电动汽车动力总成控制方法【北京赛车官方正版

日期:2019-11-08编辑作者:北京赛车官方正版投注

功率晶体管的换向实现了定子中的适当绕组,可根据转子位置生成最佳的转矩。在一个BLDC电机中,MCU必须知道转子的位置并能够在恰当的时间进行整流换向。BLDC电机的梯形整流换向对于直流无刷电机的最简单的方法之一是采用所谓的梯形整流换向。 图1:用于BLDC电机的梯形控制器的简化框图在这个原理图中,每一次要通过一对电机终端来控制电流,而第三个电机终端总是与电源电子性断开。嵌入大电机中的三种霍尔器件用于提供数字信号,它们在60度的扇形区内测量转子位置,并在电机控制器上提供这些信息。由于每次两个绕组上的电流量相等,而第三个绕组上的电流为零,这种方法仅能产生具有六个方向共中之一的电流空间矢量。随着电机的转向,电机终端的电流在每转60度时,电开关一次(整流换向),因此电流空间矢量总是在90度相移的最接近30度的位置。 图2:梯形控制:驱动波形和整流处的转矩因此每个绕组的电流波型为梯形,从零开始到正电流再到零然后再到负电流。这就产生了电流空间矢量,当它随着转子的旋转在6个不同的方向上进行步升时,它将接近平衡旋转。在像空调和冰箱这样的电机应用中,采用霍尔传感器并不是一个不变的选择。在非联绕组中感应的反电动势传感器可以用来取得相同的结果。这种梯形驱动系统因其控制电路的简易性而非常普通,但是它们在整流过程中却要遭遇转矩纹波问题。BLDC电机的正弦整流换向梯形整流换向还不足以为提供平衡、精准的无刷直流电机控制。这主要是因为在一个三相无刷电机(带有一个正统波反电动势)中所产生的转矩由下列等式来定义:转轴转矩= Kt [IRSin(o) ISSin(o 120) ITSin(o 240)]其中:o为转轴的电角度Kt为电机的转矩常数IR, IS和IT为相位电流如果相位电流是正弦的:IR = I0Sino; IS = I0Sin ( 120o); IT = I0Sin ( 240o)将得到:转轴转矩= 1.5I0*Kt(一个独立于转轴角度的常数)正弦整流换向无刷电机控制器努力驱动三个电机绕组,其三路电流随着电机转动而平稳的进行正弦变化。选择这些电流的相关相位,这样它们将会产生平稳的转子电流空间矢量,方向是与转子正交的方向,并具有不变量。这就消除了与北形转向相关的转矩纹波和转向脉冲。为了随着电机的旋转,生成电机电流的平稳的正弦波调制,就要求对于转子位置有一个精确有测量。霍尔器件仅提供了对于转子位置的粗略计算,还不足以达到目的要求。基于这个原因,就要求从编码器或相似器件发出角反馈。 图3:BLDC电机正弦波控制器的简化框图由于绕组电流必须结合产生一个平稳的常量转子电流空间矢量,而且定子绕组的每个定位相距120度角,因此每个线组的电流必须是正弦的而且相移为120度。采用编码器中的位置信息来对两个正弦波进行合成,两个间的相移为120度。然后,将这些信号乘以转矩命令,因此正弦波的振幅与所需要的转矩成正比。结果,两个正弦波电流命令得到恰当的定相,从而在正交方向产生转动定子电流空间矢量。正弦电流命令信号输出一对在两个适当的电机绕组中调制电流的P-I控制器。第三个转子绕组中的电流是受控绕组电流的负和,因此不能被分别控制。每个P-I控制器的输出被送到一个PWM调制器,然后送到输出桥和两个电机终端。应用到第三个电机终端的电压源于应用到前两个线组的信号的负数和,适当用于分别间隔120度的三个正弦电压。结果,实际输出电流波型精确的跟踪正弦电流命令信号,所得电流空间矢量平稳转动,在量上得以稳定并以所需的方向定位。一般通过梯形整流转向,不能达到稳定控制的正弦整流转向结果。然而,由于其在低电机速度下效率很高,在高电机速度下将会分开。这是由于速度提高,电流回流控制器必须跟踪一个增加频率的正弦信号。同时,它们必须克服随着速度提高在振幅和频率下增加的电机的反电动势。由于P-I控制器具有有限增益和频率响应,对于电流控制回路的时间变量干扰将引起相位滞后和电机电流中的增益误差,速度越高,误差越大。这将干扰电流空间矢量相对于转子的方向,从而引起与正交方向产生位移。当产生这种情况时,通过一定量的电流可以产生较小的转矩,因此需要更多的电流来保持转矩。效率降低。随着速度的增加,这种降低将会延续。在某种程度上,电流的相位位移超过90度。当产生这种情况时,转矩减至为零。通过正弦的结合,上面这点的速度导致了负转矩,因此也就无法实现。AC电机控制算法标量控制标量控制(或V/Hz控制)是一个控制指令电机速度的简单方法指令电机的稳态模型主要用于获得技术,因此瞬态性能是不可能实现的。系统不具有电流回路。为了控制电机,三相电源只有在振幅和频率上变化。矢量控制或磁场定向控制在电动机中的转矩随着定子和转子磁场的功能而变化,并且当两个磁场互相正交时达到峰值。在基于标量的控制中,两个磁场间的角度显著变化。矢量控制设法在AC电机中再次创造正交关系。为了控制转矩,各自从产生磁通量中生成电流,以实现DC机器的响应性。一个AC指令电机的矢量控制与一个单独的励磁DC电机控制相似。在一个DC电机中,由励磁电流IF所产生的磁场能量ΦF与由电枢电流IA所产生的电枢磁通ΦA正交。这些磁场都经过去耦并且相互间很稳定。因此,当电枢电流受控以控制转矩时,磁场能量仍保持不受影响,并实现了更快的瞬态响应。三相AC电机的磁场定向控制(FOC)包括模仿DC电机的操作。所有受控变量都通过数学变换,被转换到DC而非AC。其目标的独立的控制转矩和磁通。磁场定向控制(FOC)有两种方法:直接FOC: 转子磁场的方向(Rotor flux angle) 是通过磁通观测器直接计算得到的间接FOC: 转子磁场的方向(Rotor flux angle) 是通过对转子速度和滑差(slip)的估算或测量而间接获得的。矢量控制要求了解转子磁通的位置,并可以运用终端电流和电压(采用AC感应电机的动态模型)的知识,通过高级算法来计算。然而从实现的角度看,对于计算资源的需求是至关重要的。可以采用不同的方式来实现矢量控制算法。前馈技术、模型估算和自适应控制技术都可用于增强响应和稳定性。AC电机的矢量控制:深入了解矢量控制算法的核心是两个重要的转换: Clark转换,Park转换和它们的逆运算。采用Clark和Park转换,带来可以控制到转子区域的转子电流。这种做充许一个转子控制系统决定应供应到转子的电压,以使动态变化负载下的转矩最大化。Clark转换:Clark数学转换将一个三相系统修改成两个坐标系统: 其中Ia和Ib正交基准面的组成部分,Io是不重要的homoplanar部分 图4:三相转子电流与转动参考系的关系 Park转换:Park数学转换将双向静态系统转换成转动系统矢量两相α, β帧表示通过Clarke转换进行计算,然后输入到矢量转动模块,它在这里转动角θ,以符合附着于转子能量的d, q帧。根据上述公式,实现了角度θ的转换。AC电机的磁场定向矢量控制的基本结构Clarke变换采用三相电流IA, IB 以及 IC,这两个在固定座标定子相中的电流被变换成Isd 和Isq,成为Park变换d, q中的元素。其通过电机通量模型来计算的电流Isd, Isq 以及瞬时流量角θ被用来计算交流感应电机的电动扭矩。 图2:矢量控制交流电机的基本原理这些导出值与参考值相互比较,并由PI控制器更新。 基于矢量的电机控制的一个固有优势是,可以采用同一原理,选择适合的数学模型去分别控制各种类型的AC, PM-AC 或者 BLDC电机。BLDC电机的矢量控制BLDC电机是磁场定向矢量控制的主要选择。采用了FOC的无刷电机可以获得更高的效率,最高效率可以达到95%,并且对电机在高速时也十分有效率。步进电机控制 步进电机控制通常采用双向驱动电流,其电机步进由按顺序切换绕组来实现。通常这种步进电机有3个驱动顺序:1.单相全步进驱动:在这种模式中,其绕组按如下顺序加电,AB/CD/BA/DC (BA表示绕组AB的加电是反方向进行的)。这一顺序被称为单相全步进模式,或者波驱动模式。在任何一个时间,只有一相加电。2.双相全步进驱动:在这种模式中,双相一起加电,因此,转子总是在两个极之间。此模式被称为双相全步进,这一模式是两极电机的常态驱动顺序,可输出的扭矩最大。3.半步进模式:这种模式将单相步进和双相步进结合在一起加电:单相加电,然后双相加电,然后单相加电…,因此,电机以半步进增量运转。这一模式被称为半步进模式,其电机每个励磁的有效步距角减少了一半,其输出的扭矩也较低。以上3种模式均可用于反方向转动(逆时针方向),如果顺序相反则不行。通常,步进电机具有多极,以便减小步距角,但是,绕组的数量和驱动顺序是不变的。通用DC电机控制算法通用电机的速度控制,特别是采用2种电路的电机:相角控制PWM斩波控制相角控制相角控制是通用电机速度控制的最简单的方法。通过TRIAC的点弧角的变动来控制速度。相角控制是非常经济的解决方案,但是,效率不太高,易于电磁干扰(EMI)。通用电机的相角控制以上示图表明了相角控制的机理,是TRIAC速度控制的典型应用。TRIAC门脉冲的周相移动产生了有效率的电压,从而产生了不同的电机速度,并且采用了过零交叉检测电路,建立了时序参考,以延迟门脉冲。PWM斩波控制PWM控制是通用电机速度控制的,更先进的解决方案。在这一解决方案中,功率MOFSET,或者IGBT接通高频整流AC线电压,进而为电机产生随时间变化的电压。最全面的电机控制总结,收藏通用电机的PWM斩波控制其开关频率范围一般为10-20 KHz,以消除噪声。这一通用电机的控制方法可以获得更佳的电流控制和更佳的EMI性能,因此,效率更高。

Pro更是采用了自主研发的FOC矢量控制器,它通过与电机的调配,精准调节动力输出,达到“10%转把行程≈10%输出扭力”的流畅操控,使得无刷永磁电机达到的90%以上的高转化效率。

图2显示了MC-ISAR eMotor驱动程序的电流控制环路,右侧为复杂设备驱动。这个时间关键型电流控制环路在中断上下文中进行处理,处理时间不超过50微秒。左侧是附加的用于位置和转速控制的软件成分,由应用程序提供。

BLDC电机控制算法无刷电机属于自换流型,因此控制起来更加复杂。BLDC电机控制要求了解电机进行整流转向的转子位置和机制。对于闭环速度控制,有两个附加要求,即对于转子速度/或电机电流以及PWM信号进行测量,以控制电机速度功率。BLDC电机可以根据应用要求采用边排列或中心排列PWM信号。大多数应用仅要求速度变化操作,将采用6个独立的边排列PWM信号。这就提供了最高的分辨率。如果应用要求服务器定位、能耗制动或动力倒转,推荐使用补充的中心排列PWM信号。为了感应转子位置,BLDC电机采用霍尔效应传感器来提供绝对定位感应。这就导致了更多线的使用和更高的成本。无传感器BLDC控制省去了对于霍尔传感器的需要,而是采用电机的反电动势(电动势)来预测转子位置。无传感器控制对于像风扇和泵这样的低成本变速应用至关重要。在采有BLDC电机时,冰箱和空调压缩机也需要无传感器控制。空载时间的插入和补充大多数BLDC电机不需要互补的PWM、空载时间插入或空载时间补偿。可能会要求这些特性的BLDC应用仅为高性能BLDC伺服电动机、正弦波激励式BLDC电机、无刷AC、或PC同步电机。控制算法许多不同的控制算法都被用以提供对于BLDC电机的控制。典型地,将功率晶体管用作线性稳压器来控制电机电压。当驱动高功率电机时,这种方法并不实用。高功率电机必须采用PWM控制,并要求一个微控制器来提供起动和控制功能。控制算法必须提供下列三项功能:用于控制电机速度的PWM电压用于对电机进整流换向的机制利用反电动势或霍尔传感器来预测转子位置的方法脉冲宽度调制仅用于将可变电压应用到电机绕组。有效电压与PWM占空度成正比。当得到适当的整流换向时,BLDC的扭矩速度特性与以下直流电机相同。可以用可变电压来控制电机的速度和可变转矩。

  鑫开源推出了新一代无感FOC负压风扇驱动器,该驱动器采用FOC驱动,与原有的电容异步电机相比,节能效果达20%以上,并且调速方便,克服了原来电容异步电机不方便调速的缺点,在不需要大风量的环境,节能效果更好。

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FOC。

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  多企加码FOC电机 市场渗透加速

旋转变压器将PMSM转子的角位移转换为一个电气值。一般情况下,可利用一个附加的正切函数电路从两个信号导出转子的角度值。旋转变压器电路的信号输出至SPI总线,也可由微控制器直接读取旋转变压器的正弦和余弦信号。还有一种可选的方式是读取编码器信号,在运行于微控制器GPT12的编码器接口中对其进行调理,再反馈到控制算法。

  从小牛电动、大疆等企业的例子可以看到,一些较为领先的企业都比较认可FOC方案,然而他们却需要花大量的研发精力去“自主研发”。

MC-ISAR eMotor驱动程序提取了三相电机应用中电流控制的一般特性,设计用于支持多种位置信息采集模式和逆变器控制装置。

  软件算法和控制器成本是阻碍无感FOC方案流行开来的关键,但现在情况正在改变。硬件方面,随着ARM内核的MCU问世,基于高性能32位内核运行在处理FOC算法提供了硬件保证,并且价格与8位机相当,FOC电机将逐渐在多领域普及开来。而随着近些年MCU国产化步伐加快,硬件价格将会更低。

图1所给示例对电机的两个相电流进行了测量,并采用了一个模数转换器对其进行转换。基于逐次逼近寄存器,该模数转换器具备很高的精度,并且转换时间小于1微秒。由两个已知的相电流可以计算出第三个相电流。针对更高的安全要求,建议对电机的第三个相电流进行额外的测量。针对这一应用,带有第三个模数转换模块的微控制器可供选择。

  前者通过传感器反馈电机转子的位置信息,控制相对简单,但对控制性能要求较高。后者由于电机不带任何传感器,所以在控制中需要通过采集电机相电流,使用位置估算算法来计算转子位置,所以控制难度较大,但是它可以避免传感器故障的风险,并且省去了传感器的成本,同时简化了电机与驱动板间的布线。

AUTOSAR之外重复利用汽车电子软件

  按照电机有无传感器(一般为编码器)来区分,FOC控制可以分为有感FOC和无感FOC。

长期以来,诸如永磁同步电机和感应电机等三相交流电机,被广泛地应用于工业控制系统。在汽车应用领域,这些电机还是相对时新的装置,目前正被逐渐用作传统内燃机的补充品或替代品。PMSM采用的绕组为三相正弦分布绕组和机械位移绕组。三相正弦波和时间位移电流可以产生旋转磁场。这一旋转磁场使电机转动,通过MOSFET切换电机绕组的电流而产生。磁场定向控制算法为电机电流控制生成PWM模式。转子的位置和电流持续不断地被检测。基于高性能微控制器的高效FOC系统,为电动汽车和混合动力汽车驱动提供安全高效的解决方案创造了条件。

  尽管FOC可以完美匹配无刷电机,但 BLDC 电机的麻烦之处在于系统需要更复杂的电子设备来管理电机。

通过模数转换器测量电流

  威灵电机工程师表示说:“变频市场份额在不断上涨,电器变频的功能主要通过直流变频电机来实现,Welling空调无刷直流电机采用FOC正弦波空间矢量控制系统,改善低速电流波形,优化电机噪音振动。”

近年来,汽车电子软件和通信已通过OSEK、AUTOSAR、FlexRay等规范而标准化。除标准化软件成分以外,汽车电子系统还使用了可在多种应用中被重复利用的控制算法。如今,电机控制由分布在汽车车身、底盘和动力总成系统各处的电子控制单元来完成。

  一直以来,电机控制都不是电子工程师的重点领域,许多开发人员因缺乏经验或专业知识而无法轻松设计出必要的控制电路。所以BLDC

英飞凌AUDO MAX系列非常适用于电机的控制。TriCore架构和MC-ISAR eMotor驱动程序可采用高级控制策略控制多台三相电机,包括无刷直流电机块交换(block commutation,BC)及永磁同步电机磁场定向控制。

  一些主流的芯片企业已经将无感FOC应用到汽车领域。北京英飞凌集成电路有限公司总经理钱伟喆说:“汽车应用的安全要求甚高,而无传感器FOC控制方式可以用来和RDC

连接旋转变压器和编码器

  目前市场主流的无刷直流电机的控制方式有3种:FOC、方波控制(也称为梯形波控制、120°控制、6步换向控制)和正弦波控制,三种控制方式各有优势。

单一微控制器甚至还能同时支持BLDC和PMSM电机控制。相比于其他类型的电机而言,采用FOC控制的PMSM电机能效更高、磨损更小,并且可以实现精确控制和定位。特别是,这种电机支持线性转矩控制,为将其用于混合电动汽车动力总成系统奠定了基础。

  方波控制方式的优点是控制算法简单、硬件成本较低,使用性能普通的控制器便能获得较高的电机转速。而缺点是转矩波动大、存在一定的电流噪声、效率达不到最大值,所以方波控制适用于对电机转动性能要求不高的场合。

三相电机控制

  除了以上领域,FOC电机在云台技术领域同样吃香,O₂运动相机是红狐狸团队在云台技术探索上的又一力作,其团队自主研发的FOC云台驱动技术,也是国内手持陀螺仪云台技术中控制精度、抗干扰性及效率极高的技术。

比标量和梯形控制方法更受欢迎的另一个原因。

  大量的电机控制应用一直在持续不断地寻求提高效率同时降低系统成本的方法,FOC(Field-Oriented

  比如在电动车应用领域,虽说传统的控制器生产厂家已经意识到市场发展的方向,但原有的技术班底尚无能力吃透FOC软件核心算法,所以在相对较低端的2轮车、3轮车(包括助力车、老年代步车等)等领域难以见到较为成功的产品推广,而在高端电动4轮车(电动轿车、电动观光车)市场,见到更多的是国外的优秀产品和国内厂家的粗制滥造的控制总成。

FOC 需要复杂的数学算法,这对于普通设计人员来说可能并不熟悉,所以在过去,设计师们通常依赖于复杂的数字讯号处理 (DSP) 芯片来实现无传感器

  FOC控制按照电机有无传感器(一般为编码器)来区分可以分为有感FOC和无感FOC,前者通过传感器反馈电机转子的位置信息,控制相对简单,但对控制性能要求较高。后者由于电机不带任何传感器,所以在控制中需要通过采集电机相电流,使用位置估算算法来计算转子位置,所以控制难度较大,但是它可以避免传感器故障的风险,并且省去了传感器的成本,同时简化了电机与驱动板间的布线。

Control,磁场定向控制)因此在运动控制行业备受瞩目,如今已在诸多应用场合逐步替代传统的控制方式。目前,FOC技术已完美匹配BLDC电机,随着MCU国产化进程加快,无感FOC将逐渐普及开,Turnkey方案将会是关键。

  在无人机领域,大疆的 Mavic Pro 铂金版搭载了全新 FOC

  据微电机世界网记者了解,目前的FOC控制技术在工业领域应用的相对成熟,常见到的产品有伺服控制器、矢量变频器等;民用领域普及相对滞后,但随着变频风潮掀起,FOC也大行其道,比如近10年发展起来的变频空调、出口欧美的高端变频风扇等。

IC结果进行交叉检验,并可作为故障安全策略使用,以防RDC IC发生故障。”

  亿航184表示,该公司的电机驱动器设计经历3次迭代,第一代采用方波电调;目前正在使用的第二代电机驱动器采用的是无感FOC方案,整体可靠性和驱动性能明显提高,可检测电机运行状况,在空中不会出现因信号失调导致的停转,可以让飞机的运行更加平稳。

  不过,尽管电控长久以来都是中国电子工程师的软肋,但中国企业并不因控制技术难点而沉浸在传统AC电机研发中,近年来关于FOC电机研制在不断推进,空调、无人机、机器人、医疗设备、数控机床等多领域都广泛运用到POC技术,FOC电机市场渗透率逐年增涨。

  无感FOC逐渐普及 Turnkey方案是关键

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  大量的电机控制应用一直在持续不断地寻求提高效率同时降低系统成本的方法,这是两个推动改进现有电机控制技术的主要因素,所以在中、低成本应用中,效率是使得FOC

  正弦波控制实现了电压矢量的控制,间接实现了电流大小的控制,但是无法控制电流的方向。FOC控制方式可以认为是正弦波控制的升级版本,实现了电流矢量的控制,也即实现了电机定子磁场的矢量控制。

  YUNEEC 首席产品官(CPO)张昭智也表示,在小型商用无人机领域,FOC 正弦波驱动可以使工作效率更高,并可有效降低电力损耗。

  但华大半导体MCU市场部部门经理梁少峰却认为:“未来传统的方波控制、交流比例控制会慢慢退出市场,无感FOC会逐渐普及。”

  最近无感FOC电机方案也层出不穷。华大半导体推出了32位电机控制MCU集成了高效、精准、平稳的无霍尔电机FOC控制方案。这个方案不但集成了无刷直流电机BLDC与永磁同步电机PMSM控制所需的三相六路专用PWM信号发生器,还集成了完备的电机控制信号链模拟电路单元,包括高速比较器VC、运算放大器OPA、模拟数字转换器ADC。

  众所周知,无刷电机替代传统的有刷电机是大势所趋,特别是在微处理器性能提升与成本下降的基础上与国家政策倾向,更多的应用即将转入到无刷领域实现产品升级更新。

  而目前市场主流的无刷直流电机的控制方式有3种:FOC、方波控制(也称为梯形波控制、120°控制、6步换向控制)和正弦波控制,三种控制方式各有优势。

  对此,梁少峰认为:“工业领域的应用比较杂散,因此很少有Turn-key服务。”

  FOC也称矢量变频,它可以精确地控制磁场大小与方向,使电机转矩平稳、噪声小、效率高,并且具有高速的动态响应,所以近年来FOC在中低成本、无刷电机应用中广受市场欢迎。目前FOC已在很多应用上逐步替代传统的控制方式,在运动控制行业中备受青睐。

  软件方面,愈来愈多的MCU企业意识软件算法是电机控制的灵魂,因此加大在软件算法方面的投入。

电机的研发需要额外的时间和技术支持,而这意味着需要更长的开发周期及更高的系统成本,这也是使系统制造商更难以从熟悉的 AC 电机过渡到 BLDC

  比如,华大半导体则希望以终端解决方案供应商角色为国内中小型企业提供享受Turn-key服务,这种服务能够让他们的产品设计和开发更为简单迅捷。“把基础问题和平台性问题交给我们,那么客户就能够专注于解决他们客户的问题。”梁少峰表示。

  在电动车领域小有名气的小牛电动车,在2017年4月实现销量逆势增长85%,其中小牛U1

  而据微电机世界网记者了解,早在很多年前就有行业企业在做无刷无感FOC方案,但是由于硬件资源与成本压力,因此未在无刷电机FOC应用掀起一波技术流。此外,实现无传感器

  某企业工程师对记者说:无器FOC电机技术虽可带来许多系统优势,但至今没有得到推广,是因为许多行业都因缺乏电机控制系统知识而不得不延迟采用和推广这些技术。

  FOC完美匹配BLDC

电机的主要原因。

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正弦波驱动架构电调,大疆工程师表示:“FOC使电机换向过渡更加平滑,有效降低了电磁噪声的同时,提升了电机电调的总效率。”

  附:主流的无刷直流电机的控制方式对比

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关键词: 日记 电机 电流 转子 转矩

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