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電動汽車動力總成控制系統(tǒng)方案詳解

作者: 時間:2017-10-25 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  長期以來,諸如永磁同步電機(jī)(PMSM)和等三相交流電機(jī),被廣泛地應(yīng)用于系統(tǒng)。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域,這些電機(jī)還是相對時新的裝置,目前正被逐漸用作傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的補(bǔ)充品或替代品。PMSM采用的繞組為三相正弦分布繞組和機(jī)械位移繞組。三相正弦波和時間位移電流可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。這一旋轉(zhuǎn)磁場使電機(jī)轉(zhuǎn)動,通過(逆變器中的)MOSFET切換電機(jī)繞組的電流而產(chǎn)生。磁場定向控制(FOC)算法為電機(jī)電流控制生成PWM模式。轉(zhuǎn)子的位置和電流持續(xù)不斷地被檢測。基于高性能微控制器的高效FOC系統(tǒng),為電動汽車和混合動力汽車驅(qū)動提供安全高效的解決方案創(chuàng)造了條件(圖1)。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/368452.htm

  

  圖1:運(yùn)行于FOC模式的32位TriCore微控制器。

  AUDO MAX產(chǎn)品系列的PWM生成方式

  英飛凌的32位AUDO MAX系列微控制器內(nèi)裝一枚主內(nèi)核(TriCore CPU,淺綠色)和一枚快速協(xié)處理器(被稱為PCP,深綠色)。這種非對稱架構(gòu)能夠利用PCP高效處理外圍設(shè)備,而無需中斷在TriCore CPU上運(yùn)行主算法的處理進(jìn)程。PCP負(fù)責(zé)處理關(guān)鍵的實(shí)時中斷負(fù)荷,因此可減輕CPU的負(fù)擔(dān)。

  有兩種方案可以生成驅(qū)動逆變器的PWM.GPTA可生成非常復(fù)雜的PWM模式,例如非對稱死區(qū)時間生成或定制模式。外設(shè)模塊 CCU6是一個低端方案,可用于生成中心對齊和邊緣對齊的PWM模式。相比GPTA而言,CCU6可以以較低的軟件開銷直接支持PWM信號生成,同時,無需配置多個定時器單元。

  CCU6和GPTA這兩個模塊都具備觸發(fā)功能,能夠讓PWM信號和A/D電流測量實(shí)現(xiàn)無延遲的等時同步(參見箭頭“觸發(fā)事件”)。作為一個附加的安全特性,每個GPTA模塊都配有“緊急模式停止信號”,可用于設(shè)置安全開關(guān)。針對TriCore AUDO MAX微控制器系列的所有成員,提供了一個基于PRO-SIL的安全平臺,它包含硬件(安全看門狗CIC61508)和軟件(SafeTcore驅(qū)動程序),可滿足ASIL認(rèn)證的B級至D級要求。

  通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測量電流

  圖1所給示例對電機(jī)的兩個相電流進(jìn)行了測量,并采用了一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。基于逐次逼近寄存器(SAR),該模數(shù)轉(zhuǎn)換器具備很高的精度(12位分辨率),并且轉(zhuǎn)換時間小于1微秒。由兩個已知的相電流可以計算出第三個相電流。針對更高的安全要求,建議對電機(jī)的第三個相電流進(jìn)行額外的測量。針對這一應(yīng)用,帶有第三個模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的微控制器可供選擇。

  連接旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器

  旋轉(zhuǎn)變壓器將PMSM轉(zhuǎn)子的角位移轉(zhuǎn)換為一個電氣值。一般情況下,可利用一個附加的正切函數(shù)電路從兩個信號(正弦/余弦)導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的角度值。旋轉(zhuǎn)變壓器電路的信號輸出至SPI總線,也可由微控制器直接讀取旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦和余弦信號。還有一種可選的方式是讀取編碼器信號,在運(yùn)行于微控制器GPT12的編碼器接口中對其進(jìn)行調(diào)理,再反饋到控制算法。

  AUTOSAR之外重復(fù)利用軟件

  近年來,軟件和通信已通過OSEK、AUTOSAR、FlexRay等規(guī)范而標(biāo)準(zhǔn)化。除標(biāo)準(zhǔn)化軟件成分以外,系統(tǒng)還使用了可在多種應(yīng)用中被重復(fù)利用的控制算法。如今,電機(jī)控制由分布在汽車車身、底盤和動力總成系統(tǒng)各處的電子控制單元(ECU)來完成。MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序提取了三相電機(jī)應(yīng)用中電流控制的一般特性,設(shè)計用于支持多種位置信息采集模式和逆變器控制裝置。

  三相電機(jī)控制

  英飛凌AUDO MAX系列非常適用于電機(jī)的控制。TriCore架構(gòu)和MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序可采用高級控制策略控制多臺三相電機(jī),包括無刷直流電機(jī)(BLDC)塊交換(block commutation,BC)及永磁同步電機(jī)(PMSM)磁場定向控制(FOC)。單一微控制器甚至還能同時支持BLDC和PMSM電機(jī)控制。相比于其他類型的電機(jī)而言,采用FOC控制的PMSM電機(jī)能效更高、磨損更小,并且可以實(shí)現(xiàn)精確控制和定位。特別是,這種電機(jī)支持線性轉(zhuǎn)矩控制,為將其用于混合電動汽車動力總成系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

  圖2顯示了MC-ISAR eMotor驅(qū)動程序的電流控制環(huán)路,右側(cè)為復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動(CDD)。這個時間關(guān)鍵型電流控制環(huán)路在中斷上下文中進(jìn)行處理,處理時間不超過50微秒。左側(cè)是附加的用于位置和轉(zhuǎn)速控制的軟件成分(SWC),由應(yīng)用程序提供。

  

  圖2:電機(jī)控制中的電流控制環(huán)。

  位置檢測和電流檢測模式

  為符合精確定位的要求,MC-ISAR eMotor通過采用霍爾傳感器外加增量編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器,實(shí)現(xiàn)了典型高分辨率檢測模式。此外,還可將無傳感器FOC用于故障安全模式。對于成本敏感的應(yīng)用,AUDO MAX系列支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式,該模式通過軟件和分立元器件實(shí)現(xiàn),避免了配備外置旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要,這能使每個控制單元在成本上降低2美元左右。與此同時,MC-ISAR eMotor可以支持兩相或直流母線電流測量模式(圖3)。

  

  圖3:MC-ISAR eMotor操作模式。

  MC-ISAR eMotor軟件劃分

  此軟件可劃分為兩個組成部分:不依賴于硬件和依賴于硬件的成分。不依賴于硬件的模塊用于EmoControl、位置信息采集 PA和FOC(圖4)。因此,EmoControl是通過FOC控制方向和電流的主要模塊。送入電機(jī)的電流決定了轉(zhuǎn)矩。MC-ISAR eMotor驅(qū)動向應(yīng)用程序反饋電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速信息。位置信息采集PA模塊負(fù)責(zé)從旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器信號中提取角度信息。具備Park-Clarke變換和空間矢量調(diào)制(SVM)的FOC,是通過檢測給定電流和位置來設(shè)置新電流的主要部分。

  

  圖4:磁場定向控制(FOC)模塊框圖。

  硬件相關(guān)的模塊,包括重復(fù)使用的AUTOSAR MCAL驅(qū)動(ADC、SPI、DIO),或PWM信號生成(EmoPwm驅(qū)動CCU6)和編碼器接口EmoIcu(通過GPT12讀取編碼信號)的專用模塊??蛻艟帉懙奈恢煤娃D(zhuǎn)速控制代碼,可以按標(biāo)準(zhǔn)軟件成分(SW-C)添加,就像AUTOSAR所提供的一樣。

  MC-ISAR eMotor安全考慮

  為支持符合安全要求的應(yīng)用,從一開始設(shè)計軟件成分時就考慮安全要求非常重要。在ECU的開發(fā)階段應(yīng)明確應(yīng)用的特定需求,并且,這些需求將隨應(yīng)用的不同而不同。此外,為支持安全應(yīng)用,還應(yīng)考慮現(xiàn)成電機(jī)驅(qū)動的某些安全因素。MC-ISAR eMotor采用符合ISO26262的軟件開發(fā)流程開發(fā)而成,并可支持安全相關(guān)系統(tǒng)中的三相電流測量。

  英飛凌eMotor主要優(yōu)勢概述

  英飛凌AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動,可并行控制多達(dá)4臺PMSM或BLDC電機(jī),同時還能滿足應(yīng)用任務(wù)控制所需的性能。MC-ISAR eMotor和標(biāo)準(zhǔn)AUTOSAR MCAL驅(qū)動由同一配置工具整合,因此,用戶可在同一界面中為AUTOSAR MCAL和MC-ISAR eMotor驅(qū)動配置微控制器資源,為無縫配置不同軟件模塊創(chuàng)造了條件。汽車ECU開發(fā)人員可專注于電機(jī)的應(yīng)用相關(guān)控制,而無需改編電機(jī)的控制算法。為降低系統(tǒng)成本,AUDO MAX系列還支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式,免除了加裝旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要。AUDO MAX系列和MC-ISAR eMotor驅(qū)動被設(shè)計用于支持安全應(yīng)用。



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