基于S12ZVM的PMSM EPS控制器设计

林联伟

(株洲易力达机电有限公司，湖南株洲 412000)

0 引言

NXP的S12 MagniV产品组合包含一系列面向汽车和工业控制应用的集成混合信号微控制器(MCU)，提供单芯片解决方案，集成数字编程能力和高精度模拟电路，配备集成高压模拟器件。其中S12ZVM系列为汽车电机控制提供最小、最高效且可扩展的3相电机控制解决方案。它集成了先进的S12Z 16位MCU、12 V至5 V稳压器、LIN物理层或CAN物理层和栅极驱动器(GDU)，以控制6个功率MOSFET驱动三相无刷电机。采用S12ZVMC128芯片进行设计，简化了PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor) EPS控制器的设计，有效地降低了成本和结构尺寸。通过MATLAB进行建模和代码生成，实现软件的快速开发和验证。

1 硬件设计

PMSM EPS控制器由单片机MCU S12ZVMC128、功率模块、接口电路和少量的外围器件组成，是一个最精简的EPS控制器。此控制器匹配数字式的转向盘扭矩角度一体传感器和带霍尔位置传感器的PMSM电机，运用在有CAN通信网络的车辆上。此控制器具有结构小巧、集成度高、成本低等优点，其框图如图1所示。

图1 控制器框图

1.1 单片机

单片机S12ZVMC128负责传感器信号采集、算法计算、空间矢量调制占空比的输出。转向盘数字扭矩、角度传感器信号由单片机的定时器捕获模块完成占空比和频率的测量；电机霍尔位置传感器由单片机IO端口完成电机角度和转速的测量；下端母线电流由单片机内置的电流放大器、ADC和PTU触发模块协调完成电机电流的测量；三相桥的驱动和保护由单片机内置的GDU和PMF模块完成；车辆的车速报文和发动机转速报文通过CAN总线接口接收。

1.2 功率模块

功率模块集成了一个包括6个功率管组成的三相桥、一个NTC热敏电阻和一个下端母线采样电阻。功率模块的外形和内部电路如图2所示。

图2 功率模块

2 单电阻采样

2.1 单电阻采样电路

单电阻采样具有降低系统成本、集成度高、电流检测电路无须校准和补偿的优点。其中无须校准和补偿是因为采用一样的采样电阻、一样的放大器，检测三相电流使用的电路完全相同，所以其增益和偏移都是相同的。图3是单电阻采样电路示意图。

图3 单电阻采样

单电阻采样在硬件设计上较简单，但是在软件实现上就相对复杂。根据基尔霍夫定律，通过测量三相电流的任意两相电流，则根据公式(1)可以计算出第三相电流：

IA+IB+IC=0

(1)

2.2 SVPWM形式

根据三相SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)在一个周期内功率管开关作用时间的区段可分为五段式和七段式(图4)，其中五段式又可以分为一相恒高的五段式(图5)和一相恒低的五段式(图6)。三相中的任意两相PWM相同时七段式变成了五段式，三相PWM都相同时七段式变成了三段式；三相中的不为恒高或恒低的另外两相相同时五段式变成了三段式。此分法是以PWM中心沿对齐时的分法，以PWM边沿对齐则对应地分为四段式和三段式。

图4 七段式SVPWM

图5 一相恒高的五段式SVPWM

图6 一相恒低的五段式SVPWM

2.3 采样时刻及其局限性

在测量流经采样电阻的电流时，底部3个功率管开关的状态至关重要。图7是一个周期内三相桥下端3个功率管的开关状态，由T0、T1、T2、T3、T2、T1、T0共七段组成。在T1时间段，B相下管打开，另外两相下管关闭，所以采样电阻上流过的电流为B相电流IB；T2时间段，A相下管关闭，另外两相下管打开，所以采样电阻上流过的电流为A相电流IA；T0时间段三相下管均关闭，T3时间段三相下管均打开，即T0和T3时间段为零矢量，采样电阻上无电流流过。在这个周期内只需在T1时间段测量IB，在T2时间段测量IA，则IC由公式(1)计算得出；由此即重构了PMSM电机的三相电流。

图7 三相桥下端功率管SVPWM

要实现电流的准确采样，需要用到单片机的PTU模块的PWM Reload同步触发事件来触发ADC进行采样。ADC采样需要Ts的时间，所以当T1或T2的时间宽度为0或比Ts还短时(图8阴影部分)，ADC采样的结果将不能准确地反映相上的实际电流，造成只能测量两相中的一相电流，另外一相电流无法测量。

图8 向量的临界区及其SVPWM

图9 向量的低调制区及其SVPWM

这样的区域也即向量从一个扇区向另一个扇区过渡的临界区，简称为矢量临界区。在临界区时会出现两相PWM值相等或接近的情况。当目标电流很小SVPWM输出的三相PWM均为50%或在其附近时，此区域称为向量的低调制区(图9阴影部分)。

2.4 解决方案

在矢量临界区和低调制区都无法采集电机的相电流。针对在矢量特殊区域无法采集的问题，可以采用两个方法来解决：一个方法是移相(Phase Shifting)，即移动SVPWM中的一相或两相的相位。如图10所示分别是图8的移相结果和图9的移相结果。另一个方法是“双切”(Double Switching)，即在一个PWM周期内插入合适时间宽度的零矢量。就像PWM周期由一个变成了两个，所以叫双切。如图11所示分别是图8的双切结果和图9的双切结果。

图10 临界区和低调制区的SVPWM移相示意图

图11 临界区和低调制区的SVPWM双切示意图

不管是移相还是双切的方法，都是让SVPWM的两两之间至少要相差一个ADC采样时间Ts，以保证能准确地采样到电机相上的电流。S12ZVMC128的PMF模块在配置成中心沿对齐的互补PWM时具有双切功能，方便实现对矢量在临界区和低调制区的电流采样，以实现PMSM电机的三相电流重构。

3 软件建模和代码生成

使用基于模型的设计(MBD)和NXP提供的电机控制工具箱MC ToolBox和数学函数库可以大量缩减软件开发时间。基于模型的设计分为4个步骤,见图12。

图12 MBD的4个步骤

3.1 建模仿真

控制器的理想化仿真和电机的优化技术可以只在电脑上完成而无须控制器硬件。在建模时需要根据控制器系统需求和总体应用程序策略对算法进行功能划分和接口定义。图13是EPS的算法模型。模型中的HallSensor模块计算输出电机的角度和转速；HellaSensor模块计算输出转向盘的扭矩和角度；EPS算法模块包括控制器的状态控制、助力、回正、阻尼等算法，计算得到目标电流Id和Iq；黄色的模块是FOC算法，包括Clark、Park、PI、反Park、SVPWM调制等算法；SetDutycycle模块是双切算法，用于下端母线电流的采样。

图13 EPS控制器软件模型

图14是Park变换的仿真波形。

图14 Park变换仿真波形

3.2 软件在环

软件在环仍然是在电脑上完成，无须控制器硬件。与建模仿真不同的是软件在环需要自动生成算法的C语言代码，并使用与建模仿真相同的测试向量，以完成对C代码的覆盖率和功能验证。主要验证EPS控制算法、电机FOC算法、传感器处理算法。

3.3 处理器在环

处理器在环是在MCU上进行模型算法的验证。这一过程需要优化模型以生成可读性强的代码、完成功能和文件划分、定点化数据为1Q15格式、测试算法的功能组件等，测量MCU实际的内存和堆栈使用情况以及程序执行的负载率。

3.4 目标单片机实现

EPS控制使用MCU的部分模块及其作用如下：

PMF和GDU模块用于SVPWM的输出；

PTU和ADC模块用于下端母线电流的测量、母线电压的测量，并进行三相电流的重构；

PORTP和PORTS模块用于电机霍尔位置信号和正交编码信号的采集测量；

定时器和PORTT模块用于海拉数字传感器信号的采集和测量；

CAN模块用于车辆转速和车辆车速的采集；

MCU的硬件驱动是通过添加MCD_MC9S12ZVMx_Config_Information、GDU_Config、 PTU_Trigger_Generators、 ADC0_Config、ADC1_Config、ADC0_Command_List、 ADC1_Command_List、 PMF_Reload_Interrupt等模块来实现的。这些模块完成对单片机硬件的参数设定和初始化。

将完整的模型编译生成的目标文件(*.elf文件)通过Codewarrior烧入到MCU中进行EPS算法和电机控制的功能验证。

图15是通过FreeMaster工具在ECU上实际测量的Park变换波形。

图15 Park变换实际波形

采用MATLAB建模和代码生成，经过快速原型的开发、优化设计，控制器可在短时间内进行装车验证和批量生产。

4 结论

通过S12ZVMC128和功率模块组成最简PMSM EPS控制器的硬件设计、软件的MATLAB建模和代码生成以及下端母线电流单电阻采样的电机三相电流重构方法运用，快速实现了一款成本低廉、结构紧凑的PMSM EPS控制器。

参考文献:

[1]NXP MC9S12ZVMRM:MC9S12ZVM-Family Reference Manual and Datasheet[M].[S.l.],2016.

[2]NXP AN5135:3-phase Sensorless PMSM Motor Control Kit with MagniV MC9S12ZVM[M].[S.l.],2016

[3]NXP AN5327:3-phase Sensorless Single-Shunt Current-Sensing PMSM Motor Control Kit with MagniV MC9S12ZVM[M].[S.l.],2016.

[4]NXP DRM102:PMSM Vector Control with Single-Shunt Current-Sensing Using MC56F8013[M].[S.l.],2008.

[5]TORRES D,ZAMBADA J.PMSM无传感器FOC的单分流三相电流重构算法[EB/OL].https://wenku.baidu.com/view/1e37a51fc281e53a5802ff6c.html.