关于20kW微型电动汽车电机控制系统的性能分析

项目名称：20kW微型电动汽车电机控制系统

项目介绍：
英飞凌汽车电子亚太区产业化合作伙伴自主研发项目。本项目开发的微型电动汽车电机控制系统实现了对微型电动汽车提供动力的功能，也可以对于混合动力的电机驱动系统进行控制。控制研究对象为20kW等级的三相永磁同步电机。在控制器方面，采用英飞凌的TriCore系列32-bit单片机TC1782进行电机控制算法的设计，采用FOC-SVPWM算法实现电机动态控制，同时加入电机容错控制算法。在执行机构方面，采用的先进的集成IGBT模块HybridPACKTM2或EconoPACKTM4或者EconoDualTM3，利用英飞凌的高压隔离驱动EiceDRIVERTM，对逆变器进行过流、过压、过温、驱动欠压保护等。控制系统采用电流传感器以及正交增量编码器获得电机的电流信号以及位置速度信号进行闭环反馈。通信方面，采用CAN总线进行数据与指令的收发采集。调试时采用串口连接上位机，与主控芯片进行通信及控制。
在机械工艺设计方面，对主回路进行合理布局，利用合理的布线降低母线电感，采用水冷却方式和有效的散热设计，保证了设计的紧凑性，达到减小体积、减轻重量、提高功率密度的目标。真正地实现了体积小、重量轻、效率高、智能化的特点，均符合了现今电动汽车对车用电机驱动系统要求。图一为系统框图。

图一 电机控制系统结构图

该系统的创新点在于加入了电机的容错控制算法以及可以利用该系统进行电机的参数辨识测试。容错控制主要采用解析冗余控制，在正常工作模式下采用正常的FOC控制，该方式可以满足全速度区间高性能的工作，但是需要位置与电流传感器。在位置传感器失效时，切换到无速度传感器控制模式下工作，可以在中低速区间获得较高性能。在高速或者极低速区间，采用标量控制的转差频率控制，控制电流的幅值，牺牲一定的电机性能。当电流传感器也失效时，控制器切换为最基本的VVVF控制。顶层的控制器切换策略采用柔性的自组织控制器，保证在任意失效下都可以获得最大的性能。其中引入了失效检测以及分层的优先级顺序，通过得到的不同的失效状况决定策略的切换，可以获得平滑的过渡。同时采用对于传感器信号的统计值进行失效检测。并用数字电流滞环比较的方法实现了对于电流环的控制。当系统的相电流传感器失效时，对于三相电流的估计，主流方法是通过母线电流传感器以及开关状态来对三相电流进行重构，该方法的实时性和准确性较高。

图二 容错控制策略及算法

同时为了对电机进行性能测试以及精确建模，需要对于电机参数进行辨识。利用CAN总线进行命令的收发以及数据的采集传送，采用辨识算法对于电机的电感、电阻、磁链进行参数的辨识。
整个开发流程利用MATLABTM对于电机控制算法进行仿真验证，利用Embedded CoderTM自动生成控制算法代码，再与DaveTM自动生成的TriCore底层驱动代码进行集成，自动代码技术大大缩小了开发流程，减少了手工代码工作量，方便不同平台之间的移植。

性能指标：

该项目使用的INFINEON的物料清单：