摘要

本文在簡要介紹當前驅動汽車技術革命的電動汽車技術的前提下，詳細介紹了電動汽車主要核心部件的驅動電機及其控制器，重點分析了英飛凌32位新型單片機在電機控制器中的應用以及軟件的基本架構，探討了用軟件實現旋變解碼的可行性及其解決方案。并結合當前比較流行的汽車功能安全標準ISO26262，闡述英飛凌在汽車電機控制器的安全應用解決方案。

0前言

電動汽車是21世紀的綠色交通工具，電動汽車技術是當前國際上正在進行研究的一項高新且熱門的技術。作為核心部件之一的驅動電機及其控制系統(tǒng)在純電動汽車(EV)及混合動力汽車(HEV)中起著至關重要的作用，對它們進行研究具有重要的理論和現實意義。永磁同步電機(技術上也叫PMSM)相對于傳統(tǒng)交流電機具有高效、高功率密度以及良好的調速性能，正逐漸成為EV和HEV中驅動電機的首選之一。本文主要討論了研制與開發(fā)永磁同步電機控制系統(tǒng)中的關鍵技術，闡述了控制系統(tǒng)的功能架構和軟硬件的實現過程，初步形成了控制系統(tǒng)的開發(fā)體系，為電動汽車驅動電機控制系統(tǒng)的獨立開發(fā)奠定了技術基礎。

1永磁同步電機

永磁同步電機PMSM轉子上裝有永久磁體，定子采用正弦繞組(圖1左)，三相逆變器提供定子繞組的三相對稱電流(圖1右)產生旋變磁場，從而拖動永磁轉子同步旋轉，定子繞組的通電頻率以及由此產生的旋變磁場轉速取決于轉子的實際位置和轉速。

圖1：PMSM電機結構及控制原理

和常見的交流感應電機不一樣，PMSM電機所用正弦波必須和轉子的角位置同步才能獲得有用的扭矩,因此在控制電機時必須實時獲取轉子的實際位置和轉速。電機轉子角位置的值常常由一般用絕對位置傳感器(包括絕對碼盤和旋轉變壓器)。永磁同步電機低速時常采用矢量控制，包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向和定子磁鏈定向，高速時增加弱磁控制。

2電機控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)架構

永磁同步電機PMSM的特性決定了控制系統(tǒng)的復雜性，較為常見的PMSM電機控制系統(tǒng)主要由驅動器、主控制器(邏輯控制板)及各種傳感器(電流傳感器，溫度傳感器和旋變繞組等)等組成，圖2所示為英飛凌推出的應用于在EV和HEV上PMSM電機控制系統(tǒng)的解決方案：

圖2：PMSM電機控制系統(tǒng)

在上圖所示方案中，驅動器由IGBT三相橋驅動板，HybridPACK?2IGBT(簡稱HP2)模塊和直流母線電容組成。IGBT三相橋驅動板包括6通道的IGBT預驅動電路，開關電源SMPS，邏輯門電路，故障檢測電路，電壓及溫度測量電路。由六個IGBT單元組成驅動PMSM電機的三相橋臂的HP2模塊是英飛凌專門為EV和HEV應用而設計的大功率模塊，其最大工作電壓為650V，最大額定功率為80KW，模塊的最高運行結溫為150℃。主控制器則搭載了英飛凌32位新型單片機TC1782(Audo-MAX系列)的最小系統(tǒng)電路，旋變解碼電路，支持ISO26262功能安全解決方案的監(jiān)控電路和傳感器接口電路等。

2.2主控制器設計

PMSM電機控制系統(tǒng)的驅動器采用了Infineon生產的標準驅動模塊，以下討論將集中于主控制器的設計，最后驗證測試整個控制系統(tǒng)。

2.2.1主芯片選型

PMSM電機的控制要求主控制器不僅有強大的適合電機控制的專用外設，而且有很強的實時性能。TC1782是一款哈弗架構且有非對稱雙核(主核Tricore和外設控制協處理器PCP)的高性能32位單片機，主頻高達180MHz，內置浮點運算單元FPU，支持DSP算法指令，2.5M字節(jié)FLASH，176K字節(jié)RAM。TC1782與電機控制相關的重要外設主要是通用時間陣列GPTA和數模轉換ADC。GPTA提供一套靈活的定時，比較和捕獲功能，可以靈活地組合成信號檢測單元和信號發(fā)生單元，應用于電機控制時可以支持動態(tài)控制的死區(qū)時間和不同于邊沿對齊和中央對齊的非對稱PWM輸出。由硬件觸發(fā)(如GPTA)并實現同步轉換的數模轉換模塊ADC至少可以支持在電機應用中兩相電流的同時獲取。圖3中所示為電機控制的一個單周期時序，GPTA生成一相帶死區(qū)的互補式PWM波形，在PWM中點同時觸發(fā)ADC0和ADC1的轉換，ADC模塊在完成對應通道轉換后啟動CPU中斷服務程序。

圖3：單周期電機控制時序圖

TC1782的每個AD轉換模塊(ADC0和ADC1)都支持16路轉換通道，具有可編程的轉換精度(8/10/12比特)，12比特下最快轉換時間小于1微秒。專用外設控制協處理器PCP可以承擔大部分中斷負荷，從而主核可以集中處理用于電機控制的復雜運算，如Park變換，Clarke變換和空間矢量調制(SVM)等。目前TC1782微控制器受到了越來越多的汽車廠商和零部件供應商的關注，被國內外主流OEM和零部件供應商選為電動汽車驅動電機控制器的關鍵部件之一。

2.2.2硬件設計

依照PMSM主控制器所需要的功能、實際參與控制的對象以及主控制芯片的特點，PMSM電機控制系統(tǒng)主控制器硬件結構如圖4所示。它采用了功能劃分和模塊化的設計思想，并根據功能需求分離成不同的功能模塊。主控制器的主要接口技術參數為:1）14路模擬量輸人通道(12比特);2）6路PWM輸出(帶電平轉換);3）2路CAN通訊接口(支持標定和系統(tǒng)通訊);4）可配置并行或串行通訊的旋變接口電路(AD2S1210);5）數字量輸入(故障檢測與診斷等)；6）數字量輸出(急?？刂婆c主繼電器控制等)；7）電源系統(tǒng)。

圖4：主控制器硬件結構

PMSM電機控制系統(tǒng)要求具有較高的安全等級，驅動器對主控制器的故障響應時間有著嚴格的要求，因此主控制器采用了符合ISO26262功能安全規(guī)范的監(jiān)控芯片CIC61508設計監(jiān)控電路。CIC61508具有可配置的電壓監(jiān)控輸入，可配置的主CPU任務執(zhí)行時間和可配置的故障響應時間及輸出，可以實時監(jiān)控主CPU的供電和軟件的運行狀況，按照預先配置好的故障響應輸出控制其他IC的使能與復位引腳，從而實現系統(tǒng)的功能安全要求。

2.2.3軟件設計

PMSM電機的控制系統(tǒng)方案主要以磁場定向控制FOC為主(圖5),另外為達到最佳控制效果,常常幾種控制方案結合運用,如采用最大轉矩控制和弱磁控制原理(圖6)以實現電機的效率最優(yōu)和寬范圍的調速方案,集轉矩控制和PWM控制于一身的控制方案等。

圖5：磁場定向控制FOC

圖6：轉矩控制和弱磁控制

圖5和圖6中的PMSM電機控制系統(tǒng)方案中表明TC1782除了要完成和FOC相關的計算，如Clark，Park，i-Park和SVM計算外，還需要對系統(tǒng)的一些信號進行采集，如相電流，母線電壓，電機位置和轉速等。另外考慮到主控制器參與系統(tǒng)通訊，以及功能安全上的要求，這些都將對單核CPU的負載是一個嚴峻的挑戰(zhàn)?；谝陨弦蛩?，按照主控制器的功能要求，將主控制器的軟件開發(fā)模塊化，分配給TC1782的主CPU和外設協處理器PCP，從而形成如圖7所示的軟件流程結構框架。

圖7：主控制器軟件系統(tǒng)架構

圖7所示的軟件系統(tǒng)架構中，主CPU在一個小型任務調度器的基礎上，分別調用了英飛凌安全功能軟件SafeTcore和PMSM電機控制相關算法軟件，SafeTcore在CPU運行時循環(huán)檢測系統(tǒng)的故障，測試項目可以依照要求進行配置，所運行的PMSM電機控制算法采用圖5和圖6中所示的控制策略進行。外設協處理器PCP除了運行安全功能軟件SafeTcore軟件監(jiān)控主CPU的運行外，還可以處理和通訊相關的中斷和信號采樣中斷等，從而降低主CPU的中斷負載。

2.3軟件的旋變解碼

如前所述，PMSM電機的位置和轉速信息在電機控制中相當重要，旋變接口電路為獲取這些信息提供了硬件解決方案。從ISO26262汽車功能安全規(guī)范要求的控制系統(tǒng)冗余性來看，需要提供第二種途徑獲取電機位置和轉速信息，從而驗證硬件解決方案獲取的信息是否正確，提高系統(tǒng)的安全性，現有的歐洲電動車電機控制系統(tǒng)常常使用軟件的旋變解碼作為硬件解碼方案的備份。TC1782的高速FADC接口為這種方法提供了硬件基礎，具體思路見圖8所示：

圖8：旋變信號的軟件解碼

上圖所示的FIR變換及其后面的模塊功能都是由軟件來完成，CPU計算速度對PMSM這樣的實時控制系統(tǒng)而言非常關鍵。多次測試發(fā)現，基于上述軟件解碼流程生成的TC1782軟件代碼在效率上可以達到5微妙的計算速度，效率上能夠可以滿足系統(tǒng)的應用要求。

3測試驗證

PMSM電機控制系統(tǒng)的測試在AVL的電機試驗臺上進行，其實物及系統(tǒng)架構如圖9所示。母線電壓和輸入功率顯示在Yokogawa的WT3000功率分析儀測試，電流傳感器檢測U相和V相電流，另外WT3000功率分析儀通過扭矩傳感器和轉速計測試PMSM電機的輸出扭矩和轉速。

圖9：電機測試臺架系統(tǒng)

圖10所示為母線電壓230伏、不同電源輸出功率下的相電流和電流頻率值，左圖為26千瓦下相電流有效值為235安，頻率為100.75赫茲，右圖為51千瓦下相電流有效值為270安，頻率為164.8赫茲。

圖10：高功率測試

4結束語

電動汽車電機控制系統(tǒng)是電動汽車的核心部件，本文針對用于PMSM電機控制系統(tǒng)的主控制器進行了如下的設計與研發(fā)工作:

1)根據電動汽車動力系統(tǒng)的控制需求，提出了電機主控制器的設計原則及功能劃分，在此基礎上確定了基于TC1782的主控制器的硬件結構及接口。

2)參照ISO26262安全功能規(guī)范，在TC1782和CIC61508功能安全監(jiān)控芯片為硬件基礎上，集成SafeTcore功能安全軟件包。

3)試驗表明，該主控制器能夠很好的適應電動汽車的應用環(huán)境，到達了對整車動力系統(tǒng)進行有效的控制與管理的設計目的。