基於TC1782的永磁同步電機控制系統

來自專欄 李工談工控

作者：陳漢順

錢偉喆

李詩念

摘要

本文在簡要介紹當前驅動汽車技術革命的電動汽車技術的前提下，詳細介紹了電動汽車主要核心部件的驅動電機及其控制器，重點分析了英飛凌32 位新型單片機在電機控制器中的應用以及軟體的基本架構，探討了用軟體實現旋變解碼的可行性及其解決方案。並結合當前比較流行的汽車功能安全標準ISO26262，闡述英飛凌在汽車電機控制器的安全應用解決方案。

0 前言

電動汽車是21世紀的綠色交通工具，電動汽車技術是當前國際上正在進行研究的一項高

新且熱門的技術。作為核心部件之一的驅動電機及其控制系統在純電動汽車(EV)及混合動力

汽車(HEV)中起著至關重要的作用，對它們進行研究具有重要的理論和現實意義。

永磁同步電機(技術上也叫PMSM)相對於傳統交流電機具有高效、高功率密度以及良好的

調速性能，正逐漸成為EV和HEV中驅動電機的首選之一。本文主要討論了研製與開發永磁

同步電機控制系統中的關鍵技術，闡述了控制系統的功能架構和軟硬體的實現過程，初步形

成了控制系統的開發體系，為電動汽車驅動電機控制系統的獨立開發奠定了技術基礎。

1 永磁同步電機

永磁同步電機PMSM轉子上裝有永久磁體，定子採用正弦繞組(圖1左)，三相逆變器提供

定子繞組的三相對稱電流(圖1右)產生旋變磁場，從而拖動永磁轉子同步旋轉，定子繞組的

通電頻率以及由此產生的旋變磁場轉速取決於轉子的實際位置和轉速。

和常見的交流感應電機不一樣，PMSM電機所用正弦波必須和轉子的角位置同步才能獲得

有用的扭矩,因此在控制電機時必須實時獲取轉子的實際位置和轉速。電機轉子角位置的值

常常由一般用絕對位置感測器(包括絕對碼盤和旋轉變壓器)。永磁同步電機低速時常採用矢

量控制，包括氣隙磁場定向、轉子磁鏈定向和定子磁鏈定向，高速時增加弱磁控制。

2 電機控制系統

2.1 系統架構

永磁同步電機PMSM的特性決定了控制系統的複雜性，較為常見的PMSM電機控制系統主要

由驅動器、主控制器(邏輯控制板)及各種感測器(電流感測器，溫度感測器和旋變繞組等) 等

組成，圖2所示為英飛凌推出的應用於在EV和HEV上PMSM電機控制系統的解決方案：

在上圖所示方案中，驅動器由IGBT三相橋驅動板，HybridPACK?2 IGBT(簡稱HP2)模塊

和直流母線電容組成。IGBT三相橋驅動板包括6通道的IGBT預驅動電路，開關電源SMPS，

邏輯門電路，故障檢測電路，電壓及溫度測量電路。由六個IGBT單元組成驅動PMSM電機的

三相橋臂的HP2模塊是英飛凌專門為EV和HEV應用而設計的大功率模塊，其最大工作電壓為

650 V，最大額定功率為80KW，模塊的最高運行結溫為150℃。主控制器則搭載了英飛凌32

位新型單片機TC1782(Audo-MAX系列)的最小系統電路，旋變解碼電路，支持ISO26262功能

安全解決方案的監控電路和感測器介面電路等。

2.2 主控制器設計

PMSM電機控制系統的驅動器採用了Infineon生產的標準驅動模塊，以下討論將集中於主

控制器的設計，最後驗證測試整個控制系統。

2.2.1 主晶元選型

PMSM電機的控制要求主控制器不僅有強大的適合電機控制的專用外設，而且有很強的實

時性能。TC1782是一款哈弗架構且有非對稱雙核(主核Tricore和外設控制協處理器PCP)的高

性能32位單片機，主頻高達180MHz，內置浮點運算單元FPU，支持DSP演算法指令，2.5M位元組FLASH，176K位元組RAM。TC1782與電機控制相關的重要外設主要是通用時間陣列GPTA和數模轉換ADC。GPTA提供一套靈活的定時，比較和捕獲功能，可以靈活地組合成信號檢測單元和信號發生單元，應用於電機控制時可以支持動態控制的死區時間和不同於邊沿對齊和中央對齊的非對稱PWM輸出。由硬體觸發(如GPTA)並實現同步轉換的數模轉換模塊ADC至少可以支持在電機應用中兩相電流的同時獲取。圖3中所示為電機控制的一個單周期時序，GPTA生成一相帶死區的互補式PWM波形，在PWM中點同時觸發ADC0和ADC1的轉換，ADC模塊在完成對應通道轉換後啟動CPU中斷服務程序。

TC1782的每個AD轉換模塊(ADC0和ADC1)都支持16 路轉換通道，具有可編程的轉換精度

(8/10/12比特)，12比特下最快轉換時間小於1微秒。專用外設控制協處理器PCP可以承擔大

部分中斷負荷，從而主核可以集中處理用於電機控制的複雜運算，如Park變換，Clarke變換

和空間矢量調製(SVM)等。目前TC1782微控制器受到了越來越多的汽車廠商和零部件供應商

的關注，被國內外主流OEM和零部件供應商選為電動汽車驅動電機控制器的關鍵部件之一。

2.2.2 硬體設計

依照PMSM主控制器所需要的功能、實際參與控制的對象以及主控制晶元的特點，PMSM電

機控制系統主控制器硬體結構如圖4所示。它採用了功能劃分和模塊化的設計思想，並根據

功能需求分離成不同的功能模塊。主控制器的主要介面技術參數為:1）14路模擬量輸人通道

(12比特);2）6路PWM輸出(帶電平轉換);3）2路CAN通訊介面(支持標定和系統通訊);4）可配

置並行或串列通訊的旋變介面電路(AD2S1210);5）數字量輸入(故障檢測與診斷等)；6）數

字量輸出(急停控制與主繼電器控制等)；7）電源系統。

PMSM電機控制系統要求具有較高的安全等級，驅動器對主控制器的故障響應時間有著嚴

格的要求，因此主控制器採用了符合ISO26262功能安全規範的監控晶元CIC61508設計監控電

路。CIC61508具有可配置的電壓監控輸入，可配置的主CPU任務執行時間和可配置的故障響

應時間及輸出，可以實時監控主CPU的供電和軟體的運行狀況，按照預先配置好的故障響應

輸出控制其他IC的使能與複位引腳，從而實現系統的功能安全要求。

2.2.3 軟體設計

PMSM電機的控制系統方案主要以磁場定向控制FOC為主(圖5), 另外為達到最佳控制效果,

常常幾種控制方案結合運用, 如採用最大轉矩控制和弱磁控制原理(圖6)以實現電機的效率

最優和寬範圍的調速方案, 集轉矩控制和PWM 控制於一身的控制方案等。

圖5和圖6中的PMSM電機控制系統方案中表明TC1782除了要完成和FOC相關的計算，如

Clark，Park，i-Park和SVM計算外，還需要對系統的一些信號進行採集，如相電流，母

線電壓，電機位置和轉速等。另外考慮到主控制器參與系統通訊，以及功能安全上的要求，

這些都將對單核CPU的負載是一個嚴峻的挑戰。基於以上因素，按照主控制器的功能要求，

將主控制器的軟體開發模塊化，分配給TC1782的主CPU和外設協處理器PCP，從而形成如圖7

所示的軟體流程結構框架。

圖7所示的軟體系統架構中，主CPU在一個小型任務調度器的基礎上，分別調用了英飛凌安全功能軟體SafeTcore和PMSM電機控制相關演算法軟體，SafeTcore在CPU運行時循環檢測系統的故障，測試項目可以依照要求進行配置，所運行的PMSM電機控制演算法採用圖5和圖6中所示的控制策略進行。外設協處理器PCP除了運行安全功能軟體SafeTcore軟體監控主CPU的運行外，還可以處理和通訊相關的中斷和信號採樣中斷等，從而降低主CPU的中斷負載。

2.3軟體的旋變解碼

如前所述，PMSM電機的位置和轉速信息在電機控制中相當重要，旋變介面電路為獲取這

些信息提供了硬體解決方案。從ISO26262汽車功能安全規範要求的控制系統冗餘性來看，需

要提供第二種途徑獲取電機位置和轉速信息，從而驗證硬體解決方案獲取的信息是否正確，

提高系統的安全性，現有的歐洲電動車電機控制系統 常常使用軟體的旋變解碼作為硬體解

碼方案的備份。TC1782的高速FADC介面為這種方法提供了硬體基礎，具體思路見圖8所示：

上圖所示的FIR變換及其後面的模塊功能都是由軟體來完成，CPU計算速度對PMSM這樣的

實時控制系統而言非常關鍵。多次測試發現，基於上述軟體解碼流程生成的TC1782軟體代碼

在效率上可以達到5微妙的計算速度，效率上能夠可以滿足系統的應用要求。

3 測試驗證

PMSM電機控制系統的測試在AVL的電機試驗台上進行，其實物及系統架構如圖9所示。母線電壓和輸入功率顯示在Yokogawa的WT3000功率分析儀測試，電流感測器檢測U相和V相電流，另外WT3000功率分析儀通過扭矩感測器和轉速計測試PMSM電機的輸出扭矩和轉速。

圖10所示為母線電壓230伏、不同電源輸出功率下的相電流和電流頻率值，左圖為26千瓦

下相電流有效值為235安，頻率為100.75赫茲，右圖為51千瓦下相電流有效值為270安，頻率

為164.8赫茲。

4 結束語

電動汽車電機控制系統是電動汽車的核心部件，本文針對用於PMSM電機控制系統的主控

制器進行了如下的設計與研發工作:

1) 根據電動汽車動力系統的控制需求，提出了電機主控制器的設計原則及功能劃分，在

此基礎上確定了基於TC1782的主控制器的硬體結構及介面。

2) 參照ISO26262安全功能規範，在TC1782和CIC61508功能安全監控晶元為硬體基礎上，集成SafeTcore功能安全軟體包。

3) 試驗表明，該主控制器能夠很好的適應電動汽車的應用環境，到達了對整車動力系統

進行有效的控制與管理的設計目的。

相關文章鏈接：