摘要 ：针对AGV车辆的电机控制器与普通新能源汽车的要求差异，从整体框架到软件架构，硬件结构，验证平台方案等进行系统优化设计，研究结果表明新方案在提高电流输出，宽电压输入，扭矩高精度控制等方面提升效果显著，为AGV产业关键零部件的产业化提供了具有实用价值的解决方案。
关键词：控制器；AGV；电机；验证平台
引 言：自动导引小车AGV (Automated Guided Vehicle),主要应用于生产制造、港口码头、机场、巡检、危险场所和特种行业。中国AGV年销量已突破2.96万台，市场规模达到42.5亿元，未来受人口结构、人力成本上升的影响，中国将成为世界上最大的AGV应用市场。作为AGV核心部件之一的电机控制器（MCU），从整车控制器获得整车需求，经自身逆变器的调制，获得控制电机所需电流和电压，提供给电机，使转速和转矩满足AGV的要求。而AGV用电机控制器存在工作电压低、电流大，短时过载能力强的特点，并且要求关键部件满足车规级安全要求，急需优化的关键问题包括：低工作电压，大电流输出；电机控制系统（控制器+电机）的双80要求；高效运行质量体系。
1 设计目标
（1）采用铝基板的多MOS并联技术。针对AGV用电机控制器低电压、大电流的特点，单MOS管电流及功率均无法满足要求，而目前满足电流要求的IGBT模块又是针对高压应用场合设计，且IGBT导通压降大，开关损耗也大。通过采用铝基板的多MOS管并联技术，可实现大电流的高效驱动。（2）采用铝基板高质量SMT贴装工艺。由于铝基板散热快，且为多MOS管并联，贴装工艺不成熟极易造成单管焊接不良，导致质量问题及成本浪费。通过研究铝基板高质量的SMT贴装工艺，可降低不良率，降低损耗，提高产品可靠性。（3）电机及控制器轻量化设计。由于属车载系统，为降低整车负荷，对体积及重量都有很高要求。通过电机及控制器的轻量化研究，可以提升产品品质，提高产品竞争力，降低材料成本。（4）改进电机控制算法。AGV电机控制效率要求较高，传统控制算法已无法满足要求，需开发新的控制算法提高产品技术竞争力。
2 研究方法
（1）通过计算功率管在各工况下的总功耗，根据铝基板基材的散热系数，利用热态仿真软件，仿真MOS管在各工况下的发热情况，确定铝基板最符合需求的厚度、尺寸及表面镀层厚度。（2）通过建立数学模型，对比分析不同铝基板电流过载能力的测试数据，分析铝基板SMT工艺过程中存在的问题，例如MOS管封装设计不合理、MOS管布局设计不合理、SMT回流焊炉温控制不合理等问题，优化铝基板设计、优化SMT方案，提高铝基板SMT贴装工艺质量。（3）通过研究产品结构不同材料的特性，采用立体建模方式，分析不同工况下的散热能力，仿真振动、冲击等外部环境要求，确保电机控制器在满足各项指标的前提下，体积最小、重量最轻。（4）通过在不同环境及工况下，对电机进行精准、快速标定，利用自创算法实现对电机磁场的最佳控制，扭矩精度≤1N·m，力争达到国内先进指标。利用自创算法实现电机最佳效率的自动跟踪控制，电机控制器效率≥98.5%，系统高效区＞80%，目标为优于国内先进产品指标。
3 总体框架设计
控制器主要包括三个部分：主控部分、驱动部分、功率模块部分。主控部分完成电机控制以及对外通信功能；驱动部分是接收主控的控制信号，经信号隔离、电平转换、功率放大后驱动功率模块，同时集成了直流母线滤波、隔离电源转换器、电流检测、过检测流、过热检测等功能；功率模块使用功率MOS管并联技术，把多个功率MOS管并联设计在一块具有优良的散热特性铝基板上，组成一个完整的功率驱动模块，总体原理框图如图1示。
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图1 总体原理框架图
4 硬件结构方案
控制器选用的器件要求符合安规、阻燃等方面要求，驱动部分、控制部分、功率部分方案设计满足安规要求距离，结构钣金件达到安规标准。电机控制器电磁兼容设计：分别设计输入接地端子和输出接地端子，方便输入电网地线连接和输出屏蔽线的屏蔽层连接，散热器与内部PCB板的接地连接。电机控制器热设计：利用热态仿真软件，模拟电机控制器在不同工况下的发热情况，进行热仿真，评估电机控制器在满足各种工况散热条件下，所需的散热面积、减轻重量、提供功率密度体积比等参数。
5 验证平台方案
验证平台主要包含三个部分：性能试验验证平台、寿命试验验证平台和系统自动测试平台。控制器性能试验验证平台系统方案，主要由被测电机控制器及配套电机、负载控制器及电机、电池模拟系统、外部供电系统及数据采集分析系统组成。通过数据采集分析系统，完成测试数据采集、筛选，系统自动判断、分析数据的真实性，输出测试结果。电池模拟系统主要由双向可调DC-DC稳压电源、输出电感、直流电抗器等滤波模块组成，主要模拟电机控制器的不同供电电压范围的电池供电。最大额定功率输出可达100kW，稳压电源电压范围0～540V，电源稳压精度可达±1V。外部供电系统由隔离变压器和配电柜组成，实现被测电机控制器供电与电网隔离。通过对比已有测试的数据，数据采集分析系统所得的测试数据是有效的。寿命试验验证平台与性能试验验证平台主要区别在于寿命试验验证平台为无人值守的试验平台，总体方案在性能验证台架方案基础上，新增监控系统及安防系统。自动测试平台系统基于性能试验验证平台系统或者寿命试验验证平台系统，实现系统一键自动测试。
6 研究成果
（1）采用铝基板的多MOS管并联技术，可组成大电流、高效、高可靠性、重量轻的功率驱动模块，符合AGV用要求。（2）通过自创算法实现对电机磁场的最佳控制，可实现电机最佳效率的自动跟踪控制和各种工况下电机扭矩的高精度控制。（3）新方案的控制器最高效率≥98.5%，优于国内已有商用AGV控制器最高效率。（4）控制器支持宽电压范围输入，电压范围30～165VDC，优于国内同类产品电压输入范围指标。
结 语：
研究结果可为各厂商AGV车，及其它新能源车提供关键零部件解决方案，同时提供电机驱动器核心技术平台，满足100kW以下AGV车用电机控制器的技术研发、试制测试、配型及产业化的需要。
参考文献：
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