集成式电机控制器的电气设计方案

1 引言

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。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。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。

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。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。

审核编辑：汤梓红