永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)

葉幫紅，李紅梅

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)

葉幫紅，李紅梅

(合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽合肥230009)

基于單端反激式變換器原理，設(shè)計(jì)了電動(dòng)汽車(EV)永磁同步電機(jī)(PMSM)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源方案。該方案采用電流型控制芯片UCC2813-0為主控芯片，利用電流互感器獲取采樣電流，再與斜坡補(bǔ)償相結(jié)合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在占空比大于50%條件下的穩(wěn)定工作。最后，通過樣件制作和實(shí)驗(yàn)測(cè)試證實(shí)PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)方案的合理有效性。

電動(dòng)汽車(EV)；永磁同步電機(jī)(PMSM)；電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輔助電源；反激式變換器；斜坡補(bǔ)償；PCB布局

在“低碳、環(huán)保”已經(jīng)成為全球共識(shí)的背景下，世界各國汽車制造企業(yè)紛紛將未來研發(fā)的主要方向轉(zhuǎn)移到電動(dòng)汽車領(lǐng)域。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力輸出，其性能優(yōu)劣直接影響到整車的動(dòng)力性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性等方面。而電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助開關(guān)電源是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件之一，其穩(wěn)定工作直接關(guān)系到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。因單端反激式變換器具有拓?fù)浜唵?、輸入輸出隔離和易于多路輸出等特點(diǎn)，常用于150 W以下的功率電源[1]。為此，論文基于單端反激式變換器原理進(jìn)行PMSM電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源的方案設(shè)計(jì)。

對(duì)于輔助電源的輸入取電于動(dòng)力電池組輸出的高壓設(shè)計(jì)方案已見文獻(xiàn)[2]報(bào)道。因動(dòng)力電池組輸出電壓波動(dòng)范圍較大，對(duì)輔助電源的設(shè)計(jì)要求較高，且存在較大的輸出紋波，為此，論文建議采用電動(dòng)汽車蓄電池+12 V輸出作為輔助電源的輸入[3-5]，設(shè)計(jì)低壓寬范圍(9～18 V)輸入的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多路輸出輔助電源，避免直接使用動(dòng)力電池組輸出的高壓，旨在滿足電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供電需求的同時(shí)，兼具輸出電源質(zhì)量高和電路可靠性的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求及工作原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

基于單端反激式隔離變換器設(shè)計(jì)的輔助電源，為PMSM控制器和IGBT驅(qū)動(dòng)等供電，設(shè)計(jì)需求是：(1)輸入直流電源電壓范圍為9～18 V；(2)輸出A組：+/-15 V，各1路，+15 V帶載5.5 W，紋波為2%；-15 V，帶載1.5 W，紋波為3%，供電運(yùn)放；(3)輸出B組：+24.5 V，3路，各路均帶載3.5 W，供電IGBT上橋臂；(4)輸出C組：+16 V、-8 V，各1路，共帶載10.5 W，供電IGBT下橋臂；(5)輸出D組：+24 V，1路，帶載16 W，供電編碼器和風(fēng)扇；(6)一組輸入和四組輸出彼此隔離。

1.2 PWM控制芯片

輔助電源設(shè)計(jì)方案中采用UCC2813-0為PWM控制芯片，該芯片是汽車級(jí)(-65～150℃)電流型PWM控制芯片。PWM控制芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由高頻振蕩器、誤差放大器和RS觸發(fā)器等部分組成，具有過流保護(hù)、軟啟動(dòng)、過壓和欠壓保護(hù)等功能。啟動(dòng)電壓7.2 V，關(guān)斷電壓6.9 V，啟動(dòng)電流僅100 μA，內(nèi)置電流采樣的前沿消隱電路，最大電流為1 A的圖騰柱式輸出，從電流采樣到PWM脈沖輸出僅70 ns的響應(yīng)時(shí)間。

電路中，振蕩器在每個(gè)周期開始時(shí)輸出高電平，將RS觸發(fā)器置位，使6引腳(OUT)輸出高電平開通開關(guān)管，經(jīng)過一定時(shí)間后振蕩器輸出低電平，將RS觸發(fā)器復(fù)位，使6引腳輸出低電平關(guān)斷開關(guān)管。2引腳(FB)為電壓反饋信號(hào)，與1/2的參考基準(zhǔn)電壓比較得到誤差信號(hào)，通過補(bǔ)償降額與3引腳(CS)送出的電流采樣信號(hào)作比較，當(dāng)實(shí)際電流超過設(shè)定值時(shí)，比較器通過RS觸發(fā)器控制邏輯門關(guān)斷開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制。

圖1 PWM控制芯片的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖

1.3 系統(tǒng)工作原理

基于反激式變換器原理設(shè)計(jì)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源電路原理圖如圖2所示，系統(tǒng)工作原理如下：當(dāng)輸入電源接通后，電源電壓經(jīng)過限流電阻5和發(fā)光二極管LED1接至PWM芯片的7引腳(VCC)，其中發(fā)光二極管起到電路正常工作指示和防止輸入電壓反加(保護(hù)PWM芯片)的作用，當(dāng)7引腳的電壓上升至UCC2813-0的啟動(dòng)電壓時(shí)，PWM芯片輸出驅(qū)動(dòng)脈沖，開關(guān)管導(dǎo)通，輸入電流從電流互感器原邊、高頻變壓器初級(jí)和開關(guān)管到電源負(fù)端，此時(shí)，變壓器次級(jí)各繞組感應(yīng)出正電壓，整流二極管均因反向偏置而截止，變壓器儲(chǔ)能，此時(shí)電容為負(fù)載提供能量。當(dāng)開關(guān)管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止時(shí)，整流二極管正向?qū)?，變壓器釋放能量，為電容充電，同時(shí)為負(fù)載供電。

圖2 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源電路原理圖

2 功率回路設(shè)計(jì)

2.1 高頻變壓器

高頻變壓器具有能量傳遞和電氣隔離的作用，故在輔助電源的設(shè)計(jì)中，高頻變壓器的設(shè)計(jì)至為關(guān)鍵。其供電PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中DSP、IGBT驅(qū)動(dòng)和編碼器等核心器件，如果高頻變壓器設(shè)計(jì)不當(dāng)，不僅會(huì)影響電源工作壽命，還會(huì)造成開關(guān)損耗增大，導(dǎo)致電源效率降低，甚至損壞IGBT和其他核心器件。所以，高頻變壓器的磁芯選擇、繞組匝數(shù)、初級(jí)電感量和氣隙長度等關(guān)鍵參數(shù)需要準(zhǔn)確計(jì)算，且變壓器各個(gè)繞組的繞制需設(shè)計(jì)合理，做到耦合緊密。

2.2 RCD箝位電路

在反激式變換器中，由于漏感的存在：一方面，開關(guān)管關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的電壓尖峰；另一方面，整流二極管反向恢復(fù)會(huì)引起開關(guān)管開通時(shí)的電流尖峰[6]。RCD構(gòu)成的無源鉗位電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可以消除電路中存在的漏感帶來不利影響。

3 控制回路設(shè)計(jì)

3.1 電壓反饋電路

論文建議的輔助電源設(shè)計(jì)方案只對(duì)主輸出+15 V提供電壓反饋，用光耦2(PS2501)和可調(diào)精密并聯(lián)穩(wěn)壓管3(TL431)構(gòu)成高速非線性反饋電路。電壓反饋電路中，14和16為輸出電壓采樣電阻網(wǎng)絡(luò)，對(duì)+15 V的輸出電壓進(jìn)行分壓，22用于改善TL431的頻率特性。

3.2 電流反饋電路

在電流控制型反激變換器中，因內(nèi)環(huán)采用峰值電流控制技術(shù)，能夠迅速準(zhǔn)確地檢測(cè)出開關(guān)管中的瞬態(tài)電流，從而形成逐個(gè)電流脈沖檢測(cè)電路。電流環(huán)的工作原理為：當(dāng)電路因負(fù)載加重等因素，引起功率回路中開關(guān)管電流的增大，導(dǎo)致PWM控制芯片的3引腳電壓超過內(nèi)部的限幅值1 V，使得芯片內(nèi)部電流比較器輸出高電平，將芯片內(nèi)部鎖存器復(fù)位，達(dá)到保護(hù)開關(guān)管的目的；當(dāng)負(fù)載減輕后，功率回路電流減小，使得3引腳電壓低于1 V，芯片內(nèi)部鎖存器置位，電源自動(dòng)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

因輸入電壓為9～18 V，原邊峰值電流可達(dá)到13.33 A，若采用電阻采樣，其上消耗的功率較大，故簡單的電阻采樣不適合此處。為此，論文建議采用電流互感器，可將原邊電流變小，再通過電阻采樣形成電流內(nèi)環(huán)控制。

3.3 斜坡補(bǔ)償電路

UCC2813-0的占空比最大可以達(dá)到100%，為提高PWM控制芯片和功率器件的利用率，同時(shí)兼顧變壓器易于繞制等因素，選擇66%的占空比。然而，對(duì)于峰值電流控制技術(shù)，當(dāng)占空比大于50%時(shí)，電感電流的初始擾動(dòng)會(huì)周期性擴(kuò)大，最終形成次諧波振蕩，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定[7]。為此，需加入斜披補(bǔ)償電路以穩(wěn)定控制環(huán)路，提高抗干擾的能力。

論文建議的輔助電源設(shè)計(jì)方案采用射極跟隨器作為斜坡補(bǔ)償電路，由電路中1和6構(gòu)成。其基本原理是將片內(nèi)振蕩信號(hào)通過三極管和電阻疊加到采樣電流上，使得電感電流在外部初始擾動(dòng)下快速收斂，從而使電路工作趨于穩(wěn)定[8]。

3.4 振蕩電路

根據(jù)UCC2813-0的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其振蕩頻率即為開關(guān)頻率，且0=1.5/(718)。該款PWM控制芯片的工作頻率較寬，最高為1 MHz，推薦的振蕩電阻的范圍為10～200 kΩ，振蕩電容的范圍為0.1～1 nF，設(shè)計(jì)方案中選取7=24.9 kΩ，18=1 nF，則振蕩頻率0=60 kHz。

3.5 驅(qū)動(dòng)電路

柵極驅(qū)動(dòng)電阻一般根據(jù)開關(guān)管的數(shù)據(jù)手冊(cè)上取值，推薦值是25 Ω。論文建議的輔助電源設(shè)計(jì)方案采用不同的開通電阻(9)和關(guān)斷電阻(9//10)，以改變開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)間。

4 PCB布局及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 電路板布局的合理性

對(duì)于開關(guān)電源系統(tǒng)而言，系統(tǒng)能否可靠工作，其PCB布局尤為關(guān)鍵。建議的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源PCB布局圖如圖3所示，其中實(shí)線框表示電路板外框，雙點(diǎn)劃線表示功率回路，虛線框表示控制回路。

圖3 電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源PCB布局圖

PCB布局中需要注意的問題：(1)對(duì)于電路中的濾波或去耦電容，應(yīng)放置在離芯片引腳盡可能近的位置；(2)因功率回路易對(duì)控制回路產(chǎn)生干擾，在PCB布局時(shí)，彼此盡量遠(yuǎn)離；(3)對(duì)于PWM控制芯片的振蕩電路部分，引腳的引線應(yīng)短而粗，采用的電容性能要穩(wěn)定，容值準(zhǔn)確，且遠(yuǎn)離發(fā)熱元器件；(4)為便于硬件調(diào)試，在PCB布局時(shí)，應(yīng)預(yù)留重要信號(hào)的測(cè)試點(diǎn)。電路中的各種地，通過單排針引到電路板的周圍，以方便與示波器相連，觀察波形。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)樣件測(cè)試，設(shè)計(jì)的輔助電源系統(tǒng)在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)帶滿載時(shí)，電路工作穩(wěn)定。圖4為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形(左圖是不加斜坡補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，右圖是加斜坡補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果)，可知加斜坡補(bǔ)償后，開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形可以達(dá)到預(yù)期設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)占空比大于50%的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形

因電路板所引起的分布參數(shù)對(duì)高頻噪聲的影響，易產(chǎn)生差模干擾和共模干擾，相比于差模干擾，共模干擾的幅度大頻率高，可以通過電源線形成輻射，故共模干擾較大[9]。論文建議在初次級(jí)的地之間加合適的Y電容Y1，Y2抑制高頻噪聲，以減小輸出電壓的紋波。圖5為主反饋＋15 V的最大紋波(左圖是不加Y電容的結(jié)果，右圖是加Y電容的結(jié)果，示波器縱軸均為100 mV/格)。從圖中可以看出，輸出紋波被嚴(yán)格限制在100 mV以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)需求。

圖5 主反饋＋15 V的最大紋波

5 結(jié)束語

為了避免直接使用動(dòng)力電池組輸出的高壓，提高電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全可靠性，架構(gòu)了低壓輸入條件下的電動(dòng)汽車PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)方案，并給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟。建議的電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)方案通過電流互感器獲取電流采樣信號(hào)，降低系統(tǒng)功耗并提高系統(tǒng)效率；利用斜坡補(bǔ)償電路實(shí)現(xiàn)了占空比大于50%條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。此外，為減小樣件電路板分布參數(shù)的高頻噪聲，使用Y電容抑制共模噪聲，使得輸出紋波滿足設(shè)計(jì)需求。樣件實(shí)測(cè)結(jié)果表明：建議的PMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輔助電源設(shè)計(jì)方案具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠和成本低的特點(diǎn)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Design of auxiliary power supply for drive system of permanent magnet synchronous motor

Based on the principle of the single-ended flyback converter,the auxiliary power scheme was designed for the drive system of permanent magnet synchronous motor(PMSM)in electric vehicle(EV).A current mode PWM control chip UCC2813-0 for the master control chip was adopted,using the current transformer for sampling current. Then it was combined with slope compensation to achieve the stability of the system under a duty cycle greater than 50%.Finally,through the prototype production and experimental testing,the rationality and validity of the auxiliary power scheme for the drive system of PMSM were confirmed.

electric vehicle(EV);permanent magnet synchronous motor(PMSM);electric drive system;auxiliary power supply;flyback converter;slope compensation;PCB layout

TM 351

A

1002-087 X(2015)10-2295-04

2015-03-01

安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2011A217)；安徽省變頻電機(jī)及控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心資助項(xiàng)目(2010AKSY0273)

葉幫紅(1987—)，男，安徽省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)；導(dǎo)師：李紅梅(1969—)，女，安徽省人，博士，教授，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制和新能源汽車等。