基于特種車輛永磁同步多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)設計

蔣雨菲，沈 堅，段卓琳，王偉洋，董星言，楊金波，吳 丹

(1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100047；2.中國航天萬源國際(集團)有限公司，北京 100176；3.北京長征天民高科技有限公司，北京 100047)

0 引 言

特種電驅(qū)車輛中普遍采用分布式電驅(qū)系統(tǒng)和多輪驅(qū)動架構(gòu)，各驅(qū)動電機具有獨立的控制自由度。根據(jù)車輛的不同行駛工況及路面狀態(tài)，協(xié)同控制驅(qū)動電機。同時，整車其他系統(tǒng)采用相同功率級別的電機完成油源驅(qū)動，且輪邊驅(qū)動電機和油源電機工作流程不存在重疊工況。設計多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)，考慮輪邊驅(qū)動電機和油源電機復用一套電機驅(qū)動器，可以提高系統(tǒng)集成度，減少硬件成本，應用效果明顯，多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在車輛行駛過程中，多用途電機驅(qū)動器功率通道通過配電單元連接至輪邊驅(qū)動電機，同時采集輪邊驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號，完成電機驅(qū)動。

在駐車工況中，多用途電機驅(qū)動器功率通道通過配電單元連接至油源驅(qū)動電機，同時選擇油源驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)變壓器反饋信號，采用轉(zhuǎn)速控制模式，實現(xiàn)輪邊驅(qū)動功能。

圖1 多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)復用架構(gòu)

伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，可以精確地跟隨或復現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)[1]。永磁同步電機(以下簡稱PMSM)的控制方法有多種，目前成熟和廣泛應用的是在1971由德國學者Blaschke首次提出的矢量控制方法[2]。矢量控制是將磁鏈和轉(zhuǎn)矩解耦并分別調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的高性能控制，適用于高性能控制場合，滿足特種車輛的應用需求。

多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)設計已成為現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展趨勢，其相關(guān)研究也成為研究熱點[3]。多用途電機驅(qū)動器要求具備轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩工作模式，具備多路反饋信號適配能力，具備較強的電磁兼容能力。為滿足多功能復用系統(tǒng)要求，即兩路電機的編碼器信號輸入，通常需要設計控制板，采用板上片選方式，實現(xiàn)驅(qū)動電機及油源電機雙編碼器信號兼容設計。開展雙電機匹配控制設計，根據(jù)工作流程需要，實現(xiàn)雙電機轉(zhuǎn)速控制的模態(tài)切換。軟件設計中采用兩組控制參數(shù)，在不同模態(tài)下選用，實現(xiàn)雙電機參數(shù)匹配設計。

1 PMSM控制方案設計

1.1 數(shù)學模型

通過坐標變換可知，PMSM在dq坐標系下的電壓方程、磁鏈方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程等如下所示。

電壓方程：

(1)

磁鏈方程：

(2)

電磁轉(zhuǎn)矩方程：

Te=pψs×is=p[ψfiq+(Ld-Lq)idiq]

(3)

運動方程：

(4)

(5)

式中：ωn為機械角速度；ωe為電角速度，ωe=pωn；Te為電機電磁轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；TL為負載轉(zhuǎn)矩；Bm為粘滯摩擦系數(shù)(可忽略)。

1.2 PMSM的矢量控制

矢量控制本質(zhì)是對電機電流的控制[4]。其中，id=0的矢量控制致去磁作用的產(chǎn)生，控制效果好，滿足特種車輛的應用需求。id=0的矢量控制算法含電流、轉(zhuǎn)速、位置三閉環(huán)結(jié)構(gòu)[5]，如圖2所示。

圖2 矢量控制框圖

2 多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)設計

2.1 總體方案設計

多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)如圖3所示。主回路包括母線支撐電容、IGBT和電流霍爾傳感器。母線支撐電容的作用是穩(wěn)定母線電壓，阻止功率器件開通和關(guān)斷產(chǎn)生的電流諧波進入電源。IGBT是控制器的核心器件，通過對IGBT開關(guān)狀態(tài)的控制可以控制電機的三相電流，進而控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。電流傳感器用來檢測相電流和直流母線電流。電機相電流檢測可以為電機矢量控制提供所需的電流反饋，母線電流檢測可用于控制器輸入功率估算。濾波電路通常由磁環(huán)、X電容、Y電容組成，主要作用是提供控制器的電磁兼容能力。為了盡可能壓縮控制器體積，并參考市場主流產(chǎn)品的功能配置，取消了預充電路，預充、輸出切換的功能將在高壓配電箱中實現(xiàn)。

圖3 多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)框圖

控制與驅(qū)動電路主要完成母線電壓、電機相電流、母線電流、電機1和電機2的溫度、電機1和電機2的轉(zhuǎn)子位置等信號的采集，電機控制所需要的各種運算的實現(xiàn)，與其它設備的通訊以及提供IGBT所需要的驅(qū)動信號等功能。

2.2 控制電路設計

控制器所需檢測的實時信號多，算法復雜。DSP28335作為系統(tǒng)控制芯片，運算速度快、實時性高，擁有專門用于電機控制外設——增強型脈寬調(diào)制模塊(ePWM)、ADC轉(zhuǎn)換單元、串行通信(SCI、SPI)等接口，可發(fā)揮其高性能的信號處理和控制功能。

控制電路框圖如圖4所示，該系統(tǒng)利用DSP(TMS320F28335)的AD轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)直流母線電壓、相電流信號的采樣與保護功能；ePWM模塊產(chǎn)生PWM波；CAN模塊實現(xiàn)通訊功能；考慮DSP運行過程狀態(tài)參數(shù)監(jiān)控及故障狀態(tài)發(fā)生時的狀態(tài)保存，需要選用鐵電存儲器，掉電后數(shù)據(jù)能夠保存以便進行故障診斷和數(shù)據(jù)處理?？刂破骶哂须p抱閘輸出控制信號功能，即通過DSP的I/O口和外部電路控制報閘繼電器線圈，繼電器閉合抱閘制動器工作。

圖4 控制系統(tǒng)框圖

位置檢測電路是該驅(qū)動器的設計亮點，利用旋轉(zhuǎn)變壓器專用解碼芯片AD2S1210，可將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的角位置和角速度信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字邏輯電平信號[6]。DSP的SPI接口將該轉(zhuǎn)子位置信號采集并解析，同時具備多路反饋信號復用功能，按照AD2S1210解碼芯片串行接口時序要求，開展多路片選設計，分時將數(shù)據(jù)傳輸至片內(nèi)寄存器中，實現(xiàn)雙電機信號兼容采樣設計的要求。

多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)編碼器信號輸入存在信號切換過程，電磁屏蔽的完整性較單一狀態(tài)有所下降，且存在天線效應和局部電磁兼容問題。同時考慮電機驅(qū)動器中大功率器件在PWM變換過程中會造成電磁干擾信號，因此在有限空間里控制板、功率板、電源板和功率模塊設計，以及機箱內(nèi)線纜布局設計，均以提高抗干擾能力。

2.3 控制軟件設計

本軟件基于DSP28335平臺，圖5、圖6為系統(tǒng)程序框圖。其中，主程序主要完成初始化，包括配置寄存器、雙電機所對應的參數(shù)賦值操作等，然后進行上電自檢，若系統(tǒng)正常則程序運行，若報故則驅(qū)動器輸入保護，上位機顯示故障并提示檢修。中斷處理程序是系統(tǒng)控制算法的核心部分，它包括AD轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)子位置處理、閉環(huán)PI調(diào)節(jié)、坐標變換子程序以及SVPWM算法程序等。

圖5 控制系統(tǒng)主程序框圖

圖6 中斷處理程序框圖

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗平臺

試驗采用一臺自主研制的多用途電機控制器分時驅(qū)動兩臺92 kW PMSM?？刂破髦饕煽刂瓢?、功率板、電源板和功率模塊等組成，如圖7、圖8所示。

圖7 控制器實物圖圖8 控制器結(jié)構(gòu)

兩臺PMSM參數(shù)一樣，如表1所示。

3.2 試驗內(nèi)容及結(jié)果

采用對拖臺架進行加載，試驗環(huán)境如圖9所示。

表1 永磁同步電機的參數(shù)

圖9 臺架試驗環(huán)境示意圖

對兩路電機轉(zhuǎn)子位置信號采樣測試，檢測旋轉(zhuǎn)變壓器返回信號，用CANalyzer采集數(shù)據(jù)如圖10所示，通過軟件切換，可實現(xiàn)電機1(電機位置值為458)和電機2(電機位置值為3384)轉(zhuǎn)子位置信號采樣。

圖10 兩路電機轉(zhuǎn)子位置信號采樣測試

結(jié)果如圖11、圖12所示。根據(jù)運行曲線知，電機在±1 000 r/min、額定電壓550 V(DC)，可正常運行，信號采集正常。

圖11 電機1實際轉(zhuǎn)速曲線

圖12 電機2實際轉(zhuǎn)速曲線

4 結(jié) 語

本文論述了在特種車輛應用場合多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)設計的重要性，著重介紹了矢量控制方案、多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)總體方案、控制電路方案以及控制軟件設計，并通過相關(guān)試驗對系統(tǒng)設計進行充分驗證，為特種車輛永磁同步多用途電機驅(qū)動系統(tǒng)研發(fā)提供借鑒。