【導(dǎo)讀】保有量為7802萬輛。不過空氣污染源也隨之大幅度提高，空氣污染將有64％來。在這種嚴(yán)峻的形勢下，我國汽車工業(yè)的未來發(fā)展需要我們好好思考。分別從60億增加到100億和10億增加到40億輛以上。若這些車輛都采用內(nèi)燃機(jī)，能源需求和空氣污染將會給人類造成巨大的壓力和損壞。電動汽車的種類很多，如純電動汽車和燃料電池汽車。國務(wù)院總理溫家寶在今年的4月18日主持召開的國務(wù)院常務(wù)會。議中討論通過了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。電動汽車和插電式電動汽車?yán)塾嫯a(chǎn)銷量達(dá)到50萬輛，到2020年超過500萬輛；；新能源汽車、動力電池及關(guān)鍵零部件技術(shù)整體上達(dá)到國際先進(jìn)水平。實施鼓勵購買和使用節(jié)能汽車政策，開展私人購買新能源汽車補(bǔ)。會議強(qiáng)調(diào)，發(fā)展節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)，條件；值得炫耀的是我國的燃料電池汽車研發(fā)目前達(dá)到國際先進(jìn)水平。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)資料調(diào)查顯示，電動汽車的噪。我國石油儲量僅占世界石油儲量的2～3％

　　

【正文】 大功率場合下， IGBT 承擔(dān)著高電壓大電流，其通態(tài)損耗及開關(guān)損耗所引起的溫升問題更不容忽視。 器件標(biāo)稱電流與溫度 的關(guān)系比較大。通常隨著器件殼體溫度上升，器件標(biāo)稱電流就會下降。器件標(biāo)稱 IC最大集電極電流，通常結(jié)溫不超過最大允許結(jié)溫值如下圖 所示。 8 06 04 02 002 55 07 51 0 01 2 51 5 0最大集電極電流Ic/A殼 體 溫 度 T a / 176。 C 圖 最大集電極電流隨外殼溫度的變化曲線 在 IGBT 運行過程中，過溫可能產(chǎn)生于以下幾個方面： ① 故障電流引起的功耗增加； ② 由驅(qū)動電 路故障引起的功耗增加，如 VGE欠壓； ③ 冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如風(fēng)機(jī)停止運轉(zhuǎn)， IGBT 器件與散熱器接觸不良。以上幾方面均會導(dǎo)致 IGBT 結(jié)溫超過器件最大允許 Cj， (150℃ )值。 Tj= Δ Tj c+ Δ Tc h+ Δ Th a+ TaΔ Tj cΔ Tc hΔ Th aTa輸 入 功 率損 耗輸 出 功 率芯 片焊 料銅 層陶 瓷 （ A l 2 O 3 / A l N ）銅 層基 板散 熱 器焊 料芯 片 外 殼熱 阻 Rt h j c外 殼 散 熱 器熱 阻 Rt h c h散 熱 器 環(huán) 境熱 阻 Rt h h a結(jié) 溫 （ Tj）殼 溫 （ Tc）散 熱 器 溫 度 （ Th）環(huán) 境 溫 度P( w )Tj cTc hTh aTaRt h j cRt h c hRt h h a芯 片 外 殼 溫 差外 殼 散 熱 器 溫 差散 熱 器 環(huán) 境 溫 差圖 功率模塊溫度示意圖以及其熱流模型 由上圖 溫度示意圖所示，可得出功率模塊的溫差（平均 值）關(guān)系式如 下： Tj– Tc=△ T = Ptot Rthjc 其中： Tc為功率模塊的殼溫； Ptot功率的總損耗； Rthjc熱阻的大小。以下將分別討論各個三個影響因素 第 4 章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計及其實現(xiàn) 隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種高性能微控制器，特別是高速數(shù)字信號處理器 (DSP， Digital Signal Porcessor)的出現(xiàn)，使研制全數(shù)字化的高性能電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)成為現(xiàn)實。 硬件電路設(shè)計，包括強(qiáng)電和弱電部分 :該控制系統(tǒng)強(qiáng)電部分包括 :智能功率模塊智能 IPM(Intellective Power Module)及相應(yīng)電路，電壓、電流采樣模塊及相應(yīng)電路，開關(guān)電源三部分。強(qiáng)電部分為弱電控制板提供電源，同時由矢量控制算法產(chǎn)生 PWM 信號傳送到 IPM 功率模塊觸發(fā)端。并輸出采樣信號到弱電控制板。弱電部分為該控制系統(tǒng)提供的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實時控制及檢測采樣，并產(chǎn)生六相PWM 控制信號。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 所示。當(dāng)電動汽車上電 機(jī) 起動以后， DSP 通過檢測電路實時獲取驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電壓和電流信號，并通過八段式數(shù)碼管顯示采樣出的電機(jī)速度。同時由矢量控制算法產(chǎn)生 PWM 信號傳送到 PIM 功率模塊觸發(fā)端，在觸 發(fā)器的控制下將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電驅(qū)動電機(jī)。當(dāng) DSP采樣到輸入檔位或給定轉(zhuǎn)矩變化時，控制算法即做出調(diào)整控制電機(jī)實現(xiàn)快速響應(yīng)。系統(tǒng)保護(hù)電路主要包括過 (欠 )壓、過流、短路、溫度等保護(hù)電路。開關(guān)電源為整個控制系統(tǒng)提供電源。 I G B T功 率 模 塊單 相電 壓 采 樣P W M兩 相電 流 采 樣速 度 采 樣S C IJ T A G顯 示 模 塊油 門 ， 剎 車信 號 給 定檔 位 給 定（ P , R , N , D ,1 , 2 ）開 關(guān)電 源T M S 3 2 0 L F 2 4 0 7 AD S PM o t o r圖 控制系統(tǒng)硬件框圖 DSP 控制器 TMS32OLF24O7A簡述 DSP 芯片的主要供應(yīng)商包括美國的德州儀器設(shè)備公司 (TI)、 AD 公司、 ATamp。T 公司和 Motorola 公司等。其中， TI 公司的 DSP 芯片占世界 DSP 芯片市場的近50%，國內(nèi)也廣泛采用。 TMS320LF2407A 是 TI 公司推出的一種適合于工業(yè)控制，尤其適合于電動機(jī)控制的定點 DSP 芯片。作為 DSP 控制器 2x4 系列的新成員， 2407A 芯片為C2xxCPU 功能強(qiáng)大的 TMS320DSP 結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了低成本、低功耗、高性能的處理能力。幾種先進(jìn)外設(shè)被集成到該芯片內(nèi)，形成真正的單芯片控制器。在與現(xiàn)存的 24x DSP 控制器芯片代碼兼容的同時， 2407A 芯片具有處理性能更好、外設(shè)集成度更高、程序存儲器更大、 A/D 轉(zhuǎn)換速度更快等特點，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品。 DSP 的特點和資源 DSP 芯片及數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。 DSP 芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的 DSP 指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求， DSP 具有如下的主要特點 : (1)在一個指令周期內(nèi)可以完成一次乘法和一次加法。 (2)程序和數(shù)據(jù) 空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。 (3)片內(nèi)具有快速 RAM，通常可以通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊芯片中同時訪問。 儼 )具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。 (5)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。 (6)可以并行執(zhí)行多個操作。 (7)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。 TMS320LF2407A是基于 TMS32OC2XX 型 16位定點數(shù)字信號處理器的新型 DSP 控制器。它是 TI 公司 1997 年針對新一代交流電機(jī)數(shù)字控制而推出的，除了具有以上 DSP 芯片的一般特點外，還有以下的特點 : (1)采用高性能靜態(tài) CMOS 技術(shù)，使得供電電壓降為 ，減小了控制器的功耗。 40MPIS（ 40 萬條指令 /秒 )的執(zhí)行速度，從而提高了控制器的實時控制能力。 (2)基于 TMS320C320 的內(nèi)核，保證了 TMS320LF24O7A 系列 DSP 代碼和TMS320F24X 系列 DSP 代碼兼容。 (3)片內(nèi)有高達(dá) 32K 字 *16 位的 flash程序存儲器 。高達(dá) 字 *16 位的數(shù)據(jù) /程序 RAM。544 個字的雙端口 RAM(DARAM)。ZK 的單口 RAM(SARAM)。 (4)兩個事件管理器模塊 EVA 和 EVB，每個均包括如下資源 :兩個 16 位通用定時器 。8 個 16 位脈寬調(diào)制 (PWM)通道。 (5)可擴(kuò)展的外部存儲器總共有 192K 字 *16 位的空間，分為 64K 字程序存儲空間、 64K 字的數(shù)據(jù)存儲空間和 64K 字的 I/O 空間。 (6)看門狗 (WD)定時器模塊。 (7)10 位 ADC 轉(zhuǎn)換器，其特性為 :最小轉(zhuǎn)換時間為 375ns， 8 個或 16 個多路復(fù)用的輸入通道、可選擇由兩個事件管理器來觸發(fā)兩個 8 通道輸入川 A/D 轉(zhuǎn)換器或一個 16 通道輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器。 (8)，即控制器區(qū)域網(wǎng)模塊。 (9)串行通訊接口 (SCI)。 (10)16 位串行外部 設(shè)備接口 (SPI)。 (11)7 個專用于串行掃描仿真口 ((JTAG 口 )的引腳，允許對器件進(jìn)行非侵入式的仿真，即無需使用連接至器件的全部引腳的插入式電纜。 LF2407A 的功能框圖如圖 所示。 I / O 總 線程 序 總 線L F 2 4 0 7 AC P U系 統(tǒng)模 塊D A R A M ( B O )F L A S H D A R A M ( B 1 )D A R A M ( B 2 )S A R A M事 件 管 理 器等 待 狀 態(tài) 發(fā) 生 器串 口 掃 描 仿 真外 部 總 線 接 口外 部 總 線1 6數(shù) 字 I / O 口外 部 中 斷 控 制S C IS P IA D CW D / R T I / P L L系 統(tǒng) 控 制 寄 存 器外 設(shè) 總 線1 61 61 6圖 LF2407A 功能框圖 系統(tǒng)設(shè)計中所用的 DSP 硬件資源 ① 事件管理器 (EVA/B)模塊 每個 24X 器件都包括兩個事件管理器 EVA 和 EVB，每個時間管理器模塊包括通用定時器、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。 LF240A7 上有 4 個通用定時器，每個通用定時器可通過定時器控制寄存器配置，有下溢、上溢、周期、比較四種中斷資源。同時 GP定時器為其它子模塊提供時基， T1 和 T3 適用于所有比較和 PWM 電路， T2 和 T4 適用于捕獲單元 和正交脈沖計數(shù)操作。 全比較單元利用可編程的死區(qū)控制電路編程產(chǎn)生 6 路 PWM 波形生成的輸出。帶死區(qū)控制的 PWM 輸出對長度為 0～ 2048 個 CPU時鐘周期，脈沖寬度的變 化量最小為一個 CPU時鐘周期?？身憫?yīng)功率驅(qū)動保護(hù)中斷。 LF2407A 的 4 個簡單比較器可用于產(chǎn)生四個附加的獨立比較或高精度 PWM 波形。 捕獲單元提供對不同事件或跳變的捕獲功能，可編程實現(xiàn)捕獲上升沿跳變和下降沿跳變。當(dāng)捕獲輸入引腳檢測到跳變時， T2 或 T3 被捕獲并存儲在兩級 FIFO堆棧中。兩個捕獲輸入端 CAP1/2 可用于正交編碼器脈沖的 QEP 電路接口。 ② ADC 模塊 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊包含兩個帶內(nèi)置采樣保持電路的 10 位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，多達(dá) 16 路模擬輸入通道?？蛇x擇最多 8 個通道的獨立工作雙排序器模式或級連之后工作在一個 最多可選擇 16 個通道的排序器模式。 LF2407A 有兩個二級 FIFO結(jié)果寄存器用于存放轉(zhuǎn)換結(jié)果。模數(shù)轉(zhuǎn)換可由多個觸發(fā)源啟動，基準(zhǔn)電壓 (+)由外部提供。 ③ SCI 模塊 SCI 模塊是一個高速、同步串行 I/O 口。它通常用于 DSP 控制器與外部設(shè)備或另一個處理器之間的通訊，支持多處理器通訊。為確保數(shù)據(jù)的完整性， SCI對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行間斷檢測、奇偶性、超時以及幀出錯的檢查。 控制電路設(shè)計 檔位、油門給定輸入電路 在普通汽車駕駛中，駕駛員通過控制檔位來實現(xiàn)汽車的前進(jìn)、倒退、空轉(zhuǎn)和停車等動作。因此在電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中有必要設(shè)置檔位輸入來模擬此功能。根據(jù)硬件資源，利用 CPLD 豐富的 I/O 口模擬五個控制擋位的輸入。在 CPLD 中進(jìn)行譯碼，完成后送給 DSP。 如圖 所示， SW1 模擬低速檔位， SW2 模擬中速檔位， SW3 模擬高速檔位 SW4 模擬反轉(zhuǎn)檔位， SW5 模擬空轉(zhuǎn)檔位， SW6 模擬停車檔位，而且六個FO 口通過或門后送至 LF2407A 的外部中斷引腳 XINTI。即 : OUT=SW1+SW2+SW3+SW4+SW5+SW6 (31) 在初始狀態(tài)時， SW1～ SW6 通過 電 阻 R 接地， OUT 為低電平 。當(dāng)拉動開關(guān)S2 上相應(yīng)檔位的開關(guān)時， SW 接通 + 電平，變?yōu)楦唠娖健Ｓ墒?31 知 OUT也為高電平。此時 OUT 引腳連接的外部中斷引腳 XINTI 捕獲上升沿脈沖進(jìn)入外部中斷，在中斷程序中通過查詢 SW1～ SW6 等 I/O 口的狀態(tài)，確定輸入的檔位， 從而進(jìn)行相應(yīng)的操作。 、剎車信號 給定 在汽車駕駛中，駕駛員通過油門變化來控制發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的改變，從而實現(xiàn)汽車的啟動、加速和爬坡等動作。本文采用滑動變阻器來模擬轉(zhuǎn)矩給定。通過接線端子 J1 的 5 端引進(jìn)油門 和剎車信號，經(jīng)過濾波電路，電壓保護(hù) BAV70電路接 DSP 的 AD 端口 ADCIN ADCIN9。 圖 模擬汽車檔位輸入的電路圖 圖 油門、剎車信號給定的電路原理圖 檢測電路 檢測電路的目的就是為了將要檢測的各種信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換變成 DSP可以識別的數(shù)字信號。此設(shè)計方案中主要對電流檢測和速度檢測這兩部分進(jìn)行檢測，其它的如溫度檢測、磁極的位置等檢測 暫 不作討論。電流檢測和速度檢測的信號均是通過外圍的電路接口直接接到處理器 TMS320F2407A的接口電路上，然后根據(jù) 相應(yīng)的設(shè)置，讀出檢測到的 具體數(shù)值。本部分采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器，如圖 。 給 定 值++速 度 調(diào) 節(jié)器電 流 調(diào) 節(jié) 器 P W M 控 制隔 離 驅(qū) 動 電 路C A P 模 塊A / D 轉(zhuǎn) 換采 樣 周 期 5 0 μ s電 流 采 樣逆 變 器編 碼 器可 逆 計 數(shù)MXX 檢測電路 對轉(zhuǎn)速的控制實質(zhì)上是對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的控制，更進(jìn)一步說，是對定子電流的控制。定子電流檢測的精度和實時性是影響交流感應(yīng)電機(jī)適量控制性能的關(guān)鍵因素之一，由于定子繞組采用星型連接，所以只要檢測其中兩相 定子電流即可。 電流檢測主要有電阻法、電流互感法和霍爾效應(yīng)電流傳感器法。電阻法是在被測電流回路中串入一個精密電阻 (一般阻值較小，以免影