電動汽車用永磁同步電機驅動控制器設計

摘要：電動汽車驅動電機頻繁工作于啟動／停車、加／減速等復雜工況下，較工業用電機需要更寬的轉速范圍和更高的過載系數，同時對控制器的開發提出了較大的挑戰。設計了一種適用于電動汽車的永磁同步電機(PMSM)控制器。給出了主電路的設計方法及驅動、檢測和保護單元的參考電路。軟件部分采用矢量控制，并根據實時性要求將任務劃分為4級。最后搭建平臺，對控制器的性能進行了測試。
關鍵詞：電動汽車；永磁同步電機；控制器

1 引言
當前能源危機和環境污染問題推動了電動汽車的發展。電動汽車的關鍵技術包括汽車技術、電氣技術和電子技術等，其中電機驅動技術是電動汽車的核心。電機驅動系統的任務是將電能轉換為機械能使汽車前進。電動汽車驅動電機不同于工業用電機，通常要求能頻繁地啟動／停車、加速／減速、具有較寬的轉速范圍和較高的過載系數，且要求驅動電機低速或爬坡時能提供高轉矩，高速行駛時則能輸出低轉矩。各國政府和主要汽車公司都對驅動電機控制器的研究和開發給予了高度的重視，并取得了一定的成就。
目前正在應用或開發的電動汽車用電機主要有直流電機、無刷直流電機、PMSM、感應電機和開關磁阻電機。PMSM以其體積小、重量輕、慣性低、響應快、轉矩密度高、效率高、啟動轉矩高和功率因數高的特點在電動汽車領域應用較為廣泛。此處將設計一種適用于電動汽車的PMSM控制器。

2 控制器硬件設計
驅動電機控制器采用全數字化結構，功率部分包括：主電路；IGBT驅動電路及開關電源電路。控制部分包括：DSP控制電路；電壓、電流、溫度、轉速的檢測電路、故障與保護電路；開關量輸入輸出電路；模擬量輸入輸出電路、485／CAN通信電路和操作器電路，其硬件結構如圖1所示。

2．1 控制器主電路設計
控制器設計之初，需確定控制器負載、供電電源和使用環境的要求：①負載參數要求：負載額定功率Pn、額定電壓un、額定電流in和過載倍數kg等；②電源參數要求：額定電壓及變化范圍；③其他要求：工作環境條件、結構尺寸限制等。根據某電動汽車的要求，此處研制的控制器性能指標為：額定功率55 kW；額定轉速4 500 r·min-1；峰值功率82．5 kW；峰值功率運行時間5 min；電動方式轉速范圍0～9 000 r·min-1；發電方式轉速范圍800～9 000 r·min-1；基速峰值及額定功率時的效率89％～93％；工作電壓范圍405～583．2 V；扭矩控制精度為：額定扭矩以下：±5 N·m，額定扭矩以上：5％；扭矩控制響應時間小于100 ms；速度控制響應時間為在200 ms時進入±50 r·min-1誤差之內；速度控制精度：負載從0～100％變化，速度變化小于±1％；扭矩和速度控制模式的轉換時間20 ms。
2．1．1 控制器容量選擇
由于電機控制器傳給驅動電機的是脈動電流，其脈動值比工頻供電時電流要大，因此須將電機控制器的容量留有適當的裕量。變頻器應滿足：

式中：Scn為電機控制器的額定容量；Pn，η，cosφ分別為電機輸出功率、效率、功率因數，η=0．85，cosφ=0．8；K為電流波形的修正系數，PWM方式取1．05～1．1。
2．1．2 IGBT電壓選擇
IGWT電壓應能承受母線峰值電壓，當ICBT關斷時峰值電壓可表示為：

式中：Udcmax為母線最高電壓；α為過電壓保護系數，取α=1．15；β為安全系數，一般取β=1．1；Ldi／dt為母線電感引起的尖峰電壓，這里取100 V。
通過對式(2)進行計算得到Ucesp=858．7 V，這樣應選擇Uces=1 200V的元件。
2．1．3 IGBT電流規格選擇
IGBT電流的選擇，需保證電機峰值電流在IGBT的安全工作區內。IGBT的額定電流應滿足：

式中：S為電機控制器容量，此處S=114kVA；kg=1.5；kjw為考慮結溫的電流降額系數，此處kjw=1.4；U0為驅動電機線電壓，
由式(3)可得，Ic應大于508．94 A，根據IGBT的等級應選擇Ic=600 A的元件。