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[经验] 电动汽车电机控制器驱动板的设计思路及实现方式

2019-12-25 18:29:41  724 电机控制 电机驱动板 信号处理
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电机应用在现代社会的方方面面,小到电动玩具、电风扇、空调、洗衣机,大到电站的MW 级电机。本文主要介绍应用于电动汽车驱动和船舶驱动等领域的异步电机或永磁同步电机的控制板件的设计方法。
1 背景介绍
首先简单介绍电机控制器的总体构成。电机控制器其实就是一部逆变器,它将动力电池的直流电转换为电机转动所需要的交流电,通过电压、频率等的改变,从而控制电机输出的转速或转矩。
电机控制器的基本构成如图1,主要有叠层母排、支撑电容、IGBT、三相铜排、电流传感器、电压传感器、驱动板和控制板这些部分。而预充电接触器、预充电电阻和主接触器一般位于控制器外,用于防止上电瞬间充电电流过大,当支撑电容上电压较为稳定后使用主接触器将预充电电路切出。电流传感器的数量,根据对控制的要求不同而不同。为保护IGBT,很多应用中还会使用吸收电容对尖峰电压进行吸收。在电动汽车应用中,控制器的直流输入来自于动力电池; 而在船舶等应用中,控制器的直流输入来自于整流系统的输出。根据不同的冷却方式,电机控制器结构也会有所不同,自然冷却会有散热翅片,风冷会有风扇和散热翅片,水冷会有冷却水道和进出水嘴。此外,如果控制器有制动功能,控制器内还会有一路制动电路。
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图1 电机控制器基本构成
2 控制板件设计
控制板件在电机控制器中的主要功能为提供IGBT 所需的开关信号,从而实现直流电到交流电的转换。为实现这一功能,控制板件首先要能发出PWM 波; 其次还要精确采集电压电流信号; 也必须要能通信,得到目标转矩转速等信号; 还需要有强大的运算功能等。控制板件的典型组成如图2。
2. 1 最小系统
最小系统是整个控制板件的核心。最小系统包括主控芯片及其周边器件,比如JTAG 调试接口晶振电路、复位电路等。在实际电机控制应用中,比较常用的主控芯片有ti 的28 系列,infineon 的TriCore 系列等。其中传统的变频器厂家使用TI系列的较多,而由于Infineon 在汽车级产品方面做得较好,所以汽车上的电机控制器很多使用Infineon 的产品,此外NXP、ST等公司主控芯片也有大量使用。选用时可根据工程师使用习惯、成本、售后等做综合考虑进行选用。本文以TI 的TMS320F28335( 后简称28335) 为例进行说明。
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图2 控制板件典型构成
控制板上可使用EEPROM 来储存电机参数以及控制中所需要的其他大量参数。EEPROM 可通过SPI 接口或I2C 接口与主控芯片连接。
2. 2 电源模块
在船舶等工业应用领域,电源的典型输入为24 V,在电动汽车等应用领域,电源的典型输入为12 V 或24 V。28335 芯片正常工作需要3. 3 V 和1. 9 V 两路电源,板上其他常用的典型电平应该还包括5 V,正负15 V 等。5 V 是运放芯片、CAN芯片等需要的电源,正负15 V 是驱动板、传感器所需电源。
实际应用中需要统计板上各个芯片所需的电源电压、电流、是否隔离、上电顺序是否有要求等信息,对电源进行设计。可自行设计变压器产生多路电源; 也可采购现成的成熟的电源模块; 5 V 转3. 3 V 等应用可采购相应的LDO 芯片并参照数据表进行外围电容电感选用。5 V 或3. 3 V 处可设计LED 上电指示灯,方便调试时知道控制板件是否已上电。
2. 3 模拟量采集模块
模拟量采集电路是控制板件设计的重中之重。控制板件需采集的模拟信号包括: 电流、电压、温度。其中电流信号与控制关系紧密,精度要求最高,如果电流信号干扰过大甚至会使整张控制板报废。电压和温度主要是与故障控制相关,精度要求稍低。
电流: 需要检测输出交流电流。控制时只需用到两相电流,从成本考虑可只采集两相,但如需检查缺相等故障,采集三相电流更为可靠。电流信号的输入一般采用霍尔电流传感器。
电压: 需检测母线电压。电压信号的输入可采用霍尔电压传感器。但由于成本较高,也可采用其他方案,比如电阻分压加上隔离芯片的方法。在实际操作中,也可考虑将电压采集部分单独做在一张PCB 板上,这样控制板上不会有很高的电压,比较安全。
温度: 需要检测包括电机温度、IGBT 温度以及控制器想要采集的其他位置的温度。电机的温度采集一般采用pt100 传感器,它的好处是电阻与温度的关系是恒定的,不会因为品牌和购买渠道的差异而产生变化。IGBT 上的温度传感器一般是NTC 传感器,这是负温度系数的传感器,温度越高,电阻越低,NTC 的电阻与温度的关系不是固定的,使用时需找到相应NTC的计算公式; NTC 的优点在于价格较为便宜,处理电路也较为简单。
以上信号在进入主控芯片前都需经过滤波处理,滤除信号传输过程中产生的毛刺,但对电流信号的滤波电容不应选择过大,这样不至于造成较大相移影响控制。还需经过运放对电压范围进行调整,以免超出主控芯片IO 口的电压阈值,在28335中不能超过3 V。可在信号进入主控芯片前采用钳位二极管进行钳位,保证电压不超过范围。很多主控芯片上会自带AD 转换器。28335 自带的AD 转换器为12 位精度,精度可达到3 V/212 = 7. 32e - 4 V; 该转换器可同时采集两路信号,可以满足一般控制的要求。如果对采集的精度及不同信号的同时性有更高要求的话,可选用专门的片外AD,比如AD7656,它可达到16 位精度,可实现六路信号的同时采集。模拟信号电路的电源和地与板上其他电源和地最好用磁珠等分隔开,减少数字开关信号对模拟信号的干扰。
2. 4 故障处理模块
模拟运放电路处理过的电流、电压信号在传送到主控芯片的同时,也应送入比较器电路进行比较。通过电阻分压设定比较器电路的基准电压,这样在过流或者过压时就能产生硬件故障信号,比软件故障信号更为及时和可靠。板上可能出现的故障信号有过压、过流、欠压、过温、IGBT 故障、旋变解码芯片故障等,很多控制板件会采用一块CPLD 或者是由RS 触发器等来综合故障信号,在严重故障出现时,更为及时的封锁PWM 输出。需注意驱动板产生的故障信号很多时候是集电极开路输出的,在输入到CPLD 或者其他电路之前应先用电阻上拉至合适的电平。
2. 5 通信模块
控制板件需要与上位机进行通信,在调试时可以对各种参数进行监测,并给出控制指令和控制参数; 实际应用中也需要跟整车控制器等进行通信,跟踪对转矩或是速度的指令,传递故障信息。工业应用中RS485 串行通信使用较为广泛,控制板件上需配备485 通信芯片及其周边电路。汽车相关应用中CAN 通信使用最为广泛,控制板上需配备CAN 芯片,一般建议CAN 芯片的供电电源能够隔离,这样能更加可靠。在设计CAN 通信电路时还需注意,应给终端匹配电阻留下位置,在传输距离较长时可消除通信电缆中的信号反射。
2. 6 继电器模块
由图1 可知主接触器、预充电接触器都需要由控制板件来进行控制,由于接触器的额定电压较高或是控制电流较大,主控芯片的IO 口没法对接触器进行直接控制,需要通过光电路或是固态继电器等电路来进行中继。在控制板件上至少需要三路继电器中继电路,用于对预充电接触器、主接触器、风扇或者水泵等进行控制。
2. 7 PWM 模块
主控芯片的PWM 信号不能直接输入给驱动板,因为驱动板对PWM 信号的电平有要求,PWM 信号在控制板件上需要有一个电压变换的过程,比如在28335 的应用中,是从3. 3 V 转换为15 V 电平。PWM 信号输出时可不用隔离,因为一般驱动板上会对此信号进行隔离。如果控制板上有CPLD 来处理故障信号和PWM 信号,从主控芯片输出的PWM 信号应先经过CPLD 再输出,这样在有故障时CPLD 可以快速封锁PWM,避免驱动板和IGBT 的损坏。有些控制板件设计中PWM 信号会经过施密特反相器等,也会有使能信号进行输出控制,并能使得PWM 信号的边沿陡峭,但此时在控制中要格外注意PWM的电平是高有效还是低有效。三相电机驱动一般需要6 路PWM 信号,但如果电机控制器有制动功能,最好多增加一路PWM 信号,用于斩波器的控制。
2. 8 速度检测模块
速度检测可采用光电编码器、旋转变压器等。光电编码器反馈的是数字信号,而旋转变压器反馈的是模拟的正弦或余弦信号。由于旋转变压器可应用于很高的转速,温度范围也更广,耐振动,所以现在得到了普遍应用。
若使用光电编码器,输入的A、B、Z 为数字信号,可通过光耦隔离后连接到主控芯片,在28335 的应用中应连接到28335的QEP 模块相应引脚。
旋转变压器的基本原理是有一个旋转的转子和两个互成90 度的定子,如图3 所示。它的转子固定在电机的转子上。
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图3 旋转变压器原理图
在激励线圈上通入正弦激励信号Uref,当转子转动时,在图中Usin 和Ucos 两路线圈会产生感应电压信号,根据该感应电压信号的相位、幅值等可计算得到转子的角度和速度。若自主设计激励电路,可参考如下电路进行设计,该电路中包括将输出方波转换为正弦信号Uref 的激励产生电路,以及对返回正余弦信号Usin 和Ucos 进行处理的运放电路。采集到正余弦模拟信号之后,若希望从该模拟信号得到位置、速度信号,在软件中还需设计解码算法进行计算。也可以有专门的旋变解码芯片对旋转变压器的信号进行解码,比如AD 公司的AD2S1210 就是一款较常用的解码芯片,其手册中也推荐了该芯片的周边电路,包括激励缓冲电路等。该芯片可直接得到位置和速度信号,能通过SPI 接口或并行数据总线传送给主控芯片。在船舶等应用场景中,会出现无法安装速度传感器的情况,此时只能进行无速度传感器控制。不过控制板上依然可配备速度检测电路,用于在实验室测试时对无速度传感控制算法的验证。

图4 旋变信号处理电路
3 结语
前面介绍了典型电机控制器控制板件的设计方法,当然实际的设计工作中,还需考虑的因素很多。比如在汽车相关应用中,需要选用汽车级芯片,温度范围在- 40℃ ~ 125℃; 而工业相关应用,需选用工业级芯片,温度范围在- 40℃ ~ 85℃。板件上还需有很多接插件,需要与航空插头、传感器、驱动板等进行接口,接插件的选择要考虑到传输的电流、是否抗振动等因素。即使控制板件原理和器件选用都没有问题,PCB 的设计过程也需格外小心,遵循数字电路、模拟电路尽量分开,缩小信号回路,合适的电容放置位置以及合适的信号线间距等等原则。并需注意应在PCB 板件上放置足够的测试点,方便调试。
所以电机控制器的控制板件设计包括了原理设计、器件选型、PCB 布板等工作,必须各处兼顾,才能得到信号准确使用可靠的控制板件,减轻软硬件调试工作量,并为成功的电机控制奠定基础。

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