集成式电机控制器电气设计方案与控制器逻辑详解

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    1 引言

    电机控制器原本是通过逆变桥调制输出正弦波以驱动电机的设备，如今它变成了具有多种功能的集合体。4. DSP 电路：能够接收整车的控制指令，同时提供反馈信息，检测电机系统的传感器信息，并且依据指令传输电机控制信号。本文通过实例来介绍集成式电机控制器的电气设计方案以及控制器逻辑，并且从点到面地介绍了集成方案所具备的功能。

    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出，传至集成式电机控制器。在控制器内部进行电源分配后，高压电主要被分配到 IGBT 逆变器，用于将高压直流电转换成高压交流电，为主驱电机提供电源。另外一部分高压电被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 和 KM2 以及熔断器电阻 R1 构成预充电路。集成电机控制器内部存在滤波电容 C1，预充电路能够起到这样的作用：限制动力电池在接通瞬间对滤波电容 C1 的充电电流，从而保护 IGBT 逆变器不会因为滤波电容 C1 瞬间的短路电流而受损。电除霜设备属于电感性用电器，其支路电路可以直接开断，只需一个电除霜接触器 KM3 就可以了。

    集成式电机控制器的控制中枢是 HCU（高压控制单元）。在控制器外部，HCU 直接与外部电路相连接，外部电路为 HCU 提供低压电源和唤醒信号。并且，HCU 与外部电路通过 CAN 通信来交互传递控制命令和检测信息。在控制器内部，HCU 依据霍尔传感器（L1、L2）、电压传感器（V1、V2、V3、V4、V5、V6）、温度传感器（TH2）来检测控制器电路的电气温度信息，以查看电路状态。同时，HCU 通过接触器控制电路的开闭，从而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 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 组信号线相连接。通过解调正余弦信号，能够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，以此来收集主驱电机的温度，从而了解主驱电机内部温度是否出现异常。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）的低压线束包含电源线、唤醒线、CAN 线。MCU 的电源线与蓄电池相连，由蓄电池直接供电。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，促使 MCU 激活并进行自检，使 MCU 处于待命状态。开关打到 ST 挡时，VCU 收到 START 信号，然后通过 CAN 线将上高压指令发送至 MCU，MCU 控制 IGBT 闭合，使整个回路处于高压通电状态。若整车有开电除霜的需求，仅需在 ON 挡状态下，VCU 会向 MCU 发送开启 PTC 的命令，MCU 接到命令后闭合 PTC 接触器即可。集成式电机控制器的接线原理如图 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）包含 HCU（高压控制单元）、IGBT 逆变器以及 PDU（电源分配单元）这 3 个部分。接下来分别对它们进行介绍。

    3.1 HCU

    HCU（高压控制器单元）主要包含以下部分：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。它负责对三合一电机控制器内部的元件进行检测和控制，同时还能与外部设备进行通信。检测电路的职责是收集控制器内部霍尔传感器（L1、L2）所发出的信号，以及收集电压传感器（V1、V2、V3、V4、V5、V6）所发出的三相电流和接触器前后端电压信号，通过这些信号来判断当前控制器内部元件的状态。同时，检测电路还负责收集电机内部旋转变压器和温度传感器反馈回来的旋变和温度信号，以此来了解电机当前的状态。控制芯片处理信号后，通过控制电路对接触器进行控制，同时也对 IGBT 逆变器进行控制，从而达到高压配电的作用以及驱动电机的作用。

    3.2 IGBT逆变器

    IGBT 逆变器是一种由半导体器件构成的电力调整装置。它主要用来把直流电力转换为交流电力。逆变器内部由 6 个 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）构成。每一相输出线都与正负直流母线之间连接着一只 IGBT 功率管。6 个 IGBT 按照特定顺序，依次间隔 60°进行循环导通或关闭操作。通过这样的方式，能够将输入的直流电转变为交流电，进而形成相位差为 180°的 UVW 三相电。

    IGBT 功率管常规选配核算依据 1-2015 。控制器需能够承受电机峰值电流，且时间至少为 30s 。IGBT 峰值直流电流要大于等于 1.414 倍电机最大相电流的有效值。IGBT 直流耐电压要大于等于 1.414 倍电机峰值反电动势。

    3.3 PDU

    PDU 即高压电配电单元，它承担着控制器内部高压电的分配工作，还负责电路保护、预充以及滤波等事宜，其主要包含接触器、熔断器、电阻、滤波电容等部件。

    3.3.1 接触器

    控制器选用直流接触器。这种接触器通过线圈流过电流产生磁场，进而使触头断开或闭合，以此来控制负载电流的通断。在其中，预充电接触器的作用在于有效保护负载内部的电容、熔断器以及主接触器。它能防止在直接上电的瞬间，因瞬间电流过大而可能导致设备损坏的情况发生。

    选配时需注意，接触器主触头的额定电压要大于或等于负载的额定电压，主触头的额定电流要大于或等于负载额定电流的 1.3 倍。本控制器系统的接触器包含电机主接触器 KM1、电机预充接触器 KM2、电除霜接触器 KM3。

    3.3.2 熔断器

    熔断器能够对电路起到短路保护的作用，同时也能起到过流保护的作用。熔断器的额定电压必须要低于系统工作电压是不行的，也就是说熔断器的额定电压不得低于系统工作电压。熔断器的额定电流要大于等于 2 倍熔断器所在回路可允许的最大连续负载电流。本控制器系统中的熔断器包含主驱电机熔断器 FU1 以及电除霜熔断器 FU3。

    3.3.3 系统电阻与滤波电容

   

    系统电阻包含预充电阻 R1 和放电电阻 R0。预充电阻 R1 在预充电路里起到限流的作用。放电电阻 R0 在电源波动时，能够防止由电容器发出的充放电电流对电路稳定工作造成干扰，并且可以消耗逆变器反向导通回来的电机多余能量。

    滤波电容 C1 的作用是降低交流脉动波纹系数，并且能够抑制电源电压的波动，让电路获得平滑稳定的直流电压，同时还起到储能的作用。电机需求决定了滤波电容在使用过程中允许有 1.2 倍额定电压值的脉冲，所以电容电压要大于等于电机最大反电势除以 1.2。需要进行电容容值的计算。

    式中，P 指的是电机的峰值功率；f 表示的是 IGBT 的开关频率；U 则为电池的额定电压。

    4 控制策略

    4.1 MCU管理功能

    4.1.1 正常驱动

    在行车处于 READY 状态时，VCU 凭借目标扭矩或者目标转速值来对 MCU 进行控制，从而驱动车辆。

    4.1.2 制动优先

    在行车处于 READY 状态时，VCU 会对加速踏板 APS 的输入信号以及制动踏板 BPS 的输入信号进行同时检测。当检测到加速踏板 APS 的输入信号且制动踏板 BPS 的输入信号也同时有效时，制动功能会处于优先地位，此时 VCU 只会响应制动请求。

    4.1.3 充电时禁止车辆驱动

    检测到充电连接信号有效后，VCU 会控制电机控制器，使其扭矩输出始终保持为 0。

    4.1.4 电机系统转矩/方向控制

    VCU依据加速踏板开度信号、制动踏板情况、挡位信号、车速信号（或者电机转速信号）以及电池状态、电机状态，把驾驶员请求扭矩计算出来。VCU借助 CAN 信息把当前挡位状态信号和扭矩命令信号发送给 MCU，以此来控制电机驱动车辆。

    R 挡时，VCU 会发送正扭矩，MCU 会自行让电机反转，从而驱动车轮进行反向运动，并且车速不会超过 20km/h。

    2） N挡：VCU发送零扭矩。

    D 挡时：VCU 会发送正扭矩，以此驱动车轮正向运动；VCU 也会发送负扭矩，进行电制动能量回收。

    4.1.5 跛行

    车辆进入跛行模式后，VCU 会对车速进行控制，使其不超过 15km/h。同时，VCU 也会控制 MCU 的输出功率，使其不超过最大功率的 50%。在这种模式下，如果没有加速踏板故障，车辆会响应加速踏板的开度来进行行车。而如果加速踏板有故障，VCU 就会自动控制车速，使其稳定在 15km/h 附近。并且，在此时，制动优先依然需要得到保证。

    4.1.6 功率限制

    在这种由正常解析过程过渡到限功率状态的情况下，需要缓慢过渡，以保证整车的平稳过渡。

    4.1.7 倒挡最高车速限制功能

    挡位处于 R 挡时，能够通过对当前输出扭矩值的大小进行调节，从而将车速限制在不大于 20km/h 的范围内。

    4.2 控制流程

    4.2.1 上电流程

    当存在 MCU 使能信号时，会对电压进行检测，此电压处于 9 至 16V 之间。接着会延时 T0 。之后再检测 HCU 使能信号。如果经过了 T1 时间仍未接收到信号，就会主动断开空调接触器 KM3 与 PTC 接触器 KM3 。倘若再过 T2 时间还是没有信号，就会主动断开主正继电器 KM1 。要是再过 T3 时间依然没有信号，MCU 就会下电。上电流程如图 3 所示。

    图3 上电流程图

    4.2.2 下电流程图

   

    反之，就延时 T0 断掉主预充接触器 KM2。若检测到 ZZ+信号，那么就保持 T0 闭合主正继电器 KM1；若没有检查到 ZZ+信号，就断开主正继电器 KM1。下电流程呈现为图 4 所示的那样。

    5 报文设置

    5.1 报文结构

    数据链路层的规定主要依据 CAN2.0B 和 J1939 的相关规定。对 CAN 扩展帧的 29 位标识符进行了重新定义。表 1 是 29 标识符的分配表。通信速率为 250kb/s。采用的是 Intel 格式。采用单帧报文。具有周期发送机制。如表 1 所呈现的那样，其优先级为 3 位，所以能够有 8 个不同的优先级；通常情况下，R 固定为 0；目前，DP 也固定为 0；8 位的 PF 代表着报文的代码；8 位的 PS 表示目标地址或者组扩展；8 位的 SA 指的是发送此报文的源地址；PGN 是参数组号码；在本文中，设定整车控制器的地址是 26，而电机控制器的地址是 100。

    图4 下电流程图

    5.2 报文定义

    整车控制器发给电机控制器的数据，而电机控制器接收的数据情况如下：如表 2 所示。

    电机控制器向整车控制器发送了第 1 组数据，并且电机控制器发送的数据 1 具体情况如表 3 所示。

    电机控制器向整车控制器发送第 2 组数据。电机控制器发送的数据 2 情况如表 4 所呈现。

    6 故障处理

    集成式电机控制器会依据不同的故障来对故障处理进行归类。主要有以下 4 类故障等级，分别是无故障、1 级故障、2 级故障、3 级故障。1 级故障的情况是只进行报警，不会限制扭矩。2 级故障则需要将扭矩限制到峰值转矩的 50%值。3 级故障是直接要求不输出扭矩。当满足故障诊断条件时，控制器会给出相应的故障提示，并且会依据故障所对应的故障等级来展开处理。只有在满足故障恢复条件之后，控制器才能够消除故障，使其恢复正常状态。本文列举了一份常见故障问题表，详见表 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

    新能源汽车有最新发展趋势，集成方案必然会蓬勃发展。本文以较简单的二合一电机控制器（MCU+PDU）为例，详细地介绍了集成式电机控制器的电气原理、选型设计以及控制方式，具体说明了集成系统的工作原理和通信策略。通过以一带多的方式，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）），还是五合一电机控制器（MCU+PDU+EHPS+高压气泵控制器（ACM））等多重合一控制器，都能够借鉴本文的设计方案。上文仅介绍了 IFBT、PTC，其他用电器能够类似地进行应用。对于电容性用电器，需要增添预充回路来进行控制；而电感性用电器则直接通过接触器进行控制。传感器的种类极为丰富，只需依据具体项目的开发需求，就可以在所需的电路中进行安装，从而采集相关的信息。

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