基于Infineon XC2267的電機控制系統設計

摘要 在電動(dòng)汽車(chē)的研究當中，驅動(dòng)電機及其控制系統設計尤為重要，文中基于英飛凌公司的16位微控制器芯片XC2267，設計了電動(dòng)汽車(chē)用永磁同步電機磁場(chǎng)定向矢量控制系統。對控制系統部分硬件電路進(jìn)行了設計，并在Simulink仿真環(huán)境下建立電機控制系統的的仿真模型。仿真結果表明，系統設計合理、電機運行響應快、穩定性好，而且對永磁同步電機實(shí)際控制系統具有一定的指導意義。

關(guān)鍵詞 永磁同步電機;Infineon;矢量控制;Simulink

電機驅動(dòng)系統是電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵部件之一。永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)伺服調速性能優(yōu)越，去除了直流伺服電機的額機械換向器和電刷，使結構更加簡(jiǎn)單;且具有質(zhì)量輕、體積小、功率因數高等優(yōu)點(diǎn);被廣泛應用于對精度和性能要求較高的領(lǐng)域。

本文基于磁場(chǎng)定向控制(FOC)原理，設計了以資源豐富和高速響應為特點(diǎn)的英飛凌16位微控制器XC2000作為主控芯片構建一個(gè)高性能的永磁同步電機伺服控制系統。最后，在Simulink環(huán)境下構建控制系統模型，驗證了控制系統的有效性。

1 系統總體控制設計方案

1.1 FOC原理

永磁同步電機矢量控制是在磁場(chǎng)定向坐標上，將定子電流矢量分解成勵磁電流分量和轉矩電流分量，實(shí)現解耦定子電流的完全解耦，然后分別對兩者進(jìn)行調節選擇。從而簡(jiǎn)化PMSM的控制。根據磁勢和功率不變原則，將永磁同步電機的三相電壓、電流和磁鏈經(jīng)過(guò)坐標變換由三相ABC靜止坐標系下的量變換成d—q旋轉坐標系下的量，定子電流矢量被分解為按轉子磁場(chǎng)定向的兩個(gè)相互正交的電流分量，即定子電流的勵磁分量id和轉矩分量iq。iq調節參考量由速度控制器給出，經(jīng)過(guò)電流環(huán)調節后輸出d—q軸上的電壓分量，即ud和uq。將控制量ud和uq經(jīng)過(guò)反Parke變換后，得到α-β坐標系上的分量uα和uβ。根據uα和 uβ值的大小和SVPWM空間矢量合成方法實(shí)現矢量控制的輸出，達到矢量控制的目的。

1.2 三閉環(huán)控制系統設計

系統采用電流、轉速、位置三閉環(huán)控制來(lái)實(shí)現對電機的轉速控制。

其中速度環(huán)的作用在于保證電機的實(shí)際轉速與指令值一致，消除負載轉矩擾動(dòng)等因素對電機轉速的影響。速度指令與反饋的電機實(shí)際轉速相比較，其差值通過(guò)速度調節器產(chǎn)生相應的電流參考信號的幅值，再與通過(guò)磁極位置檢測得到的電流參考信號相位相乘，既得到完整的電流參考信號，該信號控制電機加速、減速或勻速，從而使電機的實(shí)際轉速與指令值保持一致。

電流環(huán)由電流控制器和逆變器組成，其作用是使電機繞組電流實(shí)時(shí)、準確地跟蹤電流參考信號。位置環(huán)產(chǎn)生電機的速度指令并使電機準確定位。通過(guò)設定的目標位置與電機的實(shí)際位置相比較，利用其偏差通過(guò)位置調節器來(lái)產(chǎn)生電機的速度指令，當電機初始啟動(dòng)后，會(huì )產(chǎn)生最大速度指令，使電機加速并以最大速度恒速運行，在小偏差區域，產(chǎn)生逐次遞減的速度指令，使電機減速運行直至最終定位。

控制系統的內環(huán)及外環(huán)控制器均為數字控制，都是由XC2267來(lái)編程實(shí)現。芯片根據給定速度值與經(jīng)霍爾傳感器得到的速度值進(jìn)行比較運算得到電流給定值，實(shí)際為對應的電機給定電壓值。伺服系統采用三閉環(huán)級聯(lián)控制模式，主要功能模塊包括位置及速度檢測、電流采樣、PI調節器、SVPWM、坐標變換單元等。設計的伺服控制系統使用CCU6單元比較產(chǎn)生PWM輸出信號，通用定時(shí)器GPT用于檢測轉子位置并計算轉速，ADC用來(lái)采樣繞組電流和速度模擬量指令。具體控制系統軟硬件結構如圖所示。

2 硬件電路的設計

控制系統采用XE164FN系列MCU，三相全橋驅動(dòng)芯片6ED003L6和OptiMOS功率晶體管，電機為永磁同步電機，位置傳感器采用光電編碼盤(pán)，電流傳感器采用LEM公司的霍爾傳感器。系統供電由36 V直流電提供。

2.1 PMSM驅動(dòng)電路設計

PMSM驅動(dòng)電路使用的驅動(dòng)芯片是英飛凌的3相橋驅動(dòng)芯片6ED003L06-F，它集成了三相電平轉換、門(mén)極驅動(dòng)和電路保護等諸多特性，在縮小芯片尺寸的同時(shí)提高了性能，如抗反相瞬態(tài)電壓的魯棒性等。

PMSM驅動(dòng)電路采用DC24～36V外部電源。6ED003L06-F工作電壓為15V，霍爾傳感器工作電壓為5V。15V電源通過(guò)降壓型DC—DC電壓轉換器LM317得到，具體結構如圖2所示。

2.2 電流采樣電路

采用LEM公司的閉環(huán)電流傳感器LTSR25-NP，該元件具有出色的精度、良好的線(xiàn)性度和最佳的反應時(shí)間。LTSR25-NP的測量電流為6～25A，測量范圍為±80A，精度為0.7%，工作溫度為-40～85 ℃。LTSR25-NP可將電流轉化為電壓信號，其初級額定采樣電流IPN=25 A，在25 A時(shí)輸出電壓為3.125 V，0 A時(shí)輸出電壓為2.5 V，輸出電壓通過(guò)單片機的ADC模塊進(jìn)行采樣處理。圖為V相電流采樣的電路圖：

2.3 信號處理電路

該電路通過(guò)RC構建低通濾波電路對增量式光學(xué)編碼器的輸出信號進(jìn)行濾波，同時(shí)采用反相器74HC14對信號進(jìn)行隔離處理，以提高信號的輸入阻抗。光電編碼器A、B、Z信號處理電路如圖所示。

本電路采用總線(xiàn)收發(fā)器74HC245來(lái)增強PWM信號的驅動(dòng)能力，以彌補單片機的數據總線(xiàn)端口負載能力不足。具體電路結構如圖6所示。

3 控制系統軟件設計

電機控制系統的軟件設計必須滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性、可靠性和易維護性的要求。

3.1 主函數

和普通控制系統軟件一樣，主程序設計相對內容較少，大部分是系統的初始化，復位后首先完成main.c文件中的初始化過(guò)程，對各個(gè)初始化變量進(jìn)行賦值。完成初始化后，主函數main()不斷執行模擬給定速度采樣流程，主函數流程圖如圖7所示。

3.2 CCU6中斷函數

在CCU6中斷函數中完成的主要程序控制任務(wù)包括：

(1)在定時(shí)器周期匹配中斷中，執行PMSM_FOC()函數實(shí)現采樣處理以及SVPWM計算，算出SVPWM波形需要的比較時(shí)間，并寫(xiě)入通道映射寄存器。

(2)在定時(shí)器CCU6的1-匹配中斷中是使能映射寄存器傳輸，就將比較值寫(xiě)入了各個(gè)通道的比較寄存器。

(3)Trpf中斷是外部保護中斷，出現異常時(shí)用來(lái)封鎖PWM輸出口并切換至停機狀態(tài)，起到保護作用。

3.3 PMSM_FOC()函數

CCU6定時(shí)器Timer12每100μs產(chǎn)生一次中斷，而PMSM_FOC()函數分成兩個(gè)階段。

period_number 1：進(jìn)行電流采樣和位置速度采樣，并進(jìn)行累加計數。計數至給定值count時(shí)進(jìn)行速度環(huán)調節，完成Clarke和Parke變換。

period_number 2：執行電流環(huán)的PI調節和SVPWM空間矢量生成。

4 控制系統建模仿真分析

在Simulink環(huán)境下建立了PMSM控制系統的仿真模型，并設定相關(guān)參數：額定轉速n=3 000 r/min，額定轉矩M=4 N·m，極對數p=4，轉動(dòng)慣量J=0.008 kg·m2，定子繞組電阻R=2.875 Ω，母線(xiàn)直流電壓Udc=310 V。

為驗證所設計的PMSM控制系統仿真模型靜、動(dòng)態(tài)性能，系統空載啟動(dòng)，給定的初始速度為500 r/min，在t=0.05 s時(shí)給定速度升為2 000 r/min。并在t=0.1 s時(shí)突加負載TL=10 N·m，在0.3 s的仿真時(shí)間中的到系統的轉速、轉矩和A相電流仿真曲線(xiàn)如圖9-圖11所示。

由圖可以看出系統在電機通電以后，迅速到達最大轉矩，然后快速回到穩定值，在0.05 s時(shí)給定速度上升到2 000 r/min，轉矩稍有波動(dòng)后趨近平穩，在0.1 s時(shí)負載轉矩突變?yōu)?0 N·m，輸出轉矩波形隨之給定，實(shí)現對電機瞬時(shí)力矩的控制如圖10所示;轉速以直線(xiàn)上升，迅速到達給定值500 r/min，在0.05 s時(shí)給定值變?yōu)? 000 r/min，轉速平穩上升至給定值，在0.1 s負載轉矩發(fā)生變化時(shí)，轉速稍有波動(dòng)如圖9所示;定子A相電流的變化如圖11所示。由此可以看出，此控制系統響應快，抗干擾性能好，仿真波形與理論分析隋況一致，說(shuō)明了所建模型的正確性和控制策略的有效性。

5 結束語(yǔ)

本文使用英飛凌芯片XC2267實(shí)現了對永磁同步電機速度控制系統的設計。設計了系統的各部分硬件電路，包括驅動(dòng)電路、電流采樣電路和信號處理電路等;在控制策略上使用了磁場(chǎng)定向控制;在Simulink環(huán)境下進(jìn)行控制系統的建模仿真，實(shí)驗結果表明此模型響應快速平穩。