（电机与电器专业论文）载重汽车用稀土永磁isg控制器的研究.pdf

堕j ! 三些查兰堡，! 堂垡丝塞 塑茎 a b s t r a c t i s g ，a l s oc a l l e di s a ( i n t e g r a t e ds t a r t e ra l t e r n a t o r ) o ri m a ( i n t e g r a t e dm o t o r a s s i s t ) ，i st h ea b b r e v i a t i o nf o rt h ei n t e g r a t e ds t a r t e r - g e n e r a t o r t h ei s gt e c h n o l o g y ， b a s e do nt h em o d e mm o t o rt e c h n o l o g y , t h et h e o r yo fa u t o m a t i cc o n t r o l ，t h ea d v a n c e d e l e c t r i cp o w e ra n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，n o wi sr e c o g n i z e da so n eo ft h ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e s f o rf u t u r ev e h i c l e i no r d e rt om e e tt h e s p e c i a l r e a l t i m ec o n t r o l p e r f o r m a n c ew i t hh i g hp r e c i s i o na n dl a r g ea b i l i t y , t h i sp a p e rh a sd e s i g n e da n df i n i s h e d t h ed i g i t a lc o n t r o l l e rf o rt h er e p m ( r a r ee a r t hp e r m a n e n tm a g n e t ) i s gu s e dt h e s p e c i a ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) m a d ei n t e x a si n s t r u m e n tf o rm o t o rc o n t r o l ， a n a l y z e d t h ec o n t r o l s t r a t e g y a n dd i s c u s s e dt h e p o w e r i n v e r t e r c i r c u i t ，s p e c i a l i s o l a t e d s w i t c h e dd c d c p o w e rs u p p l y , c o m p l e t e dr e l a t e dh a r d w a r et e s t i n g b e c a u s eo f t h er e a s o no fr e p mm o t o rm a n u f a c t u r e ，t h ep a p e rf i r s th a v ea c c o m p l i s h e dt h ec o n t r o l f o r3 - p h a s ea ci n d u c t i o nm o t o ru s i n gc o n s t a n tv h zp r i n c i p l ea n ds p a c ev e c t o rp w m ( s v p w m ) t e c h n i q u e t h e t e s tr e s u l t sv e r i 母t h a tt h ec o n t r o l l e rh a v et h ea b i l i t yt ob e u s e d t o r e p m i s g a n dn o w , t h ec o n t r o lo f r e p mi s gu s e dt h ed s pc o n t r o l l e ri so n e x e c u t i n g k e y w o r d s ：i s gr e p mm o t o r d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) d i g i t a lc o n t r o l l e r t h ep o w e ri n v e r t e rc i r c u i t t h e s p e c i a li s o l a t e d s w i t c h e dd c - d cp o w e rs u p p l y t h e o p e n l o o ps p e e d c o n t r o l 西北工业大学硕l 学位论文 第一章绪论 1 1i s g 的发展状况 第一章绪论 i s g ( i n t e g r a t e ds t a r t e rg e n e r a t o r ) 即组合起动发电机，也有简称为i s a ( 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 ) 或i m a ( i n t e g r a t e d m o t o r a s s i s t ) ，它形式上将传统 汽车中功能单一的起动机和发电机二者合二为一，但在汽车节油、污染、发动机 控制及能源管理等方面都有本质的提升。是国际公认的未来汽车( 包括电动汽车) 部件的必然发展方向。i s g 的简单功能示意图如下： 图1 1i s g 的简单功能示意图 白9 0 年代开始，基于环境保护和能源可持续发展两大战略，国外诸多汽车大 公司就开始对汽车新型4 2 v 供电体系用i s g 进行广泛、深入的研究，而且都围绕 着感应异步电机、稀土永磁电机和开关磁阻电机三类i s g 进行( 这与纯电动汽车、 复合动力电动汽车用驱动电机及控制器完全类似) 。经过多年的研究和跑车试验， i s g 在节约燃油、降低排气污染、操作灵活简单、低维护成本、能源管理信息化及 自动化等方面都表现出优异的性能，这更进一步吸引了更多的公司使用、研究i s g 。 1 耍韭三些查兰塑圭兰垡丝壅苎二兰堕堡 自动化等方面都表现出优异的性能，这更迸一步吸引了更多的公司使用、研究i s g 。 截至目| ； f ，已有几家公司开始量产i s g ，如v a l e o 公司1 9 9 8 年已销售$ o 4 8b i l l i o n ， 美国f o r d 公司1 9 9 9 年销售$ 1 9 4b i l l i o n ，德国d e l p h i 公司1 9 9 9 年已销售$ 2 9 2 b i l l i o n ，s i e m e n s 公司1 9 9 8 年己销售$ 3 3b i l l i o n 。 i s g 技术是当前汽车界公认的未来汽车先进技术之，汽车用i s g 技术与国防 领域各类运动载体正在研制的i s g 技术具有很大的相似性，即将发动机的起动功 能、发电功能有效组合：利用高效节能稀土电机技术、先进的电力电子技术、检 测技术和现代控制技术，可以很方便地根据汽车在不同运行状态，实现快速起动、 宽变速大容量发电、发动机助力、能量再生制动等功能：因此，国外于9 0 年代中 期开始研制i s g 技术。经过大量的跑车实验证明，采用i s g 的汽车与传统汽车相 比，具有突出的节油、低排放污染、快速起停控制、动力辅助性强、能量再生利 用等诸多优点，因此，国外许多著名的汽车公司如f o r d 、v a l e o 、h o n d a 、s i e m e n s 、 f i a t 、d e l p h i 等都竞相研制或采用1 s g 技术，以提升自己汽车品牌的技术内涵， 同时也顺应了环保和节能的世界大趋势。因此，东风汽车公司率先在国内进行汽 车用i s g 技术研究，是远见卓识之举，它对国内汽车技术的推动和东风汽车公司 持续获得市场经济效益都具有重要意义。 东风汽车公司是国内汽车行业著名的龙头企业之一，西北工业大学在稀土永磁 电机、开关磁阻电机的理论及工程化应用研究方面成绩斐然。东风汽车公司工程 研究院对西北工业大学进行了有关i s g 技术研究基础的考察。并依据国外相关技 术现状结合东风汽车公司的实际要求，提出了初步的i s g 技术指标。2 0 0 2 年初， 西北工业大学与东风汽车公司决定共同研究开发载重汽车用稀士永磁i s g 。在本课 题组中，我负责稀土永磁i s g 数字控制器的硬件设计和部分软件的编写和调试。 1 2 i s g 相关技术的发展状况 i s g 技术是以现代电机技术、先进的电力电子技术、数字控制技术和检测技术 为基础的。 2 翌苎三些盔兰堡主兰垡堡苎 兰二! 堕堡 1 2 1 现代电机技术的发展 电机是实现机电能量转换的一种电磁装置，即可以将电能转换为机械能( 电 动机) ，又可以将机械能转换为电能( 发电机) 。随着生产力发展的需要和科学技 术的不断发展，电机在传统的有刷直流、感应异步、同步三大电机的基础上发展 了开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ，简记s r m ) 和稀土永磁无刷直流电 机( r a c ee a r t hp e r m a n e n tm a g e tb r u s h l e s sd cm o t o r ，简记r e p mb l d c m ) 。开关 磁阻无刷直流电机的结构比感应异步电动机还简单且成本更低，尤其是开关磁阻 无刷直流电机突出的环境适应能力、独有的容错能力，使其在未来的航空、航天 及汽车等严酷环境中具有很强的竞争力。稀土永磁无刷直流电动机与感应异步电 动机、开关磁阻无刷直流电动机相比，具有突出的转矩惯量比大、效率高、伺服 响应性好、调速范围宽等优点，因此被广泛应用于飞机电力作动、高精度伺服、 驱动等中小功率诸多场合。 1 2 2 电力电子技术、功率半导体器件的发展 电力电子技术、功率半导体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，新 产品新技术的不断出现使复杂的电机控制策略的实现成为可能。7 0 年代以后，门 极关断晶闸管g t o 实现了门极可关断功能，并使斩波工作频率扩展到1 k h z 以上。 7 0 年代中期，高功率晶体管和功率m o s 场效应晶体管( p o w e rm o s f e t ) 问世， 功率器件实现了全控功能，使得高频应用成为可能。8 0 年代绝缘栅双极晶体管 ( i g b t ) 综合了功率m o s f e t 和双极性功率晶体管两者的功能，是用于中小型目 前最流行的器件。电力电子器件正在向大功率化、高频化、模块化、智能化发展。 8 0 年代以后出现的功率集成电路( p o w e r i c ) ，集功率开关器件、驱动电路、保护 电路、接口电路于一体，目前已有所应用的智能功率模块( i n t e l l i g e n tp o w e r m o d u l e - - - i p m ) 采用i g b t 作为功率器件，含有电流传感器，驱动电路及过载、短 路、过温、欠电压保护电路，实现了信号处理、故障诊断、自我保护等多种智能 功能，既减少了体积，减轻了重量，又提高了可靠性，使用、维护都很方便，是 功率器件的重要发展方向。 由于功率器件工作在开关状态，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是模 3 塑! ! 三些查兰堡! ：兰竺丝苎兰二兰堕丝 拟p i d 闭环，也必须将最终的输出转化为数字电平。因此，在功率器件的控制中 采用数字控制技术明显优于模拟控制技术，具体来讲，数字控制技术在用于功率 器件控制时有如下独特优点： 可严格控制最小开通和最小关断时间，可严格控制死区时间 对于码盘、位置传感器、同步信号一类数字输入、反馈信号，可直接使用 无需变换 可将整个控制系统化分为若干不同工作状态，针对不同的状态施加不同的 控制策略 借助于电流传感器、比较器，可实现限流保护、限流关断达到恒转矩控制 多个数字芯片可互相监视、互为看门狗 强干扰环境、远距离控制可方便地采用奇偶校验、光电隔离、电流环等数 字通信技术 可进行故障自诊断、显示 1 2 3 电机数字控制技术的发展 电机控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。数字控制器与模拟控 制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、 对环境因素不敏感等优点。随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电 机控制产品需求的增加，用户也不断提高对电机控制技术的要求，总是希望能在 驱动系统中集成更多的功能，达到更多的性能。这些都将通过先进的电机控制理 论、采用高效的控制算法来实现。若试图使用8 位或1 6 位的微处理器来达到这些 功能要求，可能会超出它们的实际能力。8 0 年代以来不断发展的单片可编程数字 信号处理( d s p ) 芯片现在已有了越来越广泛的应用，使用高性能的d s p 芯片来 解决电极控制器不断增加的计算量和速度需求是目前最为普遍的做法。d s p 芯片 具有以下特点： d s p 具有很高的集成度。d s p 具有很快的c p u ，更大容量的存储器，内 置有波特率发生器和f i f o 缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。 有的片内集成了a d 和采样保持电路，可提供p w m 输出。更为不同的 是，d s p 器件为精简指令器件，大多数指令都能在一个周期内完成，并且 4 西北工业大学颀上学位论文 第一章绪论 通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。同时d s p 采用改 进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据。 又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线，使d s p 器件具有高速的数据计 算能力。d s p 器件还提供了高度专业化的指令集，提供了f f i 快速傅立叶 变换和滤波器的运算速度。此外，d s p 器件提供了j t a c ( j o i n t t e s t a c t i o a g r o u p ) 接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便。 d s p 运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，如自适应控制、 卡尔曼滤波、状态预估等，大大提高控制系统的品质。而且d s p 控制软件 可用c 语言、汇编语言或二者混合编写。采用d s p 芯片制造的电机控制 器便于用户的调试和应用。 现在各大d s p 生产厂家都推出了自己的内嵌式d s p 电机控制集成电路， 因此，基于d s p 芯片的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求。 通过复杂的算法达到所要求的较高的控制性能，降低成本，可靠性高，有 利于专利技术的保密。如美国德州仪器公司最近推出的电机控制器专用的 d s p 芯片系列：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 芯片。它作为d s p 控制器2 4 x 系列的新 成员，是t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 t m 平台下的一种定点d s p 芯片。2 4 0 x 芯片在与 现存2 4 xd s p 控制器芯片代码兼容的同时，还具有处理性能更好 ( 3 0 m i p s ) 、外设集成度更高、程序存储器更大、a d 转换速度更快等特 点，是电机数字化控制的升级产品。 在越来越多的场合，如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等，往往 是规模比较大，时序、组合逻辑都很复杂，如果同时运用d s p 芯片和一些 其他的可编程逻辑器件可以大大减小系统的体积、提高系统的运算能力， 实现复杂的实时控制。可编程逻辑器件f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，是在p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ) 、g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c 、 等逻辑器件的基础上发展起来的。同以往的p a l 、g a l 等相比，它更适合 于时序、组合等逻辑电路。在电机调速、变频控制中，存在着大量的逻辑 与、或、非等运算，运用f p g a 可以快速实现这种逻辑运算。因此，使用 d s p 和f p g a 共同对电机实施控制，使f p g a 分担逻辑运算并对d s p 进 西北工业大学硕上学位论文第一章绪论 行监视，无疑可以使电机控制得更好、更方便。 1 3 本论文的研究内容 本论文题目来自于我校9 0 2 教研室与东风汽车公司工程研究院签订的“载重汽 车用稀土永磁i s g 研制项目”。 本论文的研究内容为利用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 和小容量的f p g a 为核一心构造i s g 控制器硬件，对较简单的控制策略编制软件程序并进行调试；为了保证d s p 控制 器供电电源的品质和隔离度，采用开关电源技术，研制多路隔离输出d c d c 开关 电源；i s g 功率变换器电路拓扑设计和结构设计。 1 4 本论文解决的主要问题 本论文设计研制了d s p 控制器；完成了关键部分的硬件设计及调试和编制了 较简单的控制策略软件程序并进行了调试：设计研制了适合电机控制器用的多路 隔离输出d c d c 开关电源：构造了一个较完整的简单的电机调速系统，实现了电 机的调速。 6 两北工业大学硕士：学位论文 第二章系统综述 第二章系统综述 2 1 系统组成及工作原理 由于i s g 有起动、助力、发电、能量回馈、制动等功能要求，因此，所有i s g 都由电机及控制器组成，其中，控制器又包括功率变换器和数字控制器两大部件。 与三相异步i s g 、开关磁阻i s g 相比，稀土永磁i s g 突出的优点是起动转矩 大，起动发电效率高，但因稀土永磁i s g 气隙磁场的不可调节性，起动和发电两 种状态对系统设计提出相对矛盾的要求，同时对功率器件的耐压要求较高。 为了降低对功率器件的电流定额要求，即用较小的电枢电流产生所需的7 7 0 n m 起动转矩，则电机本体外形尽量大；但电机外形的增加，又必然带来起动状态空 载转速低和发电状态发电电势高。为此，引入两套三相绕组，在起动状态低速时， 两套绕组通过功率变换器串联工作，减轻主功率器件的电流定额问题：在起动状 态高速时，两套绕组并联工作，解决起动高转速问题。进入发电状态，低速时， 两套绕组串联工作，升高发电机电势输出：而到高速时，两套绕组并联工作，降 低发电机的输出电势。 功率变换器包括主功率器件、绕组串并联转换开关功率器件、控制用多路隔 离电源、主功率器件的驱动及保护电路、尖峰吸收电路、冷板型散热器及与蓄电 池并联的滤波电容组等。其中核心问题是功率变换器拓扑和主功率器件的选择。 为配合电机的两套三相绕组结构，功率变换器必须包括两套三相全桥和串并联切 换开关等：由于电枢绕组电流将高达1 4 0 0 a ，通常，单管且额定大于1 4 0 0 a 的功率 开关器件有g t r 、i g b t 、m c t ，其耐压均高于6 0 0 v ，而饱和导通压降较大，若用于 低压i s g 场合，必将导致功率变换器效率很低。同时，稀土永磁i s g 的绕组相电 感很小( 小于l o o u h ) ，起动状态下，导致斩波频率高，而上述功率器件都无法胜 任该要求。根据国外目前研究i s g 的主流及未来发展趋势，本i s g 用功率变换器 主功率器件也选择m o s f e t 。另外，由于本项目7 7 0 n m 起动转矩是目前已知的起动 转矩最大的 s g ，截至目前还没有现成m o s f e t 能满足1 4 0 0 a 起动电流要求，考虑 到m o s f e t 器件饱和导通压降的负温度系数性，在此考虑用多个主功率器件并联， 以解决大起动电流对功率器件的高定额要求。 7 要i ! 三些查堂堡兰兰堡丝兰笙三量 墨竺堡竺 i s g 控制分为起动控制和发电控制两部分，当数字控制器接收到外部的起动状 态指令后，数字控制器控制功率变换器中的串并联开关器件，由功率变换器将电 机两套绕组相串联，以不大于1 4 0 0 a 的电流产生较大的7 7 0 n m 起动转矩，由于稀 土永磁电机的气隙磁场强，当电机起动到约3 5 0 r p m 时，电机电枢绕组串联工作的 反电势已超过外部电源，因此，控制器和功率变换器已无法让电机继续给发动机 助力，此时，通过串并联开关器件的切换，可使i s g 的两套绕组处于并联工作状 态，就可继续将发动机带转至6 5 0 r p m 并维持1 秒钟，起动过程结束。当发动机转 速进入发电转速范围( 1 2 0 0 r p m ) 后，数字控制器自动转入发电状态：在发电的 中低转速范围( 1 2 0 0 一1 8 0 0 r p m ) ，由于相绕组反电势相对较低，因此，控制器将 电机两套绕组设置为串联工作进行发电，并随发电负载的大小对主功率拓扑中的 主功率器件进行p w m 开关控制，以保证发出的电功率满足有关汽车电源标准，在 发电的高转速范围，控制器将电机的两套绕组设置为并联工作发电，调节主功率 器件的开通脉宽，以满足发电要求。要求发电时，电机转速必须大于最小发电转 速；起动则在电机转速达到起动最高转速后维持1 秒结束。电机绕组可以通过功 率变换器实现串并联切换，为电机设计提供较大的活动空间，串联适用于转速低 反电势小的场合，并联适合转速高反电势、大电流难以输入的场合。 2 2 电机本体简介 由于发电状态转速高于起动状态，丽两种状态的母线电压额定值都是4 2 7 ；为 达到起动状态产生7 7 0 n m 起动转矩，而发电状态电机输出电势基本满足4 2 v 要求， 非常希望起动状态气隙磁场大，而发电状态气隙磁场小。考虑到i s g 仅单一旋转 方向，在此对电机采用了一种起动增磁、发电去磁的复合磁系统结构。该结构有 效缓解了稀土永磁i s g 在高速时，产生的高输出反电势对主功率器件的高耐压要 求。同时，电机电枢绕组采用双三相形式，通过功率变换器实现两套绕组的串并 联，以满足大转矩起动和宽转速范围发电的要求。 2 3功率变换器 功率变换器包括主功率器件、绕组串并联转换开关功率器件、控制用多路隔 离电源、主功率器件的驱动及保护电路、尖峰吸收电路、冷板型散热器及与蓄电 8 西北工业大学颇l 学位论文第二章系统综述 池并联的滤波电容组等，主要部件介绍见下。 2 3 1主功率拓扑 依据总体方案的考虑，为配合i s g 起动、发电功能组合和i s g 电机本体两套 三相绕组组合工作，功率变换器也由两套三相全桥组成；同时，为保证电机双三 相绕组在起动和发电状态都能实现串联和并联转换，还需要增加三组与全桥拓扑 中主功率器件同容量的开关器件，据此，功率变换器单路主功率拓扑的电原理图 如图2 2 。 2 3 2 主功率器件 图2 2 功率变换器主功率拓扑电原理图 主功率器件是指功率变换器中，对母线电能馈入( 起动状态) 和馈出( 发电状 9 两北工业犬学硕上学位论文 第二章系统综述 态) 时起“开关”作用的器件，由于i s g 产生7 7 0 n m 时，控制电流高达1 4 0 0 a ， 因此，对主功率器件要求相当高。衡量主功率器件的主要参数有功率器件的耐压、 工作电流、开关频率、环境温度、饱和导通压降、漏电流、电压变化率、电流变 化率、开通上升及关断下降时间等。在电机及其控制系统中，根据实际应用场合， 通常可选择g t o 、m o s f e t 、i g b t 和m c t 。g t o 的优点是高耐压、大容量，缺 点是开关频率低( 小于2 k h z ) 、饱和压降大。m o s f e t 的优缺点与g t o 形成明显 对比：即开关频率高( 约几百k h z ) 、开关损耗低，但容量小( 适用于几百至几千 瓦) 、耐压低、适宜并联场合工作且饱和导通压降低，尤其是当电流达超过5 0 0 a 时，其导通等效电阻为几十毫欧姆。i g b t 是混合型m o s 可控双极型晶体管，它 秉承了m o s f e t 的优点且高耐压、大容量，在几千瓦至几百千瓦的大容量场合表 现出明显的优越性。m c t 是m o s 型可控晶闸管，其开关频率与i g b t 相当，但定 额比i g b t 大且饱和导通压降大大降低，是将来最有发展前景的新型主功率器件。 上述主功率开关器件的主要性能参数比较见下表2 - 1 ； 定额开关饱和泄漏耐温电压电流开通关断 参数频率压降电流变化变化时间时间 p c 、a ，k h z，vi n a v i x s 1a b s 。1 ，u s g s 4 5 0 0 v4 0 受损耗 g t o24 03 03 0 04 0l o o 3 0 0 0 a + 1 2 5 所限 5 0 0 v- 4 0 m o s f e t2 0 0 6 0 a + 1 2 5 1 2 0 0 v2 0 受损耗 i g b t4 0321 o 1 0 0 00 91 4 4 0 0 a + 1 5 0所限 1 2 0 0 v5 5 5 0 m c t6 0l ，ll 、01 0 0 0l 02 1 6 0 0 a + 1 5 0 表2 1主功率器件的主要性能参数比较 针对 s g 的实际需求并结合未来汽车4 2 v 供电体系的趋势，采用m o s f e t 功率 器件并联方案。通过对国际上几家主要m o s 功率半导体器件供应商如i x y s 公司、 s t 公司、i r 公司、s e m c o n 公司的几种主功率器件的综合分析比较见下表，考虑 到目前的可采购性、原理样机试验过程中器件损毁后的可替换性、成本等诸因素， 最终选定i x y s 公司和s t 公司都有的i s o t o p 2 6 3 型m o s f e t l 8 0 n 1 0 ，其主要参数为 1 0 堕! ! 三、业查堂堡生兰垡堡壅 耐压1 0 0 v ，漏源极常温连续电流1 8 0 a 第二章系统综述 瞬间最大脉冲电流5 4 0 a ，饱和导通等效电 阻5 5 m q ，内部寄生反向二极管常温连续电流1 8 0 a ，瞬间最大脉冲电流5 4 0 a 。 2 3 3功率变换器结构设计 根据功率变换器的电气要求，考虑到结构设计应尽量减少母线的分布电感， 同时减少中间环节的接触电阻，降低电磁辐射等要求，结构设计主要采用多层母 线排叠置方案，且汇流排尽量采用整体落料等。 2 3 4多路隔离电源 为确保有足够的起动力矩输出，电机本体、主功率拓扑、功率变化器结构设 计数字控制器等各部件都采用了高可靠性的设计思路，而控制电源和驱动电源又 是数字控制器和主功率器件、串并联开关器件能可靠工作的基础。为此，采用高 频变压器相互隔离思想来提高内部电源的可靠性。由于双三相主功率拓扑和三个 串并联转换控制开关结构，导致控制电源路数剧增( 5 v 0 2 a 两路，1 5 v x o 0 5 a 各一路，2 4 v x 0 1 a 共1 2 路) ，可以考虑直接采用成品d c d c 模块，这样，控制 电源的成本和体积都增加。目前，选择和确定i s g 专用的低成本、小体积多路隔 离d c d c 控制电源就成为当前的当务之急。在先后利用t o p s 讯t c h f x 和u c 3 8 0 0 系列研究了几种成熟多路隔离电源方案基础上，以低成本、小体积、多路隔离可 靠、电源输出品质好等指标为目标，进行了i s g 控制电源方案综合设计和比较； 利用面包板进行了模拟负载试验；完成了隔离电源的原理设计和p c b 设计。设计 的试验性i s g 专用多路隔离电源原理如图2 - 3 。 西北工业大学坝士学位论文 第二章系统综述 图2 3 多路隔离d c d c 控制电源原理图 2 4数字控制器 i s g 控制器的数字化和总线化，是未来汽车电器的必然趋势；从低成本、可 靠性、小体积、总线通讯等诸因素考虑，本项目采用先进的d s p 技术；同时，为 确保控制器在大功率、强干扰条件下的控制可靠性，再糖以f p g a 进行功率器件的 斩波控制，从而完成i s g 在不同工况的控制功能。 2 4 1数字控制器芯片选型 目前，d s p 或m c u 芯片种类很多，层次差异也较大，但适合电机应用场合且 有发展前途的控制芯片有t i 公司、a d 公司、m i t s u b i s h i 公司、m i c r o c h i p 公司已 推出和即将推出的电机控制专用芯片。主要控制芯片的性能、价格对比如表2 2 。 由该表可知，以上各大公司研制的主要控制芯片都各有所长，或是在c p u 的 运行速度方面；或者有多种外设输入输出接口；或者提供了非常大的内部存储器： 或者价格低廉。综合起来考虑，t i 公司的芯片具有运行速度快、功耗低、外设集 成度更高等优点，且本教研室已有这种芯片的开发系统，故在此选用t i 公司的d s p 芯片。 1 2 西北t 业大学倾b 学位论文第二章系统综述 t m $ 3 2 0 f 2 4 0 7 m 3 7 9 0 5 系列 a d m c f 3 4 0 m i c r o c h i p d s p i c 3 0 f 系列 指令周期 3 3 n s5 0 n s5 0 n s 3 3 n s 时钟频率( m h z ) 3 02 02 03 0 片内数据r a m( 5 4 4 + 2 k ) + 1 6 b i t l 3 k * 8 b i t 5 1 2 1 6 b i t8 k * 1 6 b i t 片内程序f l a s h 3 2 k * 1 6 b i t6 0 k * 8 b i t 4 k * 2 4 b i t1 4 4 k * 1 6 b i t 片内e e r o m n on 0n o 4 k * 1 6 b i t a d c1 0 b i t l 6 c h 5 0 0 n s1 0 b i t l 2 c h1 2 b i t l o e h 1 0 b i t l 6 c h d an o8 b i t * 2 c hn o n o 电流检测保护 n on o 3 c hn o 专用口 w a t c h d o g t i m e r y e sy e sy e s y e s 通用定时器 41 3 4 5 p w m 输出 1 6 b i t 1 6 0 h1 6 b i t * 6 c h1 6 b i t * 8 c h 1 6 b i t * 8 c h 捕获单元 633 8 s p il n on o 2 c a nln on o 2 u a r t ，s c f132 2 外部中断 58 38 供电电源 3 3 v5 v 5 v5 v 外部存储器接口y e s n on o n o 开发系统价格已有8 0 万元 1 0 0 万元2 0 0 2 年1 2 月推出 芯片价格 1 2 0 0 元 7 0 0 元1 8 0 o 元 2 0 0 2 年1 2 月推出 封装形式1 4 4 p i n p g e6 8 p i n 8 0 p i n 8 0 p i n 2 4 2数字控制过程 根据总体方案中，电机双绕组及功率变换器双三相全桥结构的思路，数字控制 器主要包括i s g 个部件的状态信号检测( 电压电流信号检测、电机转子位置速 度检测) 、控制器核心芯片d s p 、功率器件驱动电路等构成。详细构成框图如下。 a ) 起动控制：电机绕组可以通过功率变换器实现串并联切换，电机绕组电感只有 不到1 0 0 p h 。在转速较低时，电机反电势很小，为限制电机电流变化率过大 损坏功率器件及造成强电磁干扰，使电机绕组处于串联方式( 0 1 3 、0 1 4 、0 1 5 均关断，通过0 1 4 的续流二极管实现串联) ：转速达到3 0 0 r p m 左右时，反电势 较大，阻碍电枢电流维持在较大起动转矩所需的值，为保证能产生足够的输出 转矩，将电机绕组切换至并联状态运行，( q 1 3 、q 1 5 开通、q 1 4 关断) 。 1 3 旦型生生些查兰竺! ! 丝堡兰一笙三兰墨竺簦垄 图2 - 4 数字控制器控制框图 在整个起动过程中，为产生尽可能大的输出转矩，充分利用功率开关的能 力，采用电流跟踪直接转矩控制策略，控制系统以约2 0 k h z 的频率检测母线电 流，大于设定的上限值则关断功率器件，小于设定的下限值则开通相应位置的 功率器件，使绕组电流维持在一定范围内，从而保证足够的起动转矩输出。 一1 4 两北t 业人学颁l 学位论文 第二章系统综述 图2 5两套绕组串联工作图 b ) 发电控制：电机发电转速范围宽，1 0 0 0 r p m 2 5 0 0 r p m ，电机绕组每支路的发电 电势也将按相应比例变化。 在低速时，绕组串联工作发电电势仍然小于4 2 v ，利用电机绕组电感，使 电路工作于b o o s t 升压方式，控制p w m 斩波占空比可满足发电要求( q 1 3 、q 1 4 、 q 1 5 均关断，q 4 ，q 5 ，q 6 关断，通过q l ，q 2 ，q 3 同时开通产生涡流、关断时 续流发电，或反之；q 7 、q 8 、q 9 、q 1 0 、q t l 、q 1 2 的工作过程与之相同) 。 在中速时，绕组串联工作发电电势大于4 2 v ，并联时则小于4 2 v ，除q 1 4 外均关断，q 1 4 斩波，开通时为串联工作，关断时为并联工作，绕组在串联时 向电容充电，控制q 1 4 的p w m 斩波占空比可满足发电要求。 在高速时，绕组并联工作的发电电势已在4 2 v 左右，q t 3 、q 1 4 、q 1 5 均关 断，若发电电势小于4 2 v ，可通过b o o s t 方式控制p w m 占空比实现发电4 2 的 要求。 d s p 作为中心控制器发出所有功率开关的状态指令，电流跟踪上下限指令、 1 5 两北工业大学硕j 学位论文 第二章系统综述 串并联控制指令；接受外部指令、位置信号、电流电压信号等。 广 延 尹 延 习 延习运习 竭 ；：虻 l 由： 奄； 一 一 1 t 一l i 厂i 延 厂 延 ，i竭 j- j 训i 广 廷 ，1 延 一 2 4 3信号检测及处理 图2 - 6两套绕组并联工作图 由于i s g 起动扭矩大，相应的控制电流也很大，为保证i s g 功率变化器主功率 器件能可靠工作，信号检测包括稀土永磁电机转予位置检测、电机旋转转速检测、 电枢绕组电流检测及母线电压检测。 a ) 稀土永磁电机转子位置检测及旋转转速检测 稀土永磁无刷电机转子位置检测的精确和可靠与否，是i s g 实现大扭矩传递 和良好品质发电的关键。通常，位置检测可分作有传感器( 直接位置检测) 与无传 感器( 非直接或间接位置检测) 两类。无传感器位置检测利用稀土永磁电机的发电 电势，但起动转矩将明显逊色与有位置传感器电机，因此，该方案不适合i s g 场 合。有传感器位置检测分电磁、光电、磁电等方式，它们都由传感器定子及转子 构成。电磁式传感器转子有永磁式和磁阻式，定子有与之相配的电磁感应绕组： 依据绕组的感应输出即可准确检测出转子位置；电磁传感器具有可靠性好、耐高 1 6 耍j ! 三些盔兰堡兰堂垡堡兰 兰三要墨堡堡堕 温、振动、冲击环境等优点，但体积大、结构复杂；一种磁阻式电磁传感器原理 见图2 7 ( a ) 。光电式传感器定子有遮光和反光式两种；依据光电管的t t l 输出可 直接确定转子位置：光电传感器具有结构简单、检测位置准确、可直接供给测位、 测速的逻辑器件、可编程门阵列、单片机、d s p 接口使用等优点，但高温、粉尘等 环境适应性不够理想；遮光式光电传感器原理见图2 7 ( b ) 。磁电式传感器原理类 同于光电式，即依据定子磁敏元件的t t l 输出可直接确定转子位置；该结构的优 点同光电传感器，而且可靠性和环境适应性较光电式好，但工艺、结构均很复杂。 霍耳磁电式传感器原理见图2 7 ( c ) 。 固 吲 ( a ) 磁阻电磁式( b ) 遮光光电式( c ) 霍耳磁电式 图2 7转子位置检测方式示意图 获得基本位置信号后，通过测频法或测周法，可方便得到电机转速的数字量并直 接用于控制，若增加传感器敏感元件，可使转速精度达到约0 5 l ) ：要求测 速( 或测位置) 精度更高的场合，可直接使用测速机、编码器等专用元件。 电机位置信号虽然与强电无连接，但在长距离与强电绕组并行中将受到很强的 电磁干扰，必须采取隔离措施，不但采用光耦隔离，而且在光耦源边增加了抗干 扰的泄放电阻和反向钳位二级管。 1 7 两北工业人学颐+ 学位论文第二章系统综述 图2 8 电机位置信号的光耦隔离 b ) 电枢电流检测 采用霍尔磁平衡式传感器，通过磁场补偿的原理，保持铁芯磁通为零，响应速 度可达1us 以内，且不在主电路产生额外损耗。 图2 9 平衡式霍尔电流检测原理 c ) 母线电压检测 采用霍尔磁平衡式传感器，通过磁场补偿的原理，保持铁芯磁通为零，响应 速度可达1l j s 以内，且不在主电路产生额外损耗。 2 4 4 数字控制器硬件原理 由于在本项目中，功率变换器将由两套三相全桥组成，而且为实现电机双绕 1 8 罢兰兰娄茎掣娄善竺笪霉二一一一 箜三! 墨竺堡垄 组在起动和发电状态时的串联和并联转换还增加了三组开关器件，对数字控制器 的p w k l 信号输出数量需求大大增多。而德州仪器公司推出t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 器件包括 两个事件管理器模块e v a 和e v b ，每个事件管理器都有两个1 6 位通用定时器，两个 1 6 位的p w m 通道；可以实现单片d s p 对多个电机和或逆变器进行控制。故在此采 用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作为核心控制芯片。 关于数字控制器硬件原理的迸一步论述见本论文第三童。 2 ，4 5 数字控制器软件原理框图 数字控制器软件分为4 个线程，其中1 个为主控循环，3 个为中断线程。 关于数字控锘器软件的进一步论述见本论文第四章。 虱嚣摩 依据状态确定 串并联方式 图2 一l o 数字控制器软件原理框图 1 9 依据驱动逻辑确 定p 硼脉宽 中断返回 两北- 业大学顾土学位论文第三章d s p 控制器硬件、跬计 第三章d s p 控制器硬件设计 3 1d s p 系统的设计过程 d s p 系统设计的一般过程如图3 1 所示。 0 上 l 选择d s p 芯片 i t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ j 至蟹 至互 士0 堕王 墅王 图3 一l d s p 系统的设计流程 从以上流程图可知，在设计d s p 系统时，首先必须根据应用系统的目标确定 系统的性能指标：再根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制 2 0 亘j ! 三些查堂堡! 兰焦笙兰 笙三童里竺篓型竖丝壁堡生 及体积、功耗等要求选择合适的d s p 芯片。然后就可以进行d s p 芯片的外围电路 及其它电路的设计了。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写 相应的d s p 汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持( 如c 语言) ， 也可用高级语言编程。在实际应用系统中常常采用高级语言和汇编语言混合编程 的方法，即可缩短软件开发的周期，提高程序的可读性和可移植性，又能满足系 统实时运算的要求。 d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试一般 借助于d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p 开发系统或仿真器等。调试d s p 算法时 一般采用对实时结果和模拟结果进行比较的方法，如果实时程序和模拟程序的输 入相同，则两者的输出应该一致。系统其它软件的调试可以根据实际情况迸行。 硬件调试一般采用硬件仿真器进行。 系统的软件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离激发系统而直接在应 用系统上运行。当然，d s p 系统的开发，特别是软件的开发是一个需要反复进行的 过程，虽然通过算法模拟基本上可以知道实时系统的性能，但实际上模拟环境不 可能做到与实时系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实时系统时必须考虑 算法是否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则 必须重新修改或简化算法。 本章主要阐述数字控制器的硬件设计原理，在第四章将阐述d s p 系统的软件设计。 3 2 d s p 芯片一t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 介绍 如前第二章所述，本次稀土永磁i s g 控制器选用的核心芯片为t i 公司t m s 3 2 0 系列的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 定点d s p 。t m s 3 2 0 系列d s p 的体系结构专为实时信号处理而 设计，该系列d s p 控带9 器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，为控制系 统应用提供了一个理想的方案。下列基本结构使得t m s 3 2 0 系列成为很多处理应用 的理想选择： 哈佛结构 流水线操作 专用的硬件乘法器 特殊的d s p 指令 2 1 西北工业人学颂上学位论文第三苹d s p 控制器硬件设计 快速的指令周期 在t m s 3 2 0 系列d s p 的基础上，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 又有以下一些特点： 采用高性能静态c m o s 计数，供电电压将为3 3 v ，减小了控制器的功耗。 3 0 m i p s 的处理能力，3 3 n s ( 3 0 m h z ) 时钟周期提高了控制器的实时控制能 力 片内3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，1 5 k 字的数据程序r a m ，5 4 4 字的d a r a