電動(dòng)汽車中異步電機(jī)控制器硬件電路設(shè)計(jì)

魏潔菲， 易映萍

(上海理工大學(xué)，上海200093)

電動(dòng)汽車中異步電機(jī)控制器硬件電路設(shè)計(jì)

魏潔菲， 易映萍

(上海理工大學(xué)，上海200093)

以電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，低壓5 kW異步電機(jī)為控制對(duì)象，完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以TMS320F2812DSP芯片為控制核心，采用MOSFET并聯(lián)模塊作為逆變器的開關(guān)器件，其中還包括了輔助電源、信號(hào)采集調(diào)理、驅(qū)動(dòng)等電路設(shè)計(jì)，搭建了一個(gè)帶速度傳感器的電動(dòng)汽車異步電機(jī)控制硬件電路。

電動(dòng)機(jī)；異步電機(jī)；TMS320F2812；MOSFET并聯(lián)模塊

隨著世界能源危機(jī)以及環(huán)境問題的日益突出，新能源電動(dòng)汽車在節(jié)能和環(huán)保方面體現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)，世界各國對(duì)電動(dòng)汽車爭(zhēng)相研究，使得它必將成為21世紀(jì)首要的交通工具。電機(jī)及其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作為電動(dòng)汽車的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)，是研制和發(fā)展電動(dòng)汽車首先要解決的問題。隨著電力電子技術(shù)和各種微處理器的不斷向前發(fā)展，以及電機(jī)仿真建模和先進(jìn)控制技術(shù)的提出，極大地推動(dòng)了電動(dòng)汽車電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，從而使得高精度、寬調(diào)速范圍和良好的控制性能的電動(dòng)汽車電機(jī)控制器的研發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。

1　控制器硬件電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的硬件框圖如圖1所示。由于電動(dòng)汽車的控制電流較大，在選擇換流器件與設(shè)計(jì)電路時(shí)要考慮承受較大的電流，因此采用MOSFET并聯(lián)結(jié)構(gòu)；為了同時(shí)驅(qū)動(dòng)6路PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)芯片選擇IR21363S作為PWM驅(qū)動(dòng)芯片，采用LEM公司的電流霍爾檢測(cè)，簡(jiǎn)化對(duì)異步電機(jī)兩相電流的檢測(cè)；采用電阻分壓式檢測(cè)直流母線電壓；使用工業(yè)熱敏電阻采樣逆變器功率管采集溫度，同時(shí)將電壓、電流和溫度信號(hào)通過二階濾波電路濾波以提高AD采樣模塊的系統(tǒng)可靠性與采樣的準(zhǔn)確性；為保護(hù)逆變電路，使用繼電器對(duì)其進(jìn)行保護(hù)；輔助電源的設(shè)計(jì)為控制調(diào)理電路隔離供電；控制芯片為TI公司的DSP芯片TMS320F2812[1]，下文對(duì)電控制器硬件電路主要電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1　硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2　主電路結(jié)構(gòu)與功率器件選擇

在電動(dòng)汽車控制器的功率器件運(yùn)用上大多數(shù)為：絕緣柵極雙極晶體管(IGBT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)與智能功率模塊(IPM)[4]。

IGBT使用于大功率場(chǎng)合，IPM主要應(yīng)用于高智能低斬波頻率與具有較高成本的場(chǎng)合。針對(duì)本文的硬件電路設(shè)計(jì)，考慮本文的電動(dòng)汽車為5 kW低電壓，器件開關(guān)頻率快，驅(qū)動(dòng)電路與成本等因素，文本設(shè)計(jì)的電路選擇MOSFET作為異步電動(dòng)機(jī)逆變控制器的功率器件?；贛OSFET并聯(lián)的主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：本文選擇的電動(dòng)汽車控制器的控制對(duì)象為三相異步電動(dòng)機(jī)(額定功率PN=5 kW,線電壓UN=51 V,工作效率ηN=0.89)。由:

得異步電動(dòng)機(jī)額定電流為72 A。直流母線電壓為64～84 V，MOSFET所能承受的最大值為直流母線電源電壓最大值，考慮2倍的電壓裕量，MOSFET開關(guān)管的耐壓值為Uds=2×Umax=168 V。電機(jī)額定線電流74 A，考慮4倍過載能力，同時(shí)考慮1.5倍左右裕量，選擇每個(gè)橋臂能承受500 A電流。

綜上考慮，選擇耐壓值為168V，允許通過最大電流為500A的功率場(chǎng)效應(yīng)管，因此選擇的功率管型號(hào)FDP075N15A_F102。圖2為三相MOSFET并聯(lián)主電路逆變器的結(jié)構(gòu)圖。

圖2　三相MOSFET并聯(lián)主電路逆變器的結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計(jì)主電路并聯(lián)MOSFET時(shí)，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的均流使每個(gè)功率管所承受的電流是一個(gè)值得考慮的問題。在實(shí)踐中為了使MOSFET的均流特性更加完善，我們需要以下幾種措施：(1)選擇同一型號(hào)同一批次器件；(2)電路布局對(duì)稱，連線一致；(3)保證漏極電感相同；(4)加強(qiáng)電路熱耦合性。

3　驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

功率采樣為6個(gè)MOSFET并聯(lián)的形式，因此驅(qū)動(dòng)電流很大。可采用IR21363S，適用于變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。集成了6個(gè)MOSFET高電壓柵驅(qū)動(dòng)器，并融合多元化的保護(hù)功能，系統(tǒng)成本比光耦解決方案降低30%。此芯片為高電壓，速度快的功率MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片。IR2136集成電路系列適用于省電節(jié)能的電子驅(qū)動(dòng)式變速電機(jī)，有助于降低成本和簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，在汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[5]。

驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，電路分為前后兩級(jí)，前級(jí)是DSP輸出PWM信號(hào)，IR2136S輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)；后級(jí)是IR21363S的輸出信號(hào)經(jīng)過三極管進(jìn)行同相放大。其中COM端為電壓采樣，用于檢測(cè)是否過流，檢測(cè)信號(hào)輸入ITRIP端。當(dāng)有過流信號(hào)時(shí)，ITRIP電壓大于0.5 V，此時(shí)IR21363S將關(guān)閉PWM輸出，同時(shí)輸出一個(gè)低電平故障指示信號(hào)，該信號(hào)輸入DSP的功率保護(hù)端口TZ1，DSP檢測(cè)到該信號(hào)后，置為高阻態(tài)，從而從軟硬件兩方面控制電路，根據(jù)實(shí)際情況減小PWM占空比。

圖3　驅(qū)動(dòng)電路硬件設(shè)計(jì)

4　輔助電源設(shè)計(jì)

基于反激電源[6]具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)⑤斎胼敵鲭姎飧綦x、輸入輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬和滿足多路輸出要求等特點(diǎn)，適合于電氣設(shè)備內(nèi)的輔助開關(guān)電源[7]。本系統(tǒng)的電源為車載電池，設(shè)計(jì)反激式輔助電源為電動(dòng)汽車的主控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供所需的工作電源。輸入為72 V車載電池，輸出為一路+5 V用于DSP供電，一路－5 V與+5 V配合給運(yùn)放電路供電。一路+15 V給驅(qū)動(dòng)電路與開關(guān)電源等芯片供電。目前開關(guān)電源的控制方式分為單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)的電壓控制型和電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的電流控制型，電流控制型系統(tǒng)響應(yīng)迅速，具有較高的電壓頻率，同時(shí)空盒子電路較為穩(wěn)定，明顯優(yōu)于電壓控制型。因此，本系統(tǒng)電源選擇了UC3845電流型控制器作為隔離開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制核心,進(jìn)行電流采樣，并將電流變化量轉(zhuǎn)換成電壓變化量，在用負(fù)反饋的方式來控制脈沖寬度的變化，最后和經(jīng)誤差放大器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行比較控制占空比的變化，穩(wěn)定和調(diào)節(jié)輸出電壓。控制電路采樣電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制模式，能夠提高輸出電壓穩(wěn)定性。圖4為反激式輔助電源原理圖。

5　電流采樣電路設(shè)計(jì)

直流母線電壓與交流電路與加速踏板信號(hào)以及溫度等采樣的精度以及過電壓、欠電壓保護(hù)、過電流保護(hù)和速度控制與過溫保護(hù)的精度對(duì)控制系統(tǒng)有直接的影響，特別是對(duì)轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)速影響很大，因此精確地進(jìn)行信號(hào)采樣是電動(dòng)汽車電機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵。

DSP芯片的輸入電壓為0 V到3 V，采樣信號(hào)進(jìn)入DSP之前必須通過信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)處理，滿足DSP的輸入電壓范圍要求之后才能通過DSP模塊中AD采樣端口采樣參與程序計(jì)算。還有一些溫度、欠壓過壓保護(hù)信號(hào)經(jīng)過開關(guān)電流生成高低電平信號(hào)，通過故障保護(hù)電路，當(dāng)其值超過或者低于某個(gè)規(guī)定值時(shí)立刻執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。

圖4　反激式輔助電源原理圖

電流采樣信號(hào)用于轉(zhuǎn)子磁鏈角度計(jì)算、坐標(biāo)變化以及過流保護(hù)等。因異步電機(jī)正常工作時(shí)三相電流是對(duì)稱的，因此只需要對(duì)其中兩路電流進(jìn)行采樣。本文應(yīng)用的信號(hào)采樣方法是霍爾傳感器采樣，這種采樣方式具有頻帶寬、響應(yīng)快和精度高的特點(diǎn)，霍爾傳感器的型號(hào)為HC5F-600S，工作電壓為5 V單電源供電，額定量程范圍為±600 A，作高采樣電流值可達(dá)到±900 A，采樣精度為2%，輸出電壓關(guān)系為：

式中：Vc為供電電壓一般為±5 V；Ip為交流側(cè)電流值。當(dāng)輸入電流值在±600 A之間時(shí)，對(duì)應(yīng)電流霍爾輸出電壓值為+0.25 V到+4.48 V之間。當(dāng)輸入為0 A時(shí)，輸出電壓值為+2.5 V，在實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)輸入輸出關(guān)系進(jìn)行校正。但經(jīng)過電流霍爾傳感器生成的電壓信號(hào)不能直接進(jìn)入DSP芯片，需要將電壓值轉(zhuǎn)換到DSP芯片能夠承受的范圍，同時(shí)還要防止電路中其他信號(hào)的干擾，因此還需要隱形信號(hào)調(diào)理濾波處理。圖5為信號(hào)調(diào)理電路。

圖5　信號(hào)調(diào)理

6　轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)速采樣使用的是異步電機(jī)自帶的旋轉(zhuǎn)編碼器，轉(zhuǎn)速信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)是希望能擴(kuò)大電機(jī)調(diào)速范圍、使低速時(shí)的輸出紋波小、有效改善低速時(shí)的平穩(wěn)性。轉(zhuǎn)速測(cè)量電路如圖6所示，為了使得脈沖信號(hào)更加理想，同時(shí)能夠減小干擾，設(shè)計(jì)的編碼器調(diào)理電路的作用主要有兩點(diǎn)：一是對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形處理運(yùn)用與非施密特觸發(fā)器；二是采用SN74HC245芯片當(dāng)OE、DIR分別為低電平與高電平時(shí)，信號(hào)從A端傳送到B端，將輸入的+5 V信號(hào)變成+3.3 V信號(hào)防止損壞DSP。

圖6　轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

7　總結(jié)

本文主要對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，介紹了硬件電路的整體框架，同時(shí)對(duì)主要的電路進(jìn)行了詳細(xì)論述。通過對(duì)不同功率器件進(jìn)行分析，最后本課題采用的是MOSFET并聯(lián)作為主功率電路，采用兩級(jí)驅(qū)動(dòng)放大形式驅(qū)動(dòng)功率管，采用反激電源對(duì)電路提供輔助電源，以及還論述了電流采樣電路、速度檢測(cè)電路等。

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Hardware circuit design of asynchronous motor controller for electric vehicle

WEI Jie-fei,YI Ying-ping
(University of Shanghai for Science and Technology(USST),Shanghai 200093,China)

In this paper,with the electric vehicle as the research object,using low voltage 5 kW asynchronous motor as the controlled object,a driving system was designed.TMS320F2812 DSP chip was adopted as the control core, and using MOSFET parallel module as the inverter switching devices,a belt speed sensor was built for electric vehicle induction motor control hardware circuit.

motor;asynchronous motor;TMS320F2812;MOSFET parallel module

TM 921.5

A

1002-087 X(2016)10-2055-03

2016-03-20

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (“863”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA050206)

魏潔菲(1991—)，女，遼寧省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)與控制。