车用永磁同步电机控制系统实验平台开发

崔洪志，林 立，王 雯

(邵阳学院，湖南邵阳422000)

0 引言

永磁同步电动机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有结构简单、体积小、重量轻、功率因数高等优点，广泛应用于电动汽车驱动系统中［1］.电机控制器实时快速调节电机的转矩，使其具有较宽的调速范围和较高的过载系数［2］.所以，电机控制器是电动汽车的关键零部件，而控制算法决定了控制器的性能.为验证车用永磁同步电机控制策略的有效性，必须进行实验验证.因此，本文开发出一整套车用永磁同步电机控制系统实验平台，在该平台上开展了基于转子磁场定向的永磁同步电机矢量控制算法研究，结果表明该系统具有优良的动态性能和静态性能，完全满足电动汽车电机控制实验平台的要求，为验证车用永磁同步电机系统高性能控制策略奠定了实验基础.

1 永磁同步电机矢量控制原理

永磁同步电机将永磁体嵌入或内装在转子铁心内，在结构上增强了可靠性，提高了运行速度，而且能够有效利用其凸极效应产生磁阻转矩，提高转矩与电流比，还可降低永磁体励磁磁通，减小永磁体的体积，既有利于弱磁运行，扩展速度范围，又可降低成本.

图1 dq坐标系下永磁同步电机模型Fig.1 PMSM model in dq coordinate system

图1为dq坐标系下永磁同步电机模型.将单轴线圈s分解为dq坐标系下的双轴线圈d和q，每个轴下线圈的有效匝数仍与单轴线圈相同.这相当于将定子电流矢量分解成d轴电流(励磁电流)分量id和q轴电流iq(转矩电流)分量，其电磁转矩Te为公式为

由转矩公式可知分别控制id和iq电流就可以控制电磁转矩，但是对于每一个转矩，电流id和iq都可有无数组组合与之对应.电动汽车用电机大多工作在恒转矩运行区，其转速在基速以下，铁耗不是主要的，而铜耗占的比例较大，通常选择按转矩/电流比最大原则来控制定子电流，这样不仅使电动机铜耗最小，还减小了逆变器和整流器的损耗，可降低系统的总损耗［3］.本系统选择按转矩/电流比最大的原则来控制定子电流，对式(1)求导得出id和iq.为了计算方便对式(1)进行标幺值处理，写成

式中，Ten为转矩标幺值，iqn为交轴电流标幺值，idn为直轴电流标幺值.对式(2)求导得出，可得这两个电流分量的关系，即为

根据以上两式，构建函数发生器，根据转矩指令，计算出id和iq的值.

图2为PMSM矢量控制系统框图，PMSM电机控制是建立在坐标变换及电磁转矩方程上，通过对定子电流矢量的相位和幅值的控制来实现永磁同步电机的转矩控制.即dq轴电流经过矢量变换和坐标变换来实现.

2 系统硬件设计

系统硬件原理如图3所示，包括主电路、控制电路、检测电路、驱动电路、旋转解码电路、CAN通讯电路、数模转换电路等.

图3 系统硬件原理图Fig.3 Structure of hardware

2.1 主电路

本系统主电路逆变部分采用智能功率模块(intelligent power module，IPM)，它由集成了驱动及保护电路的7个IGBT组成，具有驱动简单，实际应用稳定可靠等特点.耐压等级最高达1200V.其外围电路主要包括6路PWM驱动信号加快速光耦隔离，驱动简单可靠，保护电路稳定可靠.IPM内部控制电路由一个15V电源供电.如果当电源电压低于规定的欠压动作数值，该功率器件将被关断并输出一个故障信号.如果毛刺干扰时间小于规定的时间，则不影响控制电路.如果流过IGBT的电流超出过流动作数值的时间大于关断时间toff，IGBT将被关断，同时输出一个故障信号.如果负载发生短路或系统控制器故障而导致上下臂同时导通，IPM内置短路保护电路将关断IGBT，同时输出一个故障信号.鉴于本系统功率和电流的要求，本文选用智能功率模块FS450R12KE3，图4是其原理框图.

图4 IPM框图Fig.4 Structure of IPM

2.2 控制电路

TMS320F2812为32位定点DSP控制芯片，采样频率为150MHz，具有两个电机控制外设模块—事件管理器，独立的死区产生和控制单元，16通道12位的A/D转换器，高效的代码转换功能(支持C/C++和汇编)并与TMS320F24x/LF240x程序代码兼容，片内存储器资源丰富，还具有SPI串行外围接口和和SCI串行通信接口和增强型eCAN网络通讯控制器接口［4］.本系统采用TMS320F2812作为主控制芯片，其中SPI用做外扩E2PROM接口，上位机访问E2PROM来设置控制系统中的各种有关参数.主要包括PI系数、定子磁链、d轴q轴电感、初始位置角、滤波时间常数、采样频率、开关频率等，本系统可以标定64个变量.此外，E2PROM实时记录电机工作状态，储存故障代码，以便于分析电机的工作状态.SCI外扩串口烧写，CAN通讯接口用做与上位机或者整车控制器通讯接口.图5为控制系统外形图.

图5 系统外形图Fig.5 Appearance of system

电动汽车行驶工况较为恶劣，所以永磁同步电机大多采用旋转变压器来检测转速，本文中采用硬件电路解码旋变信号.在结构布置方面，强电与弱电之间由隔板隔离，IGBT长时间工作在大电流状态，温度升高较快，系统中在IGBT下端面设置水流槽，控制器采用水冷形式.

3 软件设计

系统程序主要包括主循环程序和用于磁场定向的下溢中断子程序.图6所示为定时器下溢中断子程序流程图，程序每0.1ms进入一次中断子程序.图7为系统主程序流程图，主要包括系统初始化和CAN主循环程序.CAN通讯包括接收上位机指令子程序和发送子程序，CAN波特率为250Kbps发送周期为20ms.此外软件中还包括AD采样子程序、速度计算子程序、SPI读写E2prom子程序、故障处理和保护程序.按照电动汽车控制要求，设置了三级故障保护，一级故障包括母线电流过流和IGBT故障;二级故障包括相电流过流、母线电压过压、过温、超速;三级故障包括欠压报警、过压报警、温度报警等.其中一级和二级故障为不可恢复故障，为严重故障，只能通过故障重置消除，三级故障通过电机降功率处理，可以消除的故障，是一般故障.

图6 定时器下溢中断子程序流程Fig.6 Flow chart of timer underflow interrupt

图7 主程序流程图Fig.7 Flow chart of the main program

图8 车用永磁同步电机控制系统实验平台Fig.8 The platform of PMSM control system

4 平台实验及结果分析

为验证开发平台的实用性，在开发的实验平台上进行矢量控制策略研究.实验平台用的永磁同步电机参数为:额定电压550V，额定功率110kW，额定转速2000rpm，转速范围0～4200rpm，峰值功率160kW，峰值转矩，采用水冷形式.本系统中，速度PI调节器和转矩PI调节器均根据转速不同采用分段形式，以提高控制精度.上位机基于LabView编写，严格按照整车控制器与电机控制器CAN通讯协议编写.

图8为车用永磁同步电机控制系统实验平台，实验平台由被测永磁同步电机、测功机、DSP2812控制系统、功率分析仪等组成.为了测试永磁同步电机调速性能，实验由锂电池供电.图9为主电路母线电压541V，电机转速1000rpm时，A相电流200A波形.图10为500r/min的电机转速响应曲线，图11为1500-3000rpm的转速响应曲线，由图可知其响应速度在300ms以内，最大超调量低于0.7%，稳态误差在正负60r/min以内.很好的达到了电动汽车的瞬态调速要求.图12为转矩控制精度MAP图，从图中可以看出400N·m以下其控制精度达到98.7%以上，400-800N·m其控制精度在97.5%以上.达到了电动汽车对控制精度的要求.

图9 200A电流波形Fig.9 AC current curve at 200A

图10 500rpm阶跃响应曲线Fig.10 Step response at 500rpm

图11 1500rpm阶跃响应曲线Fig.11 Step response at 1500rpm

图12 转矩控制精度MAP(550 VDC)Fig.12 The accuracy of torque control MAP(550VDC)

5 总结

本文基于TMS2812DSP开发出一套电动汽车用永磁同步电机控制系统实验平台.平台由硬件系统、软件系统和上位机开发界面组成.在开发平台上开展了永磁同步电机矢量控制实验研究，结果表明，下位机参数变量容易修改，调试方便，控制系统界面操作简单，在该平台上方便验证控制策略的动静态性能，系统诉法移植性较好，容易进行二次开发，为与整车控制器联调打下基础.

［1］许峻峰，张朝阳，冯江华，等.电动公交车用永磁同步电机实验研究［J］.电气传动，2008，12(6):38-40.

［2］姜坤.电机控制器性能测试方法研究与改进［J］.机电产品开发与创新，2012，21(9):141-143.

［3］王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［4］林立.永磁同步电机矢量控制变频调速的研究［J］.电力电子技术，2005，32(2):39-41.