電動(dòng)汽車動(dòng)力總成控制系統(tǒng)方案詳解

電動(dòng)汽車動(dòng)力總成控制系統(tǒng)方案詳解來源：網(wǎng)站整理［導(dǎo)讀］長(zhǎng)期以來，諸如永磁同步電機(jī)（PMSM）和感應(yīng)電機(jī)等三相交流電機(jī)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，這些電機(jī)還是相對(duì)時(shí)新的裝置，目前正被逐漸用作傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的補(bǔ)充品或替代品。關(guān)鍵詞：感應(yīng)電機(jī)工業(yè)控制汽車電子長(zhǎng)期以來，諸如永磁同步電機(jī)（PMSM）和感應(yīng)電機(jī)等三相交流電機(jī)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，這些電機(jī)還是相對(duì)時(shí)新的裝置，目前正被逐漸用作傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的補(bǔ)充品或替代品。PMSM采用的繞組為三相正弦分布繞組和機(jī)械位移繞組。三相正弦波和時(shí)間位移電流可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這一旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過（逆變器中的）MOSFET切換電機(jī)繞組的電流而產(chǎn)生。磁場(chǎng)定向控制（FOC）算法為電機(jī)電流控制生成PWM模式。轉(zhuǎn)子的位置和電流持續(xù)不斷地被檢測(cè)?；诟咝阅芪⒖刂破鞯母咝OC系統(tǒng)，為電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)提供安全高效的解決方案創(chuàng)造了條件（圖1）。I.i$tqfJihbr^!intioni:Analb.;Di^il-HlConrwrlerP'priplier^lCon1r&lPr&<eis<ir* 5AUDOMAX32-bitMkrMontrdlerPuriPDseTimtr.AirayGPT12GWh#詞IPjrpOit!Fim^rCCLIfiC^spluri!Lamp.irf!UnitkerectorPuI.i$tqfJihbr^!intioni:Analb.;Di^il-HlConrwrlerP'priplier^lCon1r&lPr&<eis<ir* 5AUDOMAX32-bitMkrMontrdlerPuriPDseTimtr.AirayGPT12GWh#詞IPjrpOit!Fim^rCCLIfiC^spluri!Lamp.irf!UnitkerectorPu技白WidishPM淵W叩iM1PcrmiinEnlMssnetnSyMhnjnuM?Mnchin^ADCfrMMOfCfl-AEKl聞零withmEnwck時(shí)Mg■血rinn血mfrltore1"CPUGFTAsrKUfiyGPT123-Dh基必lnwrlerEne-oder/RBSph'crciMuii圖1：運(yùn)行于FOC模式的32位TriCore微控制器。AUDOMAX產(chǎn)品系列的PWM生成方式英飛凌的32位AUDOMAX系列微控制器內(nèi)裝一枚主內(nèi)核（TriCoreCPU，淺綠色）和一枚快速協(xié)處理器（被稱為PCP，深綠色）。這種非對(duì)稱架構(gòu)能夠利用PCP高效處理外圍設(shè)備，而無需中斷在TriCoreCPU上運(yùn)行主算法的處理進(jìn)程。PCP負(fù)責(zé)處理關(guān)鍵的實(shí)時(shí)中斷負(fù)荷，因此可減輕CPU的負(fù)擔(dān)。有兩種方案可以生成驅(qū)動(dòng)逆變器的PWM.GPTA可生成非常復(fù)雜的PWM模式，例如非對(duì)稱死區(qū)時(shí)間生成或定制模式。外設(shè)模塊CCU6是一個(gè)低端方案，可用于生成中心對(duì)齊和邊緣對(duì)齊的PWM模式。相比GPTA而言，CCU6可以以較低的軟件開銷直接支持PWM信號(hào)生成，同時(shí)，無需配置多個(gè)定時(shí)器單元。CCU6和GPTA這兩個(gè)模塊都具備觸發(fā)功能，能夠讓PWM信號(hào)和A/D電流測(cè)量實(shí)現(xiàn)無延遲的等時(shí)同步（參見箭頭“觸發(fā)事件”）。作為一個(gè)附加的安全特性，每個(gè)GPTA模塊都配有“緊急模式停止信號(hào)”，可用于設(shè)置安全開關(guān)。針對(duì)TriCoreAUDOMAX微控制器系列的所有成員，提供了一個(gè)基于PRO-SIL的安全平臺(tái)，它包含硬件（安全看門狗CIC61508）和軟件（SafeTcore驅(qū)動(dòng)程序），可滿足ASIL認(rèn)證的B級(jí)至D級(jí)要求。通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）測(cè)量電流圖1所給示例對(duì)電機(jī)的兩個(gè)相電流進(jìn)行了測(cè)量，并采用了一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換?；谥鸫伪平拇嫫鳎⊿AR），該模數(shù)轉(zhuǎn)換器具備很高的精度（12位分辨率），并且轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1微秒。由兩個(gè)已知的相電流可以計(jì)算出第三個(gè)相電流。針對(duì)更高的安全要求，建議對(duì)電機(jī)的第三個(gè)相電流進(jìn)行額外的測(cè)量。針對(duì)這一應(yīng)用，帶有第三個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的微控制器可供選擇。連接旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器旋轉(zhuǎn)變壓器將PMSM轉(zhuǎn)子的角位移轉(zhuǎn)換為一個(gè)電氣值。一般情況下，可利用一個(gè)附加的正切函數(shù)電路從兩個(gè)信號(hào)（正弦/余弦）導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的角度值。旋轉(zhuǎn)變壓器電路的信號(hào)輸出至SPI總線，也可由微控制器直接讀取旋轉(zhuǎn)變壓器的正弦和余弦信號(hào)。還有一種可選的方式是讀取編碼器信號(hào)，在運(yùn)行于微控制器GPT12的編碼器接口中對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，再反饋到控制算法。AUTOSAR之外重復(fù)利用汽車電子軟件近年來，汽車電子軟件和通信已通過OSEK、AUTOSAR、FlexRay等規(guī)范而標(biāo)準(zhǔn)化。除標(biāo)準(zhǔn)化軟件成分以外，汽車電子系統(tǒng)還使用了可在多種應(yīng)用中被重復(fù)利用的控制算法。如今，電機(jī)控制由分布在汽車車身、底盤和動(dòng)力總成系統(tǒng)各處的電子控制單元（ECU）來完成。MC-ISAReMotor驅(qū)動(dòng)程序提取了三相電機(jī)應(yīng)用中電流控制的一般特性，設(shè)計(jì)用于支持多種位置信息采集模式和逆變器控制裝置。三相電機(jī)控制英飛凌AUDOMAX系列非常適用于電機(jī)的控制。TriCore架構(gòu)和MC-ISAReMotor驅(qū)動(dòng)程序可采用高級(jí)控制策略控制多臺(tái)三相電機(jī)，包括無刷直流電機(jī)（BLDC）塊交換（blockcommutation，BC）及永磁同步電機(jī)（PMSM）磁場(chǎng)定向控制（FOC）。單一微控制器甚至還能同時(shí)支持BLDC和PMSM電機(jī)控制。相比于其他類型的電機(jī)而言，采用FOC控制的PMSM電機(jī)能效更高、磨損更小，并且可以實(shí)現(xiàn)精確控制和定位。特別是，這種電機(jī)支持線性轉(zhuǎn)矩控制，為將其用于混合電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖2顯示了MC-ISAReMotor驅(qū)動(dòng)程序的電流控制環(huán)路，右側(cè)為復(fù)雜設(shè)備驅(qū)動(dòng)（CDD）。這個(gè)時(shí)間關(guān)鍵型電流控制環(huán)路在中斷上下文中進(jìn)行處理，處理時(shí)間不超過50微秒。左側(cè)是附加的用于位置和轉(zhuǎn)速控制的軟件成分（SWC），由應(yīng)用程序提供。TcirqueControlInverter/M05fEr&Pfis-ithnControlOptionalCAN/FR/UPIUu%R1SILiXjpFIrE^rnjptContextTcirqueControlInverter/M05fEr&Pfis-ithnControlOptionalCAN/FR/UPIUu%R1SILiXjpFIrE^rnjptContext<}；3g席0野力由整怛H由眄rumCiirre-neSensorsPosition麗n沁rsC&ntral圖2：電機(jī)控制中的電流控制環(huán)。位置檢測(cè)和電流檢測(cè)模式為符合精確定位的要求，MC-ISAReMotor通過采用霍爾傳感器外加增量編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，實(shí)現(xiàn)了典型高分辨率檢測(cè)模式。此外，還可將無傳感器FOC用于故障安全模式。對(duì)于成本敏感的應(yīng)用，AUDOMAX系列支持直接旋轉(zhuǎn)變壓器模式，該模式通過軟件和分立元器件實(shí)現(xiàn)，避免了配備外置旋轉(zhuǎn)變壓器IC的需要，這能使每個(gè)控制單元在成本上降低2美元左右。與此同時(shí)，MC-ISAReMotor可以支持兩相或直流母線電流測(cè)量模式（圖3）。AUDOMAXBasicfeaturesControlupto4PMSMmotorsviaFOCControlupto4BLDCmotorsviablockcommutationFOCmodeSensorsIncremenialencoder/HatlsensorsResolverDirectresolvermode{withoutresolverIQSen^QrlessFOCCurrentmeasurernent3-Phase2-PhaseDClinkBlockcommutationSensorsHallsensorsSensorlessback.EMF—modeCurrentmeasurernent■s 舟K；每圖3:MC-ISAReMotor操作模式。

MC-ISAReMotor軟件劃分此軟件可劃分為兩個(gè)組成部分：不依賴于硬件和依賴于硬件的成分。不依賴于硬件的模塊用于EmoControl、位置信息采集PA和FOC（圖4）。因此，EmoControl是通過FOC控制方向和電流的主要模塊。送入電機(jī)的電流決定了轉(zhuǎn)矩。MC-ISAReMotor驅(qū)動(dòng)向應(yīng)用程序反饋電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速信息。位置信息采集PA模塊負(fù)責(zé)從旋轉(zhuǎn)變壓器和編碼器信號(hào)中提取角度信息。具備Park-Clarke變換和空間矢量調(diào)制（SVM）的FOC，是通過檢測(cè)給定電流和位置來設(shè)置新電流的主要部分。圖4：磁場(chǎng)定向控制（FOC）模塊框圖。硬件相關(guān)的模塊，包括重復(fù)使用的AUTOSARMCAL驅(qū)動(dòng)（ADC、SPI、DIO），或PWM信號(hào)生成（EmoPwm驅(qū)動(dòng)CCU6）和編碼器接口EmoIcu（通過GPT12讀取編碼信號(hào)）的專用模塊?？蛻艟帉懙奈恢煤娃D(zhuǎn)速控制代碼，可以按標(biāo)準(zhǔn)軟件成分SW-C）添加，就像AUTOSAR所提供的一樣。MC-ISAReMotor安全考慮為支持符合安全要求的應(yīng)用，從一開始設(shè)計(jì)軟件成分時(shí)就考慮安全要求非常重要。在ECU的開發(fā)階段應(yīng)明確應(yīng)用的特定需求，并且，這些需求將隨應(yīng)用的不同而不同。此外，為支持安全應(yīng)用，還應(yīng)考慮現(xiàn)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)的某些安全因素°MC-ISAReMotor采用符合ISO26262的軟件開發(fā)流程開發(fā)而成，并可支持安全相關(guān)系統(tǒng)中的三相電流測(cè)量。英飛凌eMotor主要優(yōu)勢(shì)概述英飛凌AUDOMAX系列和MC-ISAReMotor驅(qū)動(dòng)，可并行控制多達(dá)4臺(tái)PMSM或BLDC電機(jī)，同時(shí)還能滿足應(yīng)用任務(wù)控制所需的性能。MC-ISAReMotor和標(biāo)準(zhǔn)AUT