時間:2018-06-11 15:30:24來源:網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載
摘要
本文在簡要介紹當前驅(qū)動汽車技術(shù)革命的電動汽車技術(shù)的前提下,詳細介紹了電動汽車主要核心部件的驅(qū)動電機及其控制器,重點分析了英飛凌32位新型單片機在電機控制器中的應(yīng)用以及軟件的基本架構(gòu),探討了用軟件實現(xiàn)旋變解碼的可行性及其解決方案。并結(jié)合當前比較流行的汽車功能安全標準ISO26262,闡述英飛凌在汽車電機控制器的安全應(yīng)用解決方案。
0前言
電動汽車是21世紀的綠色交通工具,電動汽車技術(shù)是當前國際上正在進行研究的一項高新且熱門的技術(shù)。作為核心部件之一的驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)在純電動汽車(EV)及混合動力汽車(HEV)中起著至關(guān)重要的作用,對它們進行研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義。永磁同步電機(技術(shù)上也叫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(diào)速性能,正逐漸成為EV和HEV中驅(qū)動電機的首選之一。本文主要討論了研制與開發(fā)永磁同步電機控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù),闡述了控制系統(tǒng)的功能架構(gòu)和軟硬件的實現(xiàn)過程,初步形成了控制系統(tǒng)的開發(fā)體系,為電動汽車驅(qū)動電機控制系統(tǒng)的獨立開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
1永磁同步電機
永磁同步電機PMSM轉(zhuǎn)子上裝有永久磁體,定子采用正弦繞組(圖1左),三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流(圖1右)產(chǎn)生旋變磁場,從而拖動永磁轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn),定子繞組的通電頻率以及由此產(chǎn)生的旋變磁場轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速。
圖1:PMSM電機結(jié)構(gòu)及控制原理
和常見的交流感應(yīng)電機不一樣,PMSM電機所用正弦波必須和轉(zhuǎn)子的角位置同步才能獲得有用的扭矩,因此在控制電機時必須實時獲取轉(zhuǎn)子的實際位置和轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)子角位置的值常常由一般用絕對位置傳感器(包括絕對碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器)。永磁同步電機低速時常采用矢量控制,包括氣隙磁場定向、轉(zhuǎn)子磁鏈定向和定子磁鏈定向,高速時增加弱磁控制。
2電機控制系統(tǒng)
2.1系統(tǒng)架構(gòu)
永磁同步電機PMSM的特性決定了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,較為常見的PMSM電機控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動器、主控制器(邏輯控制板)及各種傳感器(電流傳感器,溫度傳感器和旋變繞組等)等組成,圖2所示為英飛凌推出的應(yīng)用于在EV和HEV上PMSM電機控制系統(tǒng)的解決方案:
圖2:PMSM電機控制系統(tǒng)
在上圖所示方案中,驅(qū)動器由IGBT三相橋驅(qū)動板,HybridPACK?2IGBT(簡稱HP2)模塊和直流母線電容組成。IGBT三相橋驅(qū)動板包括6通道的IGBT預(yù)驅(qū)動電路,開關(guān)電源SMPS,邏輯門電路,故障檢測電路,電壓及溫度測量電路。由六個IGBT單元組成驅(qū)動PMSM電機的三相橋臂的HP2模塊是英飛凌專門為EV和HEV應(yīng)用而設(shè)計的大功率模塊,其最大工作電壓為650V,最大額定功率為80KW,模塊的最高運行結(jié)溫為150℃。主控制器則搭載了英飛凌32位新型單片機TC1782(Audo-MAX系列)的最小系統(tǒng)電路,旋變解碼電路,支持ISO26262功能安全解決方案的監(jiān)控電路和傳感器接口電路等。
2.2主控制器設(shè)計
PMSM電機控制系統(tǒng)的驅(qū)動器采用了Infineon生產(chǎn)的標準驅(qū)動模塊,以下討論將集中于主控制器的設(shè)計,最后驗證測試整個控制系統(tǒng)。
2.2.1主芯片選型
PMSM電機的控制要求主控制器不僅有強大的適合電機控制的專用外設(shè),而且有很強的實時性能。TC1782是一款哈弗架構(gòu)且有非對稱雙核(主核Tricore和外設(shè)控制協(xié)處理器PCP)的高性能32位單片機,主頻高達180MHz,內(nèi)置浮點運算單元FPU,支持DSP算法指令,2.5M字節(jié)FLASH,176K字節(jié)RAM。TC1782與電機控制相關(guān)的重要外設(shè)主要是通用時間陣列GPTA和數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC。GPTA提供一套靈活的定時,比較和捕獲功能,可以靈活地組合成信號檢測單元和信號發(fā)生單元,應(yīng)用于電機控制時可以支持動態(tài)控制的死區(qū)時間和不同于邊沿對齊和中央對齊的非對稱PWM輸出。由硬件觸發(fā)(如GPTA)并實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊ADC至少可以支持在電機應(yīng)用中兩相電流的同時獲取。圖3中所示為電機控制的一個單周期時序,GPTA生成一相帶死區(qū)的互補式PWM波形,在PWM中點同時觸發(fā)ADC0和ADC1的轉(zhuǎn)換,ADC模塊在完成對應(yīng)通道轉(zhuǎn)換后啟動CPU中斷服務(wù)程序。
圖3:單周期電機控制時序圖
TC1782的每個AD轉(zhuǎn)換模塊(ADC0和ADC1)都支持16路轉(zhuǎn)換通道,具有可編程的轉(zhuǎn)換精度(8/10/12比特),12比特下最快轉(zhuǎn)換時間小于1微秒。專用外設(shè)控制協(xié)處理器PCP可以承擔(dān)大部分中斷負荷,從而主核可以集中處理用于電機控制的復(fù)雜運算,如Park變換,Clarke變換和空間矢量調(diào)制(SVM)等。目前TC1782微控制器受到了越來越多的汽車廠商和零部件供應(yīng)商的關(guān)注,被國內(nèi)外主流OEM和零部件供應(yīng)商選為電動汽車驅(qū)動電機控制器的關(guān)鍵部件之一。
2.2.2硬件設(shè)計
依照PMSM主控制器所需要的功能、實際參與控制的對象以及主控制芯片的特點,PMSM電機控制系統(tǒng)主控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。它采用了功能劃分和模塊化的設(shè)計思想,并根據(jù)功能需求分離成不同的功能模塊。主控制器的主要接口技術(shù)參數(shù)為:1)14路模擬量輸人通道(12比特);2)6路PWM輸出(帶電平轉(zhuǎn)換);3)2路CAN通訊接口(支持標定和系統(tǒng)通訊);4)可配置并行或串行通訊的旋變接口電路(AD2S1210);5)數(shù)字量輸入(故障檢測與診斷等);6)數(shù)字量輸出(急??刂婆c主繼電器控制等);7)電源系統(tǒng)。
圖4:主控制器硬件結(jié)構(gòu)
PMSM電機控制系統(tǒng)要求具有較高的安全等級,驅(qū)動器對主控制器的故障響應(yīng)時間有著嚴格的要求,因此主控制器采用了符合ISO26262功能安全規(guī)范的監(jiān)控芯片CIC61508設(shè)計監(jiān)控電路。CIC61508具有可配置的電壓監(jiān)控輸入,可配置的主CPU任務(wù)執(zhí)行時間和可配置的故障響應(yīng)時間及輸出,可以實時監(jiān)控主CPU的供電和軟件的運行狀況,按照預(yù)先配置好的故障響應(yīng)輸出控制其他IC的使能與復(fù)位引腳,從而實現(xiàn)系統(tǒng)的功能安全要求。
2.2.3軟件設(shè)計
PMSM電機的控制系統(tǒng)方案主要以磁場定向控制FOC為主(圖5),另外為達到最佳控制效果,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(圖6)以實現(xiàn)電機的效率最優(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。
圖5:磁場定向控制FOC
圖6:轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制
圖5和圖6中的PMSM電機控制系統(tǒng)方案中表明TC1782除了要完成和FOC相關(guān)的計算,如Clark,Park,i-Park和SVM計算外,還需要對系統(tǒng)的一些信號進行采集,如相電流,母線電壓,電機位置和轉(zhuǎn)速等。另外考慮到主控制器參與系統(tǒng)通訊,以及功能安全上的要求,這些都將對單核CPU的負載是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。基于以上因素,按照主控制器的功能要求,將主控制器的軟件開發(fā)模塊化,分配給TC1782的主CPU和外設(shè)協(xié)處理器PCP,從而形成如圖7所示的軟件流程結(jié)構(gòu)框架。
圖7:主控制器軟件系統(tǒng)架構(gòu)
圖7所示的軟件系統(tǒng)架構(gòu)中,主CPU在一個小型任務(wù)調(diào)度器的基礎(chǔ)上,分別調(diào)用了英飛凌安全功能軟件SafeTcore和PMSM電機控制相關(guān)算法軟件,SafeTcore在CPU運行時循環(huán)檢測系統(tǒng)的故障,測試項目可以依照要求進行配置,所運行的PMSM電機控制算法采用圖5和圖6中所示的控制策略進行。外設(shè)協(xié)處理器PCP除了運行安全功能軟件SafeTcore軟件監(jiān)控主CPU的運行外,還可以處理和通訊相關(guān)的中斷和信號采樣中斷等,從而降低主CPU的中斷負載。
2.3軟件的旋變解碼
如前所述,PMSM電機的位置和轉(zhuǎn)速信息在電機控制中相當重要,旋變接口電路為獲取這些信息提供了硬件解決方案。從ISO26262汽車功能安全規(guī)范要求的控制系統(tǒng)冗余性來看,需要提供第二種途徑獲取電機位置和轉(zhuǎn)速信息,從而驗證硬件解決方案獲取的信息是否正確,提高系統(tǒng)的安全性,現(xiàn)有的歐洲電動車電機控制系統(tǒng)常常使用軟件的旋變解碼作為硬件解碼方案的備份。TC1782的高速FADC接口為這種方法提供了硬件基礎(chǔ),具體思路見圖8所示:
圖8:旋變信號的軟件解碼
上圖所示的FIR變換及其后面的模塊功能都是由軟件來完成,CPU計算速度對PMSM這樣的實時控制系統(tǒng)而言非常關(guān)鍵。多次測試發(fā)現(xiàn),基于上述軟件解碼流程生成的TC1782軟件代碼在效率上可以達到5微妙的計算速度,效率上能夠可以滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。
3測試驗證
PMSM電機控制系統(tǒng)的測試在AVL的電機試驗臺上進行,其實物及系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示。母線電壓和輸入功率顯示在Yokogawa的WT3000功率分析儀測試,電流傳感器檢測U相和V相電流,另外WT3000功率分析儀通過扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速計測試PMSM電機的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。
圖9:電機測試臺架系統(tǒng)
圖10所示為母線電壓230伏、不同電源輸出功率下的相電流和電流頻率值,左圖為26千瓦下相電流有效值為235安,頻率為100.75赫茲,右圖為51千瓦下相電流有效值為270安,頻率為164.8赫茲。
圖10:高功率測試
4結(jié)束語
電動汽車電機控制系統(tǒng)是電動汽車的核心部件,本文針對用于PMSM電機控制系統(tǒng)的主控制器進行了如下的設(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,提出了電機主控制器的設(shè)計原則及功能劃分,在此基礎(chǔ)上確定了基于TC1782的主控制器的硬件結(jié)構(gòu)及接口。
2)參照ISO26262安全功能規(guī)范,在TC1782和CIC61508功能安全監(jiān)控芯片為硬件基礎(chǔ)上,集成SafeTcore功能安全軟件包。
3)試驗表明,該主控制器能夠很好的適應(yīng)電動汽車的應(yīng)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(shè)計目的。
標簽:
中國傳動網(wǎng)版權(quán)與免責(zé)聲明:凡本網(wǎng)注明[來源:中國傳動網(wǎng)]的所有文字、圖片、音視和視頻文件,版權(quán)均為中國傳動網(wǎng)(m.u63ivq3.com)獨家所有。如需轉(zhuǎn)載請與0755-82949061聯(lián)系。任何媒體、網(wǎng)站或個人轉(zhuǎn)載使用時須注明來源“中國傳動網(wǎng)”,違反者本網(wǎng)將追究其法律責(zé)任。
本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明其他來源的稿件,均來自互聯(lián)網(wǎng)或業(yè)內(nèi)投稿人士,版權(quán)屬于原版權(quán)人。轉(zhuǎn)載請保留稿件來源及作者,禁止擅自篡改,違者自負版權(quán)法律責(zé)任。