電動(dòng)汽車用永磁同步電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與研究

永磁同步電動(dòng)機(jī)(PMSM)具有功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、噪聲低、調(diào)速性能好等特點(diǎn)，非常適合用于電動(dòng)汽車的推進(jìn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于瑞薩單片機(jī)的永磁同步電機(jī)控制器。為滿足永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器體積小、重量輕、調(diào)速范圍寬、功率大的要求，從硬件電路、結(jié)構(gòu)部件和軟件算法三個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括電子元件選型、硬件保護(hù)電路、印刷電路板布局、控制算法、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、冷卻通道等。制作了控制器樣機(jī)并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。進(jìn)行了控制器效率試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)試驗(yàn)、弱磁場(chǎng)試驗(yàn)和溫升試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。與早期的電機(jī)控制器相比，該控制器體積小，重量輕，成本低。

研究內(nèi)容

作為電動(dòng)汽車的一部分，電機(jī)和控制器通常會(huì)大量生產(chǎn)。為了降低成本，控制器通常采用模塊化部件組裝，便于自動(dòng)化生產(chǎn)、測(cè)試和維護(hù)。減少零件的數(shù)量和種類也可以降低庫存成本和管理成本。為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)了600 V/36 kW/5600 rpm的永磁同步電機(jī)控制器。永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器的技術(shù)參數(shù)如表所示。

電動(dòng)汽車永磁電機(jī)控制器的硬件主要由高壓薄膜電容器、主電路IGBT(絕緣柵雙極晶體管)模塊、光電隔離驅(qū)動(dòng)與保護(hù)、24v電源模塊和電流電壓檢測(cè)模塊組成，如圖所示。

電機(jī)控制器包括高低壓電路、信號(hào)電路、電源電路、數(shù)字電路和模擬電路。數(shù)字信號(hào)的頻率很高，會(huì)對(duì)模擬電路造成干擾，因此控制器分為兩部分:控制板和驅(qū)動(dòng)板，這避免了控制板的高頻信號(hào)影響驅(qū)動(dòng)板的工作?？刂瓢迮c驅(qū)動(dòng)板之間的信號(hào)傳輸采用光耦隔離技術(shù)，可有效減少干擾，提高系統(tǒng)的可靠性PWM信號(hào)傳輸路徑和反饋信號(hào)處理傳輸路徑局部分離，以最小化交叉?zhèn)鬏敚瑥亩姑總€(gè)頻段的信號(hào)在該區(qū)域內(nèi)不會(huì)相互干擾?？刂瓢逵傻蛪?a target="_blank">電源、處理芯片、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、驅(qū)動(dòng)信號(hào)SVPWM接口、解析器位置信號(hào)接口、溫度檢測(cè)接口、通信功能接口等組成。驅(qū)動(dòng)板由隔離電源、薄膜電容、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、檢測(cè)電路、電源逆變器等組成。

電動(dòng)汽車的應(yīng)用環(huán)境對(duì)電子元器件的安全水平提出了很高的要求。電機(jī)控制器采用瑞薩公司的SH72AW/AY微處理器作為處理芯片。SH72AW/AY是一款用于汽車級(jí)電機(jī)控制的DSP芯片。工作溫度范圍為- 40°C至125°C，它嵌入了一個(gè)特殊的旋轉(zhuǎn)編碼器和解碼器au6802?？梢詫?shí)現(xiàn)脈沖定時(shí)器的多功能的三個(gè)互補(bǔ)的PWM或矩形輸出，兩個(gè)16位定時(shí)器，160 m主頻率和RISC(精簡指令集)。IO口供電電壓為5VDC。電機(jī)控制器采用賽米控公司生產(chǎn)的SKiM93 IGBT功率模塊。SKiM93是一種燒結(jié)半導(dǎo)體器件，采用點(diǎn)接觸不焊接，如圖所示。它使用AlCU結(jié)合線連接二極管和高性能導(dǎo)熱硅脂，使其性能可提高23%，無故障溫度循環(huán)可達(dá)到1500次。

由ACPL‐38jt構(gòu)成的電機(jī)繞組驅(qū)動(dòng)電路原理圖如下圖所示。為了提高驅(qū)動(dòng)電路的可靠性，設(shè)計(jì)了遲滯欠壓鎖定電路。當(dāng)電源電壓低于一定值時(shí)，輸出遲滯欠壓信號(hào)，ACPL‐38jt根據(jù)該信號(hào)對(duì)IGBT進(jìn)行保護(hù)。為了防止逆變器橋臂上、下開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，設(shè)計(jì)了輸入聯(lián)鎖電路。為了提高ACPL‐38jt的驅(qū)動(dòng)能力，采用了推挽電路。輸出電壓通過兩個(gè)快速三極管推拉，以增加驅(qū)動(dòng)電流，可以快速驅(qū)動(dòng)1200 V, 450 A的IGBT模塊。

電機(jī)控制器采用三種不同的電源:控制板電源、驅(qū)動(dòng)板電源和電源模塊電源。控制板和驅(qū)動(dòng)板為低壓電路，而電源模塊為高壓電路，在開關(guān)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊噪聲，對(duì)低壓電路造成一定干擾。為減少不同電源之間的干擾，三種不同的電源分別提供給相應(yīng)的電路?？刂瓢搴万?qū)動(dòng)板的電壓水平相似，因此一個(gè)電源可以通過隔離電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生另一個(gè)電源，如圖所示。隔離式電源轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制板的弱電信號(hào)和驅(qū)動(dòng)板的強(qiáng)電流信號(hào)的隔離，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

永磁同步電機(jī)控制器在進(jìn)行坐標(biāo)變換時(shí)需要檢測(cè)三相繞組電流。電流采樣有兩種方法:一種是檢測(cè)精密電阻上的電壓，然后根據(jù)歐姆定理計(jì)算電流。該方法成本低，但流過精密電阻的電流會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，且溫度較高時(shí)存在溫度漂移現(xiàn)象。這使得它只適用于小電流的應(yīng)用。另一種是通過電流傳感器直接獲得電壓信號(hào)。該方法能以低功耗測(cè)量大電流，且電流傳感器與繞組相互隔離。這種方法的缺點(diǎn)是傳感器的成本和尺寸。電機(jī)控制器通常測(cè)量兩相電流，然后計(jì)算第三相電流，因此至少需要兩個(gè)電流傳感器。本電機(jī)控制器采用LEM HC5F400S。電機(jī)控制器應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)母線電壓和電流值，以保護(hù)電機(jī)在欠壓、過壓和過流的情況下。該電機(jī)控制器采用電阻分壓法測(cè)量電源母線電壓，電壓傳感器采用Avago公司的ACPL‐C87，如圖所示。

UP接在電源正極，E2‐W接在電源負(fù)極。采樣電阻由10個(gè)100 kΩ電阻和一個(gè)2 kΩ電阻串聯(lián)而成。

控制器的PCB布局遵循“先大后小、先難后易、分布均勻、重心平衡、布局美觀”的原則，即重要單元電路和核心元器件應(yīng)優(yōu)先布置。電子元器件的布置必須參照主方框圖，主要元器件應(yīng)按信號(hào)流向擺放。電源、驅(qū)動(dòng)芯片acpl‐38jt和驅(qū)動(dòng)板中的推拉電路是首要放置的主要部件?？刂瓢逯械?a target="_blank">處理器芯片、采樣電路、電源電路等最小系統(tǒng)電路應(yīng)分開放置。同時(shí)要考慮電路板的電磁兼容性(EMC)問題。最簡單的方法是減小敏感信號(hào)的環(huán)路面積?？刂破靼搴万?qū)動(dòng)板的布局如圖所示。

電機(jī)控制器的組件都經(jīng)過汽車應(yīng)用認(rèn)證，溫度特性范圍為- 40°C至125°C。除雙排直插式引腳頭和總線連接器外，其他組件均采用表面貼裝器件(SMD)封裝。SMD元件體積小，重量輕，易于儲(chǔ)存。SMD元件的體積和重量僅為傳統(tǒng)插入式元件的1/5左右。采用SMD技術(shù)，電子產(chǎn)品體積縮小40% ~ 60%，重量減輕60% ~ 80%，抗振動(dòng)能力增強(qiáng)，焊點(diǎn)缺陷率低。電子產(chǎn)品需要滿足應(yīng)用行業(yè)的EMC標(biāo)準(zhǔn)要求。

電磁兼容模型由干擾源、耦合路徑和敏感設(shè)備三部分組成。電機(jī)控制器中的干擾源包括固有噪聲、放電噪聲、來自元件本身的電磁感應(yīng)噪聲以及半導(dǎo)體元件在開關(guān)過程中電壓或電流的變化所產(chǎn)生的噪聲。電磁干擾的耦合路徑包括傳導(dǎo)耦合和輻射耦合。在現(xiàn)實(shí)生活中，所有的電子產(chǎn)品都會(huì)受到外界的電磁干擾，其中大部分是通過傳導(dǎo)耦合來接收的，還有一部分是通過輻射耦合來接收的改善電機(jī)控制器電磁兼容的方法主要分為抑制干擾源發(fā)射和切斷耦合路徑或削弱傳輸能量兩大類。抑制干擾源發(fā)射的方法包括:調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電阻、增加RC吸收電路、調(diào)節(jié)功率元件的開關(guān)頻率、減小PCB上的環(huán)路等。切斷耦合通路的方法有屏蔽、接地和濾波。電機(jī)控制器采用鋁合金外殼，航空插頭進(jìn)行屏蔽，然后外殼接地。其結(jié)構(gòu)如圖所示。

電動(dòng)汽車要求電機(jī)具有更大的過載能力。當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載時(shí)，通常會(huì)帶來較大的溫升。為了獲得更高的過載能力和功率密度，電機(jī)控制器通常采用如圖所示的螺旋通道冷卻方式。

為減輕電機(jī)控制器的重量，機(jī)箱和端蓋采用壓鑄鋁合金YL113/ADC12，抗拉強(qiáng)度RM≥230 MPa。底盤和端蓋的設(shè)計(jì)是為了減輕局部重量。但是，支護(hù)材料的減少會(huì)導(dǎo)致支護(hù)能力的下降，因此有必要對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析。利用UG軟件的仿真模塊對(duì)蓋板、箱體、安裝凸耳進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，如圖所示。

PMSM控制器的原理如下圖所示。它由位置傳感器、坐標(biāo)變換、SVPWM發(fā)電機(jī)模塊、逆變器、速度和電流調(diào)節(jié)器組成。

電機(jī)控制器的軟件開發(fā)環(huán)境是瑞薩電子高性能嵌入式車間軟件。整個(gè)程序分為模塊函數(shù)初始化程序，變量定義程序，主循環(huán)程序，中斷處理程序。參數(shù)初始化程序完成相關(guān)功能模塊寄存器的初始化，變量定義程序完成變量的定義和初始值的設(shè)置。初始化后，控制程序進(jìn)入主循環(huán)程序。主程序流程圖如圖所示。

瑞薩SH72AW/AY提供了多種中斷資源入口，方便實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制過程中的各種功能。電流電壓采樣、坐標(biāo)變換、空間矢量電壓輸出、最大轉(zhuǎn)矩每安培(MTPA)控制、故障信號(hào)標(biāo)志檢查、模糊控制計(jì)算等均由Event Manager的定時(shí)器中斷完成。它也是電機(jī)控制程序的主中斷程序，如圖所示。

電機(jī)控制部分采用模塊化結(jié)構(gòu)。通過引腳拼接，模塊之間不需要布線?？刂破魍庥^整潔，便于組裝和維護(hù)。IGBT模塊采用非焊接壓針技術(shù)，可減少加工時(shí)間。矩形薄膜電容器可以有效地利用機(jī)箱空間，從而減小機(jī)箱的體積和重量?？刂破鹘K端采用航空插頭，非常牢固安全。航空插頭，方便工人操作，省去了打開接線盒和擰螺絲的過程。節(jié)省原材料，提高生產(chǎn)效率，降低了電機(jī)控制器的成本?？刂破黧w積縮小到原來的1/2，重量從原來的18公斤減少到10公斤，更適合輕量化電動(dòng)車。

功率分析儀EV3000有四個(gè)測(cè)量通道，其中一個(gè)通道用單儀表法測(cè)量電機(jī)控制器的直流母線電壓和電流，另外三個(gè)通道用三儀表法測(cè)量PMSM三相繞組的電壓和電流。扭矩傳感器和速度傳感器測(cè)量輸出功率。測(cè)量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)線傳輸?shù)街骺貦C(jī)，主控機(jī)實(shí)時(shí)顯示電機(jī)和控制器參數(shù)的數(shù)值和波形控制器和電機(jī)均采用外循環(huán)水冷卻。PMSM參數(shù)如下表所示。

電機(jī)控制器的最大轉(zhuǎn)速為7500轉(zhuǎn)/分，PMSM的額定轉(zhuǎn)速為6500轉(zhuǎn)/分。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速(額定轉(zhuǎn)速)時(shí)，電機(jī)需要控制器提供的弱磁場(chǎng)電流。下圖顯示了6600、7000、7500 rpm時(shí)不同功率(P)下磁通弱化電流(Id)的應(yīng)用情況。

下圖A顯示了PMSM和控制器系統(tǒng)在額定功率(36kw, 5600rpm, 61n.m)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)。此時(shí)，控制器和電機(jī)的效率分別為98.05%和94.93%，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率為93.08%。下圖B為電機(jī)和控制器輸出電壓、相電流、功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形。圖的右側(cè)為負(fù)載變化時(shí)的響應(yīng)曲線。由此可見，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的超調(diào)量小，響應(yīng)速度快。下圖C為最大功率為60.8 kW，超過設(shè)計(jì)峰值56 kW時(shí)的PMSM控制器性能，控制器的最大效率為95.13%。下圖D顯示了PMSM控制器的效率圖?？刂破餍食^90%的區(qū)域占效率圖的三分之二。

當(dāng)電動(dòng)車下坡或制動(dòng)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)由異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電能。圖為發(fā)電機(jī)峰值功率為60.6 kW時(shí)的運(yùn)行數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，控制輸入冷卻水溫度為30℃，水流量為12 L/min，電機(jī)在額定負(fù)荷(36 kW, 5600 rpm)下工作，試驗(yàn)時(shí)間大于1 h?？刂破鱅GBT溫升穩(wěn)定后，最高溫升為42℃，滿足設(shè)計(jì)要求。然后將輸入冷卻水控制在60℃，12 L/min, IGBT溫升為45℃，IGBT最高溫度為105℃，低于結(jié)溫150℃。原控制器與新控制器的參數(shù)性能比較如下表所示。

研究結(jié)論

為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)了600 V/36 kW/5600 rpm的永磁同步電機(jī)控制器。為滿足永磁同步電機(jī)控制器體積小、重量輕、調(diào)速范圍寬、發(fā)電量大的要求，從硬件電路、結(jié)構(gòu)部件、軟件算法三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。表面貼裝元件、薄膜電容器和集成電源模塊的使用可以有效地減小控制器的體積。螺旋水冷卻系統(tǒng)，保證控制器溫升在規(guī)定范圍內(nèi)。硬件保護(hù)電路和軟件保護(hù)算法共同提高了控制器的可靠性?？刂破鞑捎么艌?chǎng)弱化策略，實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)速7500轉(zhuǎn)/分，長時(shí)間運(yùn)行。通過采用模塊化設(shè)計(jì)方法，控制器樣機(jī)的質(zhì)量減少了60%，體積減少了一半，生產(chǎn)效率大大提高。設(shè)計(jì)了電機(jī)與控制器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用功率分析儀EV3000采用3m法測(cè)量了永磁同步電動(dòng)機(jī)三相繞組的電壓和電流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性。目前，電機(jī)控制器的參數(shù)只適用于特定的電機(jī)。對(duì)某電機(jī)進(jìn)行標(biāo)定后，將控制特性曲線的參數(shù)寫入程序，該程序適用于量產(chǎn)型號(hào)的電機(jī)，但對(duì)其他型號(hào)的電機(jī)則比較困難。電機(jī)參數(shù)辨識(shí)和自適應(yīng)控制是下一階段的研究方向。

審核編輯：湯梓紅