电动汽车驱动电机控制设计

张其东

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434）

0 引言

驱动电机是纯电动、混合动力、氢能源等电动汽车的动力系统核心，电动汽车通常采用高压直流供电，电动汽车驱动电机主要采用直流电机。无刷直流电机因自身优点，低速情况下提供大扭矩输出满足车辆动力加速性能，可以在低、中、高大速度范围内运行；同时无机械换向器，采用全封闭式结构，尘土等杂质不易进入电机内部，可靠性高，适应电动车辆道路行驶复杂地地理环境。因此无刷直流电机作为电动汽车动力源得到广泛使用[1]。

鉴于良好地驱动电机控制性能直接影响电动车驾驶性、动力性、安全性等整车性能，采用以专业电机控制芯片为基础设计电动汽车驱动电机控制系统，包括电机控制硬件电路和电机转速控制设计。同时基于电动汽车整车分布式控制设计原则，电机控制系统设计为单独控制器独立负责驱动电机控制，实现对驱动电机可靠、高效地控制[2-3]。

1 驱动电机控制硬件电路设计

电动汽车驱动电机控制硬件电路设计主要包括电机高压供电电路及电机转速控制闭环电路，其原理图如图1所示。电机高压供电电路有动力电池、高压配电盒、高压保险丝、集成功率模块电路、高压线束等；电机转速控制闭环电路包括控制器单片机、电机控制芯片HCTL-1100、可编程逻辑器GAL16V8、光电耦合器、电机检测集成电路等[4]。

1.1 电机高压供电电路设计

图1 电动汽车驱动电机控制硬件电路原理图

电机高压供电电路主要是将电动汽车动力电池电能输送加载到驱动电机，并通过改变输出电压时序及大小控制驱动电机转动方向及转速。根据整车动力系统及驱动电机功率参数，设计选择对应功率参数的高压线束、高压配电盒、高压保险丝和功率模块等。高压配电盒将车辆动力电池电能分别分配给驱动电机、空调压缩机和PTC加热器等高压用电设备，集成功率模块电路将高压直流电转换成三相电输出加载到驱动电机，集成功率模块电路同时受驱动电机控制系统控制，通过改变输出电压时序及大小控制驱动电机运转方向及转速，从而实现对车辆行驶控制。

1.2 电机控制器、电机控制芯片HCTL-1100设计

现代电动汽车设计通常采用分散式控制器模式，各个控制器间通过总线进行数据信息交换与共享。开发中将驱动电机控制系统从整车控制系统中独立，作为单独电机控制器，独立负责驱动电机控制，除转速控制外，还包括：驱动电机力矩控制，车辆能量回收控制、电机自我保护、电机状态诊断、与其它控制器数据信息交换等功能。

HCTL-1100是电机控制芯片，适用于直流电机、无刷直流电机控制。HCTL-1100具有对无刷直流电机转速控制功能，替代电机控制器单片机对驱动电机直接控制，降低单片机的接口及计算资源需求，因此电机控制器可选择低成本高性价比的单片机。通过地址/数据I/O接口，HCTL-1100接收电机控制器单片机各种控制指令和数据，同时向电机控制器单片机反馈电机控制的各种相关信息数据。SN输出HCTL-1100由整车控制器（VCU）输入给电机控制器的电机正/反转命令（高/低电平）。PWM输出经HCTL-1100内部数字调节器运算后的电机电压控制信号（高低电平），实现对驱动电机转速控制。

1.3 可编程逻辑器GAL16V8设计

可编程逻辑器GAL16V8根据系统需求定义输入输出信号及逻辑关系。本系统中定义5路输入信号：来自HCTL-1100的SN、PWM信号，来自电机位置信号 （S1、S2、S3）；定义6路输出信号，按照无刷直流电机内部控制逻辑及电机转速控制指令，通过光电耦合器高低压隔离，实时控制集成功率模块电路6个桥臂的通断，从而调节加载在驱动电机上的高压电压，以实现驱动电机的速度控制[5]。

1.4 电机检测集成电路设计

电机检测集成电路主要用来检测驱动电机内部状态并实时反馈。检测电机转子位置信号（S1、S2、S3）反馈给GAL16V8，用于控制高压电路U、V、W项的输出电压时序。检测电机转速信号（V1、V2）反馈给HCTL-1100，用于HCTL-1100实时采集当前电机转速，计算输出在驱动电机的电压，从而实现驱动电机转速闭环调节。检测电机电流信号（I）、电机温度信号（T）反馈给电机控制器单片机，用于控制器判断电机电流、电机内部温度是否正常。

2 驱动电机转速控制设计

驱动电机转速控制设计首先是建立驱动电机转速控制数学模型，以实现电机转速自动闭环控制。电动汽车驱动电机转速控制是常规地比例-积分-微分PID闭环控制，结合驱动电机硬件电路设计，其系统闭环控制数学模型如图2所示。其中PID控制器由电机控制芯片HCTL-1100内部数字滤波器HCTL-1100会自动地分配给A、B、K默认值，但从提高电机转速控制精度出发，设计者应基于驱动电机性能参数，根据PID控制理论，给出合理的参数值[6-7]。

图2 电动汽车驱动电机转速控制数学模型

电机控制器单片机只需设定目标速度v和加速度a，HCTL-1100独立完成对驱动电机转速控制，其速度控制原理如图3所示。HCTL-1100控制电机以设定的加速度a到达目标速度后并稳定工作直到下一个速度命令到来；且电机控制器单片机可随时改变命令速度和加速度，HCTL-1100会自动及时地将电机加/减速到设定速度。

图3 驱动电机转速控制原理图

电动汽车行驶中，整车控制器（VCU）采集加速踏板、制动踏板和方向盘等驾驶员驾驶信息，再根据车辆车速、动力电池电量、变速器挡位、车辆工况等整车信息，综合计算出车辆行驶目标车速后，整车控制器（VCU）向驱动电机控制器下达电机目标转速等控制命令，驱动电机控制器独立自主地控制驱动电机启动、加速、减速、恒速等，从而实现电动汽车行驶和车速控制[8]。

3 结束语

电动汽车开发中，根据本系统技术方案设计电动汽车驱动电机控制电路包括电机高压供电电路及电机转速控制闭环电路。根据整车动力系统及驱动电机性能参数，选择合适功率的高压供电部件；建立电动汽车驱动电机转速控制数学模型，依据PID控制理论，通过仿真分析及试验验证，给出HCTL-1100内部数字滤波器D（Z）中A、B、K合理值，以精准控制电机转速。电动汽车行驶中，驱动电机控制器实时接收电动车整车控制器（VCU）指令，独立自主负责驱动电机转速等控制，因此控制系统具有极强的实时性、精确性和稳定性，从而保障和提升了电动汽车驾驶性、动力性、安全性等整车性能。