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。