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整合MCU简化混合动力/电动汽车马达控制

导读: 没有内燃发动机的全电动汽车需要安全、具成本效益和高容量的储能系统。高效的软体演算法、功能强大的微控制器和高效马达能大幅地利用现有的能源,高整合度有助于实现更精简和低成本的马达控制系统。专为混合动力汽车和电动汽车而设计新一代高整合度MCU包括能产生马达控制讯号的定时结构以及各种I/O埠和介面。

  没有内燃发动机的全电动汽车需要安全、具成本效益和高容量的储能系统。高效的软体演算法、功能强大的微控制器和高效马达能大幅地利用现有的能源,高整合度有助于实现更精简和低成本的马达控制系统。专为混合动力汽车和电动汽车而设计新一代高整合度MCU包括能产生马达控制讯号的定时结构以及各种I/O埠和介面。

  在讨论这些新MCU如何执行前,下面首先介绍混合动力汽车和电动汽车马达的工作原理。

  图1显示了混合动力汽车和电动汽车的广泛分类。混合动力汽车和电动汽车的核心要素是传动系统中的马达,该马达在混合动力汽车中与传统的内燃机部署在一起,而在电动汽车中则作为独立的动能来源。选择马达需要仔细分析尺寸、重量、可靠性、耐用性、所需扭矩和整体效率。

  适用的马达有两个基本类型。一种是非同步马达,这种马达耐用且价格合理,因为它们不需要使用稀土元素制成的磁铁。其特性参数可以透过软体演算法得到控制,并且不需要维护。这种马达效率略低于同步马达,在启动时具有较低的扭矩。而缺点则是效率略低,约为90%,且重量更重。

  另一种适用马达是永磁同步马达(PMSM),具有高转矩、紧密的尺寸和近94%的高效率。同步电动机由于需要使用稀土元素制造的永久性磁铁,因而成本较高。非同步马达和永磁同步马达的无刷版本都不存在电刷损耗的问题。永磁同步马达提供更佳尺寸/力矩比和更高效率,也是目前电动和混合动力汽车传动系统的首选。

  控制

  如前所述,上述两种马达都有无刷版本。虽然这种无刷马达需要进行更多的整流,却能够提供安全、高效的控制,而这是传动系统中基本且首要的。目前的挑战是实现马达、电力电子、控制单元(微控制器)和控制软体的完美平衡。

  使用的演算法必须适应各自的马达和应用,使电子控制器在任何时候都能实现最佳化马达整流。如果不能正确适应,可能会导致不良的影响,如不规则的执行和过大的噪音,都能给效率带来某种程度的负面影响。马达控制包含针对不同应用的各种控制演算法。

  基于感测器的转子位置检测可由各种感应系统实现。一般情况下,检测转子的位置对精确的马达控制是至关重要的。作为一个重要的组成部份,转子位置感测器对马达系统的性能和效率有着显着的影响。

  霍尔位置感测器基于霍尔效应,透过改变载流导体周围的磁场诱发电压。在转子磁环和黏附在转子上的感测器装置帮助下,霍尔效应感测器成为检测角度便捷而便宜的方法。磁极和霍尔元件的数量越多,解析度和精确度就越高,也越容易受磁场干扰。

  增量编码器是一款常用感测器,在众多设计中都有广泛应用,具有机械和光学扫描特性,可以确定目前的角位置。测量角度时,增量编码器必须基于零位置或参考位置。

  对微控制器而言,实际的角度测定只涉及检测旋转方向和运算脉冲发散。可以透过简单测量两个脉冲之间的时间间隔来运算角速度。对电磁干扰的非感应性是非常有益的;相反,任何机械摩擦损耗和污垢的易感性,在光学系统中都是不利的。
 

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