李學(xué)華, 王世偉

(青島云路新能源科技有限公司，山東 青島 266000)

基于矢量控制的純電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的研制

李學(xué)華, 王世偉

(青島云路新能源科技有限公司，山東 青島 266000)

設(shè)計(jì)了針對(duì)純電動(dòng)汽車開發(fā)的一款5kW電機(jī)控制器。硬件設(shè)計(jì)上采用低電壓、大電流的MOSFET并聯(lián)技術(shù)，以高性價(jià)比的ARM核CPU為主控單元；軟件設(shè)計(jì)上以高性能的電流矢量控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的精準(zhǔn)控制，并加入整車控制邏輯；具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、可靠性高、可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。目前通過(guò)實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了其實(shí)用性和可靠性,并已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

純電動(dòng)汽車；電機(jī)控制器；MOSFET；矢量控制；交流異步電機(jī)

0 引 言

隨著全球能源危機(jī)的臨近和人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升，大家越來(lái)越意識(shí)到開發(fā)一種新能源汽車來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的燃油汽車已經(jīng)迫在眉睫。在各國(guó)政府的大力倡導(dǎo)和補(bǔ)貼下，純電動(dòng)汽車已經(jīng)成為大家的首要選擇。作為電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)三大件之一的電機(jī)控制器，猶如整車的心臟，它的性能和成本直接影響整車的性價(jià)比，在電動(dòng)汽車的發(fā)展上尤為重要。本設(shè)計(jì)以高性能的16位CPU為控制核心，采用異步電機(jī)矢量控制算法和先進(jìn)的整車邏輯，研發(fā)出了一款優(yōu)異的電動(dòng)汽車控制器[1]，該控制器目前已經(jīng)裝車實(shí)驗(yàn)并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)的所有關(guān)鍵部件都是由Infineon公司生產(chǎn)的，保證了控制器運(yùn)行的可靠性。CPU采用16位XC2768X，功率MOSFET采用IPP045N10N3G，驅(qū)動(dòng)芯片采用irs2127。整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括控制電路、功率電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電源電路等[2]，如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

1.1 控制電路

控制器使用16位 XC2768X作為主控CPU，它的主頻可以達(dá)到128 MHz，片上資源豐富，集成了適合電機(jī)控制的帶死區(qū)編程的PWM模塊、2路適合整車控制的CAN通道、16路AD通道以及自動(dòng)檢測(cè)轉(zhuǎn)速的QEP模塊，非常適合電動(dòng)汽車控制應(yīng)用。此控制器可以檢測(cè)油門和剎車信號(hào)，輸入到AD口處理后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的力矩電流進(jìn)行加減速控制；內(nèi)置EEPROM來(lái)存儲(chǔ)相應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)；兼容CAN通訊協(xié)議，可以擴(kuò)展類似儀表盤之類的整車配件；具備豐富的保護(hù)功能，例如過(guò)溫、過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、失速、短路等。

1.2 功率電路

功率電路的主要作用是按照矢量控制算法將直流電壓轉(zhuǎn)換為具有所需頻率的交流電壓，給交流異步電動(dòng)機(jī)提供電能。本設(shè)計(jì)中功率電路采用的是由六路MOSFET功率管組成的三相全橋逆變電路，每一相如圖2所示，總共需要36只功率管，功率板全部表貼到單層鋁基板上，然后鋁基板充分貼合到散熱器上，此種方式代替了之前的功率模塊，成本優(yōu)勢(shì)明顯。為了保持MOSFET動(dòng)作一致性，選用同一廠家同一批次的功率管非常有必要，并且在門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)加入適當(dāng)?shù)淖枞菅訒r(shí)，保證到達(dá)每一個(gè)功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)間一致。此控制器最大電流350 A，選用6只IPP045N10N3G并聯(lián)， 最大電流能夠達(dá)到600 A，設(shè)計(jì)余量較大。

圖2 單相MOSFET電路

1.3 檢測(cè)電路

檢測(cè)電路主要包括油門、剎車踏板檢測(cè)、電流檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)等。油門和剎車踏板采用柯蒂斯生產(chǎn)的FP-6型踏板，通過(guò)霍爾把踏板深度轉(zhuǎn)換為0～5 V的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波和電平轉(zhuǎn)換輸入到CPU中。由于電機(jī)是三相對(duì)稱繞組，電流只需要檢測(cè)兩相即可計(jì)算第三相，每一相都采用霍尼韋爾生產(chǎn)的線性霍爾，把集磁環(huán)中電流對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)變成0～5 V電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波和整形處理后送入AD口。電機(jī)內(nèi)置光電編碼器，檢測(cè)A、B兩相脈沖可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向。

1.4 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是控制電路和功率電路的橋梁，主要作用是把CPU發(fā)出的低電平PWM放大到能夠驅(qū)動(dòng)MOSFET的高電平等級(jí)，從而驅(qū)動(dòng)交流異步電機(jī)工作，如圖3所示。本設(shè)計(jì)中使用的驅(qū)動(dòng)芯片是irs2127，它的Io+只有200 mA，后級(jí)需要加推挽來(lái)提升到1 A才能驅(qū)動(dòng)六個(gè)功率管。它還具有保護(hù)功能，當(dāng)控制器外部短路時(shí)，MOSFET的Vds隨著電流迅速升高，同時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片CS管腳電壓也隨之升高，當(dāng)升高到一定數(shù)值時(shí)，該芯片會(huì)迅速關(guān)斷OUT端口，起到及時(shí)保護(hù)MOSFET的功能，此保護(hù)時(shí)間可以通過(guò)調(diào)整RC來(lái)隨意設(shè)置。

圖3 PWM驅(qū)動(dòng)電路圖

1.5 開關(guān)電源電路

本設(shè)計(jì)中需要的電壓有+60 V 、+12 V、 +5 V 、+3.3 V等幾種直流電壓。其中+60 V由電動(dòng)汽車的蓄電池提供；+12 V為驅(qū)動(dòng)電路提供電源；+5 V 為數(shù)字電路提供電源；+3.3 V則為ARM芯片提供電源。如圖4所示為整個(gè)系統(tǒng)的電源電路，其驅(qū)動(dòng)芯片為TI公司生產(chǎn)的TPS40210DGQ，該芯片具有以下優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)壓性能好、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電壓調(diào)節(jié)范圍寬、價(jià)格低廉，是目前應(yīng)用較為廣泛的汽車級(jí)電源芯片之一。所有電壓通過(guò)單點(diǎn)接地的形式共地，提高電源系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖4 開關(guān)電源電路圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 異步電機(jī)矢量控制算法

矢量控制原理是利用坐標(biāo)變換，將異步電機(jī)定子電流矢量分解成兩個(gè)相互垂直的分量[3]，其中一個(gè)分量為勵(lì)磁電流分量相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)的磁場(chǎng)電流，另外一個(gè)分量為轉(zhuǎn)矩電流分量相當(dāng)于電機(jī)的電樞電流，對(duì)這兩個(gè)獨(dú)立的電流分量同時(shí)控制幅值和相位就控制定子電流矢量，從而可以使交流異步電機(jī)的控制與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能相同,如圖5所示。

圖5 矢量控制方框圖

2.2 整體方案

整個(gè)軟件系統(tǒng)主要包括主循環(huán)和中斷兩種模式。主循環(huán)中處理的內(nèi)容包括：寄存器的初始化、變量初始化等。中斷模式處理的是：油門和轉(zhuǎn)速等信號(hào)的采樣轉(zhuǎn)換、矢量控制計(jì)算等。主循環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 主程序系統(tǒng)圖

2.3 油門踏板信號(hào)的采集和處理

矢量控制中油門踏板的開度標(biāo)定的是力矩電流大小，當(dāng)它大于實(shí)際采集的力矩電流時(shí)，通過(guò)PI比例積分調(diào)節(jié)，輸出占空比就不斷提高，力矩增大，車速提高；當(dāng)它小于力矩電流時(shí)，通過(guò)PI調(diào)節(jié)，輸出占空比就不斷下降，力矩減小，車速減慢[4]。實(shí)際的力矩電流是通過(guò)坐標(biāo)變換得來(lái)的，它的輸入量是電機(jī)的相電流和轉(zhuǎn)速。比例系數(shù)和積分系數(shù)與車速高低有關(guān)，當(dāng)接近目標(biāo)車速時(shí)，積分系數(shù)調(diào)整的較小，減小超調(diào)的發(fā)生，如圖7所示。

圖7 油門踏板控制示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 臺(tái)架測(cè)試

此控制器利用對(duì)拖測(cè)功機(jī)對(duì)5 kW交流異步電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如圖8所示，最高轉(zhuǎn)速能到4 300 r/min，轉(zhuǎn)速相應(yīng)快，圖9所示為油門100%開度時(shí)所測(cè)的功率、效率、扭矩等各項(xiàng)數(shù)據(jù), 可以看到峰值功率能夠達(dá)到7.3 kW，電機(jī)控制器整體效率超過(guò)80%，最大力矩超過(guò)64 N·m。

圖8 加速曲線

圖9 測(cè)功機(jī)繪制的曲線

3.2 實(shí)車測(cè)試

此控制器裝入總重1噸左右的電動(dòng)汽車，通過(guò)路試可以看到前進(jìn)加速時(shí)電流波形如圖10所示，電流過(guò)度平滑，整車加速性能優(yōu)異，0～50 km/h只用7 s，峰值電流達(dá)到300 A，電磁噪音低于75分貝。倒退加速時(shí)電流波形如圖11所示，0～20 km/h加速時(shí)間大概3 s左右，峰值電流達(dá)到250 A。

圖10 前進(jìn)加速電流波形

圖11 倒退加速電流波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出的這款電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器，硬件上具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單、易于生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，軟件采用先進(jìn)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)矢量控制，具有運(yùn)行穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)調(diào)整快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)臺(tái)架和上路測(cè)試發(fā)現(xiàn)此控制器完全可以滿足低速電動(dòng)車所需要的所有功能，并且已經(jīng)通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)18488所規(guī)定的溫升測(cè)試、震動(dòng)測(cè)試、短路測(cè)試等相關(guān)測(cè)試，目前已經(jīng)量產(chǎn)。

[1] 萬(wàn)曉鳳.純電動(dòng)汽車三相異步電動(dòng)機(jī)矢量控制[J].微特電機(jī)， 2012,40(1)：61-63.

[2] 譚延良.純電動(dòng)汽車交流感應(yīng)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2012,54(4)：7-9.

[3] 李祥飛.基于矢量控制的電動(dòng)汽車用異步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù)，2010,44(7)：38-39.

[4] SHIN HWI BEON New anti-windup PI controller for variable speed motor drives [J]. IEEE Trans on Ind Elec 1998,45(3):445-450.

Development of a Motor Controller for Blade Electric Vehicles Based on Vector Control

Li Xuehua ，Wang Shiwei

(Qingdao Yunlu New Energy Technology Co., Ltd., Qingdao Shandong 266000, China)

This paper presents the design of a 5 kW motor controller developed for blade electric vehicles. In the respect of hardware design, the controller adopts MOSFET parallel technology of low voltage and high current, using CPU with high price/performance ratio ARM as its core. As for its software design, high-performance current vector control is used to achieve accurate control over the asynchronous AC motor, and vehicle control logic is provided in addition. It is characterized through low cost, simple processing, high reliability and mass production ability. Experimental results have verified its practicality and reliability, and mass production has been realized.

blade electric vehicle；motor controller； MOSFET； vector control；asynchronous AC motor

U469.72

A

1000-3886(2017)04-0029-03

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.04.009

定稿日期: 2016-12-18

李學(xué)華(1982-)，男，山東青島人，電力系統(tǒng)及自動(dòng)化，研究生，工程師，主要研究方向是新能源汽車電機(jī)控制器。