摘要：电动汽车驱动电机频繁工作于启动／停车、加／减速等复杂工况下，较工业用电机需要更宽的转速范围和更高的过载系数，同时对控制器的开发提出了较大的挑战。设计了一种适用于电动汽车的永磁同步电机(PMSM)控制器。给出了主电路的设计方法及驱动、检测和保护单元的参考电路。软件部分采用矢量控制，并根据实时性要求将任务划分为4级。*后搭建平台，对控制器的性电动汽车；永磁同步电机；控制器

1 引言

    当前主电路；IGBT驱动电路及开关电DSP控制电路；电压、电流、温度、转速的检测电路、故障与保护电路；开关量输入输出电路；模拟量输入输出电路、485／CAN通信电路和操作器电路，其硬件结构如图1所示。

2．1 控制器主电路设计

    控制器设计之初，需确定控制器负载、供电电①负载参数要求：负载额定功率Pn、额定电压un、额定电流in和过载倍数kg等；②电额定电压及变化范围；③其他要求：工作环境条件、结构尺寸限制等。根据某电动汽车的要求，此处研制的控制器性额定功率55 kW；额定转速4 500 r·min-1；峰值功率82．5 kW；峰值功率运行时间5 min；电动方式转速范围0～9 000 r·min-1；发电方式转速范围800～9 000 r·min-1；基速峰值及额定功率时的效率89％～93％；工作电压范围405～583．2 V；扭矩控制精度为：额定扭矩以下：±5 N·m，额定扭矩以上：5％；扭矩控制响应时间小于100 ms；速度控制响应时间为在200 ms时进入±50 r·min-1误差之内；速度控制精度：负载从0～100％变化，速度变化小于±1％；扭矩和速度控制模式的转换时间20 ms。

2．1．1 控制器容量选择

    由于电机控制器传给驱动电机的是脉动电流，其脉动值比工频供电时电流要大，因此须将电机控制器的容量留有适当的裕量。变频器应满足：

    式中：Scn为电机控制器的额定容量；Pn，η，cosφ分别为电机输出功率、效率、功率因数，η=0．85，cosφ=0．8；K为电流波形的修正系数，PWM方式取1．05～1．1。

2．1．2 IGBT电压选择

    IGWT电压应

    式中：Udcmax为母线*高电压；α为过电压保护系数，取α=1．15；β为**系数，一般取β=1．1；Ldi／dt为母线电感引起的尖峰电压，这里取100 V。

    通过对式(2)进行计算得到Ucesp=858．7 V，这样应选择Uces=1 200V的元件。

2．1．3 IGBT电流规格选择

    IGBT电流的选择，需保证电机峰值电流在IGBT的**工作区内。IGBT的额定电流应满足：

    式中：S为电机控制器容量，此处S=114kVA；kg=1.5；kjw为考虑结温的电流降额系数，此处kjw=1.4；U0为驱动电机线电压，

    由式(3)可得，Ic应大于508．94 A，根据IGBT的等级应选择Ic=600 A的元件。

2．2 IGBT驱动电路设计

    根据IGBT驱动电路的性其参数为：可驱动IGBT*高为150 A／1 200 V级；光学隔离，带故障反馈输出；16脚贴片封装，CMOS／TTL兼容，500 ns开关速度；软关断技术，集成过流、欠压保护功能；15～30 V宽电压工作环境。

    由HCPL316J构成的驱动电路如图2所示。由于选用的Ic=600 A，HCPL316J不能够直接驱动，故经过推挽放大后驱动IGBT。

2．3 信号检测电路设计

    信号检测电路包括母线电压、母线电流、驱动电机三相电流、控制器温度、电机温度和电机转子位置与转速的采样与调理电路。除转子位置与速度采样电路外，其他信号均为模拟量，需经过隔离后，调理成ADC单元可以处理的信号。

2．3．1 相电流采样电路

    采样电路由滤波调理电路和偏移限幅电路组成。从电流传感器输出的与实际电流成比例的信号，经一阶低通滤波和比例运算后，得到幅值为-1．65～1．65 V，再经偏置电路转换为0～3．3 V。

2．3．2 位置与速度检测电路

    选用旋转变压器作为转子位置传感器，旋转变压器适用于工作环境恶劣的场合，具有较强的抗干扰能力。旋变／数字转换器采用AD2S12 05，能获取转子的**位置信息。采用5 V电源供电，外接8．912 MHz的晶振。根据所选旋转变压器的励磁电压电流要求，设计励磁环节的运算放大电路，保证接收的正余弦信号峰峰值为(3．6±36％)V。

2．3．3 故障与保护电路

    W相过流保护电路将采集的电流信号与预先设定的极限值进行比较，当超过极限值时，触发故障锁存电路。故障锁存与**电路中，各种故障信号相与后，经过RS触发器，触发PDPINTA中断，并封锁PWM输出。当故障已被消除时，通过DSP可将RS触发器复位。该电路还能保证DSP复位过程中对PWM信号的封锁。

3 控制单元软件设计

    电机控制器控制框图如图3所示。驱动电机控制器采用旋转变压器直接获取转子位置和速度，采用霍尔电流传感器直接检测定子三相电流。控制器利用转子位置信息将三相电流进行坐标变换，得到d，q轴电流反馈值。d，q轴电流参考信号与实际值比较后，其偏差值被输入至调节器，调节器的输出与解耦电路输出相加，便得到磁场定向d，q轴系中两轴电压参考值udref和uqref，通过Park逆变换，转换为α，β轴参考电压uαrad，uβref，经过SVPWM模块产生控制逆变器各功率开关的开通和关断信号。其中，主控芯片采用TMS320LF2407A，其很适合于电动机的实时控制。

    电机控制程序采用前后台系统来完成。前台系统为中断级程序，包括T1定时器下溢中断服务程序，实现电机控制的核心算法和故障中断，包括XINT1外部中断服务程序和PDPINTA中断服务程序，用于封锁PWM输出。T1定时器下溢中断服务程序如图4所示，故障中断服务程序如图5所示。

    后台系统为任务级程序，流程图如图6所示。

    一个完整的驱动电机控制器，不仅要实现电机的控制算法，还要具备运行控制、参数设置和工作状态监视等功能。此处将这些功能在任务级程序中实现。驱动电机控制器可通过操作键盘、控制端子和通信程序设定控制命令、运行频率，修改相关功能码参数，监控控制器工作状态及故障信息。

    任务级程序是一个无限循环系统，根据各种任务的实时性要求，将其划分为4个等级，如故障检测函数和参数设置函数每1 ms执行1次，而对于输入输出端子的处理函数则要每10ms执行1次。

4 实验

    为验证和调试驱动电机控制器，进行了实验研究。驱动电机测试系统由AVL测功机、Digatron电池模拟器、功率分析仪、驱动电机及其控制器组成。测功机采用转速控制方式，提供负载；功率分析仪采集直流母线电压电流、电机输入侧的电压电流、测功机输出的转矩和转速信息，并实时传送至上位机保存实验数据；电池模拟器为驱动电机及其控制器提供电能；dSPACE通过CAN总线或者模拟量控制电机的输出转矩。

    驱动电机在加速、平稳运行和制动3个阶段下的转速、转矩曲线和电压、电流波形如图7所示。由图可知，系统电流控制特性良好。

5 结论

    电动汽车要求电机及其控制器具有转速范围宽、过载系数高的特点，研制的利用DSP构成的永磁同步电机控制系统，具有控制功能强、速度快、保护功能完善及工作性能稳定等特点。整个线路外围元件少、走线简单、逆变器体积小，可靠性高，能够满足电动汽车电驱动系统的要求。