基于TSPWM的車用交流感應電機控制器設計

倪榮來，李軍偉，陸海峰，高 松，王 冬

(1.山東理工大學，淄博 255049;2.清華大學，北京 100084;3.北京乾勤科技發展有限公司，北京 100084

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基于TSPWM的車用交流感應電機控制器設計

倪榮來1，李軍偉1，陸海峰2，高 松1，王 冬3

(1.山東理工大學，淄博 255049;2.清華大學，北京 100084;3.北京乾勤科技發展有限公司，北京 100084

針對低速電動車所用兩電平逆變器共模電壓(CMV)嚴重的問題，采用新型PWM調制方法TSPWM(Tristate Space Pulse Width Modulation)，結合英飛凌32位微控制芯片XMC4200，在不增加硬件成本的條件下，設計了一套共模電壓明顯減小的車用交流感應電機控制器。提出了基于基本電壓矢量作用時間和三相PWM占空比的TSPWM新的實現方法。研究了TSPWM與XMC4200結合產生新型PWM信號的方法，同時利用Matlab/Simulink和Dave3分別自動生成控制算法和底層驅動代碼，并裝載到以XMC4200為核心的電機控制器中進行試驗。試驗表明，采用TSPWM控制的感應電機具有較小的共模電壓，所設計的控制器實現簡單，具有較好的控制性能。

感應電機；共模電壓；TSPWM；XMC4200；自動代碼生成；試驗

0 引 言

由于高可靠性和低成本，交流感應電機(以下簡稱ACIM)成為電動車驅動電機應用最廣泛的電機之一。成熟的矢量控制技術與先進的微控制器芯片的結合為感應電機的高性能控制提供了條件。低速電動車所用的電機控制器大多使用兩電平逆變器。然而，在使用兩電平逆變器對感應電機供電時，由于電機中性點懸空，傳統SVPWM調制的不同PWM開關狀態組合會在電機繞組中性點和參考地之間產生髙幅值(最大峰值可到直流母線電壓)且高頻交變的共模電壓。該共模電壓不僅會對周圍附件設備產生電磁干擾，而且是產生軸電壓的主要根源，嚴重時會擊穿電機軸油膜形成軸電流，破壞電機的軸承，縮短電機的使用壽命[1-3]。目前抑制電機共模電壓的方法主要分為兩類：(1)增設硬件或改善電路，如采用共模濾波器[4-5]、共模電感、共模抑制變壓器[6]和共模扼流線圈[7]等；但是，這些方法會增加電機控制器的成本。(2)改進PWM調制策略。文獻[8-9]采用兩相位差180°的基本電壓矢量等效零矢量，將共模電壓限制到直流母線電壓的1/6，但會引起電機轉矩脈動；文獻[10]只使用非零矢量合成參考電壓矢量，有較大的電流紋波；文獻[11-12]提出在同一時刻使兩相橋臂功率器件同時切換開關狀態，控制算法復雜，實際應用難度大。而且，多數文獻提出的PWM改進策略并未給出應用到電機控制器的具體實現方法。

為彌補上述不足，基于TSPWM的原理，采用三個基本電壓矢量，根據不同電壓區域，結合零矢量合成參考電壓矢量對感應電機控制器進行具體設計。為降低感應電機共模電壓的控制器設計提供了一種新思路。

1 TSPWM原理及實現

1.1 TSPWM原理

傳統SVPWM需要使用零矢量來合成參考電壓矢量。而在兩電平逆變器中，零矢量時的MOS管開關狀態并不是中性點電壓為零的狀態。逆變器在零矢量狀態下，電機中性點和電機本體之間便會形成共模電壓，進而形成軸電流，損壞電機軸承，縮短電機使用壽命。為了減小電機共模電壓，TSPWM使用3個相鄰的基本電壓矢量來合成參考電壓矢量[13]。如圖1(b)所示，U2是與參考電壓矢量Uref最近的基本電壓矢量，故將U2選作此時的中心電壓矢量。按照順時針方向，將U3和U1分別選作參考電壓矢量的左、右基本電壓矢量。

(a)低壓區(b)高壓區

圖1TSPWM參考電壓矢量重構方法

從圖1(b)中，根據矢量合成關系，可以得到：

(1)

式中：kl，kc，kr分別是左、中、右基本電壓矢量占空比。

將圖1中Uref所在的區域分別定義為低壓區和高壓區。根據共模電壓形成機理，由于高壓區沒有使用零矢量，共模電壓的峰峰值被限制到直流母線電壓Udc的1/3。如果參考電壓矢量Uref在低壓區，如圖1(a)所示，參考矢量由兩個基本電壓矢量和一個零矢量合成。根據矢量合成關系，同樣得：

(2)

此時，基本電壓矢量U1(100)和U3(010)只有一路(奇數)MOS管處于導通狀態。為了使MOS管開關頻率最小，選擇U0(000)作為中間過渡的零矢量。其他情況下，若左右兩個基本電壓矢量有兩路(偶數)MOS管處于導通狀態，則選擇U7(111)作為中間過渡的零矢量。可以推導，在低壓區，共模電壓的峰峰值同樣被限制到Udc/3。

1.2 TSPWM扇區劃分及選擇

根據TSPWM矢量合成的思想，將電壓矢量正六邊形區域劃分為6個扇區，每個扇區覆蓋60°的區域，且每個扇區分成高低壓兩個區。劃分后的6個電壓扇區如圖2所示。

圖2 TSPWM電壓扇區劃分示意圖

根據圖2的扇區劃分，圖1(b)中的參考電壓矢量Uref在第二扇區高壓區。基本電壓矢量作用的順序為U1(100)-U2(110)-U3(010)-U2(110)-U1(100)。如果參考電壓矢量Uref在第二扇區低壓區，U1和U3保持不變，將U2替換為U0，則基本電壓矢量作用順序變為U1(100)-U0(000)-U3(010)-U0(000)-U1(100)。對于其他扇區，可以按照相同的規則合成參考電壓矢量。為了根據參考電壓矢量確定其所在的扇區，需要使用兩相到三相坐標變換:

(3)

式中：UA，UB，Uc分別為參考電壓矢量Uref在三相坐標系A,B,C軸上的分量；Uα和Uβ為參考電壓矢量Uref在靜止兩相坐標系αβ軸上的分量。

根據UA，UB，Uc將A,B,C分別定義:

(4)

其中，sign(x)函數的定義:

(5)

定義N=4A+2B+C，則參考矢量所在扇區號和N的對應關系如表1所示。

表1 TSPWM扇區號與N的對應關系

1.3 TSPWM占空比計算

在靜止兩相坐標系下，Uref=Uα+jUβ。現在將參考電壓矢量Uref分解到xyz三個軸上，如圖3所示。將變量x,y,z定義:

(6)

圖3 參考電壓矢量分解示意圖

(a)低壓區(b)高壓區

圖4 基本電壓矢量作用時間計算示意圖

圖4中參考電壓矢量 在第2扇區，則根據矢量合成關系，可得:

(7)

則μl,μr和N的對應關系如表2所示。

表2 μl,μr和N的對應關系

如果Uref在低壓區，如圖4(a)所示，根據式(2)、式(7)以及三角形相似關系得:

(8)

結合圖5(a)中的PWM波形，可以推導出，當參考電壓矢量在低壓區時，三相的占空比:

(9)

當參考電壓矢量在高壓區時，如圖4(b)所示，根據式(1)和幾何關系可得:

(10)

化簡后:

(11)

結合圖5(b)中的PWM波形，可以推導出，當參考電壓矢量在高壓區時，三相的占空比:

(12)

(a)低壓區(b)高壓區

圖5 第二扇區PWM波形

由式(9)和式(12)可以看出，無論參考電壓矢量在高壓區還是低壓區，三相PWM的占空比都可以通過相同的公式計算得到，簡化了實現過程。

根據上述計算過程，參考電壓矢量在6個扇區、三相上的占空比如表3所示。

表3 三相占空比與N的關系

2 基于TSPWM的控制器設計

2.1 主控芯片XMC4200概述

XMC4200芯片是英飛凌公司推出的一款基于ARM Cortex-M4的高性能微控制器，集成了ARM Cortex-M4 CPU、程序和數據存儲器、多種通信外設、多通道高分辨率模擬前端外設、工業控制外設以及多狀態可編程端口驅動控制模塊。

XMC4200的CPU內核具有DSP(數字信號處理)特性和FPU(浮點運算單元)能力，能夠應對更加復雜的控制算法。在XMC4200中，所有外設單元可以通過靈活的總線矩陣連接到CPU或系統上。內部連接矩陣使各外設之間很方便實現相互關聯觸發。配合32位 ARM Cortex-M4內核和大容量存儲器，XMC4200滿足高性能電機的控制要求。

2.2 結合TSPWM的PWM模塊設計

在感應電機控制器中，主控芯片根據整車控制器的指令以及整車系統狀態產生相應占空比的PWM信號，驅動逆變器，進而控制電機運行。

在XMC4200中，PWM信號通過CCU8模塊產生。每個CCU8模塊包含4個16位可獨立工作在比較或者捕獲模式的定時器片。每個定時器片可產生4路帶死區PWM信號。每個CCU8模塊有4條服務請求線，可以方便實現同步觸發PWM信號產生和ADC轉換。CCU8模塊具體結構如圖6所示。

圖6 CCU8模塊的結構框圖

電機控制中，需要產生3對(6路)互補且帶死區的PWM。本文使用CCU8產生滿足要求的PWM，硬件配置如表4所示。

表4 CCU8產生PWM信號配置

為了配置出TSPWM要求的PWM波形，在將CCU8按照表4配置后，還需要根據參考電壓矢量所在的扇區，在中斷函數內實時更改定時器片有效電平。在CCU8模塊中，定時器片有效電平通過寄存器CCU80_CC80_PSL、CCU80_CC81_PSL、CCU80_CC82_PSL進行配置。根據TSPWM中參考電壓矢量在不同扇區的PWM波形，對三個定時器片的有效電平配置如表5所示。

表5 定時器片有效電平與N的關系

3 基于TSPWM的矢量控制算法開發

3.1 控制算法代碼自動生成

根據矢量控制原理和TSPWM原理，在MATLAB/Simulink環境下建立速度調節器模型，磁鏈電流和轉矩電流調節器模型，Clarke、Park、逆Park變換模型、電流模型和TSPWM模型，如圖7所示。

圖7 基于TSPWM的矢量控制自動代碼生成模型

建立控制算法自動代碼生成模型后，采用RTW(Real-TimeWorkshop)使Simulink模型生成基于英飛凌32位微控制器芯片的C代碼。控制器逆變器采用的MOSFET功率管最高開關頻率為20kHz，綜合考慮主芯片系統時鐘頻率，將Simulink模型中的執行步長設為0.000 1，對應的PWM周期為 。為了自動生成的嵌入式代碼緊湊、高效，在RTW選項卡中，選擇ert.tlc作為系統目標文件。配置完成后，編譯模型，生成控制算法代碼。

3.2 底層驅動代碼自動生成

主控芯片XMC4200所用的Dave3集開發環境和底層驅動模塊于一體，簡化了底層驅動代碼與控制算法結合的過程。Dave3具有基于預定義且經過測試的軟件模塊DAVEApps和可視化配置界面，如圖8所示。根據上層控制算法，選取ADC002模塊采集電機兩相電流；選取POSQE001模塊實現M法和T法結合測量電機轉速；選取PWMMP001模塊產生實現TSPWM所需的PWM信號。根據實際調試需要，選擇相應的其余模塊，如選取CAN001模塊實現上位機與控制器之間通信，從而實時調節控制算法參數和觀測電機運行數據。

圖8 Dave3可視化配置界面

各個模塊配置完成后，編譯自動生成底層驅動代碼。將Simulink模型生成的控制代碼與Dave3生成的底層驅動代碼整合到一個工程文件下，編譯生成Hex文件類型的感應電機控制器控制程序。

4 基于XMC4200的TSPWM試驗驗證

將采用TSPWM矢量控制的程序代碼燒寫到以XMC4200為主控芯片的感應電機控制器中，對所設計的ACIM矢量控制系統進行試驗，測試對比SVPWM和TSPWM控制下的電機共模電壓，并驗證TSPWM應用在電動汽車電機控制系統的正確性和可行性。搭建試驗平臺的裝置主要包括：ACIM、磁粉制動器、60V蓄電池、上位機、基于XMC4200核心控制板的電機控制器等。試驗平臺如圖9所示。

圖9 TSPWM試驗平臺實物圖

試驗中所用ACIM的銘牌參數如表6所示。功率電源采用5塊12V的蓄電池串聯供電。磁粉制動器最大制動扭矩為400N·m，通過磁粉張力控制器調節電流改變制動扭矩，以測試電機的負載特性。試驗中電機控制器和電機的主要參數數據通過USBCAN實時傳輸到上位機，以便觀察調試；電機控制器的參考勵磁電流、參考轉矩電流、參考速度等參數也可通過上位機給定。上位機界面如圖10所示。

表6 ACIM銘牌參數

圖10 上位機調試界面

在上位機中，將TSPWM三相的占空比、電機單相電流采樣的數據保存并導入MATLAB作圖，如圖11、圖12所示。在給定轉矩電流0.8(標幺值)時，轉速從100r/min加速到3000r/min，每隔200r/

圖11TSPWM三相占空比波形圖12第二扇區PWM波形

min記錄下對應的磁粉張力控制器電流。計算出磁粉張力控制器電流所對應的轉矩，結合其對應的轉速，利用MATLAB擬合出電機外特性曲線，如圖13所示。采用SVPWM和TSPWM控制的電機共模電壓峰峰值試驗結果分別如圖14、圖15所示。

圖13 ACIM外特性曲線圖14 SVPWM控制的電機共模電壓

(a)低壓區(b)高壓區

圖15TSPWM控制的電機共模電壓

由圖11可以看出TSPWM三相占空比與SVPWM一樣呈現周期性變化，不同之處在于TSPWM可以產生100%和0的占空比。這兩種占空比使得單相橋臂上的功率器件全開或全閉，減少了功率器件開關次數，提高了控制器效率。圖12為ACIM速度電流雙閉環控制穩定運行時的單相電流波形，圖中相電流波形連續穩定，正弦度好。由圖13可以看出，電機在低速運轉時可以輸出較大過載扭矩，在較寬調速范圍內可以輸出額定扭矩。

由圖14可以看出，采用SVPWM控制的電機共模電壓的峰峰值為Udc。由圖15可以看出，在低壓區和高壓區時，TSPWM控制的電機共模電壓峰峰值都被限制到Udc/3。由圖11～圖15可以看出，采用TSPWM的感應電機控制器比采用SVPWM的電機控制器具有更小的共模電壓，在提高控制器效率的情況下，能夠控制電機平穩運行，在不同轉速下可以控制電機輸出滿足電動汽車驅動要求的扭矩，滿足電動汽車對驅動電機控制器的要求。

5 結 語

本文針對兩電平逆變器共模電壓嚴重的問題，以TSPWM原理為基礎，結合各個基本電壓矢量作用時間和三相占空比，將TSPWM新的實現方法應用到核心為XMC4200的感應電機控制器中。利用自動代碼生成技術完成對控制器的控制算法開發，并進行了試驗。在降低感應電機共模電壓的條件下，驗證了TSPWM應用在車用感應電機控制器上的可行性。

[1]SIDNEYB,COOKSONTIMOTHYJ,COPESTEVENA,etal.Experiencewithvariable-frequencydrivesandmotorbearingreliability[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,200,37(5):1438-1446.

[2] 姜衛東，王群京，陳權，等.一種完全基于兩電平空間矢量調制的三電平空間矢量調制算法[J].電工技術學報,2009,24(1):108-114.

[3] 姜艷姝，徐殿國，劉宇，等．PWM驅動系統中感應電動機共模的研究[J].中國電機工程學報,2004,24(12):149-155．

[4]HEDAYATIMH,ACHARYAAB,JOHNV.Common-modefilterdesignforPWMrectifier-basedmotordr-ives[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2013,11(28):5364-5371.

[5] 陳希有，徐殿國，馬洪飛.兼有共模電壓抑制作用的逆變器輸出無源濾波器[J]. 電工技術學報,2002,6(17):38-42.

[6]JIItoh，ABET.Circulationcurrentreductionforamotorsimulatorsystemusingapowerconverterwithacommonmodetransformer[C]//IEEEInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference.IEEE,2009:1662-1667.

[7] 顏偉,趙陽,王恩榮,等.復雜電子系統傳導EMI噪聲機理分析與處理[J].中國電機工程學報,2012,32(30):156-162.

[8]UNE,HAVAAM.Ahigh-performancePWMalgorithmforcommon-modevoltagereductioninthree-phasevoltagesourceinverters[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2011,26(7):1998-2008.

[9] 章勇高,鄺光健,龍立中.三相逆變器的無零矢量共模電壓抑制技術研究[J].電力系統保護與控制,2013,41(2):138-143.

[10]LAIYS,SHYUFS.Optimalcommon-modevoltagereductionPWMtechniqueforinvertercontrolwithconsiderationofthedeadtimeeffects-partI:Basicdevelopment[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2004,40(6):1605-1612.

[11]HAVAAM,UNE.Performanceanalysisofreducedcommon-modevoltagePWMmethodsandcomparisonwithstandardPWMmethodsforthree-phasevoltagesourceinverters[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2009,24(1):241-252.

[12]LAIYS,CHENPS,LEEH-K,etal.Optimalcommon-modevoltagereductionPWMtechniqueforinvertercontrolwithconsiderationofthedead-timeeffects-PartII:applicationstoIMdriveswithdiodefrontend[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2004,40(6):1613-1620.

[13]LUHaifeng,QUWenlong,CHENGXiaomeng,etal.AnovelPWMtechniquewithtwo-phasemodulation[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2007,22(6):2403-2415.

Design of AC Induction Motor Controller for Vehicle Based on TSPWM

NI Rong-lai1, LI Jun-wei1,LU Hai-feng2, GAO Song1, Wang Dong3

(1.Shandong University of Technology,Zibo 255049,China;2.Tsinghua University,Beijing 100084,China;3.Beijing Qianqin Technology Development Co., Ltd.,Beijing 100084,China)

In view of the problem that the serious common mode voltage(CMV) of two level inverter for low speed electric vehicle, under the condition of not increasing the cost of hardware, an AC induction motor controller that reduced common mode voltage obviously for vehicle was designed, utilizing the novel PWM modulation method TSPWM(Tristate Space Pulse Width Modulation), combined with Infineon 32 bit microcontroller XMC4200. The new implementation method of TSPWM based on basic voltage vector action time and three-phase PWM duty cycle was proposed. The combination method of TSPWM and XMC4200 to generate the novel PWM signal was studied. The control algorithm and driver code was generated by Matlab/Simulink and Dave3 respectively. Experiment was conducted by loading the control code into the motor controller which considered XMC4200 as its core. The experiment shows that the CMV of motor controlled by TSPWM is lower, and the designed controller is implemented simply and has good control performance.

induction motor; common mode voltage; TSPWM; XMC4200; automatic code generation; experiment

2016-04-05

山東省自然科學基金項目(ZR2015EM054)；山東省重點研發計劃項目(2015GGX105009)

TM346

A

1004-7018(2016)10-0064-06

倪榮來(1990-)，男，碩士研究生。