電動客車專用驅(qū)動電機控制器硬件設(shè)計

王修滿，陳順東，吳成加，門曉金

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

電動客車專用驅(qū)動電機控制器硬件設(shè)計

王修滿，陳順東，吳成加，門曉金

（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

以浮點型DSP TMS320F28335芯片為核心開發(fā)電動客車專用驅(qū)動電機控制器，闡述重要模塊的工作原理及電磁兼容性設(shè)計方法，開展電機控制器硬件系統(tǒng)功能檢驗的臺架試驗。結(jié)果表明，開發(fā)的控制器運行可靠，性能穩(wěn)定。

電動客車；DSP TMS320F28335；驅(qū)動電機；控制器硬件

電動客車專用驅(qū)動電機及其控制器是純電動汽車的重要零部件。近兩年發(fā)布的《節(jié)能中長期專項規(guī)劃》等多項相關(guān)文件中均強調(diào)要大力發(fā)展電動汽車及零部件和配套基礎(chǔ)設(shè)施。針對電動客車動力系統(tǒng)新需求開發(fā)的專用驅(qū)動電機控制器可以有效地降低整車制造成本、降低公里耗電量及提高車輛穩(wěn)定性等優(yōu)勢，從而提高電動客車市場競爭力。本文以DSP TMS320F28335芯片為核心，開發(fā)了一款高性能矢量控制電機控制器，并對樣機進行了試驗研究。

1　控制器矢量控制系統(tǒng)

1.1控制器矢量控制原理

電動客車專用驅(qū)動電機控制器矢量控制框圖見圖1。直流母線連接車載動力電池，控制器采用旋轉(zhuǎn)編碼器獲取轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速，采用萊姆電流傳感器檢測三相電流，通過Clark及Park坐標變換，得到d-q軸電流反饋值Id和Iq，再分別通過PID控制器調(diào)節(jié)。PID控制器的輸出經(jīng)Ipark變換，將旋轉(zhuǎn)速度為同步轉(zhuǎn)速的兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的電壓Ud和Uq轉(zhuǎn)換成兩相靜止坐標系下的電壓Ualfa和Ubeta，最后經(jīng)過SVPWM模塊產(chǎn)生控制驅(qū)動電機控制器各功率開關(guān)的通斷信號以驅(qū)動電機［1-6］。

1.2控制器矢量控制系統(tǒng)

整個系統(tǒng)控制電路總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過脈沖變壓器和光耦隔離分為初級算法電路和次級驅(qū)動電路。初級算法電路采用數(shù)字化設(shè)計，以DSP28335微處理器為核心，完成電壓電流采樣、電機轉(zhuǎn)速檢測及矢量控制核心算法等功能；次級驅(qū)動電路完成IGBT柵級驅(qū)動、過流過壓過溫保護等功能［2-6］。

2　電動客車專用驅(qū)動電機控制器設(shè)計

2.1硬件基本技術(shù)要求

1）具有良好的電磁兼容性（EMC），滿足電動汽車在極限工況下的電磁干擾（EMI）和電磁抗干擾（EMS）的要求，元器件均采用汽車級芯片。

2）具有完善的軟硬件保護功能，主控制芯片收到過壓、過流、過溫、缺相、電機故障等引起的外部中斷信號后，以最高優(yōu)先級響應(yīng)，關(guān)斷IGBT，保護系統(tǒng)。

3）采用功能模塊化設(shè)計，采用標準接口，支持CAN和485通訊。

4）電動客車運行環(huán)境惡劣，溫度范圍達到-40℃～125℃，控制器外殼設(shè)計防水、防塵等級滿足IP55。

2.2電機控制器主要元器件選型

1）主控制芯片選型。按照所處理信號數(shù)量及存儲要求，采用TI公司推出的32位浮點型DSP TMS320F 28335芯片。

2）功率模塊選型。結(jié)合國內(nèi)數(shù)千臺電動客車在多個城市示范運營情況，考慮到高速開關(guān)動作帶來的過壓、過流問題，選用1 200 V、450 A的IGBT模塊，采用雙管并聯(lián)的方式。

3）直流母線DC-Link電容器選型。直流母線電容器的主要作用是防止直流母線上電壓過沖和瞬時過電壓對IGBT的影響。設(shè)計DC-Link電容器大小主要考慮電機控制器產(chǎn)生的紋波，按照20 mA/μF的經(jīng)驗規(guī)則，選取mF級別、額定電壓900 V的薄膜電容器，采用4個薄膜電容器并聯(lián)的方式。

4）阻容濾波器選型。由于IGBT柵級驅(qū)動電路設(shè)計、米勒效應(yīng)及母排寄生電感等原因，造成IGBT開關(guān)時，三個橋臂會出現(xiàn)高頻電壓干擾。阻容濾波器的設(shè)計要綜合考慮降噪能力與帶寬，電容太小不能有效抑制噪聲，太大響應(yīng)速度太慢。本設(shè)計采用1 200 V耐壓，0.47μF的薄膜電容。

5）電流傳感器選型。電流檢測的精度和實時性是整個矢量控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵，對電流檢測要求精度高和速度快，顯然普通的電流互感器難以滿足要求。本設(shè)計采用萊姆公司生產(chǎn)的HAT500-S電流傳感器。

2.3電機控制器硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)是一個多輸入/多輸出及數(shù)模混合的復(fù)雜系統(tǒng)。按照模塊化思想，設(shè)計將硬件系統(tǒng)分為核心控制模塊、電源模塊、電壓電流采樣模塊、轉(zhuǎn)速檢測模塊及驅(qū)動模塊［3-7］等主要模塊。

1）核心控制模塊。采用高性能的電機控制專用DSP TMS320F28335芯片，負責邏輯運算、矢量控制及電機故障診斷等功能的實現(xiàn)。該芯片工作頻率可達到150 MHz，可達到2 M×16 b的尋址能力，256 k×16 b的片上Flash，34 k×16 b的SRAM；具有18路PWM輸出端口，其中6路PWM具有高分辨率HPWM功能；具備編碼器處理模塊QEP及16路精度12 b的A/D采用單元。

2）電源模塊。電源電路通過定制的脈沖變壓器將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的15 V、5 V及24 V等系統(tǒng)電壓，然后通過電源芯片AZ1117D得到TMS320F28335工作的1.9 V電壓和3.3 V I/O電路電壓。

3）電壓電流采樣模塊。DSP TMS320F28335具有16路A/D轉(zhuǎn)換通道，系統(tǒng)使用了其中9路通道，分別采集電機溫度、A相電流、B相電流、C相電流、IGBT模塊溫度、母線電壓及母線電流等。相電流采樣通過LEM公司的高精度HAT500-S電流傳感器，采樣精度達到1%，線性誤差小于1%，帶寬50 kHz。該傳感器采用±15 V供電，三相異步電機在工作時，A、B、C三相電流經(jīng)傳感器采樣產(chǎn)生隨電流變化的三相電壓，由于DSP采樣電壓范圍為0～3.3 V，該三相電壓經(jīng)信號調(diào)理電路變成大小適中的電壓，然后通過比較電路得到相電流是否平衡的硬件保護信號，其中A相電流采樣電路部分原理圖如圖3所示。

4）轉(zhuǎn)速檢測模塊。電機的轉(zhuǎn)速是通過光電碼盤檢測的，電機轉(zhuǎn)速檢測的精度將直接影響到調(diào)速系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。本設(shè)計采用磁阻式52系列YS 52 XU9733型旋轉(zhuǎn)編碼器進行轉(zhuǎn)速檢測，有A、B、Z三相輸出，其中A與B相用于測速，且相位差90°，A與B相每轉(zhuǎn)一圈輸出2 048個脈沖；Z相每轉(zhuǎn)一圈輸出一個脈沖，用于基準點定位。A與B相輸出經(jīng)過高速光耦隔離，接到TMS320F28335的增量式光電編碼器接口QEP引腳，通過脈沖的計數(shù)，便可計算出電機的實時轉(zhuǎn)速。

5）驅(qū)動模塊。系統(tǒng)的驅(qū)動部分采用獨立的PCB電路板，對于不同功率的驅(qū)動要求，通過更換驅(qū)動板即可。本設(shè)計從驅(qū)動電壓、電流的動穩(wěn)態(tài)兩方面考慮，采用M57962AL型IGBT驅(qū)動芯片。

從動態(tài)特性看，分析IGBT響應(yīng)時間與超調(diào)關(guān)系，得到其震蕩阻尼特性、最優(yōu)驅(qū)動電阻RG及雜散電感約束，優(yōu)化驅(qū)動電壓動態(tài)過程，一定程度上控制上升時間，減小超調(diào)；從穩(wěn)態(tài)特性看，IGBT驅(qū)動電路的開通與關(guān)斷穩(wěn)態(tài)電壓必須穩(wěn)定，開通+15 V，關(guān)斷-10 V，其中IGBT驅(qū)動電路部分原理圖如圖4所示，采用隔離變壓器驅(qū)動方式提供穩(wěn)定可靠的開關(guān)電壓。

2.4電磁兼容性設(shè)計

本設(shè)計重點從以下幾方面采取措施，以提高系統(tǒng)的EMC可靠性［8-11］：

1）驅(qū)動系統(tǒng)的控制電路需要多種穩(wěn)定可靠的電源。根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)功能需求，定制專用模塊化功率組件，輔以抑制共模及差模干擾的LC濾波電路，同時在高速的數(shù)模電路負載上并聯(lián)去耦電容及旁路電容，避免負載間干擾。

2）采用多層電路板設(shè)計，以提高微控制器抗干擾能力，四層板比雙層板噪聲低20 dB（A）［8］，綜合成本及安裝布置考慮。驅(qū)動電機控制器硬件分為主控板、信號板、驅(qū)動板和輸出板，其中主控板和信號板采用四層板，驅(qū)動板和輸出板采用二層板。

3）PCB電路板設(shè)計，四層板數(shù)模電路部分采用只在一處連接，雙層板的基準部分和電源采用單點接地；合理規(guī)劃敷銅區(qū)域。

4）母線結(jié)構(gòu)采用雙層鍍錫銅板疊加技術(shù)，防止功率回路中產(chǎn)生寄生電感，正負母線極板連接功率模塊和濾波電容器可有效降低母線電感。

采用以上措施后，控制器硬件的EMC性能良好，通過了符合GB/T 17626.5-2008要求的電磁兼容試驗。

3　試驗結(jié)果

為檢驗所開發(fā)的電動客車專用驅(qū)動電機控制器的性能，在AVL測功機臺架上進行了實驗。該測功機的功率測試范圍為80～360 kW。該臺架測試系統(tǒng)包括AVL測功機、電池柜、功率分析儀、可變電壓直流電壓源、驅(qū)動電機及其控制器等，為電機控制器調(diào)試提供了便利條件，現(xiàn)場調(diào)試環(huán)境如圖5和圖6所示；電機控制器電流輸出波形如圖7所示。三相電流波形近似為正弦波，電機控制器在AVL測功機臺架上強電磁干擾環(huán)境中長期運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)干擾波形畸變，具有良好的電磁兼容性。驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速曲線及d-q軸電壓電流波形如圖8所示，驅(qū)動電機升速，d-q軸電壓電流動態(tài)響應(yīng)速度快。結(jié)果表明，開發(fā)的電機控制器具有良好的電磁兼容性及動態(tài)響應(yīng)特性，驗證了硬件設(shè)計的有效性及矢量控制的可行性。

4　結(jié)束語

基于DSP28335開發(fā)的電動客車專用電機控制器，具有良好的電磁兼容性、防塵防水及完善的軟硬件保護功能等特點；模塊化設(shè)計有利于產(chǎn)品設(shè)計降成本及標準化；AVL測功機臺架試驗表明，開發(fā)的電機控制器具有良好的動態(tài)跟隨性及電磁兼容性，同時驗證了硬件設(shè)計的有效性及矢量控制的可行性。另外，通過優(yōu)化電機控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和整車控制策略，為進一步提高電驅(qū)動系統(tǒng)效率提供了技術(shù)研究平臺。

［1］李亞妮，周保成.HFF6127G03EV純電動客車整車開發(fā)［J］.客車技術(shù)與研究，2014，36（1）：13-15.

［2］羅輝，胡澤，王文靜，等.基于DSP的異步電機矢量控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電力電子技術(shù)，2008，42（9）：24-26.

［3］朱小燕.電動汽車交流驅(qū)動電機矢量控制算法的研究［D］.合肥：安徽大學(xué)，2012：34-38.

［4］石玉梅，孫毅.基于DSP的異步電機矢量控制系統(tǒng)的研究［J］.電機技術(shù)，2008，（2）：30-34.

［5］楊立永，田安民，陳智剛.基于TMS320F28335的SVPWM實現(xiàn)方法［J］.變頻器世界，2010，（2）

［6］田德文，劉曉飛.電動汽車用永磁同步電機驅(qū)動控制器設(shè)計［J］.電力電子技術(shù)，2013，47（7）：90-95.

［7］張迪.基于DSP的三相異步電機變頻調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計及實現(xiàn)［D］.北京：北京印刷學(xué)院，2014：33-38.

［8］王幸之，王雷，翟成，等.單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：13.

［9］劉大亮.電動汽車電機驅(qū)動系統(tǒng)的電磁兼容性研究［D］.杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2011：48-51.

［10］尉進，趙韓，江昊.混合動力汽車整車控制器開發(fā)與試驗［J］.汽車科技，2012，（3）：72-73.

［11］葛寧.PCB中電磁兼容性設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2014，22（2）：185-187.

修改稿日期：2014-12-22

Design on Special Driving Motor Controller Hardware for an Electric Bus

Wang Xiuman，Chen Shundong，Wu Chengjia，Men Xiaojin
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

The authors use the float DSP TMS320F28335 microchip as the core to develop a special driving motor controller for an electric bus.They elaborate the working principles of the main modules and the design method of the electromagnetic compatibility，and develop the bench test of inspecting the function ofhardware system for motor controller.The results show that the developed controller operation is reliable and its performance is stable.

electric bus；DSP TMS320F28335；drive motor；controller hardware

U469.72；U 463.6

B

1006-3331（2015）03-0018-04

安徽省科技攻關(guān)項目（1201A0201003）。

王修滿（1983-），男，碩士；助理工程師；主要從事新能源汽車設(shè)計研究工作。