英飞凌PMSM电机控制系统的解决方案

永磁同步电机PMSM的特性决定了控制系统的复杂性,较为常见的PMSM电机控制系统主要由驱动器、主控制器(逻辑控制板)及各种传感器(电流传感器,温度传感器和旋变绕组等) 等组成,图2所示为英飞凌推出的应用于在EV和HEV上PMSM电机控制系统的解决方案:

英飞凌PMSM电机控制系统的解决方案

图 2 PMSM电机控制系统

在上图所示方案中,驱动器由IGBT三相桥驱动板,HybridPACK2 IGBT(简称HP2)模块和直流母线电容组成。IGBT三相桥驱动板包括6通道的IGBT预驱动电路,开关电源SMPS,逻辑门电路,故障检测电路,电压及温度测量电路。由六个IGBT单元组成驱动PMSM电机的三相桥臂的HP2模块是英飞凌专门为EV和HEV应用而设计的大功率模块,其最大工作电压为650 V,最大额定功率为80KW,模块的最高运行结温为150℃。主控制器则搭载了英飞凌32位新型单片机TC1782(Audo-MAX系列)的最小系统电路,旋变解码电路,支持ISO26262功能安全解决方案的监控电路和传感器接口电路等。

主芯片选型

PMSM电机的控制要求主控制器不仅有强大的适合电机控制的专用外设,而且有很强的实时性能。TC1782是一款哈弗架构且有非对称双核(主核Tricore和外设控制协处理器PCP)的高性能32位单片机,主频高达180MHz,内置浮点运算单元FPU,支持DSP算法指令,2.5M字节FLASH,176K字节RAM。

TC1782与电机控制相关的重要外设主要是通用时间阵列GPTA和数模转换ADC。GPTA提供一套灵活的定时,比较和捕获功能,可以灵活地组合成信号检测单元和信号发生单元,应用于电机控制时可以支持动态控制的死区时间和不同于边沿对齐和中央对齐的非对称PWM输出。由硬件触发(如GPTA)并实现同步转换的数模转换模块ADC至少可以支持在电机应用中两相电流的同时获取。图3中所示为电机控制的一个单周期时序,GPTA生成一相带死区的互补式PWM波形,在PWM中点同时触发ADC0和ADC1的转换,ADC模块在完成对应通道转换后启动CPU中断服务程序。

TC1782的每个AD转换模块(ADC0和ADC1)都支持16 路转换通道,具有可编程的转换精度(8/10/12比特),12比特下最快转换时间小于1微秒。专用外设控制协处理器PCP可以承担大部分中断负荷,从而主核可以集中处理用于电机控制的复杂运算,如Park变换,Clarke变换和空间矢量调制(SVM)等。目前TC1782微控制器受到了越来越多的汽车厂商和零部件供应商的关注,被国内外主流OEM和零部件供应商选为电动汽车驱动电机控制器的关键部件之一。

硬件设计

依照PMSM主控制器所需要的功能、实际参与控制的对象以及主控制芯片的特点,PMSM电机控制系统主控制器硬件结构如图4所示。它采用了功能划分和模块化的设计思想,并根据功能需求分离成不同的功能模块。主控制器的主要接口技术参数为:

1)14路模拟量输人通道(12比特);

2)6路PWM输出(带电平转换);

3)2路CAN通讯接口(支持标定和系统通讯);

4)可配置并行或串行通讯的旋变接口电路(AD2S1210);

5)数字量输入(故障检测与诊断等);

6)数字量输出(急停控制与主继电器控制等);

7)电源系统。

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图4 主控制器硬件结构

PMSM电机控制系统要求具有较高的安全等级,驱动器对主控制器的故障响应时间有着严格的要求,因此主控制器采用了符合ISO26262功能安全规范的监控芯片CIC61508设计监控电路。CIC61508具有可配置的电压监控输入,可配置的主CPU任务执行时间和可配置的故障响应时间及输出,可以实时监控主CPU的供电和软件的运行状况,按照预先配置好的故障响应输出控制其他IC的使能与复位引脚,从而实现系统的功能安全要求。

软件设计

PMSM电机的控制系统方案主要以磁场定向控制FOC为主(图5), 另外为达到最佳控制效果, 常常几种控制方案结合运用, 如采用最大转矩控制和弱磁控制原理(图6)以实现电机的效率最优和宽范围的调速方案, 集转矩控制和PWM 控制于一身的控制方案。

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图5 磁场定向控制FOC

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图6 转矩控制和弱磁控制

图5和图6中的PMSM电机控制系统方案中表明TC1782除了要完成和FOC相关的计算,如Clark,Park,i-Park和SVM[4]计算外,还需要对系统的一些信号进行采集,如相电流,母线电压,电机位置和转速等。另外考虑到主控制器参与系统通讯,以及功能安全上的要求,这些都将对单核CPU的负载是一个严峻的挑战。基于以上因素,按照主控制器的功能要求,将主控制器的软件开发模块化,分配给TC1782的主CPU和外设协处理器PCP,从而形成如图7所示的软件流程结构框架。

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图7 主控制器软件系统架构

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