基于英飛凌HP1的PMSM驅動系統(tǒng)開發(fā)

鄒亮亮，呂釗欽*，穆桂脂

1.山東農業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安271018

2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

基于英飛凌HP1的PMSM驅動系統(tǒng)開發(fā)

鄒亮亮1，2，呂釗欽1，2*，穆桂脂1，2

1.山東農業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安271018

2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

本文介紹了電動汽車主要核心部件的驅動電機及其控制器，分析了英飛凌HP1功率模塊在電機控制器中的優(yōu)勢，并借助Simulink仿真軟件，搭建了雙電機對拖模型，對矢量控制算法進行了仿真驗證。通過臺架測試驗證了HP1對永磁同步電機控制的可行性。

電動汽車；永磁同步電機；英飛凌HP1

永磁同步電機（簡稱PMSM）相對于傳統(tǒng)交流電機具有高效、高功率密度以及良好的調速性能［1］，正逐漸成為電動汽車驅動電機的首選之一。我國車用電機控制系統(tǒng)尚處于起步階段，制造工藝水平落后，缺乏自動化生產線，造成產品可靠性、一致性差。產業(yè)化規(guī)模較小，成本較高?？刂破骷啥容^低，體積、重量相對偏大。鑒于我國電動汽車行業(yè)的特點，為了節(jié)省研發(fā)成本，引進了英飛凌公司專門為汽車工業(yè)而設計的電機控制套件（簡稱HP1套件），為混合動力汽車或純電動汽車提供了很好的解決方案。HP1系統(tǒng)是按照最新的汽車標準和系統(tǒng)鑒定標準開發(fā)的，可縮短產品面市時間并降低開發(fā)成本。

本文主要討論研制與開發(fā)永磁同步電機控制系統(tǒng)中的關鍵技術，闡述其控制系統(tǒng)的功能架構和軟硬件的實現過程，初步形成控制系統(tǒng)的開發(fā)體系，為電動汽車驅動電機控制系統(tǒng)的獨立開發(fā)奠定了技術基礎。

1　電動汽車用永磁同步電機

與工業(yè)電機不同，電動汽車用驅動電機對其性能有更高的要求。目前常用的電動汽車驅動電機主要包括直流電機（DCM）、感應電機（IM）、永磁電機（PM）和開關磁阻機（SRM）四類［2］。

根據定子電流波形的不同，永磁電機可分為永磁同步電機（PMSM）和直流無刷電機（BLDCM）。PMSM結構上與BLDCM相似，不同之處在于它采用正弦波驅動，在具備BLDCM優(yōu)點的同時，還具有低噪聲，體積小，功率密度大，轉動慣量小，脈動轉矩小，高控制精度的特點，特別適用于混合動力電動汽車電機驅動系統(tǒng)，以達到減小系統(tǒng)體積，改善汽車加速性能和行駛平穩(wěn)度等目的，因此，PMSM受到了全世界各大汽車生產廠家的重視［3］。

2　HP1　電機控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)架構

HP1套件主要由主控制電路、驅動電路和功率模塊三部分組成，如圖1所示。主控電路搭載了英飛凌32位汽車級單片機TC1767最小系統(tǒng)電路，電機位置檢測電路和電流測量電路等。驅動電路采用1 ED020I12-FA汽車級驅動芯片作為IGBT的驅動芯片，具有短路保護、欠壓鎖定和有源鉗位等功能［4］。HP1套件功率模塊是一種電動汽車專用IGBT功率模塊，適用于最大工作電壓為450V且最大功率高達20kW的電動汽車。

圖1　HP1套件圖Fig.1 HP1 suite

2.2軟件設計

PMSM電機的控制系統(tǒng)方案采用的矢量控制（簡稱FOC），其原理圖如圖2所示。FOC是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，即電流環(huán)和速度環(huán)，共由電流檢測模塊、轉子速度/位置反饋模塊、PID控制模塊、坐標變換模塊和SVPWM模塊5個模塊組成。另外為達到最佳控制效果，常常幾種控制方案結合運用，如采用最大轉矩控制和弱磁控制原理以實現電機的效率最優(yōu)和寬范圍的調速方案，集轉矩控制和PWM控制于一身的控制方案等。

TC1767代碼主要采用標準C語言編寫，分為主程序和PWM中斷服務程序，流程圖如圖3所示。主程序主要包含對實時要求不高的模塊，完成系統(tǒng)初始化、自檢、開啟AD采樣、啟動定時器等功能。而對實時性要求高的模塊則放在中斷程序中［5］，中斷服務程序是控制軟件的主體，由轉速PID算法模塊、電流PI調節(jié)模塊、SVPWM模塊和PWM脈寬計算模塊等功能模塊構成。

3　仿真驗證

借助MATLAB/SIMULINK仿真軟件，搭建雙電機對拖測試系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。該測試系統(tǒng)主要由測試電機和負載電機組成，前者對電機進行調速控制，后者實現扭矩控制。圖4中左側電機為測試電機，右側電機為負載電機。測試電機和負載電機通過中間的聯軸器進行連接。由于聯軸器是剛性軸，進而使控制系統(tǒng)的轉速和轉矩最終達到平衡。雙電機對拖系統(tǒng)可以用來模擬電機的速度控制和扭矩控制［6］。

圖5為電機轉速和轉矩的仿真曲線圖，由圖可知，測試電機的轉速和轉矩均為正值，測試電機處于電動狀態(tài)，提供動力輸出。兩電機轉速和轉矩最終達到一致且能穩(wěn)定運行，兩電機達到了系統(tǒng)平衡，證明了永磁同步電機速度控制和扭矩控制的有效性。

圖4　電機對拖模型圖Fig.4 Motor drag model diagram

圖5　Simulink仿真曲線圖Fig.5 Simulink simulation curve

4　測試驗證

為了測試英飛凌HP1控制器，搭建了電機控制系統(tǒng)測試平臺，如圖6所示。

該測試平臺主要由英飛凌HP1套件，電池組，PLS的UAD調試器，電腦（裝有TASKING編譯器、UDE、串口調試工具），永磁同步電機，示波器，LEM的LTSR 25-NP電流傳感器，WT1800功率分析儀及其附屬配件，負載電機（模擬負載），聯軸器等組成。試驗中的PMSM電機特征參數：額定功率60 KW，峰值功率120 KW，最高轉速7200轉，額定輸入電源DC600 V，工作電壓330VDC---750VDC；環(huán)境溫度為25℃室溫。

4.1控制邏輯的驗證

因為逆變器三相橋開關管的導通和關斷時間決定了永磁同步電機調速性能的好壞，本實驗的目的是驗證該控制邏輯：三相中心對稱互補PWM以及死區(qū)的產生。圖7為U相PWM波形圖，所測的逆變器PWM頻率為16 kHz，死區(qū)時間為2μs，滿足程序設計要求。其它兩相PWM波形與圖7一致。

4.2加載性能測試

首先將外部信號（旋變信號、電流信號、位置信號等）接入到電機控制器，然后將供電回路及控制回路接通，確保接線正確無誤。打開水冷卻循環(huán)。將速度給定值分別為500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min，保持每種轉速情況下運行10 min，觀察電機的運行情況，并測量每種速度情況下的電機線電壓。圖8為某速度下的電機線電壓。經過觀察可得電機基本可以保持恒速運行，速度波動不大。

圖6　電機控制系統(tǒng)測試平臺Fig.6 Motor control system testing platform

圖7　PWM波形Fig.7 PWM waveform

圖8　線電壓波形圖Fig.8 Line voltage waveform

5　結語

電動汽車電機控制系統(tǒng)是電動汽車的核心部件，本文針對電動汽車用PMSM控制系統(tǒng)的進行了如下的設計與研發(fā)工作：

1）根據電動汽車動力系統(tǒng)的控制需求，提出了電機主控制器的設計原則及功能劃分，在此基礎上確定了將英飛凌HP1功率模塊用于PMSM控制驅動系統(tǒng)的解決方案。

2）試驗表明，HP1能夠很好的適應電動汽車的應用環(huán)境，到達了對整車動力系統(tǒng)進行有效的控制與管理的設計目的。

［1］易將能，韓力.電動車驅動電機及其控制技術綜述［J］.微特電機，2001，29（4）：36-38

［2］杜懌.基于混合動力電動汽車的永磁同步電機控制系統(tǒng)的研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學，2007

［3］鄒亮亮.基于英飛凌Tricore的電動汽車永磁同步電機控制器研究［D］.西安：長安大學，2014

［4］勵國旦.談英飛凌1ED020I12在IGBT驅動電路中的應用［J］.電子元器件應用，2012，12（3）：9-11

［5］萬山明.TMS320F281xDSP原理及應用實例［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007

［6］郭仲奇.內置式永磁同步電機弱磁調速控制方法的研究［D］.長沙：湖南大學，2011

Development for PMSM Driver System Based on Infineon HP1

ZOU Liang-liang1，2，LV Zhao-qin1，2*，MU Gui-zhi1，2
1.College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University，Tai`an 71018，China
2.Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment of Shandong Province，Taian 271018，China

This paper introduced the main core components of electric car drive motor and its controller，analyzed the Infineon HP1 power module advantage in the motor controller，set up two motor drag model with the help of Simulink，verified for vector control algorithm with the simulation and the feasibility of HP1 in electric car PMSM control through bench testing experiment.

Electric vehicle；PMSM；Infineon HP1

TM351

A

1000-2324（2016）02-0283-03

2015-10-16

2015-10-26

山東省現代農業(yè)技術體系創(chuàng)新團隊崗位專家資助（SDAIT-10-011-10）

鄒亮亮（1986-），男，助教，主要研究方向電動汽車電驅動.E-mail：zouliangliang1986@163.com

Author for correspondence.E-mail：lzqsdau2003@163.com