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文档简介

1、 新能源电机控制器硬件设计 摘要:针对整车与电驱系统的参数需求,电机控制器电路设计主要包含主控板和驱动板的原理设计,主控板主要由电源系统、信号采集电路、旋变解析电路、逻辑保护电路、can通讯电路等1。驱动板主要实现igbt的驱动及母线高压采样的功能。关键词:can通讯电路、母线高压采样、电源系统引言自然界中,一般来说是物以类聚。其实不论是自然界,工业界也遵守这个规律。例如智能手机由移动电话、数码相机、录音机、录像机、计算机等娱乐数码产品集成,但初期却是各自独立发展的,进入成熟阶段后,由于他们属于一大类,于是人们将它们集成起来,从而成就了一个在如今生活中无处不在的产品2。电驱系统的控制部分也是如

2、此,从开始的电机控制器mcu、转向电机控制器smcu、制动电机控制器bmcu、车载充电机obc、dc/dc、高压配电单元等的单独存在,演变到如今集成式开发。其中电机控制器作为整个电力电子单元的核心控制器件,对电驱系统能否正常运转起着决定性的作用。硬件作为软件算法的载体,也是具体功能的执行单位,其上所含电路功能的多少,决定着电机控制算法实现的上限,下述将对本文所设计的电机控制器硬件的主要电路进行介绍。主控板选择ti公司的高性能tms320c28x系列32位浮点dsp处理器tms320c28335作为主控芯片,其外围模块电路如下:图1 电机控制器硬件电路原理图采用ti公司的高性能tms320c28

3、x系列32位浮点dsp处理器tms320c28335,其最小系统必须满足下列要求: io口至少54个以上; adc转化精度要求12位,模拟量输入端口16个; 至少拥有2路can通讯功能,其中的一路作为备用; 至少拥有六路pwm;1、电机控制器硬件板的电源需求与设计根据mcu控制板的需求设计,其电源系统,需要提供24v,5v,3.3v,1.9v。其参数分别要求如下:表1主控板硬件电源需求表电源名称电压(v)电流(a)纹波电压(mv)噪声电压(mv)输入+24v电源18321.800.50/模拟+5v5.00.10.500.1020500数字+5v5.00.11.00.120500+3.3v电源3

4、.300.050.500.1010100+1.9v电源1.900.050.500.1010100旋变电源+12v12.00.20.100.10100500实现上述需求的方案为:采样dcdc芯片+ldo来实现。2、电机控制器硬件采样电路的设计主控板主要实现电流、温度、电机同步位置或者速度的采样,其具体设计如下: 直流母线电流采样,以便直接检测母线电流、实现直流母线过流保护功能;使用霍尔传感器采集在经过差分运放进行比例缩放; 温度采集包括三路igbt温度、电机两路温度采集,由于方案采用三块igbt并联,共有九路温度信号、考虑到adc资源的有限性,采集每块igbt中间一桥臂的温度信号,共3路模拟信号

5、。另外两路温度进行比较得到的过温数字信号再经由dsp进行处理。 本方案旋变电路采集电机同步位置信号,旋变解码芯片采用au6802,旋变电源+12v,励磁放大电路采用三极管+推挽放大方式。3、电机控制器逻辑保护电路需求设计当系统运行中,出现相电流过流、母线电流过流、母线电压过压、igbt过温、驱动芯片退饱和报错、外部使能控制等任一故障时,硬件保护电路总输出低电平至pwm通道,pwm信号被锁定无输出,同时rs触发器锁存故障并上报dsp,待故障消除后,dsp发出故障清除信号,pwm通道正常工作。逻辑框图如下所示。图2 逻辑保护电路逻辑框图4、电机控制器驱动板电路方案驱动板主要功能:把控制板发出的pw

6、m波形,放大、隔离,然后驱动igbt的晶圆,驱动igbt;同时,完成直流母线电压的采集功能3。所以对驱动板而言,最重要的是功率器件igbt,为了缩短项目开发周期降低技术风险,本项目大功率控制器采用3块igbt并联驱动方案。选型过程如下:假定电池包的额定母线电压udc为600vdc。1)igbt电压规格选型 最高电压ed=ubus/3.6*4.3=725v注:假定选用采用锂电池。单体电池正常电压3.6v; 单体电池最大电压4.2v 尖峰电压vcesp=(ed1.15+vp)=(725*1.15+50)*1.1=883v过压保护水平(115%)vp:线路电感产生的尖峰电压(ldi/dt),取50v

7、:安全因数(通常取1.1)选取igbt的电压vces=1200v ,必须大于计算值883v。2)igbt电流规格选型根据对国内车用交流电机的调研,按照峰值相电流500arms估算,ipeak=550*1.414=778a,考虑到1.5倍安全余量,至少选择1166a70;结论:根据目前市面各厂家汽车级igbt的对比,方案如下: 选择semikron 3块skim459gd12e4并联方案; 单块(六合一模块)结构尺寸为:160mm*150mm; 采用3块并联构成三相桥壁,尺寸为490mm*150mm,这种方案的优点为:是汽车级零部件规格,所留余量大,结构实现较容易;这种方案的缺点为:整块驱动板体积大,在电力电子控制单元内部所占空间较大;5. 电机控制器驱动电源方案驱动核电源需求: 原边需要+15v电源输入,驱动功率根据驱动核功率而定,输入功率应该大于驱动核功率。副边igbt驱动正负电源由驱动核自身隔离dc-dc产生。驱动电源主要参数如下:表2 驱动板硬件电源需求表电源个数电源拓扑驱动igbt个数输出电压技术特点1隔离dc-dc可驱动一个半桥+15v简单6、结论本文针对纯电动车电驱系统的需求,综合考量车辆整体系统的参数,对电机控制器的硬件进行选型与设计,对核心电路进行了详细的设计,对电机控制器硬件的设计具有极大的参考价值。参考文献1 李占江,高超,蒋元广等.一种电机

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