step response at 1500rpm

圖12 轉(zhuǎn)矩控制精度MAP(550 VDC)Fig.12 The accuracy of torque control MAP(550VDC)

5 總結(jié)

本文基于TMS2812DSP開發(fā)出一套電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái).平臺(tái)由硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和上位機(jī)開發(fā)界面組成.在開發(fā)平臺(tái)上開展了永磁同步電機(jī)矢量控制實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，下位機(jī)參數(shù)變量容易修改，調(diào)試方便，控制系統(tǒng)界面操作簡(jiǎn)單，在該平臺(tái)上方便驗(yàn)證控制策略的動(dòng)靜態(tài)性能，系統(tǒng)訴法移植性較好，容易進(jìn)行二次開發(fā)，為與整車控制器聯(lián)調(diào)打下基礎(chǔ).

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