基于TC1782的永磁同步電機控制系統(tǒng)
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。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/159023.htm0 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[1],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。
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]。
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[1],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:
在上圖所示方案中,驅(qū)動器由IGBT三相橋驅(qū)動板,HybridPACK™2 IGBT(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650 V,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。
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。
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