摘要

本文在簡(jiǎn)要介紹當(dāng)前驅(qū)動(dòng)汽車技術(shù)革命的電動(dòng)汽車技術(shù)的前提下，詳細(xì)介紹了電動(dòng)汽車主要核心部件的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器，重點(diǎn)分析了英飛凌32位新型單片機(jī)在電機(jī)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(shí)現(xiàn)旋變解碼的可行性及其解決方案。并結(jié)合當(dāng)前比較流行的汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，闡述英飛凌在汽車電機(jī)控制器的安全應(yīng)用解決方案。

0前言

電動(dòng)汽車是21世紀(jì)的綠色交通工具，電動(dòng)汽車技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上正在進(jìn)行研究的一項(xiàng)高新且熱門的技術(shù)。作為核心部件之一的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車(EV)及混合動(dòng)力汽車(HEV)中起著至關(guān)重要的作用，對(duì)它們進(jìn)行研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。永磁同步電機(jī)(技術(shù)上也叫PMSM)相對(duì)于傳統(tǒng)交流電機(jī)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(dòng)電機(jī)的首選之一。本文主要討論了研制與開(kāi)發(fā)永磁同步電機(jī)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(shí)現(xiàn)過(guò)程，初步形成了控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)體系，為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的獨(dú)立開(kāi)發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1永磁同步電機(jī)

永磁同步電機(jī)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(duì)稱電流(圖1右)產(chǎn)生旋變磁場(chǎng)，從而拖動(dòng)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(chǎng)轉(zhuǎn)速取決于轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速。

圖1：PMSM電機(jī)結(jié)構(gòu)及控制原理

和常見(jiàn)的交流感應(yīng)電機(jī)不一樣，PMSM電機(jī)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(jī)時(shí)必須實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置和轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)子角位置的值常常由一般用絕對(duì)位置傳感器(包括絕對(duì)碼盤(pán)和旋轉(zhuǎn)變壓器)。永磁同步電機(jī)低速時(shí)常采用矢量控制，包括氣隙磁場(chǎng)定向、轉(zhuǎn)子磁鏈定向和定子磁鏈定向，高速時(shí)增加弱磁控制。

2電機(jī)控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

永磁同步電機(jī)PMSM的特性決定了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，較為常見(jiàn)的PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)的解決方案：

圖2：PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)

在上圖所示方案中，驅(qū)動(dòng)器由IGBT三相橋驅(qū)動(dòng)板，HybridPACK?2IGBT(簡(jiǎn)稱HP2)模塊和直流母線電容組成。IGBT三相橋驅(qū)動(dòng)板包括6通道的IGBT預(yù)驅(qū)動(dòng)電路，開(kāi)關(guān)電源SMPS，邏輯門電路，故障檢測(cè)電路，電壓及溫度測(cè)量電路。由六個(gè)IGBT單元組成驅(qū)動(dòng)PMSM電機(jī)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(jì)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(yùn)行結(jié)溫為150℃。主控制器則搭載了英飛凌32位新型單片機(jī)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(jì)

PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器采用了Infineon生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)模塊，以下討論將集中于主控制器的設(shè)計(jì)，最后驗(yàn)證測(cè)試整個(gè)控制系統(tǒng)。

2.2.1主芯片選型

PMSM電機(jī)的控制要求主控制器不僅有強(qiáng)大的適合電機(jī)控制的專用外設(shè)，而且有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性能。TC1782是一款哈弗架構(gòu)且有非對(duì)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(jī)，主頻高達(dá)180MHz，內(nèi)置浮點(diǎn)運(yùn)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(jī)控制相關(guān)的重要外設(shè)主要是通用時(shí)間陣列GPTA和數(shù)模轉(zhuǎn)換ADC。GPTA提供一套靈活的定時(shí)，比較和捕獲功能，可以靈活地組合成信號(hào)檢測(cè)單元和信號(hào)發(fā)生單元，應(yīng)用于電機(jī)控制時(shí)可以支持動(dòng)態(tài)控制的死區(qū)時(shí)間和不同于邊沿對(duì)齊和中央對(duì)齊的非對(duì)稱PWM輸出。由硬件觸發(fā)(如GPTA)并實(shí)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(jī)應(yīng)用中兩相電流的同時(shí)獲取。圖3中所示為電機(jī)控制的一個(gè)單周期時(shí)序，GPTA生成一相帶死區(qū)的互補(bǔ)式PWM波形，在PWM中點(diǎn)同時(shí)觸發(fā)ADC0和ADC1的轉(zhuǎn)換，ADC模塊在完成對(duì)應(yīng)通道轉(zhuǎn)換后啟動(dòng)CPU中斷服務(wù)程序。

圖3：?jiǎn)沃芷陔姍C(jī)控制時(shí)序圖

TC1782的每個(gè)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(shí)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(fù)荷，從而主核可以集中處理用于電機(jī)控制的復(fù)雜運(yùn)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(lái)越多的汽車廠商和零部件供應(yīng)商的關(guān)注，被國(guó)內(nèi)外主流OEM和零部件供應(yīng)商選為電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器的關(guān)鍵部件之一。

2.2.2硬件設(shè)計(jì)

依照PMSM主控制器所需要的功能、實(shí)際參與控制的對(duì)象以及主控制芯片的特點(diǎn)，PMSM電機(jī)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(jì)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(biāo)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(cè)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(jī)控制系統(tǒng)要求具有較高的安全等級(jí)，驅(qū)動(dòng)器對(duì)主控制器的故障響應(yīng)時(shí)間有著嚴(yán)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(jì)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(shí)間和可配置的故障響應(yīng)時(shí)間及輸出，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控主CPU的供電和軟件的運(yùn)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能安全要求。

2.2.3軟件設(shè)計(jì)

PMSM電機(jī)的控制系統(tǒng)方案主要以磁場(chǎng)定向控制FOC為主(圖5),另外為達(dá)到最佳控制效果,常常幾種控制方案結(jié)合運(yùn)用,如采用最大轉(zhuǎn)矩控制和弱磁控制原理(圖6)以實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(chǎng)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(jī)控制系統(tǒng)方案中表明TC1782除了要完成和FOC相關(guān)的計(jì)算，如Clark，Park，i-Park和SVM計(jì)算外，還需要對(duì)系統(tǒng)的一些信號(hào)進(jìn)行采集，如相電流，母線電壓，電機(jī)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(duì)單核CPU的負(fù)載是一個(gè)嚴(yán)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(kāi)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(gè)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(jī)控制相關(guān)算法軟件，SafeTcore在CPU運(yùn)行時(shí)循環(huán)檢測(cè)系統(tǒng)的故障，測(cè)試項(xiàng)目可以依照要求進(jìn)行配置，所運(yùn)行的PMSM電機(jī)控制算法采用圖5和圖6中所示的控制策略進(jìn)行。外設(shè)協(xié)處理器PCP除了運(yùn)行安全功能軟件SafeTcore軟件監(jiān)控主CPU的運(yùn)行外，還可以處理和通訊相關(guān)的中斷和信號(hào)采樣中斷等，從而降低主CPU的中斷負(fù)載。

2.3軟件的旋變解碼

如前所述，PMSM電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速信息在電機(jī)控制中相當(dāng)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(lái)看，需要提供第二種途徑獲取電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速信息，從而驗(yàn)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(dòng)車電機(jī)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(jiàn)圖8所示：

圖8：旋變信號(hào)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(lái)完成，CPU計(jì)算速度對(duì)PMSM這樣的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)而言非常關(guān)鍵。多次測(cè)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(dá)到5微妙的計(jì)算速度，效率上能夠可以滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

3測(cè)試驗(yàn)證

PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)的測(cè)試在AVL的電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，其實(shí)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(cè)試，電流傳感器檢測(cè)U相和V相電流，另外WT3000功率分析儀通過(guò)扭矩傳感器和轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)試PMSM電機(jī)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。

圖9：電機(jī)測(cè)試臺(tái)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(cè)試

4結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車電機(jī)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心部件，本文針對(duì)用于PMSM電機(jī)控制系統(tǒng)的主控制器進(jìn)行了如下的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作:

1)根據(jù)電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的控制需求，提出了電機(jī)主控制器的設(shè)計(jì)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(yàn)表明，該主控制器能夠很好的適應(yīng)電動(dòng)汽車的應(yīng)用環(huán)境，到達(dá)了對(duì)整車動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制與管理的設(shè)計(jì)目的。