一种集成式电机控制器选型设计与控制策略研究

肖 聪

（东风汽车股份有限公司商品研发院， 湖北 武汉 430056）

1 引言

电机电控系统作为新能源汽车产业链的重要一环，其技术、制造水平直接影响整车的性能和成本。与传统汽车的控制系统相比，新能源汽车电控系统的控制单元数量及复杂程度是远高于传统车，而且各个电子控制单元需要更好地协调工作，同时稳定性与安全性的要求也更高。电机驱动控制系统是新能源汽车车辆行驶中的主要执行结构，整个驱动系统包括电机驱动系统与其机械传动机构。

随着产能的增大，整车对于高压系统结构原理的设计要求越来越高，电动汽车高压电气的布置，正在一步步向着集成化的方向发展，不仅降低了整车部件布置的难度以及整车的质量，也提高了整车的可靠性，整车控制策略同时相对比较容易实现。

电机控制器由于原来通过逆变桥调制输出正弦波来驱动电机的设备，变成了多种功能的集合体。集成式电机控制器包括：①配电回路：为集成控制器各部分提供配电，如TM接触器、熔断器、电空调回路供电、电除霜回路供电等；②IGBT驱动回路：接收控制信号，驱动IGBT并反馈状态，提供电压隔离以及保护；③辅助电源：为控制电路提供电源，为驱动电路提供隔离电源；④DSP电路：接收整车控制指令，并提供反馈信息，检测电机系统传感器信息，根据指令传输电机控制信号。本文通过实例介绍集成式电机控制器的电气设计方案和控制器逻辑，从点到面介绍集成方案的功能。

2 架构原理

2.1 电气架构设计

动力电池提供驱动电源，正负极高压电从动力电池传到集成式电机控制器，经过控制器内部的电源分配，高压电主要分配到IGBT逆变器，把高压直流电转换成高压交流电为主驱电机提供电源，另外一部分分配到辅助高压用电器（本文示例为电除霜设备 （PTC）），为其供电。接触器KM1、KM2与熔断器电阻R1组成预充电路，由于集成电机控制器内部有滤波电容C1，预充电路能够起到限制动力电池接通瞬间对滤波电容C1的充电电流，以保护IGBT逆变器不会因滤波电容C1瞬间的短路电流而损坏。电除霜设备为电感性用电器，支路电路可以直接开断，只用一个电除霜接触器KM3即可。

集成式电机控制器控制中枢是HCU （高压控制单元），对于控制器外部，HCU是直接与外部电路连接的，外部电路给HCU提供低压电源与唤醒信号，同时HCU与外部电路通过CAN通信交互传递控制命令与检测信息；对于控制器内部，HCU根据霍尔传感器 （L1、L2）、电压传感器 （V1、V2、V3、V4、V5、V6）、温度传感器（TH2） 检测控制器电路的电气温度信息，查看电路状态，同时通过接触器控制电路开闭，已达到控制各高压用电器的目的。HCU与主驱电机内的旋转变压器RS是用EXC激励电源 （EXC-N、EXC-P）、正弦信号（SIN-N、SIN-P）、余弦信号（COS-N、COS-P） 这3组信号线相接，通过解调正余弦信号可以获得主驱电机的角度位置信息，同时HCU通过温度信号（temp-、temp+） 线与主驱电机内的温度传感器TH1相连，收集主驱电机的温度，了解主驱电机内部温度是否异常［1］。集成式电机控制器高压架构见图1。

2.2 接线原理设计

集成式电机控制器（MCU） 的低压线束包括电源线、唤醒线、CAN线，MCU的电源线接到蓄电池，由蓄电池直接供电，当开关打到ON挡时，整车控制器 （VCU） 通过硬线给MCU提供唤醒信号，使MCU激活并自检，让MCU处于待命状态；当开关打到ST挡时，VCU收到START信号，并将上高压指令通过CAN线发到MCU，MCU控制IGBT闭合，让整个回来处于高压通电状态［2］。若整车有开电除霜功能的需求，只用在ON挡状态下，VCU发送开启PTC命令给MCU，MCU闭合PTC接触器就可以。集成式电机控制器接线原理如图2所示。

图1 集成式电机控制器电气架构图

图2 集成式电机控制器接线原理图

3 元件选型

集成式电机控制器（MCU） 包括HCU （高压控制单元）、IGBT逆变器、PDU （电源分配单元） 等3个部分，下面分别介绍。

3.1 HCU

HCU （高压控制器单元） 主要由电源电路、控制芯片（DSP/FPGA） 及其外围电路、控制电路、检测电路、I/0电路、CAN通信电路、传感器组成，负责检控三合一电机控制器内部元件，以及与外部设备通信。检测电路负责收集控制器内部霍尔传感器（L1、L2）、电压传感器 （V1、V2、V3、V4、V5、V6） 发出三相电流和接触器前后端电压信号，用以判断当前控制器内部元件状态，以及收集电机内部旋转变压器、温度传感器反馈过来的旋变和温度信号，了解电机当前状态。控制芯片处理检测电路收集的信号后，通过控制电路对接触器、IGBT逆变器进行控制，以达到高压配电和驱动电机的作用。

3.2 IGBT逆变器

IGBT逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。逆变器内部由6个IGBT （绝缘栅双极型晶体管） 组成，每一相输出线与正负直流母线之间各连接一只IGBT功率管。为了能够将输入的直流电变成交流电，6个IGBT按照一定的顺序，依次间隔60°循环导通或者关闭，从而形成相位差为180°的UVW三相电。

IGBT功率管常规选配核算根据GBT18488.1-2015，控制器应能承受电机峰值电流至少30s，IGBT峰值直流电流≥1.414倍电机最大相电流有效值，IGBT直流耐电压≥1.414倍电机峰值反电动势。

3.3 PDU

PDU （高压电配电单元） 负责控制器内部的高压电分配、电路保护、预充、滤波等，主要包括接触器、熔断器、电阻、滤波电容等。

3.3.1 接触器

控制器选用的是直流接触器，利用线圈流过电流产生磁场，使触头断开或者闭合，从而控制负载电流通断。其中预充电接触器的作用是有效保护负载内部电容、熔断器、主接触器，防止直接上电瞬间，由于瞬间电流过大可能会造成设备损坏。

选配时注意接触器主触头的额定电压≥负载额定电压，主触头的额定电流≥1.3倍负载额定电流。本控制器系统接触器包括电机主接触器KM1、电机预充接触器KM2、电除霜接触器KM3。

3.3.2 熔断器

熔断器对电路起到短路和过流保护的作用，熔断器的额定电压不得低于系统工作电压，熔断器的额定电流≥2倍熔断器所在回路可允许的最大连续负载电流，本控制器系统熔断器包括主驱电机熔断器FU1、电除霜熔断器FU3。

3.3.3 系统电阻与滤波电容

系统电阻包括预充电阻R1、放电电阻R0。预充电阻R1在预充电路中起限流的作用。而放电电阻R0在电源波动时防止从电容器发出的充放电电流干扰电路稳定工作，同时消耗逆变器反向导通回来的电机多余能量。

滤波电容C1是用来降低交流脉动波纹系数，抑制电源电压的波动，使电路获得平滑稳定的直流电压，同时也起到储能的作用。根据电机需求，滤波电容在使用中允许有1.2倍额定电压值的脉冲，因此电容电压≥电机最大反电势/1.2。电容容值计算

式中：P——电机峰值功率；f——IGBT开关频率；U——电池额定电压［3］。

4 控制策略

4.1 MCU管理功能

4.1.1 正常驱动

在行车READY下，VCU通过目标扭矩或目标转速值控制MCU驱动车辆。

4.1.2 制动优先

在行车READY下，VCU同时检测加速踏板APS、制动踏板BPS的输入信号。如果检测到APS，BPS输入同时有效时，制动功能优先，VCU仅响应制动请求。

4.1.3 充电时禁止车辆驱动

当检测充电连接信号有效时，VCU控制电机控制器扭矩输出一直为0。

4.1.4 电机系统转矩/方向控制

VCU根据加速踏板开度信号、制动踏板、挡位信号、车速信号（或电机转速信号）、电池状态、电机状态，计算得出驾驶员请求扭矩。VCU通过CAN信息发送当前挡位状态信号与扭矩命令信号给MCU，控制电机驱动车辆。

1） R挡：VCU发送正扭矩，MCU自行让电机反转，驱动车轮反向运动，车速不超过20km/h。

2） N挡：VCU发送零扭矩。

3） D挡：VCU发送正扭矩，驱动车轮正向运动。VCU发送负扭矩，进行电制动能量回收。

4.1.5 跛行

车辆进入跛行模式后，VCU 控制车速不超过15km/h，控制MCU 输出功率不超过最大功率的50%，此模式下若无加速踏板故障，车辆响应加速踏板开度进行行车；若加速踏板有故障，则VCU自动控制车速稳定在15km/h附近，此时制动优先依旧需要保证。

4.1.6 功率限制

当接收到整车其他控制器限功率故障后，VCU根据此故障的处理方式以及MCU的限制值和动力电池的输出限制值限制MCU输出功率。当出现VCU自身限功率故障后，控制MCU输出功率不超过最大功率的50%。此情况下由正常解析过程过渡到限功率状态时，需要缓慢过渡，保证整车的平稳过渡。

4.1.7 倒挡最高车速限制功能

挡位为R挡时，通过调节当前输出扭矩值的大小，限制车速不大于20km/h。

4.2 控制流程

4.2.1 上电流程

当有MCU使能信号时，检测电压为9～16V，延时T0，再检测HCU使能信号，若过了T1没有信号主动断开空调接触器KM3与PTC接触器KM3；若再过T2还没信号，主动断开主正继电器KM1；若再过T3没信号，MCU下电。上电流程如图3所示。

图3 上电流程图

4.2.2 下电流程图

当有MCU使能信号一直有效时，如果检测到VCU发过的CAN报文中，YC+信号T0有效则闭合主预充接触器KM2，再判断YC+信号，若在T4时间内一直有信号则断开主预充接触器KM2，若断开主预充接触器KM2，T5时间后还有YC+信号则再闭合主预充接触器KM2，重新判断YC+信号，反之则延时T0断掉主预充接触器KM2。若检测到ZZ+信号，保持T0闭合主正继电器KM1，若没检查到ZZ+信号就断开主正继电器KM1。下电流程如图4所示。

5 报文设置

5.1 报文结构

数据链路层的规定主要参考CAN2.0B和J1939的相关规定［4］。使用CAN扩展帧的29位标识符并进行了重新定义，表1为29标识符的分配表，通信速率为250kb/s，采用Intel格式，采用单帧报文，周期发送机制。如表1所示，优先级为3位，可以有8个优先级；R一般固定为0；DP现固定为0；8位的PF为报文的代码；8位的PS为目标地址或组扩展；8位的SA为发送此报文的源地址；PGN为参数组号码；本文设定整车控制器地址是26，电机控制器地址是100。

图4 下电流程图

5.2 报文定义

1） 整车控制器发给电机控制器的数据，电机控制器接收数据如表2所示。

2） 电机控制器发给整车控制器第1组数据，电机控制器发送数据1表如表3所示。

3） 电机控制器发给整车控制器第2组数据，电机控制器发送数据2表如表4所示。

6 故障处理

集成式电机控制器会根据不同的故障对故障处理进行分类，主要分为无故障、1级故障、2级故障、3级故障等4类故障等级，其中1级故障只报警而不限扭矩，2级故障要限制扭矩到峰值转矩的50%值，3级故障直接要求不输出扭矩。当达到故障诊断条件时，控制器会报出相应的故障，并根据故障对应的故障等级进行处理，只有满足故障恢复条件后，控制器就能消除故障，恢复正常。本文罗列一份常见故障问题表，见表5。

表1 标识符分配表

表2 电机控制器接收数据表

表3 电机控制器发送数据1表

表4 电机控制器发送数据2表

表5 常见故障问题表

7 总结

根据新能源汽车的最新发展趋势，集成方案必定蓬勃发展，全文以较简单的二合一电机控制器（MCU+PDU） 为例，详细介绍集成式电机控制器的电气原理、选型设计、控制方式，具体说明集成系统的工作原理和通信策略，以一带多，无论是三合一电机控制器 （MCU+PDU+直流变压器（DCDC））、四合一电机控制器（MCU+PDU+DCDC+电动转向控制器 （EHPS））、五合一电机控制器 （MCU+PDU+EHPS+高压气泵控制器 （ACM）） 等多重合一控制器，都可以借鉴本文的设计方案。上文虽然只介绍了IFBT、PTC，其他用电器可以类似应用，电容性用电器需要增加预充回路进行控制，电感性用电器直接用接触器控制就行。传感器种类很多，只用根据具体项目的开发需求，就可以在需要的电路中安装，采集相关的信息。本文所介绍的集成电机控制器是新能源汽车集成系统的有效解决方案，具有一定的参考价值。