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(金鼠纳福)基于FPGA的大功率,高性能400V/300A 100+kW电机控制器电路设计方案
发布时间:2019-11-19
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(金鼠纳福)基于FPGA的大功率,高性能400V/300A 100+kW电机控制器电路设计方案
发布时间:2019-11-19
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Axiom可以说是有史以来第一个为大型三相电机的精确控制提供了清晰,开放的通道,没有比目前更贴合的时代了,数十亿美元用于加速电动汽车的进入新能源时代,伴随着庞大的EV车队增长,众多半导体企业已经开始了新一轮的角逐。

Axiom不仅包含了功能丰富的高性能控制器,而且还采用功率密集型封装。当然,最好的部分是硬件和固件都是开源的!使原理图,BOM和代码可供所有人进行实验和改进,是车辆,研究和行业的理想平台。

Axiom是什么?

Axiom是一个三相电动机控制器。它需要一个直流电压,并产生3个正弦波来驱动电动机,从概念上讲类似于用于无人机和自行车的小型ESC。不同之处在于,此特定设置可以安全地使用400V电池。

我们的工作集中在控制板上,该控制板能够以大于400V的电压驱动和大于300A的电流驱动,这些参数由功率级额定值定义。

我们之所以选择EconoDual IGBT模块,是因为它采用了流行的封装,它们具有许多电压和电流等级(从600V到1700V,从100A到1000A),来自许多品牌,采用IGBT和SiC技术,并且具有现成的栅极驱动器配合它们。

为什么设计Axiom?

因为我们希望研发一个最大胆,最壮观的产品,之所以没有其它开放平台能够驱动100kW级的电动机,那是因为你所能获得的相匹配的方案都是些价格高昂的专有控制器,无法根据你的需求进行调整,最重要的是,你看不到内部工作原理来评估软件和硬件的质量是否符合标准。

电动汽车公司的一些新方案已经与专有电机驱动器捆绑在一起,我们为客户提供了将电机驱动器深度集成到其系统中的机会,从而为其产品提供了独特的垂直化机会,这样可以节省成本并提高车辆的质量和集成度。

开放Axiom还可以展示我们的实力,在世界上,没有多少人具备一套能够生产高性能驱动装置的技能和知识。

借助VESC基本平台的稳定发展,Axiom也可能成为从业余工具到全面的EV技术。

谁在使用Axiom?

自从Axiom今年公开上市以来,世界各地的一些个人和工程团队签署订购了Axiom的订单。我们目前正处于Beta测试阶段,仅选择能够为我们提供有价值的反馈以确保我们提供可靠产品的装备最精良的工程团队。下图是一些正在测试Axiom控制器的团队,来自世界各地。

你可以用Axiom做什么?

几乎涉及所有强大的三相电动机的事情,包括:

  • 电动汽车转换
  • 电动赛车
  • 矿业
  • OEM EV,例如自行车和ATV
  • 水下机器人
  • 飞机系统
  • 滑翔机发射器
  • 风力发电机
  • 研发部

你是否认为这可以用来发射滑翔机有些夸张?但事实是,这些应用领域来自我们的客户。

为什么选择我们?

VESC系统的性能和用户体验是一流的,用户需要一个界面来配置电动机参数,它将是调试问题和了解机器的主要工具。

有了适当的软件和固件,大功率应用程序将需要一些非常特殊的硬件

这是我们的看法:

  • ??EconoDual / 17mm IGBT模块机械匹配。更紧凑,更少的组装步骤,更少的接线和压接,没有适配器零件。
  • ?板上集成了隔离的?HVDC和相电压监控器,可直接连接到IGBT,以获得更清晰的信号并加快组装速度。
  • 板上的直流母线电容器??放电电阻器。安全要求,在不给电路板供电时将其放电。
  • 射频连接器,用于测量模拟信号。这提供了类似于仿真的信号质量,非常适合开发。
  • 单独的IGBT故障监控。你可以判断出??哪个??IGBT故障。
  • 个别故障导致过压,过流和过热。
  • 单独的IGBT温度监控。
  • 莱迪思iCE40 FPGA,使用??开源工具链??进行综合和HDL开发。
  • 该??FPGA不断监视所有故障输入。如果断言任何故障,则所有PWM活动都将关闭。
  • FPGA监控MCU生成的PWM。如果检测到直通命令,则关闭PWM。
  • 我们正在FPGA?中实现这一出色的电机控制技巧
  • RJ45端口。这些不是以太网,而是?以现成的标准方式提供?屏蔽双绞线
  • 双模拟加速器??输入。
  • 双重隔离的CANbus接口?。
  • 解析器支持。
  • BiSS绝对编码器支持(在dev下的固件)。
  • 正弦/余弦编码器支持。
  • 向栅极驱动器提供稳定的15Vdc,并监视该电压。
  • 2个带有RF连接器的DAC输出,?可窥视控制算法的内部。
  • 2开漏输出,用于驱动小负载或继电器,例如泵。
  • 更多的保险丝,更多的TVS,更多的EMI滤波。

以下是一些高分辨率图片供参考

在学校中,必须使用RF连接器戳你的关键模拟信号:

可以显示隔离间隙的旧原型。对于较新的电路板,你看不到较厚的阻焊层。

带有基于IGBT的功率级的无传感器全速反向:(黄色迹线是观察者相位输出到DAC通道),这个波形简直神了,你不会经常看到这种波形的。

当然在Axiom上,什么样的波形都不会让人惊艳。

这是对电路板信号质量的一种练习,在实践中,我们强烈建议在大功率组件上使用绝对编码器。

清晰的信号在ADC引脚处测量,电机角度通过DAC发送到示波器。请注意,如何在非驱动->驱动过渡中完美地跟踪电动机角度。

清除故障报告。

原理图顶层:

怎么运作?

它需要你的电池电压(直流高压),使用PWM会产生3个正弦波,其传播角度为120°,以驱动电动机。实际上,它使用空间矢量调制(SVM),从而减少了所需的开关量,从而减少了开关损耗。

尽管VESC支持梯形和磁场定向控制控制模式下的驱动电机,但我们的电路板仅适用于FOC。它刚好适合该应用程序。

FOC的目的是使正弦波与电动机内部的实际磁场对齐,并通过矢量信号控制电机,矢量信号由与磁通(Iq)正交的转矩产生电流和磁通产生电流(Id)组成。

 

这是一个很棒的研究平台,可用于高功率构建,我们已经进行了很长一段路,没有外界反馈,所以我很想听听你们的想法。Axiom并不是要成为便宜的控制器,而是要驱动非常昂贵和危险的设备,因此它必须是安全可靠的硬件。

最后来看下Axiom的视频介绍:

 

版权声明:电路城原创编译,翻译自Hackaday,转载请注明出处!

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