基于TC1782的永磁同步电机控制系统

单片机

摘要：本文在简要介绍当前驱动汽车技术革命的电动汽车技术的前提下，详细介绍了电动汽车主要核心部件的驱动电机及其控制器，重点分析了英飞凌32位新型单片机在电机控制器中的应用以及软件的基本架构，探讨了用软件实现旋变解码的可行性及其解决方案。并结合当前比较流行的汽车功能安全标准ISO26262，阐述英飞凌在汽车电机控制器的安全应用解决方案。
关键词：PMSM；Audo-MAX；ISO26262；FOC；HybridPACK；旋变解码；
中图分类号：TU411;TU472.5 文献标识码：A
PMSM Motor Control System based On TC1782
Chen Hanshun，Qian Weizhe，Li Shinian
(Infineon technology(China) corporation, Shanghai 201203, China)
Abstract: This paper firstly introduces the background of revolutionary electric-drivetrain technology and two major parts of a typical xEV: drive motor and vehicle-control systems. Based on this, it presents AUDO-Max, Infineon 32-bit Microcontroller family: key features, their applications in PMSM control as well as the associated basic software architecture. The feasibility study of replacing resolver IC with a software-based approach is also carried out. Finally, this paper proposes a safety computation platform which offers a complete solution for xEV motor control according to ISO26262, the newly-introduced international functional safety standard.
Key words: PMSM; ISO26262;FOC;HybridPACK; Resolver .
0 前言
电动汽车是21世纪的绿色交通工具，电动汽车技术是当前国际上正在进行研究的一项高新且热门的技术。作为核心部件之一的驱动电机及其控制系统在纯电动汽车(EV)及混合动力汽车(HEV)中起着至关重要的作用，对它们进行研究具有重要的理论和现实意义。
永磁同步电机(技术上也叫PMSM)相对于传统交流电机具有高效、高功率密度以及良好的调速性能[1]，正逐渐成为EV和HEV中驱动电机的首选之一。本文主要讨论了研制与开发永磁同步电机控制系统中的关键技术，阐述了控制系统的功能架构和软硬件的实现过程，初步形成了控制系统的开发体系，为电动汽车驱动电机控制系统的独立开发奠定了技术基础。
1 永磁同步电机
永磁同步电机PMSM转子上装有永久磁体，定子采用正弦绕组(图1左)，三相逆变器提供定子绕组的三相对称电流(图1右)产生旋变磁场，从而拖动永磁转子同步旋转，定子绕组的通电频率以及由此产生的旋变磁场转速取决于转子的实际位置和转速。

图1 PMSM电机结构及控制原理
和常见的交流感应电机不一样，PMSM电机所用正弦波必须和转子的角位置同步才能获得有用的扭矩,因此在控制电机时必须实时获取转子的实际位置和转速。电机转子角位置的值常常由一般用绝对位置传感器(包括绝对码盘和旋转变压器)。永磁同步电机低速时常采用矢量控制，包括气隙磁场定向、转子磁链定向和定子磁链定向，高速时增加弱磁控制[2]。
2 电机控制系统
2.1 系统架构
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[1]，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：

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，HybridPACK™2 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。
2.2 主控制器设计
PMSM电机控制系统的驱动器采用了Infineon生产的标准驱动模块，以下讨论将集中于主控制器的设计，最后验证测试整个控制系统。
2.2.1 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。
2.2.2 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。

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。
2.2.3 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等[3]

图5 磁场定向控制FOC

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。

图7 主控制器软件系统架构
图7所示的软件系统架构中，主CPU在一个小型任务调度器的基础上，分别调用了英飞凌安全功能软件SafeTcore和PMSM电机控制相关算法软件，SafeTcore在CPU运行时循环检测系统的故障，测试项目可以依照要求进行配置，所运行的PMSM电机控制算法采用图5和图6中所示的控制策略进行。外设协处理器PCP除了运行安全功能软件SafeTcore软件监控主CPU的运行外，还可以处理和通讯相关的中断和信号采样中断等，从而降低主CPU的中断负载。
3.1 软件的旋变解码
如前所述，PMSM电机的位置和转速信息在电机控制中相当重要，旋变接口电路为获取这些信息提供了硬件解决方案。从ISO26262汽车功能安全规范要求的控制系统冗余性来看，需要提供第二种途径获取电机位置和转速信息，从而验证硬件解决方案获取的信息是否正确，提高系统的安全性，现有的欧洲电动车电机控制系统常常使用软件的旋变解码作为硬件解码方案的备份。TC1782的高速FADC接口为这种方法提供了硬件基础，具体思路见图8所示：

图8 旋变信号的软件解码
上图所示的FIR变换及其后面的模块功能都是由软件来完成，CPU计算速度对PMSM这样的实时控制系统而言非常关键。多次测试发现，基于上述软件解码流程生成的TC1782软件代码在效率上可以达到5微妙的计算速度，效率上能够可以满足系统的应用要求。
3 测试验证

PMSM电机控制系统的测试在AVL的电机试验台上进行，其实物及系统架构如图9所示。母线电压和输入功率显示在Yokogawa的WT3000功率分析仪测试，电流传感器检测U相和V相电流，另外WT3000功率分析仪通过扭矩传感器和转速计测试PMSM电机的输出扭矩和转速。

图 9电机测试台架系统
图10所示为母线电压230伏、不同电源输出功率下的相电流和电流频率值，左图为26千瓦下相电流有效值为235安，频率为100.75赫兹，右图为51千瓦下相电流有效值为270安，频率为164.8赫兹。

图10高功率测试
4 结束语
电动汽车电机控制系统是电动汽车的核心部件，本文针对用于PMSM电机控制系统的主控制器进行了如下的设计与研发工作:
1) 根据电动汽车动力系统的控制需求，提出了电机主控制器的设计原则及功能划分，在此基础上确定了基于TC1782的主控制器的硬件结构及接口。
2) 参照ISO26262安全功能规范，在TC1782和CIC61508功能安全监控芯片为硬件基础上，集成SafeTcore功能安全软件包。
3) 试验表明，该主控制器能够很好的适应电动汽车的应用环境，到达了对整车动力系统进行有效的控制与管理的设计目的。

参考文献：
[1] 易将能,韩力.电动车驱动电机及其控制技术综述.微特电机，第36-38页，2001年第四期
[2] 程飞,过学讯.电动汽车用电机及其控制技术研究.防爆电机，第41卷，2006年第五期
[3] 游琳娟,吴汉光,雷德森.电动车电机及其控制技术的发展.中小型电机,2001，28(1)：35-38
[4] 刘文良,张国政.永磁同步电机单位功率因数控制.微电机，第45卷，2012年第2期

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