摘要：電動汽車驅動電機頻繁工作于啟動/停車、加速/減速等復雜工況下，較工業(yè)用電機需要更寬的轉速范圍和更高的過載系數，同時對控制器的開發(fā)提出了較大的挑戰(zhàn)。設計了一種適用于電動汽車的永磁同步電機（PMSM）控制器的方案.給出了主電路的設計方法及驅動、檢測和保護單元的參考電路。軟件部分采用矢量控制，并根據實時性要求將任務劃分為4級。

　　1 引言

　　當前能源危機和環(huán)境污染問題推動了電動汽車的發(fā)展。電動汽車的關鍵技術包括汽車技術、電氣技術和電子技術等，其中電機驅動技術是電動汽車的。電機驅動系統(tǒng)的任務是將電能轉換為機械能使汽車前進。電動汽車驅動電機不同于工業(yè)用電機，通常要求能頻繁地啟動/停車、加速/減速、具有較寬的轉速范圍和較高的過載系數，且要求驅動電機低速或爬坡時能提供高轉矩，高速行駛時則能輸出低轉矩。各國政府和主要汽車公司都對驅動電機控制器的研究和開發(fā)給予了高度的重視，并取得了一定的成就。

　　目前正在應用或開發(fā)的電動汽車用電機主要有直流電機、無刷直流電機、PMSM、感應電機和開關磁阻電機。PMSM以其體積小、重量輕、慣性低、響應快、轉矩密度高、效率高、啟動轉矩高和功率因數高的特點在電動汽車領域應用較為廣泛。此處將設計一種適用于電動汽車的PMSM控制器的方案。

　　2 控制器硬件設計

　　驅動電機控制器采用全數字化結構，功率部分包括：主電路；IGBT驅動電路及開關電源電路?？刂撇糠职ǎ篋SP控制電路；電壓、電流、溫度、轉速的檢測電路、故障與保護電路；開關量輸入輸出電路；模擬量輸入輸出電路、485/CAN通信電路和操作器電路。

　　2.1 控制器主電路設計

　　控制器設計之初，需確定控制器負載、供電電源和使用環(huán)境的要求：①負載參數要求：負載額定功率Pn、額定電壓un、額定電流in和過載倍數kg等；②電源參數要求：額定電壓及變化范圍；③其他要求：工作環(huán)境條件、結構尺寸限制等。根據某電動汽車的要求，此處研制的控制器性能指標為：額定功率55 kW;額定轉速4 500 r·min-1;峰值功率82.5 kW;峰值功率運行時間5 min;電動方式轉速范圍0~9 000 r·min-1;發(fā)電方式轉速范圍800~9 000 r·min-1;基速峰值及額定功率時的效率89%~93%;工作電壓范圍405~583.2 V;扭矩控制為：額定扭矩以下：±5 N·m,額定扭矩以上：5%;扭矩控制響應時間小于100 ms;速度控制響應時間為在200 ms時進入±50 r·min-1誤差之內；速度控制：負載從0~100%變化，速度變化小于±1%;扭矩和速度控制模式的轉換時間20 ms.

　　2.1.1 控制器容量選擇

　　由于電機控制器傳給驅動電機的是脈動電流，其脈動值比工頻供電時電流要大，因此須將電機控制器的容量留有適當的裕量。

　　式中：Scn為電機控制器的額定容量；Pn,η，cosφ分別為電機輸出功率、效率、功率因數，η=0.85,cosφ=0.8;K為電流波形的修正系數，PWM方式取1.05~1.1.

　　2.1.2 IGBT電壓選擇

　　IGWT電壓應能承受母線峰值電壓，當ICBT關斷時峰值電壓可表示

　　式中：Udcmax為母線電壓；α為過電壓保護系數，取α=1.15;β為安全系數，一般取β=1.1;Ldi/dt為母線電感引起的尖峰電壓，這里取100 V.

　　通過對式（2）進行計算得到Ucesp=858.7 V,這樣應選擇Uces=1 200V的元件。

　　2.1.3 IGBT電流規(guī)格選擇

　　IGBT電流的選擇，需保證電機峰值電流在IGBT的安全工作區(qū)內。IGBT的額定電流

　　式中：S為電機控制器容量，此處S=114kVA;kg=1.5;kjw為考慮結溫的電流降額系數，此處kjw=1.4;U0為驅動電機線電壓，

　　由式（3）可得，Ic應大于508.94 A,根據IGBT的等級應選擇Ic=600 A的元件。

　　2.2 IGBT驅動電路設計

　　根據IGBT驅動電路的性能要求，此處選用了HCPL316J光耦驅動電路。HCPL316J是一種IGBT門極驅動光電耦合器：其參數為：可驅動IGBT為150 A/1 200 V級；光學隔離，帶故障反饋輸出；16腳貼片封裝，CMOS/TTL兼容，500 ns開關速度；軟關斷技術，集成過流、欠壓保護功能；15~30 V寬電壓工作環(huán)境。

　　由HCPL316J構成的驅動電路。由于選用的Ic=600 A,HCPL316J不能夠直接驅動，故經過推挽放大后驅動IGBT.

　　2.3 信號檢測電路設計

　　信號檢測電路包括母線電壓、母線電流、驅動電機三相電流、控制器溫度、電機溫度和電機轉子位置與轉速的采樣與調理電路。除轉子位置與速度采樣電路外，其他信號均為模擬量，需經過隔離后，調理成ADC單元可以處理的信號。

　　2.3.1 相電流采樣電路

　　采樣電路由濾波調理電路和偏移限幅電路組成。從電流傳感器輸出的與實際電流成比例的信號，經一階低通濾波和比例運算后，得到幅值為-1.65~1.65 V,再經偏置電路轉換為0~3.3 V.

　　2.3.2 位置與速度檢測電路

　　選用旋轉變壓器作為轉子位置傳感器，旋轉變壓器適用于工作環(huán)境惡劣的場合，具有較強的抗干擾能力。旋變/數字轉換器采用AD2S12 05,能獲取轉子的位置信息。采用5 V電源供電，外接8.912 MHz的晶振。根據所選旋轉變壓器的勵磁電壓電流要求，設計勵磁環(huán)節(jié)的運算放大電路，保證接收的正余弦信號峰峰值為（3.6±36%）V.

　　2.3.3 故障與保護電路

　　W相過流保護電路將采集的電流信號與預先設定的極限值進行比較，當超過極限值時，觸發(fā)故障鎖存電路。故障鎖存與清除電路中，各種故障信號相與后，經過RS觸發(fā)器，觸發(fā)PDPINTA中斷，并封鎖PWM輸出。當故障已被消除時，通過DSP可將RS觸發(fā)器復位。該電路還能保證DSP復位過程中對PWM信號的封鎖。

　　3 控制單元軟件設計

　　電機控制器控制框。驅動電機控制器采用旋轉變壓器直接獲取轉子位置和速度，采用霍爾電流傳感器直接檢測定子三相電流?？刂破骼棉D子位置信息將三相電流進行坐標變換，得到d,q軸電流反饋值。d,q軸電流參考信號與實際值比較后，其偏差值被輸入至調節(jié)器，調節(jié)器的輸出與解耦電路輸出相加，便得到磁場定向d,q軸系中兩軸電壓參考值udref和uqref,通過Park逆變換，轉換為α，β軸參考電壓uαrad,uβref,經過SVPWM模塊產生控制逆變器各功率開關的開通和關斷信號。其中，主控芯片采用TMS320LF2407A,其很適合于電動機的實時控制。

　　電機控制程序采用前后臺系統(tǒng)來完成。前臺系統(tǒng)為中斷級程序，包括T1定時器下溢中斷服務程序，實現電機控制的算法和故障中斷，包括XINT1外部中斷服務程序和PDPINTA中斷服務程序，用于封鎖PWM輸出。T1定時器下溢中斷服務程序，故障中斷服務程序。

　　后臺系統(tǒng)為任務級程序。

　　一個完整的驅動電機控制器,不僅要實現電機的控制算法，還要具備運行控制、參數設置和工作狀態(tài)監(jiān)視等功能。此處將這些功能在任務級程序中實現。驅動電機控制器可通過操作鍵盤、控制端子和通信程序設定控制命令、運行頻率，修改相關功能碼參數，監(jiān)控控制器工作狀態(tài)及故障信息。

　　任務級程序是一個無限循環(huán)系統(tǒng)，根據各種任務的實時性要求，將其劃分為4個等級，如故障檢測函數和參數設置函數每1 ms執(zhí)行1次，而對于輸入輸出端子的處理函數則要每10ms執(zhí)行1次。

　　4 實驗方案結果

　　為驗證和調試驅動電機控制器，進行了實驗研究。驅動電機測試系統(tǒng)由AVL測功機、Digatron電池模擬器、功率分析儀、驅動電機及其控制器組成。測功機采用轉速控制方式，提供負載；功率分析儀采集直流母線電壓電流、電機輸入側的電壓電流、測功機輸出的轉矩和轉速信息，并實時傳送至上位機保存實驗數據；電池模擬器為驅動電機及其控制器提供電能；dSPACE通過CAN總線或者模擬量控制電機的輸出轉矩。

　　驅動電機在加速、平穩(wěn)運行和制動3個階段下的轉速、轉矩曲線和電壓、電流波形。系統(tǒng)電流控制特性良好。

　　5 結論

　　電動汽車要求電機及其控制器具有轉速范圍寬、過載系數高的特點，研制的利用DSP構成的永磁同步電機控制系統(tǒng)，具有控制功能強、速度快、保護功能完善及工作性能穩(wěn)定等特點。整個線路外圍元件少、走線簡單、逆變器體積小，可靠性高，本文所設計的電動汽車用永磁同步電機驅動控制器方案，能夠滿足電動汽車電驅動系統(tǒng)的要求。