基于S12ZVM的PMSM EPS控制器設(shè)計(jì)

林聯(lián)偉

(株洲易力達(dá)機(jī)電有限公司，湖南株洲 412000)

0 引言

NXP的S12 MagniV產(chǎn)品組合包含一系列面向汽車和工業(yè)控制應(yīng)用的集成混合信號(hào)微控制器(MCU)，提供單芯片解決方案，集成數(shù)字編程能力和高精度模擬電路，配備集成高壓模擬器件。其中S12ZVM系列為汽車電機(jī)控制提供最小、最高效且可擴(kuò)展的3相電機(jī)控制解決方案。它集成了先進(jìn)的S12Z 16位MCU、12 V至5 V穩(wěn)壓器、LIN物理層或CAN物理層和柵極驅(qū)動(dòng)器(GDU)，以控制6個(gè)功率MOSFET驅(qū)動(dòng)三相無(wú)刷電機(jī)。采用S12ZVMC128芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) EPS控制器的設(shè)計(jì)，有效地降低了成本和結(jié)構(gòu)尺寸。通過(guò)MATLAB進(jìn)行建模和代碼生成，實(shí)現(xiàn)軟件的快速開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。

1 硬件設(shè)計(jì)

PMSM EPS控制器由單片機(jī)MCU S12ZVMC128、功率模塊、接口電路和少量的外圍器件組成，是一個(gè)最精簡(jiǎn)的EPS控制器。此控制器匹配數(shù)字式的轉(zhuǎn)向盤(pán)扭矩角度一體傳感器和帶霍爾位置傳感器的PMSM電機(jī)，運(yùn)用在有CAN通信網(wǎng)絡(luò)的車輛上。此控制器具有結(jié)構(gòu)小巧、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其框圖如圖1所示。

圖1 控制器框圖

1.1 單片機(jī)

單片機(jī)S12ZVMC128負(fù)責(zé)傳感器信號(hào)采集、算法計(jì)算、空間矢量調(diào)制占空比的輸出。轉(zhuǎn)向盤(pán)數(shù)字扭矩、角度傳感器信號(hào)由單片機(jī)的定時(shí)器捕獲模塊完成占空比和頻率的測(cè)量；電機(jī)霍爾位置傳感器由單片機(jī)IO端口完成電機(jī)角度和轉(zhuǎn)速的測(cè)量；下端母線電流由單片機(jī)內(nèi)置的電流放大器、ADC和PTU觸發(fā)模塊協(xié)調(diào)完成電機(jī)電流的測(cè)量；三相橋的驅(qū)動(dòng)和保護(hù)由單片機(jī)內(nèi)置的GDU和PMF模塊完成；車輛的車速報(bào)文和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速報(bào)文通過(guò)CAN總線接口接收。

1.2 功率模塊

功率模塊集成了一個(gè)包括6個(gè)功率管組成的三相橋、一個(gè)NTC熱敏電阻和一個(gè)下端母線采樣電阻。功率模塊的外形和內(nèi)部電路如圖2所示。

圖2 功率模塊

2 單電阻采樣

2.1 單電阻采樣電路

單電阻采樣具有降低系統(tǒng)成本、集成度高、電流檢測(cè)電路無(wú)須校準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)。其中無(wú)須校準(zhǔn)和補(bǔ)償是因?yàn)椴捎靡粯拥牟蓸与娮琛⒁粯拥姆糯笃?，檢測(cè)三相電流使用的電路完全相同，所以其增益和偏移都是相同的。圖3是單電阻采樣電路示意圖。

圖3 單電阻采樣

單電阻采樣在硬件設(shè)計(jì)上較簡(jiǎn)單，但是在軟件實(shí)現(xiàn)上就相對(duì)復(fù)雜。根據(jù)基爾霍夫定律，通過(guò)測(cè)量三相電流的任意兩相電流，則根據(jù)公式(1)可以計(jì)算出第三相電流：

IA+IB+IC=0

(1)

2.2 SVPWM形式

根據(jù)三相SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空間矢量脈寬調(diào)制)在一個(gè)周期內(nèi)功率管開(kāi)關(guān)作用時(shí)間的區(qū)段可分為五段式和七段式(圖4)，其中五段式又可以分為一相恒高的五段式(圖5)和一相恒低的五段式(圖6)。三相中的任意兩相PWM相同時(shí)七段式變成了五段式，三相PWM都相同時(shí)七段式變成了三段式；三相中的不為恒高或恒低的另外兩相相同時(shí)五段式變成了三段式。此分法是以PWM中心沿對(duì)齊時(shí)的分法，以PWM邊沿對(duì)齊則對(duì)應(yīng)地分為四段式和三段式。

圖4 七段式SVPWM

圖5 一相恒高的五段式SVPWM

圖6 一相恒低的五段式SVPWM

2.3 采樣時(shí)刻及其局限性

在測(cè)量流經(jīng)采樣電阻的電流時(shí)，底部3個(gè)功率管開(kāi)關(guān)的狀態(tài)至關(guān)重要。圖7是一個(gè)周期內(nèi)三相橋下端3個(gè)功率管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，由T0、T1、T2、T3、T2、T1、T0共七段組成。在T1時(shí)間段，B相下管打開(kāi)，另外兩相下管關(guān)閉，所以采樣電阻上流過(guò)的電流為B相電流IB；T2時(shí)間段，A相下管關(guān)閉，另外兩相下管打開(kāi)，所以采樣電阻上流過(guò)的電流為A相電流IA；T0時(shí)間段三相下管均關(guān)閉，T3時(shí)間段三相下管均打開(kāi)，即T0和T3時(shí)間段為零矢量，采樣電阻上無(wú)電流流過(guò)。在這個(gè)周期內(nèi)只需在T1時(shí)間段測(cè)量IB，在T2時(shí)間段測(cè)量IA，則IC由公式(1)計(jì)算得出；由此即重構(gòu)了PMSM電機(jī)的三相電流。

圖7 三相橋下端功率管SVPWM

要實(shí)現(xiàn)電流的準(zhǔn)確采樣，需要用到單片機(jī)的PTU模塊的PWM Reload同步觸發(fā)事件來(lái)觸發(fā)ADC進(jìn)行采樣。ADC采樣需要Ts的時(shí)間，所以當(dāng)T1或T2的時(shí)間寬度為0或比Ts還短時(shí)(圖8陰影部分)，ADC采樣的結(jié)果將不能準(zhǔn)確地反映相上的實(shí)際電流，造成只能測(cè)量?jī)上嘀械囊幌嚯娏?，另外一相電流無(wú)法測(cè)量。

圖8 向量的臨界區(qū)及其SVPWM

圖9 向量的低調(diào)制區(qū)及其SVPWM

這樣的區(qū)域也即向量從一個(gè)扇區(qū)向另一個(gè)扇區(qū)過(guò)渡的臨界區(qū)，簡(jiǎn)稱為矢量臨界區(qū)。在臨界區(qū)時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩相PWM值相等或接近的情況。當(dāng)目標(biāo)電流很小SVPWM輸出的三相PWM均為50%或在其附近時(shí)，此區(qū)域稱為向量的低調(diào)制區(qū)(圖9陰影部分)。

2.4 解決方案

在矢量臨界區(qū)和低調(diào)制區(qū)都無(wú)法采集電機(jī)的相電流。針對(duì)在矢量特殊區(qū)域無(wú)法采集的問(wèn)題，可以采用兩個(gè)方法來(lái)解決：一個(gè)方法是移相(Phase Shifting)，即移動(dòng)SVPWM中的一相或兩相的相位。如圖10所示分別是圖8的移相結(jié)果和圖9的移相結(jié)果。另一個(gè)方法是“雙切”(Double Switching)，即在一個(gè)PWM周期內(nèi)插入合適時(shí)間寬度的零矢量。就像PWM周期由一個(gè)變成了兩個(gè)，所以叫雙切。如圖11所示分別是圖8的雙切結(jié)果和圖9的雙切結(jié)果。

圖10 臨界區(qū)和低調(diào)制區(qū)的SVPWM移相示意圖

圖11 臨界區(qū)和低調(diào)制區(qū)的SVPWM雙切示意圖

不管是移相還是雙切的方法，都是讓SVPWM的兩兩之間至少要相差一個(gè)ADC采樣時(shí)間Ts，以保證能準(zhǔn)確地采樣到電機(jī)相上的電流。S12ZVMC128的PMF模塊在配置成中心沿對(duì)齊的互補(bǔ)PWM時(shí)具有雙切功能，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)矢量在臨界區(qū)和低調(diào)制區(qū)的電流采樣，以實(shí)現(xiàn)PMSM電機(jī)的三相電流重構(gòu)。

3 軟件建模和代碼生成

使用基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)和NXP提供的電機(jī)控制工具箱MC ToolBox和數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)可以大量縮減軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間?；谀Ｐ偷脑O(shè)計(jì)分為4個(gè)步驟,見(jiàn)圖12。

圖12 MBD的4個(gè)步驟

3.1 建模仿真

控制器的理想化仿真和電機(jī)的優(yōu)化技術(shù)可以只在電腦上完成而無(wú)須控制器硬件。在建模時(shí)需要根據(jù)控制器系統(tǒng)需求和總體應(yīng)用程序策略對(duì)算法進(jìn)行功能劃分和接口定義。圖13是EPS的算法模型。模型中的HallSensor模塊計(jì)算輸出電機(jī)的角度和轉(zhuǎn)速；HellaSensor模塊計(jì)算輸出轉(zhuǎn)向盤(pán)的扭矩和角度；EPS算法模塊包括控制器的狀態(tài)控制、助力、回正、阻尼等算法，計(jì)算得到目標(biāo)電流Id和Iq；黃色的模塊是FOC算法，包括Clark、Park、PI、反Park、SVPWM調(diào)制等算法；SetDutycycle模塊是雙切算法，用于下端母線電流的采樣。

圖13 EPS控制器軟件模型

圖14是Park變換的仿真波形。

圖14 Park變換仿真波形

3.2 軟件在環(huán)

軟件在環(huán)仍然是在電腦上完成，無(wú)須控制器硬件。與建模仿真不同的是軟件在環(huán)需要自動(dòng)生成算法的C語(yǔ)言代碼，并使用與建模仿真相同的測(cè)試向量，以完成對(duì)C代碼的覆蓋率和功能驗(yàn)證。主要驗(yàn)證EPS控制算法、電機(jī)FOC算法、傳感器處理算法。

3.3 處理器在環(huán)

處理器在環(huán)是在MCU上進(jìn)行模型算法的驗(yàn)證。這一過(guò)程需要優(yōu)化模型以生成可讀性強(qiáng)的代碼、完成功能和文件劃分、定點(diǎn)化數(shù)據(jù)為1Q15格式、測(cè)試算法的功能組件等，測(cè)量MCU實(shí)際的內(nèi)存和堆棧使用情況以及程序執(zhí)行的負(fù)載率。

3.4 目標(biāo)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

EPS控制使用MCU的部分模塊及其作用如下：

PMF和GDU模塊用于SVPWM的輸出；

PTU和ADC模塊用于下端母線電流的測(cè)量、母線電壓的測(cè)量，并進(jìn)行三相電流的重構(gòu)；

PORTP和PORTS模塊用于電機(jī)霍爾位置信號(hào)和正交編碼信號(hào)的采集測(cè)量；

定時(shí)器和PORTT模塊用于海拉數(shù)字傳感器信號(hào)的采集和測(cè)量；

CAN模塊用于車輛轉(zhuǎn)速和車輛車速的采集；

MCU的硬件驅(qū)動(dòng)是通過(guò)添加MCD_MC9S12ZVMx_Config_Information、GDU_Config、 PTU_Trigger_Generators、 ADC0_Config、ADC1_Config、ADC0_Command_List、 ADC1_Command_List、 PMF_Reload_Interrupt等模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這些模塊完成對(duì)單片機(jī)硬件的參數(shù)設(shè)定和初始化。

將完整的模型編譯生成的目標(biāo)文件(*.elf文件)通過(guò)Codewarrior燒入到MCU中進(jìn)行EPS算法和電機(jī)控制的功能驗(yàn)證。

圖15是通過(guò)FreeMaster工具在ECU上實(shí)際測(cè)量的Park變換波形。

圖15 Park變換實(shí)際波形

采用MATLAB建模和代碼生成，經(jīng)過(guò)快速原型的開(kāi)發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，控制器可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行裝車驗(yàn)證和批量生產(chǎn)。

4 結(jié)論

通過(guò)S12ZVMC128和功率模塊組成最簡(jiǎn)PMSM EPS控制器的硬件設(shè)計(jì)、軟件的MATLAB建模和代碼生成以及下端母線電流單電阻采樣的電機(jī)三相電流重構(gòu)方法運(yùn)用，快速實(shí)現(xiàn)了一款成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊的PMSM EPS控制器。

參考文獻(xiàn):

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