摘要：永磁同步电机具有良好的性能，其体积小、功率密度大、调速范围宽，在基速运行时不需要励磁电流，极大程度的提高了功率密度，有较高的工作效率，其各项性能均优于以上电机。因此，永磁同步电机在电动汽车上有广泛的应用前景以及研究价值。本文主要以新能源汽车的永磁同步电机为研究对象，设计了新能源汽车的驱动控制系统。
关键词：永磁同步电机；新能源汽车；控制系统
1永磁同步电机的结构与分类
永磁同步电机的结构与常规的电动机相似，主要有定子、转子组成，而定子则由三相绕组、电机机座以及电枢铁心构成；转子由永磁筒与转轴组成。当前使用较为广泛的永磁同步电机可分为永磁同步电机以及永磁无刷电动机，两种永磁电机的结构基本相同，由转子定子之间的电流作用产生电磁转矩，转子为永磁体，定子中设置了三相交流绕组。两种电机的结构虽然相同，但驱动方式存在着一定的差异，永磁无刷电机中的驱动电流一般为梯形波或者方波，其结构更为可靠，较传统的电动机省去了电刷，节约了一定的成本的同时简化了控制方法的复杂程度。而永磁同步电机的驱动电流为三相对称正弦波，这种驱动模式大大减小了电机的转矩脉动与噪声，永磁体的安装位置也不尽相同，不同的安装位置，电机的工作原理与性能也不同，根据永磁筒安装位置不同，可将永磁同步电机分为三类：面贴式永磁同步电机、插入式永磁同步电机以及内嵌式永磁同步电机。
2基于永磁同步电机的新能源汽车控制系统设计
2.1控制系统总体结构设计
新能源汽车驱动电机的硬件电路主要包括控制芯片、信号检测电路、驾驶端信号接收电路、汽车外部通信电路等几部分构成，各部分电路协同好合作，达到驱动电机的目的。该控制系统硬件电路的控制芯片选用型号为STM32F407VET6的控制器，该控制器具有强大的计算能力，能够以最快的速度完成庞大的计算量，驱动电机以及控制电路以蓄电池为供电电源。控制系统的工作原理主要为：控制系统检测驱动电机的两相电流并将第三相电流计算得出，将得到的三相电路输入给驱动电机控制器，与此同时将电机的转速信号输入到控制器中，经控制器的算法计算后由SVPWM输出PWM信号驱动电机。另一方面，驾驶员信号检测电路同时检测刹车、油门、档位等信号，通过CAN通讯将数据输送给控制器进行计算。
2.2驱动电机硬件电路设计
2.2.1主控电路设计
新能源汽车驱动电机的驱动电路结构十分复杂，且控制器将接受多种信号，进行处理后还需要进行庞大的运算，对于汽车来说，执行的速度与精确度十分重要，因此对于芯片的性能有比较高的要求，其应具备强大的计算能力以及数据处理能力。驱动电路需要多个外部接口，因此对于控制器来说应具有较多的内部可利用资源。因此，本文选择STM32单片机系列的控制器作为驱动电机控制电路的主控制器，该控制器工作效率高、计算能力强、抗干扰能力强且成本较其他控制器较低，能够达到永磁同步电机控制系统的计算要求。
2.2.2逆变与驱动电路设计
为了能够高效的驱动永磁同步电机，应选用功率合适的开关器件，一般来说双极晶闸管以及MOS管适用于供电电压较低的电机，对于供电电压较高且需要较高的输出功率的电机来说更多选择使用IGBT作为开关管。本文研究的永磁同步电机作为新能源汽车的驱动电机，输出功率以及供电电压较高，因此选择IGBT作为开关管。驱动电路的主要作用是将控制器输出的PWM信号放大，与此同时要尽量保证控制器不受到信号的损害，因此驱动电路一般需要与控制器进行隔离操作，桥臂的关断决定了电路的充电与放电，当上桥臂导通下桥臂关断时，电容进行放电，上桥臂即作为整个电路的供电电源。
2.2.3信号接收电路设计
驱动电机的过程中需要时刻的接收电机返回的信号并进行处理，因此设计了信号接收电路。信号接收电路主要为增量式光电编码器，其通过差分信号进行三相脉冲信号的输入与输出。
在信号接收电路中设置了隔离电路，主要作用是将光电编码器与控制芯片进行隔离，防止互相干扰，提高整个电路的抗干扰能力。
2.2.4电流采样电路设计
在电机的电流转速双闭环控制系统中，需要对电流的反馈值进行采样，因此设计了电流采样电路。在控制系统电流采样的过程中，由于采集的电流为模拟量，因此要求采样器件具有较高的检测精度。隔离放大器具有良好的采样性能与精度，输出信号后经AD转换后即可完成电流的采样。
2.2.5温度检测电路设计
驱动电机控制系统工作时由于输出的电压以及功率很高，因此将不可避免的产生大量热量。若产生的热量过高极易损坏控制电路，为了能够提高控制电路的安全性能，设置了温度检测模块，实时的检测驱动系统的温度并设置一定的阀值，当温度超过阀值时，控制系统将自动断电，保证主控制电路的安全。
2.2.6供电电源设计
在永磁同步电机的控制系统中，各个电路都需要电源供电，而不同的电路所需要的供电电压也各不相同，因此应针对不同电路的供电需要设置不同电压的供电电源，以保证控制系统的正常运行。
2.3通信电路设计
2.3.1串口通信电路设计
为了能够使控制系统与上位机进行交互，设计了串口通信电路，上位机可通过串口将数据输出给控制电路，控制电路也可以将反馈的数据输入给上位机，从而完成数据的交换。上位机与控制电路之间交互需要相通的语言，这个语言就是串口通信协议，遵循该通信协议可完成数据的传输。计算机与控制器之间的通信由USB接口电路完成。
2.3.2CAN总线通信电路设计
新能源汽车与控制器之间的数据交互采用CAN总线的通信方式，CAN总线通讯目前是汽车行业中使用最为广泛的通信协议，其使用技术纯熟，有很长一段时间汽车的通信都采用这种方式，因此本文采用CAN的通信方式，大大节省了驱动系统的开发周期以及造价成本。CAN总线通讯作为一种串行通讯总线，对于复杂的交互系统以及多对象系统的控制能力较强，能够在短时间内完成数据的传输以及接收，可以轻松实现控制器与汽车之间的交互，其数据传输速度快、距离远，有着良好的数据传输性能。
3新能源汽车驱动电机软件控制系统设计
永磁同步电机软件控制系统的程序合理性以及可靠性十分重要，如果程序运行错误造成车辆失控，后果十分严重，因此软件架构要合理。由于软件部分与硬件部分应相互合作实现控制系统的驱动，但硬件部分的电路设计虽然加入了抗干扰模块，但在复杂的电路中，电压电流的信号干扰无法估计，因此很难保证控制系统的平稳运行。综上所述，软件部分加入抗干扰模块也十分重要，抗干扰模块软件与硬件部分相结合可有效的提高控制系统运行的可靠性。控制系统的软件部分设计采用结构化编程的方式，程序结构严谨，为了能够减少开发周期，采用模块式的编程方式，各个模块各司其职，这样的编程模式可在程序出现问题的第一时间发现有问题的模块，减少调试的难度。对于汽车复杂的行驶工况，提高驾驶体验也十分重要，STM32控制器能够利用自身的定时器对控制器进行复位操作，当程序出现问题时，可第一时间进行复位并重新开始程序运行。当控制系统开始运行时，程序将首先进行初始化，并进行自检模式，检查系统是否出现异常，如果有异常出现，报警子程序将开始工作，并将程序返回再次进行系统自查；如果控制系统运行正常，程序则进行数据采集，将驱动电机的各项参数传送给控制器，此时通过状态检查程序需对参数进行分析，出现故障则发出警报，无故障将根据汽车的行驶工况进行控制策略的执行。
4结束语
本文介绍了新能源汽车的应用价值以及发展现状，以永磁同步电机为研究对象构建了新能源汽车的驱动控制系统，设计了新能源汽车驱动的硬件部分以及软件部分，仅供参考。
参考文献
[1]胡悦.混合动力电动汽车控制系统设计与能量管理策略研究[D].中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院),2018.
[2]邱美涵,王晓琳,卞皓.基于AUTOSAR的电动汽车驱动电机控制系统设计与实现[J].汽车工程,2018,40(6):38-44.