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整合MCU簡化混合動力/電動汽車馬達控制

上網時間: 2011年12月14日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:整合MCU  汽車馬達  控制 

作者:Vitor Ribeiro、Maik Strietzel、Waqar Saleem

富士通半導體

沒有內燃發動機的全電動汽車需要安全、具成本效益和高容量的儲能系統。高效的軟體演算法、功能強大的微控制器和高效馬達能大幅地利用現有的能源,高整合度有助於實現更精簡和低成本的馬達控制系統。專為混合動力汽車和電動汽車而設計新一代高整合度MCU包括能產生馬達控制訊號的定時結構以及各種I/O埠和介面。

在討論這些新MCU如何執行前,下面首先介紹混合動力汽車和電動汽車馬達的工作原理。

圖1顯示了混合動力汽車和電動汽車的廣泛分類。混合動力汽車和電動汽車的核心要素是傳動系統中的馬達,該馬達在混合動力汽車中與傳統的內燃機部署在一起,而在電動汽車中則作為獨立的動能來源。選擇馬達需要仔細分析尺寸、重量、可靠性、耐用性、所需扭矩和整體效率。


圖1:混合動力與電動汽車的分類圖。

適用的馬達有兩個基本類型。一種是非同步馬達,這種馬達耐用且價格合理,因為它們不需要使用稀土元素製成的磁鐵。其特性參數可以透過軟體演算法得到控制,並且不需要維護。這種馬達效率略低於同步馬達,在啟動時具有較低的扭矩。而缺點則是效率略低,約為90%,且重量更重。

另一種適用馬達是永磁同步馬達(PMSM),具有高轉矩、緊密的尺寸和近94%的高效率。同步電動機由於需要使用稀土元素製造的永久性磁鐵,因而成本較高。非同步馬達和永磁同步馬達的無刷版本都不存在電刷損耗的問題。永磁同步馬達提供更佳尺寸/力矩比和更高效率,也是目前電動和混合動力汽車傳動系統的首選。

控制

如前所述,上述兩種馬達都有無刷版本。雖然這種無刷馬達需要進行更多的整流,卻能夠提供安全、高效的控制,而這是傳動系統中基本且首要的。目前的挑戰是實現馬達、電力電子、控制單元(微控制器)和控制軟體的完美平衡。

使用的演算法必須適應各自的馬達和應用,使電子控制器在任何時候都能實現最佳化馬達整流。如果不能正確適應,可能會導致不良的影響,如不規則的執行和過大的噪音,都能給效率帶來某種程度的負面影響。馬達控制包含針對不同應用的各種控制演算法。

基於感測器的轉子位置檢測可由各種感應系統實現。一般情況下,檢測轉子的位置對精確的馬達控制是至關重要的。作為一個重要的組成部份,轉子位置感測器對馬達系統的性能和效率有著顯著的影響。

霍爾位置感測器基於霍爾效應,透過改變載流導體周圍的磁場誘發電壓。在轉子磁環和黏附在轉子上的感測器裝置幫助下,霍爾效應感測器成為檢測角度便捷而便宜的方法。磁極和霍爾元件的數量越多,解析度和精確度就越高,也越容易受磁場干擾。

增量編碼器是一款常用感測器,在眾多設計中都有廣泛應用,具有機械和光學掃描特性,可以確定目前的角位置。測量角度時,增量編碼器必須基於零位置或參考位置。

對微控制器而言,實際的角度測定只涉及檢測旋轉方向和運算脈衝發散。可以透過簡單測量兩個脈衝之間的時間間隔來運算角速度。對電磁干擾的非感應性是非常有益的;相反,任何機械摩擦損耗和污垢的易感性,在光學系統中都是不利的。


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