鄒亮亮，呂釗欽*，穆桂脂

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018

2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

基于英飛凌HP1的PMSM驅(qū)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(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安271018

2.山東省園藝機(jī)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(qū)動電機(jī)及其控制器，分析了英飛凌HP1功率模塊在電機(jī)控制器中的優(yōu)勢，并借助Simulink仿真軟件，搭建了雙電機(jī)對拖模型，對矢量控制算法進(jìn)行了仿真驗證。通過臺架測試驗證了HP1對永磁同步電機(jī)控制的可行性。

電動汽車；永磁同步電機(jī)；英飛凌HP1

永磁同步電機(jī)（簡稱PMSM）相對于傳統(tǒng)交流電機(jī)具有高效、高功率密度以及良好的調(diào)速性能［1］，正逐漸成為電動汽車驅(qū)動電機(jī)的首選之一。我國車用電機(jī)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(chǎn)線，造成產(chǎn)品可靠性、一致性差。產(chǎn)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(jìn)了英飛凌公司專門為汽車工業(yè)而設(shè)計的電機(jī)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(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)鑒定標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的，可縮短產(chǎn)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(jī)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，闡述其控制系統(tǒng)的功能架構(gòu)和軟硬件的實現(xiàn)過程，初步形成控制系統(tǒng)的開發(fā)體系，為電動汽車驅(qū)動電機(jī)控制系統(tǒng)的獨立開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1　電動汽車用永磁同步電機(jī)

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

根據(jù)定子電流波形的不同，永磁電機(jī)可分為永磁同步電機(jī)（PMSM）和直流無刷電機(jī)（BLDCM）。PMSM結(jié)構(gòu)上與BLDCM相似，不同之處在于它采用正弦波驅(qū)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(zhuǎn)動慣量小，脈動轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，以達(dá)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(chǎn)廠家的重視［3］。

2　HP1　電機(jī)控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

HP1套件主要由主控制電路、驅(qū)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(jī)TC1767最小系統(tǒng)電路，電機(jī)位置檢測電路和電流測量電路等。驅(qū)動電路采用1 ED020I12-FA汽車級驅(qū)動芯片作為IGBT的驅(qū)動芯片，具有短路保護(hù)、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(dá)20kW的電動汽車。

圖1　HP1套件圖Fig.1 HP1 suite

2.2軟件設(shè)計

PMSM電機(jī)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(zhuǎn)子速度/位置反饋模塊、PID控制模塊、坐標(biāo)變換模塊和SVPWM模塊5個模塊組成。另外為達(dá)到最佳控制效果，常常幾種控制方案結(jié)合運用，如采用最大轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制原理以實現(xiàn)電機(jī)的效率最優(yōu)和寬范圍的調(diào)速方案，集轉(zhuǎn)矩控制和PWM控制于一身的控制方案等。

TC1767代碼主要采用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，分為主程序和PWM中斷服務(wù)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(wù)程序是控制軟件的主體，由轉(zhuǎn)速PID算法模塊、電流PI調(diào)節(jié)模塊、SVPWM模塊和PWM脈寬計算模塊等功能模塊構(gòu)成。

3　仿真驗證

借助MATLAB/SIMULINK仿真軟件，搭建雙電機(jī)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(jī)和負(fù)載電機(jī)組成，前者對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，后者實現(xiàn)扭矩控制。圖4中左側(cè)電機(jī)為測試電機(jī)，右側(cè)電機(jī)為負(fù)載電機(jī)。測試電機(jī)和負(fù)載電機(jī)通過中間的聯(lián)軸器進(jìn)行連接。由于聯(lián)軸器是剛性軸，進(jìn)而使控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩最終達(dá)到平衡。雙電機(jī)對拖系統(tǒng)可以用來模擬電機(jī)的速度控制和扭矩控制［6］。

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

圖4　電機(jī)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(jī)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(diào)試器，電腦（裝有TASKING編譯器、UDE、串口調(diào)試工具），永磁同步電機(jī)，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(fù)載電機(jī)（模擬負(fù)載），聯(lián)軸器等組成。試驗中的PMSM電機(jī)特征參數(shù)：額定功率60 KW，峰值功率120 KW，最高轉(zhuǎn)速7200轉(zhuǎn)，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(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時間決定了永磁同步電機(jī)調(diào)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(bǔ)PWM以及死區(qū)的產(chǎn)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(shè)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(jī)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(zhuǎn)速情況下運行10 min，觀察電機(jī)的運行情況，并測量每種速度情況下的電機(jī)線電壓。圖8為某速度下的電機(jī)線電壓。經(jīng)過觀察可得電機(jī)基本可以保持恒速運行，速度波動不大。

圖6　電機(jī)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(jié)語

電動汽車電機(jī)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(jìn)行了如下的設(shè)計與研發(fā)工作：

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

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

［1］易將能，韓力.電動車驅(qū)動電機(jī)及其控制技術(shù)綜述［J］.微特電機(jī)，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(jī)控制系統(tǒng)的研究［D］.鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2007

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

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

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

［6］郭仲奇.內(nèi)置式永磁同步電機(jī)弱磁調(diào)速控制方法的研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，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(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)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(qū)動.E-mail：zouliangliang1986@163.com

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