基于英飞凌Tc1797芯片的电机控制系统设计

分享到

 电机控制系统能否满足电动汽车的要求,是新能源汽车研发中的重要问题。本文介绍了基于英飞凌Tc1797芯片的电机控制系统设计方法。为电动汽车中电机控制系统的设计提供了可行、可靠的方案。
   
由于全球环境污染的日益恶化,石油资源危机的若隐若现,汽车行业开始大规模向新能源领域进军,以电机为主要或辅助驱动源是当前流行的研究主题。设计出满足汽车要求的电机控制系统是一项关键技术,本文以汽车级芯片英飞凌Tc1797为主控芯片,以永磁同步电机为原型,开发电机控制系统。

英飞凌芯片介绍

    传统的电机控制系统设计多集中在工业级,而汽车级控制器相对于工业级控制器要求工作温度范围更宽,一般工业级控制芯片的工作温度范围是-40~,而汽车级芯片工作温度范围是~。所以当应用到汽车这样复杂的环境中时,一些传统的控制芯片难以保证其工作的可靠性

  

 

本文选用英飞凌公司的汽车级处理芯片Tc1797芯片,其具有以下特点(见表1)

控制器设计

   控制器硬件设计,包括最小系统搭建、外围A/DD/ADigital I/O电路设计、通讯接口设计等。

    最小系统搭建,指将Tc1797基本系统建立起来,需要完成晶振电路、电源、总线接口设计。电源设计,整车用电器统一采用12V供电,在汽车级的控制器设计过程中,要注意电源的过压和反极性保护。由于Tc1797芯片是采用3.3V5V供电,所以需要另外设计12V电平转换电路,选用高性能的TLE7368多功能电源芯片,并设置滤波电路和旁路电容以提高系统稳定性。

    按照需求,设计Tc1797的外设电路,将A/D通道分配给电机温度采样、电压采样、电流采样等,并配置I/O功能,可以用于水泵控制、故障输出和急停保护能。在通讯接口设计中,车载ECU采用可靠性高的CAN总线进行ECU间的通讯和诊断。保留JTAG接口,便于软件的刷新与调试。

    由于电机的工作环境恶劣,所以电机位置传感器通常选择可靠性高的旋转变压器来进行电机位置和速度的检测。旋转变压器的处理解码芯片多选用Analog Devices公司的旋变解码芯片。按照旋变本身的特性,匹配不同的放大电路,最终将旋变的信号送到处理芯片。本设计中所使用的AD2S1205芯片中,已集成了对旋变信号重要的故障检测,对于LOSOSLOT等故障,需将故障上报到Tc1797,对其进行监控。

   

 

 选择IGBT时需要注意,其电压规格和电流规格都要满足要求。对于电压,首先要考虑电池的母线电压。一般按照下表的原则来匹配。

    对于电流,按照下列公式进行选择:

    Vce=Vto+rt.I

    P=VceSat.I

    P=(125-80)/RthJC

    Icalc = 

    本文最终选用 IGBT module HybridPACK2(650V/

电机控制

 

    

电机模型作为电机控制的对象,模型的准确性是电机控制软件开发成功的一个必要条件。目前普遍使用Matlab模型库中的PMSM模型,通过输入电机的各项参数来完成模型搭建。但是Matlab的电机模型忽略了温度、电流对电感的影响,LdLq均设置为常量。为了更准确地建立电机本体模型,本文经过大量的试验,实测电机参数,在原PMSM模型的基础上进行修改,从而得到相对准确的电机模型。 

    本文以在项目中所使用的电机为例,建立以下电机模型。基本参数为:Udc=300VJ =0.027p=4LdLq由实际测试的图表组成。

     本文采用控制性能优越的矢量控制算法。矢量控制算法是指在磁场定向坐标上,将电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量。矢量控制的关键是对电流矢量的幅值和空间位置(频率和相位)的控制。由于车用电机调速范围较广,所以基速以上的部分需要进行弱磁控制。

 

    将建立的电机控制模型,电机控制软件模型进行联合仿真。以速度模式为例,得到下面的仿真结果。从结果上看,电流变化稳定,性能良好。

实验 

    为了质量控制完善,本设计中使用Matlab自动生成代码。然后通过Tasking软件进行编译,通过UDE工具将电机控制软件代码下载到控制器中。 

    在台架上实现整个系统的联合调试, 测试电机控制性能。

    以扭矩控制为例,测功机控制电机工作在500RPM。通过控制器控制电机输出扭矩。得到下列实测数据。试验结果显示电机控制扭矩控制性能稳定,具有良好的控制精度。

结论

    本文详细介绍了汽车级电机控制系统从控制器硬件的搭建到电机控制软件模型的建立的设计过程。从系统仿真和试验两个方面共同验证了系统的可行性。为汽车级电机控制系统的设计提供了一个平台。在此基础上,还需要细节上的进一步优化,例如在机械结构,密封性能、电机控制稳定性、故障诊断等方面的优化,以更好地满足汽车级用电器的要求。