启飞汽车

摘要

    随着政府倡导的资源节约型、环境友好型社会创建理念影响力不断提升, 发展电动汽车日渐受到学术界关注, 基于此, 本文就电动汽车永磁同步电机数学模型展开分析, 并对永磁同步电机DTC系统设计、IGBT驱动电路设计进行了详细论述, 希望论述内容能够为相关业内人士带来一定启发。

一、永磁同步电机数学模型分析

    为较为深入完成研究, 本文将永磁同步电机系统进行简化并建立了数学模型, 同时提出了“不考虑铁心饱和, 涡流和磁滞损耗影响, 将逆变器产生的电流视为三相正弦波电流”的条件。考虑到永磁同步电机控制系统存在相对定子静止、相对转子静止共两种参考坐标系, 因此研究分别建立了永磁同步电机的数学模型。

1.d-q坐标系数学模型

    在d-q坐标系, 首先能够得出定子电压方程表示式:

    继续分析可以得出转矩方程式:

    运动方程表示为:

2.α-β坐标系数学模型

    结合Park逆变换, 可以得出α-β坐标系下的电机定子电压方程, 即:

    继续分析可以得出定子磁链方程通过反电动势积分:

3.直接转矩控制系统的建模

    结合基本的仿真模型建立思想, 可将永磁同步电机直接转矩控制系统分为坐标变换模块、电机转矩估算模块、扇区估算模块、磁链估算积分器模块、幅值限定补偿积分器模块, 同时分别就各模块建立模型, 最终即可完成基于改进积分器的SVPWM-DTC永磁同步电机控制系统, 该系统的额定输出功率设置为750W、额定频率设定为50Hz、额定电压设定为200V、额定电流设置为4A、定子电阻设定为2.25Ω。在基于建模设定数据开展的仿真中, 可以从永磁同步电机的转速、磁链、转矩等参数确定该模型的良好运行效果, 磁链、转矩脉动实现的明显降低也说明了该建模的实践应用价值[1]。

二、永磁同步电机DTC系统设计

1.硬件设计

    结合上文研究, 选择了TI公司的TMS320F28335型号的DSP芯片作为永磁同步电机DTC系统核心, 由此构建的系统主要由保护电路、电压与电流采样电路、驱动隔离电路、控制电路等组成, 其中的DSP芯片负责实际磁链估算、坐标变换、空间矢量脉宽调制, 鉴于篇幅限制本文仅对其中的重点设计环节进行了简单介绍。

1.1主控制系统电路设计

    之所以永磁同步电机D T C系统设计选择了TMS320F28335型号的DSP芯片, 主要是由于该芯片具备集成度高、功耗小、成本低、处理速度快、性能优秀等一系列特点, 由此开展的具体设计如下所示:
    (1)串行通信接口设计。在具体的电路设计中, 串行通信接口采用了RS485接口与上位机通信的设计方式, 远距离通信则使用RS232接口。
    (2)增量式编码器捕获电路设计。设计采用了增量式编码器测量电机的转速, 应用了HCPL0631光电耦合器件与AM26LS32AM芯片, 电路隔离、灵敏度高等需求均将由此实现。
    (3)SPI接口电路设计。应用了FM25CL64非易失性存储器, 同时选择了TMS320F28335作为从器件。
    (4)eCAN模块接口电路设计。选择了增强型局域网络控制器e CAN总线、SN65HVD230电路芯片, 高通信速率、抗干扰能力将由此实现。

1.2主电路设计

    该部分主要由滤波电路、逆变电路和整流电路组成, 由整流二极管组成的整流器属于该设计的关键, 由此实现的电解电容滤波, 即可为永磁同步电机DTC系统的正常运行提供有力支持。

1.3电源电路设计

    考虑到DSP芯片特点, 电源电路设计选择了LM2576型号的开关型集成稳压电路, 其电路简单、高效稳定特点能够较好地满足系统运行需要, 同时还需要使用TPS767D301芯片负责智能调节电压。
 

图1 IGBT驱动电路结构框图 

1.4隔离驱动电路设计

    设计采用了SN74LVC4245A模块负责增强驱动信号电压, 并选择了6N137光耦合器建立IPM隔离驱动电路, 该电路还选择了6只IGBT组成驱动逆变电路。

2.GBT驱动电路设计

1.IGBT简介

    作为电压全控型复合半导体器件, IGBT具备晶体管和绝缘栅型场效应管双重特性, 而在电导调制效应原理支持下, IGBT具备较为优秀的高耐压和通流能力。此外, 电流密度大、饱和压降低、开关速度高、输入抗阻高同样属于IGBT的性能优势, 这些必须得到重视。

2.IGBT选型分析

    在电动汽车IGBT选型中, 工作环境要求、参数选择要求、驱动条件要求均需要得到重视, 具体要求内容如下所示:
    (1)工作环境要求。电动汽车运行中的环境温度变化较大, 为保证IGBT的使用寿命和正常性能发挥, 需保证IGBT具备温度范围较宽、可经受大电压与大电流冲击特点, 同时需要选用引线的键合互联工艺, 生产IGBT的材料也必须具备较为优秀的机械强度和导热性。
    (2)参数选择要求。电压参数需考虑最低工作温度调节带来的影响, 同时需要留有一定余量;开关频率参数需要尽可能降低IGBT的开关频率, 以此降低相关损耗;电流峰值参数需考虑IGBT的关断速度。
    (3)驱动条件要求。需保证IGBT驱动正向电压处于12~18V之间, 负栅极驱动电压则处于-5~-15V之间;IGBT容量与栅极驱动电阻阻值之间的关系也必须得到重视;需开展驱动电路耗散的平均功率、提供的最大峰值电流计算, 由此可更好地开展相关设计。

3.IGBT驱动电路设计

    IGBT驱动电路设计包括信号输入端口电路、信号隔离电路、电平转换电路、功率放大电路、栅极电阻配置等内容, 图1为IGBT驱动电路结构框图, 结合该图可较为直观地了解该环节设计内容, 如其中的信号隔离电路采用了有源变压器开展设计。

三、结语

    综上所述, 围绕电动汽车用永磁同步电机驱动技术开展的研究具备较高现实意义。而在此基础上, 本文涉及的主控制系统电路设计、电源电路设计、隔离驱动电路设计、IGBT驱动电路设计等内容, 则证明了研究价值。因此, 在相关领域的理论研究和实践探索中, 本文内容能够发挥一定参考作用。
 
作者：睢丙东  司宇  来源：科技创新导报
 

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