一种车用永磁同步电机控制器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种电动汽车用永磁同步电机控制器，主要由功率主电路、控制电路、驱动电路、开关电源四部分构成。功率主电路基于三相全桥逆变器拓扑结构，控制电路板基于DSP和CPLD设计。电机控制器通过CAN总线接收整车控制器发送的控制模式和目标转矩指令，并通过解析得到电流指令，然后基于矢量控制算法和脉宽调制策略，控制IGBT的导通和关断，从而实现对永磁同步电机的电流和转矩控制；同时通过信号检测和处理，实现对电机控制器和电机的自我保护和故障诊断；另外将电机控制器和电机的运行状态通过CAN总线反馈给整车控制器。本发明设计简洁，性能可靠，保证了整车的安全性。
【专利说明】—种车用永磁同步电机控制器
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种电动汽车用永磁同步电机控制器。
【背景技术】
[0002]随着能源问题和环境问题的日益突出，汽车动力电气化已成为一种必然发展趋势。电动汽车具有节油、环保、高效等优点，是国际汽车巨头争夺未来汽车产业的战略制高点，也是各国政府为解决社会经济可持续发展的重要着力点，因此电动汽车在未来具有非常广阔的市场前景。
[0003]电动汽车按能源配置不同可分为纯电动车、混合电动车和燃料电池车三类。不管是哪种类型，电机及驱动控制系统都是其中的核心动力部件。目前，国内、外电机和电力电子企业均纷纷进入电动汽车领域抢占市场。车用电机控制器是电动汽车的关键零部件之一，它是另一关键零部件驱动电机的电源，其性能、可靠性、安全性直接影响整车的性能、可靠性和安全性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种适合于产业化的电动汽车用永磁同步电机控制器。
[0005]本发明的技术方案为:
[0006]电机控制器电路主要由功率主电路、控制电路、驱动电路、开关电源四部分构成。电机控制器通过CAN总线接收整车控制器VCU发送的控制模式和目标转矩指令，并通过解析得到电流指令，然后基于矢量控制算法和脉宽调制策略，控制IGBT的导通和关断，从而实现对永磁同步电机的电流和转矩控制；同时通过信号检测和处理，实现对电机系统的自我保护和故障诊断；另外将电机系统的运行状态通过CAN总线反馈给整车控制器VCU。
[0007]电机控制器的硬件电路主要由功率主电路、控制电路、驱动电路、开关电源四部分构成。功率主电路基于三相全桥逆变器拓扑结构，并含有预充电电路和被动放电电阻，同时含有3个相电流传感器和I个直流母线电流传感器；驱动电路基于成熟的IGBT驱动芯片设计；控制电路基于DSP和CPLD设计，并含有PWM驱动电路、旋变解码电路、AD采样电路、CAN总线驱动电路、EEPROM电路、比较保护电路、1电路、DA转换电路、复位电路、时钟电路和JTAG电路，其中，旋变解码电路、CAN总线驱动电路和1电路采用光耦隔离设计，以提高硬件电路抗干扰能力；开关电源基于反激式变换器拓扑结构，为控制电路和驱动电路提供多路隔离的低压工作电源。
[0008]电机控制器的控制程序流程为:
[0009](I)系统上电复位后，首先进行硬件配置及初始化、变量初始化。
[0010](2)然后从EEPROM读取电机控制参数。
[0011 ] (3)然后进行系统自检，若自检成功，则给VCU发送自检完成状态，并进入等待模式；若自检未成功，则先给VCU发送自检故障标志，再给VCU发送自检完成状态，并进入等待模式。
[0012](4)在等待模式中，循环等待VCU发送的上电指令。若接收到上电指令，则开始预充电操作，闭合预充继电器，并判断预充电是否完成。若预充电未完成，则循环等待；若预充电完成，则闭合主继电器、断开预充继电器，并给VCU发送预充电完成状态。
[0013](5)预充电完成后，等待VCU发送使能指令。若未收到使能指令，则循环等待；若收到使能指令，则使能中断，并进入主循环程序。
[0014](6)在主循环程序中，等待进入主中断。若未进入主中断，则执行CAN总线接收VCU指令、CAN总线发送电机系统运行状态、电机系统故障诊断、EEPROM保存故障信息等子程序；若进入主中断，则执行主中断子程序。
[0015](7)在主中断子程序中，首先进行AD采样及校准、转子位置获取和转速计算。
[0016](8)然后进行运行模式和转矩指令解析并获取电流指令。
[0017](9)然后判断是否有故障需要停机。若无故障，则执行矢量控制算法和更新PWM输出程序，然后退出主中断子程序。
[0018](10)若有故障需要停机，则首先将电流指令清零，并判断转速是否低于安全阈值。若转速低于安全阈值，则直接关PWM，然后退出主中断子程序；否则继续执行矢量控制算法和更新PWM输出程序，然后退出主中断子程序。
[0019]本发明确定了电机控制器的硬件电路构成、原理框图和控制方法，满足车用永磁同步电机的控制要求。本发明设计简洁，性能可靠，保证了整车的安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1电机控制器电气原理框图；
[0021]图2控制电路原理框图；
[0022]图3 DSP主程序流程图。
【具体实施方式】
[0023]1、硬件电路构成
[0024]在本实施方式中，电机控制器原理框图如图1所示，它描述了整个系统的硬件电路构成和各部分之间的连接关系。
[0025]参见图1，电机控制器的硬件电路主要由功率主电路1、控制电路2、驱动电路3、开关电源4四部分构成。功率主电路I基于三相全桥逆变器拓扑结构，并含有预充电电路8和被动放电电阻9，同时含有3个相电流传感器6和I个直流母线电流传感器10。其中，IGBT5采用Infineon公司的HybridPACK II功率模块，直流侧电容7采用集成母排的膜电容，相电流传感器6和直流母线电流传感器10采用LEM公司的汽车级电流传感器。
[0026]驱动电路3基于成熟的IGBT驱动芯片ACPL-38JT设计，接收控制电路2的PWM信号，并将其进行功率放大，然后控制IGBT的导通和关断，同时将IGBT的故障信号反馈给控制电路2。
[0027]本实施方案中，控制电路2原理框图如图2所示，它描述了控制电路2的硬件电路构成和各部分之间的关系。参见图2，控制电路2基于DSPll和CPLD12设计，通过CAN总线驱动电路16接收整车控制器VCU的控制指令，采集电流、电压、温度采样电路14信号及永磁电机的转子位置信号，并通过矢量控制算法产生PWM信号，从而通过PWM驱动电路13实现对永磁同步电机的电流和转矩控制，同时通过过流、过压、过温比较电路18检测过流、过压、过温故障，并将故障信息保存至EEPROM电路17中。
[0028]下面对图2中控制电路2作具体说明:
[0029]控制电路2基于DSPll和CPLD12设计，并含有PWM驱动电路13、AD采样电路(电流、电压、温度采样电路)14、旋变信号解码电路15、CAN总线驱动电路16、EEPROM电路17、硬件保护比较电路(过流、过压、过温比较电路)18、1电路19、DA转换电路20、时钟电路21、复位电路22和JTAG电路23。其中，旋变信号解码电路15、CAN总线驱动电路16和1电路19采用光耦隔离设计，以提高硬件电路抗干扰能力。
[0030]DSPll采用TI公司的C28X系列数字信号处理器(如TMS320F28335或TMS320F2812)，CPLD12采用Altera公司的MAX7000A系列可编程逻辑器件(如EPM7256)。
[0031]AD采样电路14基于运算放大器LM2904设计，包含3路相电流采样通道、I路母线电压采样信号、I路母线电流采样通道、3路电机温度采样通道、3路IGBT温度采样通道，该电路输入与各电流、电压、温度传感器连接，输出与DSPll的AD模拟输入引脚连接。
[0032]PWM驱动电路13基于专用电平转换芯片设计，将DSPll输出的3.3V PWM信号转换为5V PWM信号。该电路输入与DSPll的PWM输出引脚连接，输出与P丽驱动电路13的PWM输入引脚连接。
[0033]旋变信号解码电路15基于ADI公司的RDC解码芯片和光耦设计，一方面给旋转变压器提供频率为1kHz的激磁信号，另一方面将旋转变压器输出的正弦信号和反馈信号解码为转子位置信号，并通过SPI接口发送给DSP11。该电路输入与旋转变压器连接，输出与CPLD12连接，经CPLD12逻辑处理后，再与DSPll的SPI接口连接。
[0034]CAN总线驱动电路16基于专用CAN收发器芯片PCA82C250和光耦进行设计，为提高抗干扰能力，CANH、CANL两个差分信号之间增加高频滤波电容、CAN总线EMI滤波器和CAN总线TVS浪涌电压抑制器。
[0035]EEPROM电路17基于X5163设计，通过SPI方式实现故障信息存储与读取、控制参数存储与读取。该电路与CPLD12直接连接，经CPLD12中SPI模块的分时复用逻辑处理后，再与DSPll的McBSP接口连接。
[0036]硬件保护比较电路18基于比较器LM2903设计，实现过流、过压、过温的硬件保护。该电路输入与AD采样电路14的输出连接，输出与CPLD12连接，经CPLD12逻辑处理后，一方面整合成一个中断信号，再与DSPll的外部中断输入引脚连接，通过DSPll外部中断子程序，对故障进行实时保护；另一方面，为了区分每一种硬件保护故障，经由CPLD12中SPI模块的分时复用逻辑处理后，再与DSPl I的McBSP接口连接，通过SPI方式将故障实时反馈给DSPlI。
[0037]1电路19基于专用继电器驱动芯片和光耦设计，包含4路继电器输出和4路开关量输入信号，可实现对预充电电路控制。该电路输入与外部1信号连接，输出与CPLD12连接，经CPLD12逻辑处理后，再与DSPll的1引脚连接。
[0038]DA转换电路20基于RC滤波电路实现，输入与DSPlI的定时器PWM输出引脚连接，先将数字量转换成脉冲输出，然后通过RC滤波转换成模拟量。
[0039]时钟电路21采用30MHz有源晶振，输出与DSPll的外部时钟输入引脚连接，上电复位时，经DSPll内部的PLL单元倍频，将30MHz时钟信号转换为DSPll工作所需要的150MHz时钟信号。
[0040]复位电路22基于专用微处理器复位芯片设计，用于对DSPll和IGBT驱动芯片进行复位。该电路输出与CPLD12连接，经CPLD12逻辑处理后分成2路复位信号，I路与DSPll复位引脚连接，另一路与PWM驱动电路13的复位引脚连接。
[0041]开关电源4基于反激式变换器拓扑结构，为控制电路2和驱动电路3提供多路隔离的低压工作电源。
[0042]控制电路2的旋变和电机温度信号与永磁电机连接，相电流采样信号、直流母线电流采样信号、母线电压采样信号与功率主电路I连接，PWM信号与驱动电路3连接；驱动电路3的PWM输入信号与控制电路2连接，IGBT驱动信号、IGBT温度信号与功率主电路I的IGBT5连接；功率主电路I的直流侧输入与电池正、负极连接，交流侧输出与永磁电机的三相绕组连接；开关电源的输入与12V电源的正、负极连接，输出与控制电路2、驱动电路3的电源输入端连接。
[0043]2、DSP主程序流程
[0044]本实施方案中，为满足车用永磁同步电机的控制要求，DSP软件的主程序流程图如图3所示。具体程序流程如下:
[0045](I)系统上电复位后，首先进行硬件配置及初始化、变量初始化。
[0046](2)然后从EEPROM电路读取电机控制参数。
[0047](3)然后进行系统自检，若自检成功，则给VCU发送自检完成状态，并进入等待模式；若自检未成功，则先给VCU发送自检故障标志，再给VCU发送自检完成状态，并进入等待模式。
[0048](4)在等待模式中，循环等待VCU发送的上电指令。若接收到上电指令，则开始预充电操作，闭合预充继电器，并判断预充电是否完成。若预充电未完成，则循环等待；若预充电完成，则闭合主继电器、断开预充继电器，并给VCU发送预充电完成状态。
[0049](5)预充电完成后，等待VCU发送使能指令。若未收到使能指令，则循环等待；若收到使能指令，则使能中断，并进入主循环程序。
[0050](6)在主循环程序中，等待进入主中断。若未进入主中断，则执行CAN总线接收VCU指令、CAN总线发送电机系统运行状态、电机系统故障诊断、EEPROM保存故障信息等子程序；若进入主中断，则执行主中断子程序。
[0051](7)在主中断子程序中，首先进行AD采样及校准、转子位置获取和转速计算。
[0052](8)然后进行运行模式和转矩指令解析并获取电流指令。
[0053](9)然后判断是否有故障需要停机。若无故障，则执行矢量控制算法和更新PWM输出程序，然后退出主中断子程序。
[0054](10)若有故障需要停机，则首先将电流指令清零，并判断转速是否低于安全阈值。若转速低于安全阈值，则直接关PWM，然后退出主中断子程序；否则继续执行矢量控制算法和更新PWM输出程序，然后退出主中断子程序。
[0055]以上所述，仅为本发明较佳实施方案，故不能依次限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所做的等效变化与修饰，皆应属于本发明涵盖的范围。
【权利要求】
1.一种车用永磁同步电机控制器，其特征在于:电机控制器电路主要由功率主电路、控制电路、驱动电路、开关电源四部分构成；电机控制器通过CAN总线接收整车控制器V⑶发送的控制模式和目标转矩指令，并通过解析得到电流指令，然后基于矢量控制算法和脉宽调制策略，控制IGBT的导通和关断，从而实现对永磁同步电机的电流和转矩控制；同时通过信号检测和处理，实现对电机系统的自我保护和故障诊断；另外将电机系统的运行状态通过CAN总线反馈给整车控制器VCU。
2.如权利要求1所述的车用永磁同步电机控制器，其特征在于:功率主电路基于三相全桥逆变器拓扑结构，并含有预充电电路和被动放电电阻，同时含有3个相电流传感器和I个直流母线电流传感器。
3.如权利要求1所述的车用永磁同步电机控制器，其特征在于:驱动电路基于成熟的IGBT驱动芯片ACPL-38JT设计。
4.如权利要求1所述的车用永磁同步电机控制器，其特征在于:开关电源基于反激式变换器拓扑结构，为控制电路和驱动电路提供多路隔离的低压工作电源。
5.如权利要求1所述的车用永磁同步电机控制器，其特征在于:控制电路基于DSP和CPLD设计，并含有PWM驱动电路、旋变解码电路、AD采样电路、CAN总线驱动电路、EEPROM电路、1电路、DA转换电路、复位电路、时钟电路和JTAG电路；以及过流、过压、过温硬件保护比较电路；保护比较电路的输出信号经由CPLD逻辑处理，然后触发DSP响应外部中断以及时进行电机系统保护处理。
6.如权利要求5所述的车用永磁同步电机控制器，其特征在于:控制电路包括3路相电流采样通道、I路母线电压采样信号、I路母线电流采样通道、3路电机温度采样通道、3路IGBT温度采样通道。
7.如权利要求5或6所述的车用永磁同步电机控制器，其特征在于:控制电路中DSP的SPI接口用于与旋变解码电路通讯，获取转子位置信息；控制电路中DSP的McBSP接口设置成SPI模式，并经由CPLD分时复用，一方面与EEPROM进行通讯，进行故障信息存储与读取、控制参数存储及读取；另一方面实时获取和区分硬件保护比较电路检测出来的每一种故障；控制电路中的复位信号、外部中断信号、两路SPI通讯信号、1信号均经由CPLD进行逻辑处理，控制电路中上电复位信号经由CPLD处理分成两路复位信号，一路用于复位DSP，另一路用于复位IGBT驱动芯片。
8.如权利要求5、6或7所述的车用永磁同步电机控制器，其特征在于:控制电路中的旋变解码电路、CAN总线驱动电路和1电路采用光耦隔离设计。
9.如权利要求8所述的车用永磁同步电机控制器，其特征在于:控制电路中1电路含有4路继电器输出信号和4路开关量输入信号。
10.如权利要求1所述的车用永磁同步电机控制器，其控制电路的控制程序为: (1)系统上电复位后，首先进行硬件配置及初始化、变量初始化； (2)然后从EEPROM读取电机控制参数； (3)然后进行系统自检，若自检成功，则给VCU发送自检完成状态，并进入等待模式；若自检未成功，则先给VCU发送自检故障标志，再给VCU发送自检完成状态，并进入等待模式； (4)在等待模式中，循环等待VCU发送的上电指令；若接收到上电指令，则开始预充电操作，闭合预充继电器，并判断预充电是否完成；若预充电未完成，则循环等待；若预充电完成，则闭合主继电器、断开预充继电器，并给VCU发送预充电完成状态； (5)预充电完成后，等待VCU发送使能指令；若未收到使能指令，则循环等待；若收到使能指令，则使能中断，并进入主循环程序； (6)在主循环程序中，等待进入主中断。若未进入主中断，则执行CAN总线接收V⑶指令、CAN总线发送电机系统运行状态、电机系统故障诊断、EEPROM保存故障信息等子程序；若进入主中断,则执行主中断子程序； (7)在主中断子程序中，首先进行AD采样及校准、转子位置获取和转速计算； (8)然后进行运行模式和转矩指令解析并获取电流指令； (9)然后判断是否有故障需要停机；若无故障，则执行矢量控制算法和更新PWM输出程序，然后退出主中断子程序； (10)若有故障需要停机，则首先将电流指令清零，并判断转速是否低于安全阈值；若转速低于安全阈值，则直接关PWM，然后退出主中断子程序；否则继续执行矢量控制算法和更新PWM输出程序，然后退出主中断子程序。
【文档编号】H02P25/02GK104270052SQ201410524417
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月8日 优先权日:2014年10月8日
【发明者】宋雪雷 申请人:北京新能源汽车股份有限公司