車用驅(qū)動電機(jī)原理與控制基礎(chǔ)（第2版）課件：車用電機(jī)控制方法及其實(shí)現(xiàn)

車用驅(qū)動電機(jī)原理與控制基礎(chǔ)(第2版)

車用電機(jī)控制方法及其實(shí)現(xiàn)28.1磁場定向控制（FOC）原理四線圈原型電機(jī)FOC架構(gòu)四線圈原型電機(jī)有較多的控制自由度。以定子單邊控制為例，四線圈原型電機(jī)的基本矢量控制架構(gòu)如圖8-1所示。該控制架構(gòu)基于任意MT坐標(biāo)系，以空間矢量形式表達(dá)。圖8-1四線圈原型電機(jī)矢量控制基本架構(gòu)

3PMSM的FOC架構(gòu)8.1磁場定向控制（FOC）原理

圖8-2PMSM的FOC控制架構(gòu)48.1磁場定向控制（FOC）原理感應(yīng)電機(jī)的FOC架構(gòu)與PMSM相對比，感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的產(chǎn)生來源于定子電流的激勵，因此，在做轉(zhuǎn)子磁場定向矢量控制時，不能像PMSM一樣通過檢測轉(zhuǎn)子的機(jī)械位置就可以檢測出磁場的方向，需要通過定子電流、轉(zhuǎn)速以及定子電壓等信號對轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行分析與估計，才能進(jìn)行磁場定向控制。轉(zhuǎn)子磁鏈估計方法可參考8.6節(jié)介紹的電壓-電流模式或電流-轉(zhuǎn)速模型。感應(yīng)電機(jī)磁場定向控制的其他問題與PMSM電機(jī)基本雷同。圖8-3感應(yīng)電機(jī)的FOC控制架構(gòu)5三相交流電

68.2脈寬調(diào)制逆變器和空間矢量調(diào)制8.2.1定子電壓基矢量定子電壓基矢量

圖8-4定子電壓矢量--繞組由逆變器供電78.2.1定子電壓基矢量定子電壓基矢量

圖8-5定子電壓矢量（100矢量）88.2.1定子電壓基矢量定子電壓基矢量

圖8-6基本電壓空間矢量98.2.2伏秒等效原理和SVPWM七段式SVPWM圖8-7空間電壓矢量的合成

10SVPWM電壓矢量內(nèi)切圓內(nèi)切矢量圓

118.2.2伏秒等效原理和SVPWM伏秒等效原理和SVPWM

圖8-8基本電壓空間矢量128.2.2伏秒等效原理和SVPWM伏秒等效原理和SVPWM

圖8-9定子參考電壓矢量合成第二步，在確定扇區(qū)后，由組成該扇區(qū)的非零電壓基矢量及零電壓矢量，對電壓指令進(jìn)行合成。138.2.2伏秒等效原理和SVPWM伏秒等效原理和SVPWM圖8-10第一扇區(qū)電壓指令三相PWM波形

14七段式SVPMW生成過程七段式SVPWM的生成視頻動畫158.4功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件-電力晶體管

圖8-13NPN晶體管的共射連接和伏安特性

168.4功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件-MOSFET場效應(yīng)晶體管（FET）是利用改變電場通過溝道來控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力的器件，其通過的電流隨電場強(qiáng)弱而改變，它有結(jié)型和表面型兩大類，前者是以PN結(jié)上的電場來控制所夾溝道中的電流，后者是以表面電場來控制溝道中的電流。用外加電壓控制絕緣層的電場來改變半導(dǎo)體中溝道電導(dǎo)的表面場效應(yīng)，因而又稱為絕緣柵場效應(yīng)晶體管。根據(jù)絕緣層所用材料不同，絕緣柵場效應(yīng)管有各種類型。目前應(yīng)用最廣泛的是金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）或簡稱MOS管。圖

8-16功率MOSFET單元結(jié)構(gòu)示意圖圖

8-15MOSFET的電氣圖形符號178.4功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件-MOSFET

圖8-17n溝道增強(qiáng)型P-MOSFET的共射電路、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性188.4功率半導(dǎo)體器件功率半導(dǎo)體器件-MOSFET

圖

8-17n溝道增強(qiáng)型P-MOSFET的共射電路、輸出特性和轉(zhuǎn)移特性198.4功率半導(dǎo)體器件功率MOSFET特點(diǎn)

208.4功率半導(dǎo)體器件（車用）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）圖8-19IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖、符號和等效電路

218.4功率半導(dǎo)體器件（車用）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）圖8-20IGBT的伏安特性和短路特性

228.4功率半導(dǎo)體器件第三代寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)概述

表8-4主要功率半導(dǎo)體材料物理特性表238.5車用電機(jī)控制器集成技術(shù)車用電機(jī)控制器的基本構(gòu)成車用電機(jī)控制器的組成包括硬件和軟件。硬件主要包括功率電路、控制電路和結(jié)構(gòu)散熱等主要部分。軟件包括控制電路MCU的軟件，也包括保護(hù)電路里面可編程邏輯器件的軟件。車用電機(jī)控制器可以獨(dú)立設(shè)計也可以與其他車載變流部件或驅(qū)動傳動部件集成，以共用散熱結(jié)構(gòu)或/和高壓電路聯(lián)接，并最大限度減少機(jī)械/電氣連接元件。功率電路主要包括功率模塊、電容器、功率母排等。控制電路包括驅(qū)動與保護(hù)電路、MCU邏輯電路等。結(jié)構(gòu)散熱主要包括提供防護(hù)和支撐的殼體、冷卻流道、接插件等。圖

8-21車用電機(jī)控制器組成舉例248.5車用電機(jī)控制器集成技術(shù)25車用功率模塊其中車用功率模塊的需求特點(diǎn)可以歸結(jié)為：1）寬溫度特性：車載運(yùn)用工況對功率模塊最重要以及最具挑戰(zhàn)性的一個技術(shù)指標(biāo)就是在不降低模塊性能或縮減模塊壽命的情況下，功率模塊可在環(huán)境溫度達(dá)到105℃的情況下正常運(yùn)行。2）復(fù)雜的運(yùn)行工況：不同于工業(yè)應(yīng)用中電機(jī)拖動，電動汽車運(yùn)行工況更復(fù)雜，例如對應(yīng)城市工況，車輛需要頻繁運(yùn)行在加速、減速、巡航各個狀態(tài)；隨車輛工況反復(fù)波動，IGBT模塊需要在電流、電壓循環(huán)沖擊下可靠運(yùn)行。3）高可靠性要求：車用功率模塊必須和汽車的生命周期保持一致，對IGBT的耐久性提出了更高要求，通常功率模塊的工作狀態(tài)壽命為15年及以上。影響功率模塊失效的主要因素包括功率循環(huán)、熱循環(huán)以及振動等，隨著工作循環(huán)次數(shù)的增加，功率器件的鍵合點(diǎn)等容易出現(xiàn)失效。

8.5車用電機(jī)控制器集成技術(shù)26驅(qū)動電路實(shí)例27驅(qū)動的作用288.5車用電機(jī)控制器集成技術(shù)硬件設(shè)計-功率半導(dǎo)體器件IGBT的驅(qū)動圖8-22典型的電氣隔離方式示意圖IGBT驅(qū)動電路是低壓控制電路和高壓主回路的接口，主要起到驅(qū)動功率放大、保護(hù)功率器件的作用。對IGBT的開關(guān)特性有重要影響，包括開關(guān)速度、開關(guān)損耗、波形的尖峰和振蕩等。日益提升的電流、電壓以及更高的開關(guān)頻率更容易對IGBT產(chǎn)生破壞。IGBT保護(hù)電路可以減小IGBT模塊過壓擊穿、短路和過流燒壞、過溫的可能，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。驅(qū)動電路是連接控制回路和功率回路的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)起到高、低壓電氣隔離的作用。目前主流驅(qū)動電路按隔離方式可分為：光隔離、磁隔離、容隔離三大類。1）光耦隔離驅(qū)動：光隔離型驅(qū)動通常使用光耦合器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，光耦隔離因信號僅能單向傳輸，副邊高頻干擾信號不會影響到原邊，所以具有抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但是普遍隔絕電壓較低，同時存在著傳輸延時長、老化等缺點(diǎn)。因目前IGBT驅(qū)動普遍在10kHz以下，所以光耦仍能滿足IGBT的驅(qū)動工作。2）磁隔離驅(qū)動：磁隔驅(qū)動采用脈沖變壓器的隔離方式，信號、能量通過磁場方式傳輸，可靠性高、傳輸延遲小，可滿足更高開關(guān)頻率下的驅(qū)動要求，同時具有成本低、體積小等特點(diǎn)。3）電容隔離驅(qū)動：容隔驅(qū)動使用電容進(jìn)行隔離，使用電場方式傳輸信號。具有高速、低延時低偏移的特點(diǎn)，EMI輻射較磁隔離方式更容易處理。同時有些產(chǎn)品內(nèi)部采用高絕緣性能半導(dǎo)體材料，絕緣電壓可以做到很高，最高可達(dá)到5kVrms以上。298.5車用電機(jī)控制器集成技術(shù)濾波電容設(shè)計

308.5車用電機(jī)控制器集成技術(shù)散熱設(shè)計

圖8-24電機(jī)控制器冷卻系統(tǒng)熱阻電路等效車用電機(jī)控制器以液冷方式為主，主要通過傳導(dǎo)散熱方式對發(fā)熱元件進(jìn)行冷卻。車用電機(jī)控制器功率模塊采用緊湊布置方式，可近似認(rèn)為功率模塊為單一熱源；同時冷卻系統(tǒng)采用優(yōu)化的設(shè)計方案，使得冷卻系統(tǒng)的熱量能夠及時散發(fā)，因而可以認(rèn)為用于電機(jī)控制器的散熱器是一個均質(zhì)發(fā)熱體。31電流檢測

圖8-25霍爾式電流檢測原理8.5車用電機(jī)控制器技術(shù)328.5車用電機(jī)控制器技術(shù)電流檢測

圖8-26基于采樣電阻的電流檢測原理338.5車用電機(jī)控制器集成技術(shù)軟件架構(gòu)圖8-27MCU工作模式轉(zhuǎn)換示意圖下面舉例說明典型的軟件功能模塊。（1）電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)設(shè)計。引入狀態(tài)機(jī)（StateMachine）對于并發(fā)任務(wù)應(yīng)用場合非常必要，它可以通過劃分不同工作模式，確保嵌入式控制器對外界輸入做出合理/及時的響應(yīng)。合理的狀態(tài)機(jī)設(shè)計，能保證逆變器軟件中電機(jī)控制在不同工作狀態(tài)下的平滑切換與過渡。典型的電機(jī)控制狀態(tài)機(jī)如圖7-21所示。電機(jī)的狀態(tài)可以劃分為：初始化（Initialization）、就緒（Standby）、高壓上電（HVActive）、轉(zhuǎn)速控制模式（SpdqCtl）、轉(zhuǎn)矩控制模式（TrqCtl）、高壓放電（DisCharge）、失效模式（Failure）。（2）電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制功能。轉(zhuǎn)矩控制指MCU接收上位機(jī)發(fā)送的轉(zhuǎn)矩控制請求，在考慮電機(jī)系統(tǒng)自身工況（電壓、轉(zhuǎn)速、溫度）的情況下，輸出與工況相匹配的轉(zhuǎn)矩。涉及驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制及功能實(shí)現(xiàn)主要包括低速恒轉(zhuǎn)矩控制區(qū)域的最大轉(zhuǎn)矩電流比（MTPA）控制、高速區(qū)域的恒功率弱磁控制、轉(zhuǎn)速控制、電壓控制等。控制原理即如本書介紹的矢量控制算法。（3）通訊模塊及其他功能。現(xiàn)代汽車的電子結(jié)構(gòu)是主要通過CAN總線通訊系統(tǒng)將不同的ECU連接起來，構(gòu)成分布控制系統(tǒng)。除總線通訊功能外，電機(jī)控制器還要完成故障診斷、熱管理等必要控制功能。34PMSM與感應(yīng)電機(jī)對比PMSM定向感應(yīng)電機(jī)定向

將任意磁場同步MT坐標(biāo)系選擇到轉(zhuǎn)子DQ坐標(biāo)系

358.6交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場位置測量與估計8.6.1典型電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速測量傳感器電機(jī)位置檢測

圖8-28旋轉(zhuǎn)變壓器安裝及定子繞組結(jié)構(gòu)圖、旋變激勵信號及正余弦返回信號368.6.1典型電機(jī)位置和轉(zhuǎn)速測量傳感器硬件設(shè)計-電機(jī)位置檢測

圖8-30旋變解碼鎖相環(huán)方法原理378.6交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場位置測量與估計硬件設(shè)計-電機(jī)位置檢測對于PMSM的FOC控制，需要機(jī)械式電機(jī)位置檢測傳感器，而感應(yīng)電機(jī)的FOC僅需要電機(jī)的轉(zhuǎn)速信息，因此感應(yīng)電機(jī)僅需要速度的測量。一種常用的速度傳感器為霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，其采用霍爾效應(yīng)來測量轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度?；魻栟D(zhuǎn)速傳感器工作原理如圖8-31所示，其基于霍爾效應(yīng)原理。將金屬或半導(dǎo)體薄片置于z向磁場中，當(dāng)x方向有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向（y向）上將產(chǎn)生電動勢?；魻栃?yīng)的本質(zhì)為x方向運(yùn)動的載流電子要受到洛倫茲力作用。當(dāng)旋轉(zhuǎn)齒輪的齒對準(zhǔn)霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產(chǎn)生較大的霍爾電動勢，反之，當(dāng)齒輪的空擋對準(zhǔn)霍爾元件時，產(chǎn)生較低的霍爾電動勢。隨著旋轉(zhuǎn)齒輪的旋轉(zhuǎn)，傳感器輸出的近似正弦的電壓信號，經(jīng)過信號調(diào)理和整形，可生成相對應(yīng)的方波信號。測量單位時間內(nèi)的方波脈沖數(shù)，就可以計算出旋轉(zhuǎn)齒輪的轉(zhuǎn)速。而旋轉(zhuǎn)齒輪的齒數(shù)，決定了該霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的分辨率。最終將霍爾轉(zhuǎn)速傳感器輸出的方波信號輸送到微處理器進(jìn)行轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的計算。圖8-31霍爾轉(zhuǎn)速傳感器工作原理388.6.2PMSM位置傳感器初始角標(biāo)定原理

圖8-32PMSM的初始角示意圖圖8-33基于反電動勢法的PMSM初始角標(biāo)定原理398.6.2PMSM位置傳感器初始角標(biāo)定原理a)電壓源法b)電流源法

圖8-32PMSM的初始角示意圖408.6.3PMSM的無位置傳感器估計原理

418.6.3PMSM的無位置傳感器估計原理

428.6.4感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈估計電壓—電流模型圖8-34電壓—電流模型

438.6.4感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈估計電流—轉(zhuǎn)速模型

448.6.4感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈估計電流—轉(zhuǎn)速模型圖8-35以定子電流和轉(zhuǎn)速的實(shí)測值作為輸入的MT軸系“電流—轉(zhuǎn)速”模型

45突破功率半導(dǎo)體的瓶頸功率半導(dǎo)體廣泛應(yīng)用于電子制造行業(yè)，傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域包括消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、電子設(shè)備等產(chǎn)業(yè)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及技術(shù)工藝的不斷進(jìn)步，新能源汽車及充電樁、智能裝備制造、物聯(lián)網(wǎng)、新