歐陽澤華，李學(xué)明，張亮，何琪

（1.三一集團(tuán)湖南汽車制造有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410100；2.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南株洲 412001）

車用電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能并為車輛提供動(dòng)力的關(guān)鍵部件，永磁同步電機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM）因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、弱磁調(diào)速性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，是電動(dòng)汽車（EV）及混動(dòng)汽車（HEV）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)理想的動(dòng)力源。

車用永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)通常采用矢量控制。在基速以下，要求車輛動(dòng)力系統(tǒng)需有良好的轉(zhuǎn)矩輸出性能，故通常采用MTPA(Maximum Torque Per Ampere)控制方法[6-7]。在基速以上，通常采用弱磁控制方法。弱磁控制能保證在逆變器容量不變的前提下，提高驅(qū)動(dòng)電機(jī)的啟動(dòng)加速能力、爬坡能力，擴(kuò)大高速運(yùn)行范圍能力[8-9]。

文中在分析永磁同步電動(dòng)機(jī)的基本特性及控制算法的基礎(chǔ)上，提出了車用電機(jī)控制器的軟硬件設(shè)計(jì)方案。主控芯片選擇Infineon公司的SAK-TC234T-64F200N 單片機(jī)為主平臺(tái)，通過分析各硬件功能模塊的工作原理，完成硬件電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，文中提出了一種自適應(yīng)最優(yōu)弱磁控制算法，實(shí)現(xiàn)了車用永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器的模型設(shè)計(jì)。通過對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，證明了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的合理性。

1 永磁同步電機(jī)控制原理

1.1 永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

PMSM 系統(tǒng)具有多變量、非線性、強(qiáng)耦合等特性，為了建立正弦波PMSM 的d-q軸數(shù)學(xué)模型,首先作如下假設(shè)：①忽略電動(dòng)機(jī)鐵心飽和、渦流及磁滯損耗；②電動(dòng)機(jī)的電流為對(duì)稱的三相正弦波電流。

永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下：

定子電壓方程為:

磁鏈方程為：

電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，ud、uq為定子直軸、交軸電壓分量；id、iq為直軸、交軸電流；Ld、Lq為直軸、交軸電感；Rs為定子電阻；ωe為電角速度，ωe=Npω（ω為機(jī)械角速度，Np為極對(duì)數(shù)）；ψf為空載永磁磁鏈。

1.1.1 電壓極限橢圓

永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)在d-q坐標(biāo)系下的電壓方程為：

式中，ulim為定子限制電壓；當(dāng)轉(zhuǎn)速ω固定時(shí)，id和iq在d-q坐標(biāo)里的圖形為橢圓。隨著轉(zhuǎn)速的上升，電壓極限橢圓往中心收縮，形成一系列動(dòng)態(tài)橢圓簇[12-13]。對(duì)于車用永磁同步電機(jī)而言，一般采用內(nèi)置式，即Lq≠Ld，電壓極限橢圓的中心點(diǎn)為(-ψf/Ld,0)，電壓極限橢圓如圖1 中橢圓環(huán)所示。

圖1 電機(jī)定子電流矢量軌跡圖

1.1.2 電流限制圓

電機(jī)的最大電流及可持續(xù)的時(shí)間是電機(jī)的固有參數(shù)，當(dāng)工作電流過大時(shí)將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)過熱，并對(duì)定子繞組造成不可逆損害。因此需要在設(shè)計(jì)中標(biāo)定控制器的最大工作電流，以保證IGBT 等關(guān)鍵功率器件的使用壽命。電機(jī)和控制器的工作電流會(huì)受到最大電流的約束，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

電流極限圓曲線如圖1 中圓環(huán)所示。

1.2 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制

最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)算法的思想是使永磁同步電機(jī)定子單位電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩最大；控制核心是在給定參考值下計(jì)算id、iq的最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)定子電流幅值最小，從而降低逆變器的功率等級(jí)要求。對(duì)于任一給定轉(zhuǎn)矩Te，選擇其中電流矢量幅值最小的一個(gè)用于控制，則產(chǎn)生給定轉(zhuǎn)矩所需定子電流最小，即最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制，如圖1 中的O-A段，電流id的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

1.3 弱磁控制

車輛在高速運(yùn)行時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速高于基速，逆變器輸出電壓受到車用電源電壓的限制，不能繼續(xù)通過調(diào)節(jié)電壓來提速，如圖1 中的A-B-C段。此時(shí)需要通過削弱氣隙磁場(chǎng)來降低電壓限幅，從而提升轉(zhuǎn)速，這就是弱磁控制，弱磁控制可以有效地提升車輛的驅(qū)動(dòng)性能。通過永磁同步電機(jī)直軸電流的負(fù)向增大等效地減弱電機(jī)氣隙磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)弱磁升速目的；或者減小定子電流的交軸電流，從而減小其永磁磁場(chǎng)的方法來實(shí)現(xiàn)弱磁擴(kuò)速；但由于交軸電流的減少，其最大轉(zhuǎn)矩輸出也會(huì)降低。電流id的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文中所設(shè)計(jì)的永磁同步電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。該系統(tǒng)主要由主控板、功率驅(qū)動(dòng)板、IGBT 單元和永磁同步電動(dòng)機(jī)組成。TC234 內(nèi)部含一 個(gè)32 位TriCore MCU，主頻 為200 MHz；I/O 口供電電壓為DC 3.3 V，內(nèi)部GTM 模塊可以實(shí)時(shí)輸出6 路SVPWM 信號(hào)，用于驅(qū)動(dòng)IGBT 的上下橋臂。集成的ADC 模塊可5 V 供電，為提高系統(tǒng)可靠性，MCU 核心電路與外圍采集及驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行電氣隔離設(shè)計(jì)。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

2.2 相電流采集電路設(shè)計(jì)

電機(jī)繞組為星型連接，根據(jù)基爾霍夫電流定律，三相電流之和為零，故在檢測(cè)時(shí)僅需檢測(cè)其中兩相即可。電路由傳感器電流采集和信號(hào)調(diào)理電路組成。電流傳感器采用LEM 公司的HAH1DRW800 傳感器。該傳感器采用+5 V 單電源供電。傳感器輸出電壓與被測(cè)電流的關(guān)系為：

式中，uout為輸出電壓；Ip為被測(cè)電流；uc為供電電壓；S為靈敏度；u0為uc2。MCU 通過讀取電壓的AD 值，根據(jù)式（8）運(yùn)算后可獲取當(dāng)前的被測(cè)電流值Ip。為了過濾噪聲干擾，前級(jí)電路在電壓值進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換前需要作濾波處理。為了有效濾除定子電流中的諧波干擾，設(shè)計(jì)中采用低通濾波加電壓跟隨電路。電路圖如圖3 所示。

圖3 相電流采集電路

2.3 母線電壓采樣電路設(shè)計(jì)

電機(jī)工作在大功率制動(dòng)能量回收或大功率充電時(shí)工況狀態(tài)下，將導(dǎo)致直流母線電壓升高，此時(shí)需要進(jìn)行能量泄放。當(dāng)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在大功率輸出的工況下時(shí)，若電機(jī)輸出扭矩不能滿足負(fù)載扭矩要求，將導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)，從而損壞電機(jī)。因此設(shè)計(jì)母線電壓檢測(cè)電路，可以保證系統(tǒng)工作的可靠性。檢測(cè)電路由信號(hào)隔離電路及信號(hào)調(diào)理電路組成，如圖4 所示。電路可在高噪聲電機(jī)控制環(huán)境中,監(jiān)測(cè)母線電壓的變化，控制系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)電壓值將母線電壓維持在合理工作范圍內(nèi)。

圖4 母線電壓采樣電路

2.4 轉(zhuǎn)子位置采集電路設(shè)計(jì)

位置傳感器采用旋轉(zhuǎn)變壓器，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的集成度和減少控制器TC234 的運(yùn)算負(fù)荷，電路采用AD2S1210 集成芯片對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)進(jìn)行處理。芯片內(nèi)部集成了數(shù)學(xué)運(yùn)算處理功能，其工作原理為在旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)繞組上加入基準(zhǔn)源激勵(lì)信號(hào)Vr，Vr=Vp×sinωt，在次級(jí)繞組上分別得到Va和Vb：

兩者進(jìn)行差值處理后為：

利用芯片內(nèi)部產(chǎn)生的合成基準(zhǔn)信號(hào)解調(diào)該信號(hào)，處理后得到：

上式化簡(jiǎn)后得到：

式中，Vp為激勵(lì)信號(hào)幅度，θ為轉(zhuǎn)子位置角，sinωt為轉(zhuǎn)子激勵(lì)頻率，E0為轉(zhuǎn)子激勵(lì)幅度，φ為芯片內(nèi)部轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸出角。當(dāng)θ-φ的值較小時(shí)，E0sin(θ-φ)≈E0(θ-φ)。芯片通過內(nèi)部處理，將誤差信號(hào)歸零，使φ=θ，從而獲得旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子位置角。

2.5 溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)電路用于采集電機(jī)溫度和IGBT 模塊的溫度，防止過熱導(dǎo)致電機(jī)及IGBT 模塊的損壞。采集信號(hào)為電阻信號(hào)，因此采集電路設(shè)計(jì)有上拉電阻，當(dāng)NTC 隨溫度變化時(shí)，采集端口的電壓也隨之改變。MCU 將采集的電壓AD 值轉(zhuǎn)換為NTC 的電阻值，通過查表獲得當(dāng)前溫度值。

2.6 CAN接口電路設(shè)計(jì)

電機(jī)控制器與整車其他控制部件之間的網(wǎng)絡(luò)通信使用CAN 總線，整車控制器（VCU）通過CAN 總線獲得電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息，相應(yīng)的電機(jī)控制器接收來自整車控制器的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速等控制報(bào)文。TC234 處理器內(nèi)部有CAN 控制器模塊，可處理CAN 協(xié)議，接口采用電氣隔離設(shè)計(jì)，通過光耦隔離芯片及CAN 接口電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)電氣接口的匹配。設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖5 CAN總線接口電路

3 算法設(shè)計(jì)

3.1 自適應(yīng)最優(yōu)弱磁控制

為實(shí)現(xiàn)電機(jī)在任意轉(zhuǎn)速下盡可能擴(kuò)大轉(zhuǎn)矩輸出范圍并使控制電流最小，文中綜合最大轉(zhuǎn)矩電流比與最小磁鏈轉(zhuǎn)矩比算法的特點(diǎn)，提出了一種自適應(yīng)最優(yōu)磁鏈控制策略，其控制算法原理流程如圖6 所示。圖中各變量符號(hào)含義如表1 所示。

表1 變量含義

圖6 自適應(yīng)最優(yōu)弱磁控制算法流程圖

3.2 控制系統(tǒng)原理

為保證良好的速度跟蹤效果，文中在轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制中采用積分分離PI 算法，使系統(tǒng)在啟動(dòng)、結(jié)束和大幅度增減設(shè)定時(shí)，不會(huì)因積分積累導(dǎo)致控制量出現(xiàn)較大的超調(diào)。此外，在控制器中增加電壓前饋環(huán)節(jié)，補(bǔ)償式（1）中的耦合項(xiàng)，即補(bǔ)償反電勢(shì)來消除轉(zhuǎn)速變換對(duì)電流控制的影響，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。整個(gè)控制系統(tǒng)原理框圖如圖7 所示。

圖7 所提PMSM控制系統(tǒng)原理框圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)平臺(tái)所用電機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2 所示。為驗(yàn)證所提算法的有效性，從t=0.1 s 開始，設(shè)定速度從0開始線性增加至650 r/min，t=4 s 開始線性下降至0，在t=2 s 時(shí)突加200 N·m 負(fù)載，模擬電機(jī)的加減速度控制以及負(fù)載突投來進(jìn)行測(cè)試，得到相關(guān)測(cè)試結(jié)果如圖8-9 所示。

表2 電機(jī)參數(shù)

圖8 速度跟蹤效果

從圖8、圖9 可以看出，整個(gè)過程中控制系統(tǒng)通過對(duì)d軸、q軸電流的有效控制，能對(duì)設(shè)定速度進(jìn)行準(zhǔn)確無靜差跟蹤，而在負(fù)載突投時(shí)能快速響應(yīng)，并進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，具有良好的控制性能。

圖9 d軸、q軸給定電流

5 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一款汽車級(jí)永磁同步電機(jī)控制器，采用矢量化控制技術(shù)，對(duì)MTPA 控制及弱磁控制原理進(jìn)行分析；提出了一種自適應(yīng)最優(yōu)磁鏈控制策略，并通過仿真驗(yàn)證了算法的可行性。根據(jù)控制原理設(shè)計(jì)了相關(guān)控制電路，闡述了相電流檢測(cè)電路、母線電壓檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速與位置檢測(cè)電路、CAN 接口電路等硬件電路等的工作原理，在搭建硬件平臺(tái)的基礎(chǔ)上開發(fā)了控制軟件，使用embedded coder 將Simulink 模型轉(zhuǎn)為C 代碼，通過編譯軟件TASKING 生成hex 文件下載到電機(jī)控制器中。試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器可滿足車輛使用環(huán)境需求，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。相關(guān)控制算法通過后續(xù)的參數(shù)標(biāo)定和迭代優(yōu)化，可在整車環(huán)境下能獲得更優(yōu)的動(dòng)力性能。