陳方輝

（廈門(mén)城市職業(yè)學(xué)院，福建廈門(mén) 361008）

0 引言

受能源短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題影響，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的發(fā)展面臨困境，節(jié)能減排、動(dòng)力升級(jí)推動(dòng)汽車技術(shù)不斷創(chuàng)新，以電動(dòng)汽車為特色的新能源汽車成為主要選擇。而電機(jī)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的核心部件，直接關(guān)系到其性能和節(jié)能減排。內(nèi)置式永磁同步電機(jī)（IPMSM）是高性能電機(jī)，與其他同容量的電機(jī)相比，它具有高功率密度、高效率、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小和較寬的弱磁調(diào)速范圍等一系列優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的理想選擇［1-4]。

本文從改善電動(dòng)汽車的使用性能出發(fā)，以內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一款基于高性能的TMS320F28335 DSP為控制核心的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其主要由硬件電路和控制軟件兩部分組成。硬件電路主要包括IPM 驅(qū)動(dòng)隔離電路、信號(hào)采樣電路、系統(tǒng)保護(hù)電路；控制軟件主要包括主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊。最后，通過(guò)制作樣機(jī)和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的硬件電路和編寫(xiě)的控制軟件的正確性、合理性和有效性。

1 永磁同步電機(jī)控制策略

考慮到電動(dòng)汽車在性能、負(fù)載和工作環(huán)境等方面對(duì)電機(jī)的特殊要求，系統(tǒng)采用最大轉(zhuǎn)矩/電流比控制（MTPA）和弱磁控制相結(jié)合的矢量控制策略。在低速時(shí)（基速以下），采用MTPA控制，讓永磁同步電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)運(yùn)行，以提高系統(tǒng)效率；在高速時(shí)（基速以上），采用弱磁控制，以拓寬電機(jī)的調(diào)速范圍，實(shí)現(xiàn)高速恒功率運(yùn)行［5-6]。

IPMSM控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示，該系統(tǒng)采用速度-電流雙閉環(huán)系統(tǒng)，外環(huán)為速度調(diào)節(jié)器，其輸出經(jīng)MTPA和弱磁控制器后作為電流調(diào)節(jié)器的給定輸入，經(jīng)電流調(diào)節(jié)器的計(jì)算，輸出dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸和q軸電壓分量Vd和Vq。經(jīng)過(guò)Park逆變換，轉(zhuǎn)化為兩相靜止αβ 坐標(biāo)系的α 軸和β 軸給定電壓分量Vα和Vβ，再利用空間矢量脈寬調(diào)制信號(hào)（SVPWM）控制三相逆變器，把直流輸入電壓VDC轉(zhuǎn)換為三相交流電壓VA、VB、VC，施加到IPMSM 三相定子繞組上，控制電機(jī)運(yùn)行。

圖1 IPMSM控制系統(tǒng)原理圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成包括主電路和控制電路兩部分，主要由IPMSM、位置速度檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、智能功率模塊（IPM）和隔離驅(qū)動(dòng)電路、DSP 最小系統(tǒng)等構(gòu)成。硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 IPMSM控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，DSP控制器通過(guò)相應(yīng)的檢測(cè)電路實(shí)時(shí)獲取IPMSM的電流、轉(zhuǎn)速、電壓等信號(hào)，同時(shí)DSP控制器根據(jù)油門(mén)等輸入信號(hào)通過(guò)矢量控制算法及SVPWM 脈寬調(diào)制產(chǎn)生PWM信號(hào)控制隔離驅(qū)動(dòng)電路，觸發(fā)IPM 工作，實(shí)現(xiàn)IPMSM按給定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

2.1 DSP芯片

由于系統(tǒng)采用SVPWM 矢量控制技術(shù)，控制算法復(fù)雜，對(duì)控制器的運(yùn)算能力要求很高。為滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行性能要求，選用高性能的TMS320F28335 DSP 作為電機(jī)系統(tǒng)的控制核心。該芯片是TI公司推出的一款32 位高精度浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器，具有強(qiáng)大的控制和信號(hào)處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法，成本低，功耗小，主頻可達(dá)150 MHz，具有更高精度操作的增強(qiáng)型控制外設(shè)以及更精確快速的AD 轉(zhuǎn)換等資源。

2.2 IPM功率模塊及驅(qū)動(dòng)隔離電路

智能功率模塊IPM考慮到耐壓強(qiáng)度、額定電流以及開(kāi)關(guān)頻率等性能參數(shù)，選用三菱公司的PM600CLA060，其內(nèi)部不僅集成了功率開(kāi)關(guān)器件的柵極驅(qū)動(dòng)電路，還有過(guò)流、欠壓、過(guò)熱、短路等故障監(jiān)測(cè)電路，提高系統(tǒng)可靠性和安全性。主電路由6個(gè)IGBT模塊組成，其受DSP輸出的6路SVPWM信號(hào)觸發(fā)控制，實(shí)現(xiàn)直流逆變?yōu)樘囟ń涣麟?，給IPMSM三相定子繞組供電。

為提高系統(tǒng)抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，在DSP 與IPM之間需加入電氣隔離驅(qū)動(dòng)電路，如圖3 所示。隔離驅(qū)動(dòng)電路由1個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245A（3.3 V to 5 V）和6 個(gè)高速光耦A(yù)CPL-P480 組成。其中，PWM1～6 為DSP 芯片輸出的PWM信號(hào)，光耦輸出的UP、UN為IPM的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖3 IPM驅(qū)動(dòng)隔離電路

2.3 信號(hào)采樣電路

2.3.1 轉(zhuǎn)子位置和速度檢測(cè)電路

準(zhǔn)確、可靠的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是永磁同步電機(jī)進(jìn)行磁場(chǎng)定向矢量控制的必要條件。另外，為確保電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，也需要計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)反饋控制。本系統(tǒng)采用永磁同步電機(jī)自帶的2500 線增量式編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速的測(cè)量，其輸出為差分信號(hào)，電壓信號(hào)范圍為0 ～5 V，故需對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行電平變換（因DSP的QEP電壓信號(hào)范圍為0 ～3.3V）。光電編碼器實(shí)時(shí)輸出6 路差分信號(hào)，經(jīng)差動(dòng)、電平轉(zhuǎn)換和整形處理后得到QEP-A、QEP-B 和QEP-Z 三路脈沖信號(hào)，輸入到QEP模塊中，經(jīng)計(jì)算便可得到轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。

位置和速度檢測(cè)電路如圖4 所示。其中，AM26LS32ACD芯片將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性信號(hào)，光電耦合器HCPL-2631起到電氣隔離和電平轉(zhuǎn)換作用，施密特非門(mén)SN74LS14D對(duì)光電耦合器輸出信號(hào)進(jìn)行整形，以便QEP模塊能準(zhǔn)確地捕獲方波脈沖信號(hào)的上、下沿，確保轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖4 位置和速度檢測(cè)電路

此外，光電編碼器輸出的初始位置差分脈沖信號(hào)U +、U-、V+、V -、W +、W -，經(jīng)AM26LS32ACD 和HCPL-2631、SN74LS14D芯片進(jìn)行濾波差分、電平轉(zhuǎn)換、整形處理后得到U、V、W 三路脈沖信號(hào)，輸入DSP 通用I/O 口，根據(jù)它們電平高低組合關(guān)系可對(duì)轉(zhuǎn)子磁極位置進(jìn)行初判，以確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置，解決電機(jī)起動(dòng)困難問(wèn)題。

2.3.2 電流采樣電路

圖5 電流檢測(cè)電路

電機(jī)高性能的轉(zhuǎn)矩的控制實(shí)質(zhì)是通過(guò)控制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠的電流檢測(cè)對(duì)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)態(tài)性能尤為重要。本系統(tǒng)選用美國(guó)Honeywell 公司的CSNS230-700霍爾電流傳感器，測(cè)量范圍為±320 A，其輸出為電流信號(hào)，而DSP 的ADC 模塊只能輸入0 ～3.3 V 電壓信號(hào)，因此需進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。電流檢測(cè)電路如圖5 所示，該電路利用精密電阻R9把霍爾電流傳感器輸出的電流信號(hào)CURA轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)緩沖器、π型濾波器、加法電路及調(diào)幅器等處理后，輸入DSP 的ADC 模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。IPMSM定子繞組采用星型聯(lián)接，因此系統(tǒng)只需采用兩個(gè)霍爾電流傳感器任意檢測(cè)主電路中的兩相電流即可。

2.3.3 電壓采樣電路

為了獲得較高定子磁鏈測(cè)量精度，更好地監(jiān)控電機(jī)的運(yùn)行，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要對(duì)直流母線電壓進(jìn)行檢測(cè)［7]。本系統(tǒng)選用瑞士萊姆（LEM）公司的LV28-P 霍爾電壓傳感器對(duì)直流母線進(jìn)行檢測(cè)，其測(cè)量范圍10 ～500 V，其輸出為電流信號(hào)，需進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換方可輸入DSP的ADC模塊進(jìn)行處理。電壓檢測(cè)電路如圖6 所示。其中，電位器Rm1 把霍爾電壓傳感器輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，運(yùn)算放大器LM124AND作緩沖器用，高線性度光電耦合器HCNR201 及前后由運(yùn)算放大器等組成的輔助電路作為模擬信號(hào)輸入與輸出線性隔離，且增益可通過(guò)調(diào)節(jié)R17 與R19 的比值來(lái)實(shí)現(xiàn)，電容C12 與R17并聯(lián)構(gòu)成低通濾波器。

圖6 電壓檢測(cè)電路

2.4 系統(tǒng)保護(hù)電路

為確保系統(tǒng)工作的可靠性和安全性，需設(shè)計(jì)保護(hù)電路。其主要包括母線過(guò)流、繞組過(guò)熱、電機(jī)缺相、散熱片過(guò)熱、IPM故障等。其中母線過(guò)流和IPM 故障信號(hào)，要求系統(tǒng)立即關(guān)斷IPM，以保護(hù)電機(jī)和IPM。

母線過(guò)流信號(hào)選用美國(guó)Honeywell 公司的CSNS230-700霍爾電流傳感器進(jìn)行采集，其電路如圖7 所示。其中，運(yùn)算放大器LM124AN作為比較器使用。當(dāng)母線出現(xiàn)過(guò)流時(shí)，比較器輸出低電平信號(hào)給DSP，觸發(fā)軟件中斷封鎖PWM 信號(hào)輸出，同時(shí)通過(guò)I/O端口控制繼電器切斷母線總電源，實(shí)現(xiàn)雙重保護(hù)。

圖7 過(guò)流檢測(cè)電路

IPM故障主要有短路、過(guò)熱、欠壓等3種。PM600CLA060的故障信號(hào)由對(duì)應(yīng)的6個(gè)IGBT功率模塊的**FO引腳輸出，其輸出故障信號(hào)電壓為20 V。為節(jié)省DSP 的I/O 口開(kāi)銷，6 個(gè)IGBT模塊故障信號(hào)（如WPFO、WNFO）經(jīng)光電耦合器HCPL-2631 隔離后，輸入MC14532 編碼器的D0 ～D5 引腳，再由其Eout引腳輸出給DSP識(shí)別，其電路如圖8所示。

圖8 IPM故障接口電路

另外，繞組過(guò)熱、電機(jī)缺相、散熱片過(guò)熱等故障檢測(cè)電路的原理同母線過(guò)流檢測(cè)的基本相同，核心均是利用比較器使實(shí)際信號(hào)與設(shè)定基準(zhǔn)相比較得到相應(yīng)的故障信號(hào)。

3 軟件設(shè)計(jì)

為滿足IPMSM的性能要求，其控制軟件必須與所設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)緊密結(jié)合，為便于程序調(diào)試和維護(hù)，按模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制軟件主要由主程序模塊、定時(shí)器中斷處理模塊、故障中斷處理模塊及CAN通信模塊等組成。

主程序模塊的功能是對(duì)DSP 的片內(nèi)資源進(jìn)行初始化，如中斷初始化、相關(guān)寄存器設(shè)置、變量初始化、I/O 初始化、ADC轉(zhuǎn)換模塊初始化等。

定時(shí)器中斷處理模塊是軟件的核心部分，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)變換、SVPWM調(diào)制、電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速計(jì)算、電流A/D采樣及轉(zhuǎn)換、電流PI 調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)速PI 調(diào)節(jié)等。圖9 所示為定時(shí)器T1下溢中斷服務(wù)程序流程圖。

圖9 定時(shí)器T1 下溢中斷服務(wù)程序流程圖

故障中斷處理模塊主要功能是故障監(jiān)控和故障處理。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，若出現(xiàn)過(guò)流、IPM、過(guò)熱、缺相等故障時(shí)［8]，進(jìn)入故障中斷處理程序，封鎖PWM 輸出，及時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施，以確保系統(tǒng)的安全。圖10所示為故障中斷處理程序流程圖。

圖10 故障中斷處理程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為測(cè)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的軟硬件系統(tǒng)，以及所采用的控制策略在實(shí)際應(yīng)用中的可行性和有效性，因此搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)所使用的電機(jī)為內(nèi)置式永磁同步電機(jī)，其額定電壓115 V，功率7.5 kW，額定電流為45 A，峰值電流120 A，額定轉(zhuǎn)速3000 r/min。

實(shí)驗(yàn)中，主要對(duì)電機(jī)的電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行錄波、觀測(cè)。電流通過(guò)霍爾電流傳感器轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)用示波器直接觀測(cè)，電壓采用電壓互感器把高壓轉(zhuǎn)換成低壓信號(hào)再用示波器進(jìn)行測(cè)量。圖11、12分別為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電流和電壓波形圖。

圖11 電機(jī)相電流實(shí)驗(yàn)波形

圖12 電機(jī)U相輸入電壓實(shí)驗(yàn)波形

5 結(jié)束語(yǔ)

在前期利用MatLab/Simulink 仿真驗(yàn)證了電動(dòng)汽車用IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用MTPA 和弱磁控制相結(jié)合的SVPWM 矢量控制策略是可行和有效的理論分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以TMS320F28335 DSP為核心的硬件系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)利用CCS5.5平臺(tái)編寫(xiě)和調(diào)試系統(tǒng)軟件。通過(guò)樣機(jī)測(cè)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也同樣表明電動(dòng)汽車用IPMSM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用此矢量控制策略的有效性和可行性，能滿足電動(dòng)汽車的使用性能要求。