电动客车专用驱动电机控制器硬件设计

王修满，陈顺东，吴成加，门晓金

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

电动客车专用驱动电机控制器硬件设计

王修满，陈顺东，吴成加，门晓金

（安徽安凯汽车股份有限公司，合肥230051）

以浮点型DSP TMS320F28335芯片为核心开发电动客车专用驱动电机控制器，阐述重要模块的工作原理及电磁兼容性设计方法，开展电机控制器硬件系统功能检验的台架试验。结果表明，开发的控制器运行可靠，性能稳定。

电动客车；DSP TMS320F28335；驱动电机；控制器硬件

电动客车专用驱动电机及其控制器是纯电动汽车的重要零部件。近两年发布的《节能中长期专项规划》等多项相关文件中均强调要大力发展电动汽车及零部件和配套基础设施。针对电动客车动力系统新需求开发的专用驱动电机控制器可以有效地降低整车制造成本、降低公里耗电量及提高车辆稳定性等优势，从而提高电动客车市场竞争力。本文以DSP TMS320F28335芯片为核心，开发了一款高性能矢量控制电机控制器，并对样机进行了试验研究。

1　控制器矢量控制系统

1.1控制器矢量控制原理

电动客车专用驱动电机控制器矢量控制框图见图1。直流母线连接车载动力电池，控制器采用旋转编码器获取转子位置和转速，采用莱姆电流传感器检测三相电流，通过Clark及Park坐标变换，得到d-q轴电流反馈值Id和Iq，再分别通过PID控制器调节。PID控制器的输出经Ipark变换，将旋转速度为同步转速的两相旋转坐标系下的电压Ud和Uq转换成两相静止坐标系下的电压Ualfa和Ubeta，最后经过SVPWM模块产生控制驱动电机控制器各功率开关的通断信号以驱动电机［1-6］。

1.2控制器矢量控制系统

整个系统控制电路总体结构如图2所示，通过脉冲变压器和光耦隔离分为初级算法电路和次级驱动电路。初级算法电路采用数字化设计，以DSP28335微处理器为核心，完成电压电流采样、电机转速检测及矢量控制核心算法等功能；次级驱动电路完成IGBT栅级驱动、过流过压过温保护等功能［2-6］。

2　电动客车专用驱动电机控制器设计

2.1硬件基本技术要求

1）具有良好的电磁兼容性（EMC），满足电动汽车在极限工况下的电磁干扰（EMI）和电磁抗干扰（EMS）的要求，元器件均采用汽车级芯片。

2）具有完善的软硬件保护功能，主控制芯片收到过压、过流、过温、缺相、电机故障等引起的外部中断信号后，以最高优先级响应，关断IGBT，保护系统。

3）采用功能模块化设计，采用标准接口，支持CAN和485通讯。

4）电动客车运行环境恶劣，温度范围达到-40℃～125℃，控制器外壳设计防水、防尘等级满足IP55。

2.2电机控制器主要元器件选型

1）主控制芯片选型。按照所处理信号数量及存储要求，采用TI公司推出的32位浮点型DSP TMS320F 28335芯片。

2）功率模块选型。结合国内数千台电动客车在多个城市示范运营情况，考虑到高速开关动作带来的过压、过流问题，选用1 200 V、450 A的IGBT模块，采用双管并联的方式。

3）直流母线DC-Link电容器选型。直流母线电容器的主要作用是防止直流母线上电压过冲和瞬时过电压对IGBT的影响。设计DC-Link电容器大小主要考虑电机控制器产生的纹波，按照20 mA/μF的经验规则，选取mF级别、额定电压900 V的薄膜电容器，采用4个薄膜电容器并联的方式。

4）阻容滤波器选型。由于IGBT栅级驱动电路设计、米勒效应及母排寄生电感等原因，造成IGBT开关时，三个桥臂会出现高频电压干扰。阻容滤波器的设计要综合考虑降噪能力与带宽，电容太小不能有效抑制噪声，太大响应速度太慢。本设计采用1 200 V耐压，0.47μF的薄膜电容。

5）电流传感器选型。电流检测的精度和实时性是整个矢量控制系统精度的关键，对电流检测要求精度高和速度快，显然普通的电流互感器难以满足要求。本设计采用莱姆公司生产的HAT500-S电流传感器。

2.3电机控制器硬件设计

整个系统是一个多输入/多输出及数模混合的复杂系统。按照模块化思想，设计将硬件系统分为核心控制模块、电源模块、电压电流采样模块、转速检测模块及驱动模块［3-7］等主要模块。

1）核心控制模块。采用高性能的电机控制专用DSP TMS320F28335芯片，负责逻辑运算、矢量控制及电机故障诊断等功能的实现。该芯片工作频率可达到150 MHz，可达到2 M×16 b的寻址能力，256 k×16 b的片上Flash，34 k×16 b的SRAM；具有18路PWM输出端口，其中6路PWM具有高分辨率HPWM功能；具备编码器处理模块QEP及16路精度12 b的A/D采用单元。

2）电源模块。电源电路通过定制的脉冲变压器将直流母线电压转换成系统所需的15 V、5 V及24 V等系统电压，然后通过电源芯片AZ1117D得到TMS320F28335工作的1.9 V电压和3.3 V I/O电路电压。

3）电压电流采样模块。DSP TMS320F28335具有16路A/D转换通道，系统使用了其中9路通道，分别采集电机温度、A相电流、B相电流、C相电流、IGBT模块温度、母线电压及母线电流等。相电流采样通过LEM公司的高精度HAT500-S电流传感器，采样精度达到1%，线性误差小于1%，带宽50 kHz。该传感器采用±15 V供电，三相异步电机在工作时，A、B、C三相电流经传感器采样产生随电流变化的三相电压，由于DSP采样电压范围为0～3.3 V，该三相电压经信号调理电路变成大小适中的电压，然后通过比较电路得到相电流是否平衡的硬件保护信号，其中A相电流采样电路部分原理图如图3所示。

4）转速检测模块。电机的转速是通过光电码盘检测的，电机转速检测的精度将直接影响到调速系统的控制精度和稳定性。本设计采用磁阻式52系列YS 52 XU9733型旋转编码器进行转速检测，有A、B、Z三相输出，其中A与B相用于测速，且相位差90°，A与B相每转一圈输出2 048个脉冲；Z相每转一圈输出一个脉冲，用于基准点定位。A与B相输出经过高速光耦隔离，接到TMS320F28335的增量式光电编码器接口QEP引脚，通过脉冲的计数，便可计算出电机的实时转速。

5）驱动模块。系统的驱动部分采用独立的PCB电路板，对于不同功率的驱动要求，通过更换驱动板即可。本设计从驱动电压、电流的动稳态两方面考虑，采用M57962AL型IGBT驱动芯片。

从动态特性看，分析IGBT响应时间与超调关系，得到其震荡阻尼特性、最优驱动电阻RG及杂散电感约束，优化驱动电压动态过程，一定程度上控制上升时间，减小超调；从稳态特性看，IGBT驱动电路的开通与关断稳态电压必须稳定，开通+15 V，关断-10 V，其中IGBT驱动电路部分原理图如图4所示，采用隔离变压器驱动方式提供稳定可靠的开关电压。

2.4电磁兼容性设计

本设计重点从以下几方面采取措施，以提高系统的EMC可靠性［8-11］：

1）驱动系统的控制电路需要多种稳定可靠的电源。根据驱动系统功能需求，定制专用模块化功率组件，辅以抑制共模及差模干扰的LC滤波电路，同时在高速的数模电路负载上并联去耦电容及旁路电容，避免负载间干扰。

2）采用多层电路板设计，以提高微控制器抗干扰能力，四层板比双层板噪声低20 dB（A）［8］，综合成本及安装布置考虑。驱动电机控制器硬件分为主控板、信号板、驱动板和输出板，其中主控板和信号板采用四层板，驱动板和输出板采用二层板。

3）PCB电路板设计，四层板数模电路部分采用只在一处连接，双层板的基准部分和电源采用单点接地；合理规划敷铜区域。

4）母线结构采用双层镀锡铜板叠加技术，防止功率回路中产生寄生电感，正负母线极板连接功率模块和滤波电容器可有效降低母线电感。

采用以上措施后，控制器硬件的EMC性能良好，通过了符合GB/T 17626.5-2008要求的电磁兼容试验。

3　试验结果

为检验所开发的电动客车专用驱动电机控制器的性能，在AVL测功机台架上进行了实验。该测功机的功率测试范围为80～360 kW。该台架测试系统包括AVL测功机、电池柜、功率分析仪、可变电压直流电压源、驱动电机及其控制器等，为电机控制器调试提供了便利条件，现场调试环境如图5和图6所示；电机控制器电流输出波形如图7所示。三相电流波形近似为正弦波，电机控制器在AVL测功机台架上强电磁干扰环境中长期运行稳定，未出现干扰波形畸变，具有良好的电磁兼容性。驱动电机转速曲线及d-q轴电压电流波形如图8所示，驱动电机升速，d-q轴电压电流动态响应速度快。结果表明，开发的电机控制器具有良好的电磁兼容性及动态响应特性，验证了硬件设计的有效性及矢量控制的可行性。

4　结束语

基于DSP28335开发的电动客车专用电机控制器，具有良好的电磁兼容性、防尘防水及完善的软硬件保护功能等特点；模块化设计有利于产品设计降成本及标准化；AVL测功机台架试验表明，开发的电机控制器具有良好的动态跟随性及电磁兼容性，同时验证了硬件设计的有效性及矢量控制的可行性。另外，通过优化电机控制器的结构设计和整车控制策略，为进一步提高电驱动系统效率提供了技术研究平台。

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修改稿日期：2014-12-22

Design on Special Driving Motor Controller Hardware for an Electric Bus

Wang Xiuman，Chen Shundong，Wu Chengjia，Men Xiaojin
（Anhui Ankai Automobile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

The authors use the float DSP TMS320F28335 microchip as the core to develop a special driving motor controller for an electric bus.They elaborate the working principles of the main modules and the design method of the electromagnetic compatibility，and develop the bench test of inspecting the function ofhardware system for motor controller.The results show that the developed controller operation is reliable and its performance is stable.

electric bus；DSP TMS320F28335；drive motor；controller hardware

U469.72；U 463.6

B

1006-3331（2015）03-0018-04

安徽省科技攻关项目（1201A0201003）。

王修满（1983-），男，硕士；助理工程师；主要从事新能源汽车设计研究工作。