（电机与电器专业论文）车用42v电气系统isa全数字化控制软硬件研究.pdf

中国科学院屯工研究所颁士学位论文车用4 2 v 电气系统i s a 全数字化控制软硬件研究 h a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s e a r c ho nd i g i t a lc o n t r o lo fi s ai n 4 2 vp o w e r n e ti nv e h i c l e h o uw e i 、( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rw a n gl i f a n g a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n d i g i t a l c o n t r o l s y s t e m o fi s a i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e r a l t e r n a t o r g e n e r a t o r ) i n4 2 vp o w e m e ti sd e t a i l e d l ys t u d i e d t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ts h o w s4 2 vp o w e m e t sb a c k g r o u n d , t h e ni n t r o d u c e st h ec o r e s e to f 4 2 vp o w e m e t - i s a i s gs y s t e ma n di t sr e s e a r c hs t a t u s t h eg o a lo fr e s e a r c ho n4 2 vp o w e m e ti si s as y s t e mi nw h i c hc u r r e n ts t a r t e ra n d a l t e r n a t o ra r er e p l a c e dw i t hj u s tam o t o r 删sd i s s e r t a t i o nm a k e sd e t a i l e dr e s e a r c ho n t h eh a r d w a r eo fi s as y s t e m , a n a l y z e st h ec h o i c ed e s i g no fp o w e rm o d u l e ，m o t o r , m a i n c a p a c i t a n c e ，a b s o r bc i m u i t , c p ua n de t c m a dd e s i g n si s ac o n t r o l l e rb a s e do nt i s l f 2 4 0 7 ad s p a st h eb a s eo fr e s e a r c h0 1 1l s a s d i g i u dc o n t r o ls y s t e m , t h i s d i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e si n d u c t i o nm o t o r ss v p w ma r i t h m e t i c , t h e nd e s i g n sc o n t r o ls y s t e mo f i n d u c t i o nm o t o ru s i n gs v p w ma r i t h m e t i ca n dv w fp r i n c i p l e , w h i c hp r o v e st h e c o r r e c t n e s so fs v p w m sr e a l i z a t i o nb a s e do i ld s p t oe n h a n c ei s a s y s t e m s s t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c e , d e s i g n o f t o r q u e ，m a g n e t i c f l u xa n ds p e e da d j u s t e ri nf i e l do r i e n t a t e dc o n t r o l ( f o c ) i s d e t a i l e d t ya n a l y z e d , t h e nc o r r e s p o n d i n gs o n w 哦i ss t u d i e d k e y w o r d s ：4 2 vp o w e m e ti n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e m a t o r g e n e r a t o r ( i s a i s g ) s p a c e v e c t o rp l u s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s w w m ) d i g i t a ls i g n a lp r o 嘲s o k n s p ) v a d b l e v o l t a g ev a r i b l cf r c q u c n c y ( v w f ) f i e l do r i e n t a t e dc o n t r o l ( f o c ) i f 中国科学院电t 研究所硕士学位论文 第一章概述 第一章概述 1 1 汽车电气系统升压的原因 电子系统相对于机械或液压系统有很多优点，因此现代汽车中大量采用各种 电气电子设备来取代传统的机械或液压设备，这就导致现今装备有较多电子装黄 的汽车电气系统的负荷大约达到1 5 2 k w ，这已接近现今汽车的1 4 v 电气系统 ( 1 2 v 蓄电池) 所能提供的电气负荷的极限。而这仅仅是丌始，现代人有大量时 间花费在汽车里，人们已不仅仅将汽车看作是代步工具，而是希望在汽车里也能 享受到充分的信息和娱乐，甚至希望其能够成为“移动的办公室”，这就对汽车 的舒适性、方便性、安全性和可操作性等性能提出了更高的要求。另外，随着人 们对环保问题的日益关注，各国的法律对汽车排放性能、燃油经济性等的要求日 趋严格，为了满足这些要求，未来汽车制造商必将在汽车上应用更多更复杂的电 子装置。汽车上电气设备的用电功率在过去的5 年中。以每年1 0 0 w 的速度增长。 预计用电量未来几年内将以3 0 0 的速率迅速增长。根据美国v i s t e o n 公司的统 计和预测，今后几年内，车辆上电气设备用电功率将达到l o k w ，而目前的汽车 发电系统产生的功率基本上都在3 5 k w 以下，图1 1 为汽车用电功率增长示意图 【1 1 。 堂 旧 v * 嚣 图1 - 1 汽车用电功率增长示意图 在现有的汽车电气系统的基础上提高其负荷容量成为必然选择，但是这种方 法受到诸多因素制约：据研究现有爪极式交流发电机若想提高其输出功率，将导 致电机的体积增加和效率降低：1 4 v 电气系统电压下若想增加系统负载功率，将 导致系统中电流增加，这就要求汽车电气系统使用截面积更大的电缆和导线，、这 将占用汽车内部更多宝贵空间，增加汽车的重量并降低汽车的燃油经济性。从上 面这些考虑可以得出一个结论：现有的汽车电气系统已没有多少潜力可挖，未来 中国科学院l u 丁研究所硕士学位论文车用4 2 v 电气系统i s a 全数字化控制软硬件研究 汽车电气系统进行重大变革势在必行。因此在国际汽车学术界和汽车工业界已经 达成这样的共识：未来汽车采用新的更高电压的电气系统已经不可避免，问题不 在于要不要变革，而在于何时进行变革f 2 】o 为此国外大的汽车制造商、零部件供应商和学术组织成立了一些联合研究机 构开始对下一带汽车电气系统进行研究，其内容涉及很广，包括下一代汽车电气 系统的可行性、经济性、系统结构、关键技术和元器件、如何与现有系统的过渡 等各方面。由于电子技术已经渗透到现代汽车的每一个系统之中并且正在扮演越 来越重要的角色，因此汽车电气系统的变革意味着汽车上的每个系统都要受到影 响甚至重新设计，这无疑是项异常艰巨的工作。 1 2 采用4 2 v 的原因 汽车现有的1 4 v 电气系统，其蓄电池的额定电压为1 2 v ，但是实际的系统 电压是1 4 v ，而随着工作条件的不同，现今汽车电气系统的电压可能在6 5 1 6 v 之间变动，即以不同程度的纹波叠加在平均值上。当发动机运转时，由发电机对 蓄电池充电，使构成蓄电池的6 个额定电压为2 v 的蓄电池单元每个被充电到 2 3 v 左右，6 个蓄电池单元串连其电压之和接近于1 4 v ，故交流发电机在电子电 压调节器作用下输出的直流电压被设定为1 4 v 。这就是导致在蓄电池两端的电压 在发动机运转时要比发动机停止时高些，对汽车电气系统的设计人员来说，实际 要处理的电压是1 4 v 。 汽车电气系统从1 4 v 变到4 2 v ，是反复研究所得出的结论。瑚盯，工业联盟 的专家和学者经过较长时间的研究并仔细考虑了多种因素后确定，最优的汽车电 气系统电压应被设定为4 2 v 。 1 9 9 5 年h t i 业联盟在对提交的数种电气系统方案( 1 2 v ，1 2 v 2 4 v d c ， 1 2 v 3 6 v d c ，1 2 v 4 8 v d c ，1 2 v 6 0 v d c ) 的研究结果表明：最佳选择为尽可能高的 直流电压。汽车电气系统直流电压等级选择的一个关键限制因素是通用电气标准 对人体免受电击伤害所规定的电压极限，即6 0 v 直流电压。必须保证所选择的 汽车电气系统的电压即使在极端条件下，如瞬态过电压，也不允许超过这一电压。 这限制排除了汽车电气系统蓄电池额定电压为4 8 v 这一方案，因为在低温时蓄 电池的充电电压可能会超过6 0 v t 2 1 。 中国科学院电丁研究所硕士学位论文第一章概述 电力电子器件在汽车领域正变得越来越重要并且将会成为未来汽车价格的 决定性因素，因此这个评判标准在选择最合适的汽车电气系统电压等级时也很重 要。尽管电力电子在汽车中的应用有显著的不断增加的趋势，但是它在整个电力 电子器件市场所占的份额却在下降，因为在其它市场分支电力电子器件有更高的 增长率。由于这个原因，为汽车应用使用特定的制造技术是不现实的，在和主要 的半导体制造商的深入讨论后，得出的结论为4 0 v 左右的系统电压是比较有利 的。另外还有其它各种因素，如系统的价格，零部件的成本，技术上的可行性， 公众的心理等也必须被周密考虑。 从各方面的讨论中得出的系统电压等级很接近于现今电压的三倍，因此新的 汽车电气系统选择4 2 v 作为系统电压( 3 6 v 蓄电池额定电压) 也就很自然了。 1 34 2 v 电气系统的起源 1 9 9 4 年，由德国戴姆勒奔驰( d a h r d e r - b e n z ) 公司发起，“汽车电气系统 先进结构工作组”第一次会议在美国麻省理工学院( m i t l e e s ) 召开，其目标 是定义未来汽车电气系统的结构。从一开始工作组的参与者就包括欧美各大汽车 公司和零部件供应商，如戴姆勒一奔驰、通用汽车和福特汽车等。 经过1 9 9 5 年9 月对不同的电气系统结构进行比较之后，工作组在1 9 9 5 年 1 2 月得出了结论：未来汽车电气系统的电压应被确定在大约4 0 v 。 1 9 9 6 年初，“先进汽车电气电子元件和系统的f l t i 业联盟( m i t p m d u s 廿y c o n s o r t i u mo na d v a n c e da u t o m o t i v ee 1 e 曲d c a l ，e l e c 咖i l i c c o m p o n e n t s a n d s y s t e m s ) ”建立，在随后的1 9 9 6 年3 月的工作组会议上，确定了以4 2 v 作为未 来汽车电气系统的电压。 1 9 9 7 年3 月2 4 日戴姆勒一奔驰向n t i 业联盟提交了“4 2 w 1 4 v 双电压汽 车电气系统规范初稿”。 在美国进行这些活动的同时，1 9 9 4 年同样在戴姆勒一奔驰的倡议下，在德 国汉诺威欧洲主要的汽车公司举办了其第一次“汽车电气系统论坛( f o r u m b o r d n e l z ) ”。和美国的m i t 工业联盟一样，零部件供应商也在早期就被邀请参与 该论坛。b m w 和戴姆勒一奔驰的合作对该论坛的工作具有决定性的意义，他们 联合定义了欧洲的“2 0 0 5 年汽车电气负载表”并联合提交了“4 2 v 1 4 v 双电压 中国科学院电丁研究所硕士学位论文车用4 2 v 电气系统i s a 仝数字化拄制欤碗件研究 汽车电气系统规范初稿”1 2 。 1 44 2 v 电气系统的实现方案 汽车4 2 v 电气系统势在必行，但是对于该系统的具体实现还没有形成统一的 标准。各大汽车公司纷纷提出了自己的构想。美国德尔福汽车系统公司认为有如 图1 2 所示的四种方案可供选择【2 】【3 j 。即单电压发电单电压电存储、单电压发电 双电压存储、双电压发电单电压存储、双电压发电双电压存储。这些电气系统结 构方案的差异主要有以下三点：电气系统是采用单4 2 v 结构还是采用4 2 v 和 1 4 v 双电压混合结构：若采用混合结构，交流发电机是输出单一4 2 v 电压还是 输出4 2 v 和1 4 v 两种电压：若采用混合结构，是只采用3 6 v 一种电压的蓄电池 还是采用3 6 v 和1 2 v 两种电压的蓄电池。 a 单电压发电单电压存储b 单电压发电双电压存储 c 双电压发电单电压存储d 双电压发电双电压存储 图1 - 2 4 2 v 电气系统方案 大多数人认为汽车电气系统转变到4 2 v 系统电压需要有一个过渡过程，即 在开始的时候使用4 2 v 和1 4 v 双电压共存的混合系统，经过一段时间再根据实 际需要决定是否过渡到单一4 2 v 电气系统。但还有一种意见则倾向于直接转换 到单一4 2 v 系统。 在4 2 v 和1 4 v 双电压系统结构中，高功率负载将由4 2 v 电源总线供电，而 中、低功率负载则由1 4 v 电源总线供电。这里又出现了两种方案，交流发电机 中困科学院l u l 研究所颂l ：学位论文第一章概述 是输出4 2 v 和1 4 v 两种电压分别供给不同负载，还是只输出单一4 2 v 电压再由 d c d c 变换器得到1 4 v 电压。这两种方案各有优缺点：发电机输出4 2 v 和1 4 v 两种电压要求发电机的构造和控制比较复杂，但是不需要额外的d c d c 变换器； 输出单一4 2 v 电压发电机的构造和控制可以比较简单，但是需要额外的d c d c 变换器将4 2 v 电压变换为1 4 v 电压。由于d c d c 变换器技术比较成熟，最终倾 向于选择发电机输出单一4 2 v 电压而由d c d c 变换器将其变换为1 4 v 这种方 案。 双电压系统是由交流发电机经整流调压后给蓄电池充电，但系统中采用双蓄 电池还是单蓄电池的结构又有两种方案。在双蓄电池系统中，1 2 v 蓄电池连接在 d c d c 变换器之后，为1 4 v 电气负载储存能量，即使发动机不运转，处于工作 状态的1 4 v 电气负载也不会消耗存储在4 2 v 蓄电池中用来启动发动机的能量， d c d c 变换器可以做得比较小，因为1 4 v 电气负载可以由1 2 v 蓄电池来提供峰 值输出功率；但另一方面，1 2 v 蓄电池将增加汽车的重量和制造成本。而在单蓄 电池结构中，1 4 v 负载直接连接在d c d c 变换器的输出总线上，通过功率管理 电路而不是另一个蓄电池将1 4 v 负载与3 6 v 蓄电池隔离是可能的，但是这种方 法在减少一个蓄电池的同时也会带来d c d c 变换器的问题，使用一个集中式的 d c d c 变换器得到1 4 v 电压，或者由配置在分布式功率总线结构上的多个离散 d c d c 变换器得到多个1 4 v 电压。 1 5 一体化启动发电机( i s a ，i s g ) 系统及其研发现状 一体化启动发电机系统是4 2 v 电气系统的核心装置，也是一种多功能高技 术含量的装置，包括逆变器、控制器、传感器、电机等主要部件。安装在发动机 和变速器之间，取消了传统的飞轮、交流发电机、启动机。通过微控制器( m c u ) 控制发电机与启动机之间的切换，并协调其达到最佳工作状态。该系统可在发动 机全部转速范围内以8 0 以上的高效率发出高达8 k w 的峰值输出功率。相比之 下，传统的车用交流发电机最大效率为7 0 ，相应输出功率1 5 k w ，且高转速 时的发电效率降低到仅为3 0 。新的启动发电机系统结构紧凑，采用非接触式 动力传输，在设计上是无磨损及免维护的。该系统的一个附加功能是发动机的起 停功能( s t a r t - s t o p ) ，在当控制系统的传感器检测到汽车停止时，例如当遇到红 中周科学院【u t 研究所硕士学位论文车用4 2 v 电气系统i s a 全数字化控制软硬件研究 灯时，系统自动关闭发动机以减少燃油消耗和尾气排放，当驾驶者踩下加速踏板 时，i s a 系统可在零点几秒的时间内，将发动机重新启动到怠速速度。同时，该 系统还可利用电池提供高达1 5 k w 的辅助动力，可用于汽车超车和启动时加速所 需的额外动力：该系统还有将汽车制动能量回收用于发电的功能：此外，一体化 启动发电机还具有减振作用，发动机可不必安装惯性飞轮1 4 1 【5 】。 由于i s a 在4 2 v 电气系统中的重要地位，国外许多汽车公司和零部件供应 商纷纷投资对其进行研究开发。德国大陆汽车系统公司( c o n t i n e n t a la u t o m o t i v e s y s t e m s ) 是一体化启动发电机研究的先锋，其研制的装簧名为一体化启动发电 阻尼系统( i n t e g r a t e ds t a r t e r a l t e r n a t o r d a m p e r ，i s a d ) ，该研究获得1 9 9 7 年德国 工业创新奖1 6 。继大陆汽车系统公司之后，西门子汽车系统公司( s i e m e n s a u t o m o t i v ec o r p o r a t i o n ) 也研制了它们的一体化启动发电机( i n t e g r a t e ds t a r t e r a l t e r n a t o r ，i s a ) 。西门子的i s a 峰值输出功率可达8 k w ，是传统汽车交流发电 机的五倍，而其效率在整个发动机的转速范围内都高于8 0 。可实现起停( s t a r t - - s t o p ) 、瞬间启动( p u l s es t a r t ) 和动力辅助( p o w e r b o o s t ) 等功能，这些功能 可在没有性能价格损失的前提下提高汽车的燃油经济性并减少污染物的排放。面 对市场竞争，德国b m w 也推出了自己的曲轴启动发电机( c r a n k s h a f t s t a r t e r a l t e r n a t o r ，c s a ) 。与此同时，一些美国公司和学术机构也开始一体化启 动发电机的研究工作。美国伟世通公司( v i s t e o nc o r p o r a t i o n ) 也推出了其i s a 的样机，最大输出功率可达1 2 k w t 4 1 。 1 64 2 v 电气系统实施时间预测 国际上预计汽车上实施4 2 v 电压值的时间如表1 1 所示f 】，表1 - 1 中所自估 计取决于技术的进步和顾客的接受程度，可能会在2 5 年内实现在所有车辆上使 用4 2 v 单电压系统，更有可能时间表会提前。双电压电气系统是近l o 年内能有 效地为车载电气设备提供更多电能的实用可行的方法，它的研究为最终过渡到 4 2 v 单电压电气系统打下坚实的基础。 中国科学院电工研究所硕士学位论文 第一章概述 表1 - 1 国际汽车实施4 2 v 电气系统的时问表 时间电压值实施说明 2 0 0 3 年以前1 4 v 2 8 v 4 2 v 电气系统处于探索和研究初期。汽车上全使用1 4 v 或2 8 v 的电压值 2 0 0 3 2 0 0 6 姬1 4v 2 8v 4 2 v 4 2 v 电气系统部分应用( 新车型上) ，1 4 v 或2 8 v 电压 值的电气系统继续在数量上占绝对优势 2 0 0 6 2 0 0 9 年 1 4 v , 2 8 v 4 2 v4 2 v 电气系统继续在新车型上使 j ，数量增加；1 4 v 或 2 8 v 电压值的电气系统继续使用，数量减少 2 0 0 9 2 0 1 5 芷1 4 v 2 8v ，4 2 v4 2 v 与1 4 v 或2 8 v 两种电压值的电气系统数量上逐渐 达到平分秋色 2 0 1 5 2 0 2 5 正 1 4 v , 2 8v ，4 2 v1 4 v 或2 8 v 电压值的车载电气系统产量快速减少，儿 乎停产；4 2 v 电压值的车载电气系统数颦快速增加，达 到占绝对优势的程度 2 0 2 5 年之后4 2 v 几乎全是4 2 v 电压值的车载电气系统的汽车，仅有极 少量的1 4 v 或2 8 v 电压值的汽车 1 7 本文的主要工作及章节安排 本文的研究对象为4 2 v 电气系统的核心装置一体化启动发电机 ( i n t e g r a t e ds t a r t e r a l t e r n a t o r g e n e r a t o r ) 系统。第二章研究该系统的硬件平台。 第三章研究异步电机s v p w m 算法及其d s p 实现，为研究i s a 矢量控制调速系 统做好铺垫。第四章研究i s a 全数字化矢量控制的实现及相关算法，并开发了相 应的控制软件。 中国科学院电t 研究所硕：i 二学位论文车用4 2 v 电气系统i s a 全数7 化控制软硬件研究 第二章一体化启动发电机( i s a ) 系统硬件研究 i s a 系统研究的目标在于研制一套电子控制的电机装置，以一台电机来取代 现有汽车电气系统中的启动机电机和交流发电机。本章的研究内容为4 2 v 电气 系统的核心装置一一体化启动发电机( i s a i s g ) 系统的硬件平台。 2 1i s a 系统硬件总体介绍 i s a 系统的硬件，理论上分为强电和弱电两个部分。强电部分指功率主回路， 弱电部分指控制电路。功率主回路由蓄电池、逆变器、电机等组成，控制电路指 电机控制器及其外围电路。i s a 系统硬件总体设计方案如图2 - 1 所示。在此系统 中电机控制器接受通过霍尔传感器l e m 反馈回来的电流及电压信号i 。、i b 、u d 。、 温度传感器反馈回来的温度信号t l 、t 2 以及通过光电脉冲旋转编码器反馈回来 的转速信号1 , o ，结合相应的控制算法，计算出p w m 控制量，通过光耦隔离驱动 电路给逆变器，控制i s a l 引。 图2 1i s a 系统结构图 系统功能描述： 夺起动机功能：电机的峰值电动功率8 k w 输出，持续时间2 s ，用于在极短的 时间内启动发动机并保证发动机在怠速转速以上点火。 夺发电机功能：电机的长时间发电输出功率3 k w 。 夺电刹车功能：当汽车处于一般刹车状态时，电机工作于发电状态，电机的发 中罔科学院电工研究所颂1 ：学位论文第二章一体化启动发电机( i s a ) 系统硬件研究 电功率在3 k w 以内，此时4 2 v 电池组处于充电状态( 起能量回馈作用) ，当 电池组充电完成后，系统可以切换为能耗制动状态，系统起辅助制动作用。 当汽车处于紧急刹车状态时，电机工作于发电状态，电机的瞬时发电功率为 8 k w 。 2 2 系统硬件组成 根掘i s a 系统硬件的总体结构，把硬件设计分为四大块，即主回路设计，电 机控制器设计，控制电源设计及驱动电路设计。 令主回路：由主功率模块、主电容、吸收回路、机加工组件组成。主功率模块 组成逆变电路，实现直交变换；主电容是控制功率电源电压平抑的器件；吸 收回路抑制逆变器开关电压尖峰：机加工组件包括控制器机箱、极板、散热 器等。 夺电机控制器组成：d s p 核心电路，传感器信号处理电路，输入输出信号接口 电路，保护逻辑电路。d s p 核心电路包括d s p 、扩展r a m 、c p l d 、晶振、 5 v 3 3 v 电源变换处理电路、j t a g 、s c i 、c a n 接口电路等；传感器信号 处理电路包括电流传感器、电压传感器、温度传感器处理电路：输入输出接 口电路指信号隔离及通讯接口；保护逻辑电路包括过流保护、过压保护、过 温保护、欠压保护等。 夺控制电源电路：单路输入多路输出开关电源，提供包括5 v ，_ + 1 5 v ，6 路隔 离1 5 v 电源，其中5 v 为电机控制器电源；+ 1 5 v 为传感器、比较器电源；6 路隔离1 5 v 为驱动控制电路电源。 夺驱动电路：为功率模块驱动专用电路。 2 3 主回路设计 如图2 1 所示，主回路由动力蓄电池组( 3 6 v ) 、主电容、电压型逆变器、 和i s a 构成。蓄电池通过逆变器驱动电机。 2 3 1i s a 选型 目前，用于电动汽车的驱动系统主要有直流电机系统、感应电机系统、永磁 无刷电机系统和开关磁阻电机系统。直流电机控制简单，技术成熟，在早期的车 中周科学院l uf 研究所硕_ 上学位论文 车用4 2 v 电气系统i s a 仝数，化 牵制软硬件研究 上使用较多。其缺点是有机械换向装置，必须经常维护。随着电力电子技术的发 展，交流调速逐渐取代直流调速。直流电机系统在电动汽车上的使用呈萎缩趋势。 感应电机结构简单，制造容易，成本低廉，效率比直流电机高，几乎免维护 且峰固耐用。异步电机的控制较为复杂，比较理想和成熟的控制方法是矢量控制。 异步电机的效率比永磁电机及开关磁阻电机稍低，尤其是低速及低载运行时较为 明显，但是可以采用更为先进的控制方式以提高异步电机系统综合效率。目前这 种系统在汽车上的使用最为普遍。 永磁无刷电机系统效率高、质量轻、体积小、也无需维护。这种系统的缺点 主要是成本高，可靠性和使用寿命均比异步电机差，同时永磁体还存在高温失磁 的可能以及制造工艺的不方便，因此限制了该电机系统的大范围使用。 开关磁阻电机转子没有绕组、结构简单、可靠性高、调速精度高、响应快、 效率也比较高。该系统特别适合频繁的正、反转及冲击负载等工况。驱动电路采 用的功率开关元件较少，电路简单，能较方便的实现宽范围的调速和制动能量的 反馈。因此这种系统在汽车中的使用有越来越多的倾向。其缺点主要在于其结构 带来的噪声和振动较大，电机出线多，制造也比异步电机显得复杂，另外该种电 机的制造成本也明显的高于异步电机【9 】。 综合考虑，感应电机体积小、重量轻、效率高、调速范围宽、可靠性高、价 格便宜、维修简单方便，所以选择三相感应电机作为一体化启动发电机( i s a ) 。 根据4 2 v 电气系统的具体要求，所选三相感应电机的参数如下： 额定持续功率：3 k w峰值功率：8 k w 额定线电压：2 5 v接法：星型 额定电流：9 2 a极对数：2 功率因数：0 8 3效率：0 9 1 额定转矩：9 7 n i t i最大转矩倍数：3 5 额定频率：1 0 0 h z同步转速：3 0 0 0 r r a i n 转动惯量：0 0 3 0 9 k g m 2电机变频调速范围：0 6 0 0 0 r m i n 励磁电感：o 0 0 0 5 6 h绝缘等级：f 级( 使用极限温度为1 5 5 。c ) 定子漏感：o 0 0 0 0 1 5 h定子电阻：0 0 0 3 6 , ( 2 转子漏感：o 0 0 0 0 2 4 h转子电阻：o 0 0 3 4 q 中周科学院f 也1 一研究所硕士学位论文第二章一体化启动发电机( i s a ) 系统碰件研究 2 3 2 主功率模块选型 根据系统的功率输入要求和电机本身的功率要求，对功率器件所需的最大电 流作如下计算0 1 0 l ： 根据公式：，：! 二丝三坚兰( 2 1 ) r 4 p f + 4 3 + ( ， 其中：p = 电机功率额定值( 瓦特) o l = 电机的过载系数 r = 电流的脉动因数 = 系统的效率 p f = 功率因数 v a c = 电机的三相线电压 这里，取电机的三相线电压为v a c = 2 5 v ，电机的额定功率为3 k w ，电机的过 载系数为1 5 0 ，电机的效率为o 9 1 ，电机的功率因数为o 8 3 ，电流脉动因数为 1 2 0 0 o ；变频器的效率为0 9 ：可以计算得出i c = 2 3 6 a 。即功率器件流过的最大电 流为：2 3 6 a 。 在输入电压较低( 2 7 - - 4 5 v ) ，输出电流很大的条件下，主功率模块的选择有 三种：功率m o s f e t ，i g b t ，i p m 。 当采用功率m o s f e t 时，目前所能查到的电流最大的功率m o s f e t 型号为 s t e l 9 0 n 1 0 ，其最高工作温度不能超过1 0 0 c ( 1 0 0 c 时，m o s f e t 的连续工作 电流只能有1 1 9 a ) 。2 5 时的最大工作电流仅为1 8 0 a ，不能满足要求。 i g b t 的生产厂家很多，功率等级范围宽，型号多。如果采用i g b t ，主功率 回路的驱动电路及过压、一过温等保护电路需要精心设计。 智能功率模块i p m ( i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ) 不仅把功率开关器件和驱动 电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将 检测信号送到c p u 。它由高速低功耗的管芯和优化的门级驱动电路以及快速保 护电路构成。即使发生负载事故或使用不当，也可以保证i p m 自身不受损坏。 尤其适合于驱动电机的变频器和各种逆变电源。i p m 有以下优点： 1 ) 开关速度快。妒m 内的i g b t 芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠i g b t 芯片，驱动延时小，所以i p m 开关速度快、损耗小。 中国科学院电工研究所硕士学位论文车用4 2 v 电气系统i s a 拿数字化控制软硬件研究 2 ) 低功耗。i p m 内部的i g b t 导通压降低，开关速度快，故i p m 功耗小。 3 ) 快速的过流保护。i p m 实时检测i g b t 电流，当发生严重过载或直接短路 时，i g b t 将被软关断，同时送出一个故障信号。 4 ) 过热保护。在靠近i g b t 的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过 热时，i p m 内部控制电路将截止栅级驱动，不响应输入控制信号。 5 ) 桥臂对管互锁。在串联的桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上 下臂同时导通。 6 ) 抗干扰能力强。优化的门级驱动与i g b t 集成，布局合理，无外部驱动线。 7 ) 驱动电源欠压保护。当低于驱动控制电源( 一般为1 5 v ) 就会造成驱动能 力不够，增加导通损坏。i p m 自动检测驱动电源，当低于一定值超过1 0 p , s 时，将截止驱动信号。 8 ) i p m 内藏相关的外围电路。缩短开发时间，加快产品上市。 9 ) 无须采取防静电措施。 1 0 ) 大大减少了元件数日。体积相应小。 从使用方便性及可靠性方面考虑，智能功率模块不失为一种理想选择。根据 本系统要求，并考虑一定的裕量，选择三菱公司的p m 6 0 0 d s a 0 6 0 ( 6 0 0 v ，6 0 0 a ， 2 合l 模块) ，其内部结构和封装如图2 - 2 及2 - 3 所示。 图2 - 2p m 6 0 0 d s a 0 6 0 内部结构框图 2 3 3 主电容选型 主电容除了稳压外，还在蓄电池和逆变器之间起去耦作用，为感性负载的电 机提供必要的无功功率。因此，中间直流电路电容的容量必须较大，起储能作用， 所以该电容器又称储能电容。根据经验一般选取5 0 ：a ，故主电容容量大致为 1 5 0 0 0 v f 。考虑到主功率回路的输入电压最高仅为4 5 v ，主电容的耐压应该选择 中困科学院l 乜t 研究所坝 j 学位论史 第二章一体化启动发电机( i s a ) 系统碰件研究 1 0 0 或1 6 0 v ( 考虑到电压尖峰) 。 2 3 4 吸收回路选型 吸收回路的作用主要有以下两点： ( 1 ) 降低功率模块关断时的电压尖峰，降低开关损耗。 ( 2 ) 采取s n u b b e r 电路，减小续流二极管产生的浪涌电压。 下图是三种常用的s n u b b e r 电路1 1 0 】： 班。霹瑶 图2 - 4 吸收回路 a 用于小功率的设计中，c 用于大功率、大电流电路中，在极大功率的应用 中，采用a 、c 联合的方式，如果采用三菱的i p mp m 6 0 0 s a 0 6 0 ，我们采用a 电 路，吸收电容选三菱公司推荐的3 p f 无感电容。 2 4 电机控制器设计 2 4 1 c p u 选型 电机控制器电路的核心是c p u ，我们主要从以下四个方面考虑选择c p u 。 令一是c p u 的性能。一方面看c p u 的处理能力，另一方面看c p u 的简单 易用性。 夺二是系统解决方案及产品的持续改善能力。在外围电路方面，大多数 c p u 拥有系统级解决方案，另外，软件支持也很重要，在产品规划方面， 要看生产商能不能不断改善c p u 的内核技术与处理性能。 夺三是开发工具。方面要看产品的开发灵活性，另方面要看开发工具 的性能。 夺此外还要关注c p u 产品是否具有竞争性的价格，c p u 供应商能否提供 完善的技术支持。 从这次课题的需要考虑，c p u 除了具有普通的硬件资源外，还应该具有c a n 中国科学院电t 研究所硕士学位论文车用4 2 v 电气系统i s a 全数字化控制软硬件研究 通讯和q e p 电路等功能。 对于能够满足4 2 v 系统的c p u 调研情况如下： ( 1 )i n t e l 公司的电机控制微控制器芯片8 x c l 9 6 m c 。 ( 2 )m o t o r o l a 公司的电机驱动专用d s p 芯片d s p 5 6 f s 0 7 。 ( 3 ) t i 公司的电机驱动专用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 。 作为电机驱动控制专用c p u ，这三种c p u 的特性比较如下1 1 1 2 1 1 。3 】： 表2 - 1 三种c p u 性能比较 性能8 x c l 9 6 m c5 6 f 8 0 7t m $ 3 2 0 l f 2 4 0 7 a p w m6 路p w m 输出双6 路p w m 输出双6 路p w m 输出 g p i o 5 31 84 1 s p 】p t sll s c i2l q e p l22 c a n 2 o b， ll a d 1 3 ( 1 0 b i o1 6 ( 1 2 b i 0 1 6 ( 1 0 b i t ) 1 6 k * 1 6 0 p n m 6 0 k 1 6 ( p f l a s h )3 2 k + 1 6 ( f l a s h ) 4 8 8 * 1 6 r a m8 k * 1 6 0 3 f l a s h ) 2 k * 1 6 ( s a p a m ) | 2 k i 卵r a m )5 4 4 + 1 6 ( d a r a m ) ， 4 k * 1 6 ( d r a m ) ， t i m e t244 s p e e d 4 0 m l p s4 0 m i p s w d ll 1 比较可知：8 x c l 9 6 m c 芯片是一种功能较为简化的c p u ，如果要使用的话 还需要添加较多的外围电路如c a n 通讯等。从调研的价格费用来看，8 x c l 9 6 m c 开发费用是最低的。 d s p 5 6 f 8 0 7 芯片和1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片的功能基本一致，性能也大致相 仿，都可以实现最小的外围电路而达到电机驱动控制的目的。与t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 相比，d s p 5 6 f 8 0 7 在某些单项性能甚至上有过之而无不及。但是，目前这种芯 片在国内的用户不多，技术支持相对薄弱，开发系统价格也较高。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 是t i 公司为电机驱动控制推出的主流c p u ，其功能特性与 m o t o r o l a 公司的d s p 5 6 f s 0 7 相当。目前，国内关于电机驱动的c p u 使用绝 大部分采用t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a ，开发费用相对较低。 综上所述，选择n 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 。 中国科学院电工研究所硕士学位论文第二章一体化启动发电机( i s a ) 系统硬件研究 出于开发人力、物力不足，考虑到课题进度，选择使用瑞泰公司的e v m 板， 在此基础上增加传感器信号处理电路，p w m 驱动电路和保护逻辑电路以构成 4 2 v 电气系统电机控制器的简易模型。 2 4 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ae v m 板硬件资源介绍 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 是美国t i 公司t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 系列中的一种定点d s p 控 制器，该系列芯片具有低成本、低功耗、高性能的处理能力，非常适合电机的数 字化控制。t 】s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 集成了一个4 0 m i p s ( 每秒百万条指令) 的定点d s p 内核t m s 3 2 0 c 2 x x ，在与现存2 4 xd s p 控制器芯片代码兼容的同时，还具有以下 一些特点1 1 4 】： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的 功耗； ( 2 ) 片内具有高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，高达1 5 k 字的数据，程序 r a m ，5 4 4 字双口r a m ( d a r a m ) 和2 k 字的单口r a m ( s a r a m ) ； ( 3 )两个事件管理器e v a 和e v b ，每个包括：两个1 6 位通用定时器、8 个 1 6 位的脉宽调制( p w m ) 通道，丰富的定时器和p w m 通道便于控制多种 电机； ( 4 )1 0 位a d 转换器最小转换时间为3 7 5 n s ，可选择由两个事件管理器来触 发两个8 通道输入的a d 转换器或一个1 6 通道输入的a d 转换器； ( 5 )具有看门狗定时器模块( w d t ) ，串行通信接口( s c i ) 、1 6 位的串行外 设接口模块( s p i ) 、控制器局域网络( c a n ) 2 0 b 模块、基于锁相环的时钟 发生器、高达4 0 个可单独编程或复用的通用输入，输出引脚( g p i o ) 、5 个外 部中断( 电机驱动保护、复位和两个可屏蔽中断) ： ( 6 )加之其丰富的指令操作系统，4 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到 2 5 n s ，提高了控制器的实时控制能力，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 不失为电机控制的 理想器件之一。 中闻科学院i 乜t 研究所颂士学位论文 车用4 2 v 电气系统i s a 全数字化控制软硬件研究 幽2 - 5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 功能框幽 本课题采用的是北京瑞泰电子技术有限公司出品的i c e t e k l f 2 4 0 7 一a 实验 开发系统。1 c e t e k l f 2 4 0 7 a 板是一块很独立的目标板它非常适合检验 l f 2 4 0 7 ad s p 的性能，此外本目标板提供了l f 2 4 0 x 系列芯片进行扩展和运行 软件的标准平台。i c e t e k l f 2 4 0 7 a 板使用了1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 芯片，兼 容所有l f 2 4 0 7 的使用代码，它具有2 5 k 字节的片上数据存储器，1 2 8 k 板上存 储器，片上u a r td a c 7 6 2 5 模数转换器。此e v m 板还提供了d s p 的扩展引脚 方便了用户外搭所需电路。 ( 1 ) i c e t e k - l f 2 4 0 7 一a 板功能 它主要的接口包括目标存储器接口、模拟接口、c a n 总线接口、并口、用户 指示灯和开关、外部扩展接口。l f 2 4 0 7 a 提供了1 2 8 k 的静态存储器外部i o 口 支持相应的6 4 k i o 端口，片上的c a n 总线和r s 2 3 2 端口可用做扩展连接。 ( 2 ) 性能指标 夺l f 2 4 0 7 a 运行速度为4 0 m i p s1 2 8 k 存储空间 夺1 6 路1 0 b i t 片上a d 接口 夺片上双重的管理器p w m 4 - 4 路的d a c 7 6 2 5 转换 夺u a r t 串行接口，符合r s 2 3 2 标准 冷3 2 k 片上f l a s h 夺c a n 总线标准接口 中困科学院i 乜工研究所硕j ：学位论文第二章一体化启动发电机( i s a ) 系统锼 牛彤 究 夺用户开关和测试指示灯 夺数据、地址、i o 、控制、4 处扩展连接器 夺具有与i e e e l1 4 9 1 相兼容的逻辑扫描电路，该电路仅用于测试和仿真 夺+ 5 v 电源输入内部3 3 v 电源管理 ( 3 ) t m s 3 2 0 l f 2 4