電動汽車用永磁同步電機控制器的設計與研究

永磁同步電動機(PMSM)具有功率密度高、輸出轉矩穩定、噪聲低、調速性能好等特點，非常適合用于電動汽車的推進。本文設計了一種基于瑞薩單片機的永磁同步電機控制器。為滿足永磁同步電動機控制器體積小、重量輕、調速范圍寬、功率大的要求，從硬件電路、結構部件和軟件算法三個方面進行了設計，包括電子元件選型、硬件保護電路、印刷電路板布局、控制算法、結構強度、冷卻通道等。制作了控制器樣機并搭建了實驗平臺。進行了控制器效率試驗、發電機試驗、弱磁場試驗和溫升試驗。實驗結果驗證了設計方案的合理性。與早期的電機控制器相比，該控制器體積小，重量輕，成本低。

研究內容

作為電動汽車的一部分，電機和控制器通常會大量生產。為了降低成本，控制器通常采用模塊化部件組裝，便于自動化生產、測試和維護。減少零件的數量和種類也可以降低庫存成本和管理成本。為電動汽車設計了600 V/36 kW/5600 rpm的永磁同步電機控制器。永磁同步電動機控制器的技術參數如表所示。

電動汽車永磁電機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、光電隔離驅動與保護、24v電源模塊和電流電壓檢測模塊組成，如圖所示。

電機控制器包括高低壓電路、信號電路、電源電路、數字電路和模擬電路。數字信號的頻率很高，會對模擬電路造成干擾，因此控制器分為兩部分:控制板和驅動板，這避免了控制板的高頻信號影響驅動板的工作?？刂瓢迮c驅動板之間的信號傳輸采用光耦隔離技術，可有效減少干擾，提高系統的可靠性PWM信號傳輸路徑和反饋信號處理傳輸路徑局部分離，以最小化交叉傳輸，從而使每個頻段的信號在該區域內不會相互干擾?？刂瓢逵傻蛪?a target="_blank">電源、處理芯片、數模轉換接口、驅動信號SVPWM接口、解析器位置信號接口、溫度檢測接口、通信功能接口等組成。驅動板由隔離電源、薄膜電容、驅動保護電路、檢測電路、電源逆變器等組成。

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

由ACPL‐38jt構成的電機繞組驅動電路原理圖如下圖所示。為了提高驅動電路的可靠性，設計了遲滯欠壓鎖定電路。當電源電壓低于一定值時，輸出遲滯欠壓信號，ACPL‐38jt根據該信號對IGBT進行保護。為了防止逆變器橋臂上、下開關同時導通，設計了輸入聯鎖電路。為了提高ACPL‐38jt的驅動能力，采用了推挽電路。輸出電壓通過兩個快速三極管推拉，以增加驅動電流，可以快速驅動1200 V, 450 A的IGBT模塊。

電機控制器采用三種不同的電源:控制板電源、驅動板電源和電源模塊電源?？刂瓢搴万寗影鍨榈蛪弘娐?，而電源模塊為高壓電路，在開關過程中會產生較大的沖擊噪聲，對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的電路?？刂瓢搴万寗影宓碾妷核较嗨?，因此一個電源可以通過隔離電源轉換器產生另一個電源，如圖所示。隔離式電源轉換器可以實現對控制板的弱電信號和驅動板的強電流信號的隔離，從而提高系統的可靠性。

永磁同步電機控制器在進行坐標變換時需要檢測三相繞組電流。電流采樣有兩種方法:一種是檢測精密電阻上的電壓，然后根據歐姆定理計算電流。該方法成本低，但流過精密電阻的電流會產生一定的損耗，且溫度較高時存在溫度漂移現象。這使得它只適用于小電流的應用。另一種是通過電流傳感器直接獲得電壓信號。該方法能以低功耗測量大電流，且電流傳感器與繞組相互隔離。這種方法的缺點是傳感器的成本和尺寸。電機控制器通常測量兩相電流，然后計算第三相電流，因此至少需要兩個電流傳感器。本電機控制器采用LEM HC5F400S。電機控制器應實時監測母線電壓和電流值，以保護電機在欠壓、過壓和過流的情況下。該電機控制器采用電阻分壓法測量電源母線電壓，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接在電源負極。采樣電阻由10個100 kΩ電阻和一個2 kΩ電阻串聯而成。

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優先布置。電子元器件的布置必須參照主方框圖，主要元器件應按信號流向擺放。電源、驅動芯片acpl‐38jt和驅動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電路應分開放置。同時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的環路面積?？刂破靼搴万寗影宓牟季秩鐖D所示。

電機控制器的組件都經過汽車應用認證，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，易于儲存。SMD元件的體積和重量僅為傳統插入式元件的1/5左右。采用SMD技術，電子產品體積縮小40% ~ 60%，重量減輕60% ~ 80%，抗振動能力增強，焊點缺陷率低。電子產品需要滿足應用行業的EMC標準要求。

電磁兼容模型由干擾源、耦合路徑和敏感設備三部分組成。電機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噪聲以及半導體元件在開關過程中電壓或電流的變化所產生的噪聲。電磁干擾的耦合路徑包括傳導耦合和輻射耦合。在現實生活中，所有的電子產品都會受到外界的電磁干擾，其中大部分是通過傳導耦合來接收的，還有一部分是通過輻射耦合來接收的改善電機控制器電磁兼容的方法主要分為抑制干擾源發射和切斷耦合路徑或削弱傳輸能量兩大類。抑制干擾源發射的方法包括:調節驅動電阻、增加RC吸收電路、調節功率元件的開關頻率、減小PCB上的環路等。切斷耦合通路的方法有屏蔽、接地和濾波。電機控制器采用鋁合金外殼，航空插頭進行屏蔽，然后外殼接地。其結構如圖所示。

電動汽車要求電機具有更大的過載能力。當電動機過載時，通常會帶來較大的溫升。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。

為減輕電機控制器的重量，機箱和端蓋采用壓鑄鋁合金YL113/ADC12，抗拉強度RM≥230 MPa。底盤和端蓋的設計是為了減輕局部重量。但是，支護材料的減少會導致支護能力的下降，因此有必要對結構強度進行分析。利用UG軟件的仿真模塊對蓋板、箱體、安裝凸耳進行應力和變形分析，如圖所示。

PMSM控制器的原理如下圖所示。它由位置傳感器、坐標變換、SVPWM發電機模塊、逆變器、速度和電流調節器組成。

電機控制器的軟件開發環境是瑞薩電子高性能嵌入式車間軟件。整個程序分為模塊函數初始化程序，變量定義程序，主循環程序，中斷處理程序。參數初始化程序完成相關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置。初始化后，控制程序進入主循環程序。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，方便實現電機控制過程中的各種功能。電流電壓采樣、坐標變換、空間矢量電壓輸出、最大轉矩每安培(MTPA)控制、故障信號標志檢查、模糊控制計算等均由Event Manager的定時器中斷完成。它也是電機控制程序的主中斷程序，如圖所示。

電機控制部分采用模塊化結構。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。IGBT模塊采用非焊接壓針技術，可減少加工時間。矩形薄膜電容器可以有效地利用機箱空間，從而減小機箱的體積和重量?？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。節省原材料，提高生產效率，降低了電機控制器的成本?？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，更適合輕量化電動車。

功率分析儀EV3000有四個測量通道，其中一個通道用單儀表法測量電機控制器的直流母線電壓和電流，另外三個通道用三儀表法測量PMSM三相繞組的電壓和電流。扭矩傳感器和速度傳感器測量輸出功率。測量數據通過網線傳輸到主控機，主控機實時顯示電機和控制器參數的數值和波形控制器和電機均采用外循環水冷卻。PMSM參數如下表所示。

電機控制器的最大轉速為7500轉/分，PMSM的額定轉速為6500轉/分。當電機轉速超過基準轉速(額定轉速)時，電機需要控制器提供的弱磁場電流。下圖顯示了6600、7000、7500 rpm時不同功率(P)下磁通弱化電流(Id)的應用情況。

下圖A顯示了PMSM和控制器系統在額定功率(36kw, 5600rpm, 61n.m)下的運行數據。此時，控制器和電機的效率分別為98.05%和94.93%，驅動系統效率為93.08%。下圖B為電機和控制器輸出電壓、相電流、功率、轉速、轉矩波形。圖的右側為負載變化時的響應曲線。由此可見，驅動系統的超調量小，響應速度快。下圖C為最大功率為60.8 kW，超過設計峰值56 kW時的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%的區域占效率圖的三分之二。

當電動車下坡或制動時，電機工作在發電機狀態。在實驗中，永磁同步電動機由異步電動機驅動產生電能。圖為發電機峰值功率為60.6 kW時的運行數據。

實驗時，控制輸入冷卻水溫度為30℃，水流量為12 L/min，電機在額定負荷(36 kW, 5600 rpm)下工作，試驗時間大于1 h?？刂破鱅GBT溫升穩定后，最高溫升為42℃，滿足設計要求。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℃，低于結溫150℃。原控制器與新控制器的參數性能比較如下表所示。

研究結論

為電動汽車設計了600 V/36 kW/5600 rpm的永磁同步電機控制器。為滿足永磁同步電機控制器體積小、重量輕、調速范圍寬、發電量大的要求，從硬件電路、結構部件、軟件算法三個方面進行設計。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，保證控制器溫升在規定范圍內。硬件保護電路和軟件保護算法共同提高了控制器的可靠性?？刂破鞑捎么艌鋈趸呗?，實現最高轉速7500轉/分，長時間運行。通過采用模塊化設計方法，控制器樣機的質量減少了60%，體積減少了一半，生產效率大大提高。設計了電機與控制器實驗平臺，利用功率分析儀EV3000采用3m法測量了永磁同步電動機三相繞組的電壓和電流。實驗結果驗證了設計方案的合理性。目前，電機控制器的參數只適用于特定的電機。對某電機進行標定后，將控制特性曲線的參數寫入程序，該程序適用于量產型號的電機，但對其他型號的電機則比較困難。電機參數辨識和自適應控制是下一階段的研究方向。

審核編輯：湯梓紅