一種集成式電機控制器選型設計與控制策略研究

肖 聰

（東風汽車股份有限公司商品研發院， 湖北 武漢 430056）

1 引言

電機電控系統作為新能源汽車產業鏈的重要一環，其技術、制造水平直接影響整車的性能和成本。與傳統汽車的控制系統相比，新能源汽車電控系統的控制單元數量及復雜程度是遠高于傳統車，而且各個電子控制單元需要更好地協調工作，同時穩定性與安全性的要求也更高。電機驅動控制系統是新能源汽車車輛行駛中的主要執行結構，整個驅動系統包括電機驅動系統與其機械傳動機構。

隨著產能的增大，整車對于高壓系統結構原理的設計要求越來越高，電動汽車高壓電氣的布置，正在一步步向著集成化的方向發展，不僅降低了整車部件布置的難度以及整車的質量，也提高了整車的可靠性，整車控制策略同時相對比較容易實現。

電機控制器由于原來通過逆變橋調制輸出正弦波來驅動電機的設備，變成了多種功能的集合體。集成式電機控制器包括：①配電回路：為集成控制器各部分提供配電，如TM接觸器、熔斷器、電空調回路供電、電除霜回路供電等；②IGBT驅動回路：接收控制信號，驅動IGBT并反饋狀態，提供電壓隔離以及保護；③輔助電源：為控制電路提供電源，為驅動電路提供隔離電源；④DSP電路：接收整車控制指令，并提供反饋信息，檢測電機系統傳感器信息，根據指令傳輸電機控制信號。本文通過實例介紹集成式電機控制器的電氣設計方案和控制器邏輯，從點到面介紹集成方案的功能。

2 架構原理

2.1 電氣架構設計

動力電池提供驅動電源，正負極高壓電從動力電池傳到集成式電機控制器，經過控制器內部的電源分配，高壓電主要分配到IGBT逆變器，把高壓直流電轉換成高壓交流電為主驅電機提供電源，另外一部分分配到輔助高壓用電器（本文示例為電除霜設備 （PTC）），為其供電。接觸器KM1、KM2與熔斷器電阻R1組成預充電路，由于集成電機控制器內部有濾波電容C1，預充電路能夠起到限制動力電池接通瞬間對濾波電容C1的充電電流，以保護IGBT逆變器不會因濾波電容C1瞬間的短路電流而損壞。電除霜設備為電感性用電器，支路電路可以直接開斷，只用一個電除霜接觸器KM3即可。

集成式電機控制器控制中樞是HCU （高壓控制單元），對于控制器外部，HCU是直接與外部電路連接的，外部電路給HCU提供低壓電源與喚醒信號，同時HCU與外部電路通過CAN通信交互傳遞控制命令與檢測信息；對于控制器內部，HCU根據霍爾傳感器 （L1、L2）、電壓傳感器 （V1、V2、V3、V4、V5、V6）、溫度傳感器（TH2） 檢測控制器電路的電氣溫度信息，查看電路狀態，同時通過接觸器控制電路開閉，已達到控制各高壓用電器的目的。HCU與主驅電機內的旋轉變壓器RS是用EXC激勵電源 （EXC-N、EXC-P）、正弦信號（SIN-N、SIN-P）、余弦信號（COS-N、COS-P） 這3組信號線相接，通過解調正余弦信號可以獲得主驅電機的角度位置信息，同時HCU通過溫度信號（temp-、temp+） 線與主驅電機內的溫度傳感器TH1相連，收集主驅電機的溫度，了解主驅電機內部溫度是否異常［1］。集成式電機控制器高壓架構見圖1。

2.2 接線原理設計

集成式電機控制器（MCU） 的低壓線束包括電源線、喚醒線、CAN線，MCU的電源線接到蓄電池，由蓄電池直接供電，當開關打到ON擋時，整車控制器 （VCU） 通過硬線給MCU提供喚醒信號，使MCU激活并自檢，讓MCU處于待命狀態；當開關打到ST擋時，VCU收到START信號，并將上高壓指令通過CAN線發到MCU，MCU控制IGBT閉合，讓整個回來處于高壓通電狀態［2］。若整車有開電除霜功能的需求，只用在ON擋狀態下，VCU發送開啟PTC命令給MCU，MCU閉合PTC接觸器就可以。集成式電機控制器接線原理如圖2所示。

圖1 集成式電機控制器電氣架構圖

圖2 集成式電機控制器接線原理圖

3 元件選型

集成式電機控制器（MCU） 包括HCU （高壓控制單元）、IGBT逆變器、PDU （電源分配單元） 等3個部分，下面分別介紹。

3.1 HCU

HCU （高壓控制器單元） 主要由電源電路、控制芯片（DSP/FPGA） 及其外圍電路、控制電路、檢測電路、I/0電路、CAN通信電路、傳感器組成，負責檢控三合一電機控制器內部元件，以及與外部設備通信。檢測電路負責收集控制器內部霍爾傳感器（L1、L2）、電壓傳感器 （V1、V2、V3、V4、V5、V6） 發出三相電流和接觸器前后端電壓信號，用以判斷當前控制器內部元件狀態，以及收集電機內部旋轉變壓器、溫度傳感器反饋過來的旋變和溫度信號，了解電機當前狀態。控制芯片處理檢測電路收集的信號后，通過控制電路對接觸器、IGBT逆變器進行控制，以達到高壓配電和驅動電機的作用。

3.2 IGBT逆變器

IGBT逆變器是一種由半導體器件組成的電力調整裝置，主要用于把直流電力轉換成交流電力。逆變器內部由6個IGBT （絕緣柵雙極型晶體管） 組成，每一相輸出線與正負直流母線之間各連接一只IGBT功率管。為了能夠將輸入的直流電變成交流電，6個IGBT按照一定的順序，依次間隔60°循環導通或者關閉，從而形成相位差為180°的UVW三相電。

IGBT功率管常規選配核算根據GBT18488.1-2015，控制器應能承受電機峰值電流至少30s，IGBT峰值直流電流≥1.414倍電機最大相電流有效值，IGBT直流耐電壓≥1.414倍電機峰值反電動勢。

3.3 PDU

PDU （高壓電配電單元） 負責控制器內部的高壓電分配、電路保護、預充、濾波等，主要包括接觸器、熔斷器、電阻、濾波電容等。

3.3.1 接觸器

控制器選用的是直流接觸器，利用線圈流過電流產生磁場，使觸頭斷開或者閉合，從而控制負載電流通斷。其中預充電接觸器的作用是有效保護負載內部電容、熔斷器、主接觸器，防止直接上電瞬間，由于瞬間電流過大可能會造成設備損壞。

選配時注意接觸器主觸頭的額定電壓≥負載額定電壓，主觸頭的額定電流≥1.3倍負載額定電流。本控制器系統接觸器包括電機主接觸器KM1、電機預充接觸器KM2、電除霜接觸器KM3。

3.3.2 熔斷器

熔斷器對電路起到短路和過流保護的作用，熔斷器的額定電壓不得低于系統工作電壓，熔斷器的額定電流≥2倍熔斷器所在回路可允許的最大連續負載電流，本控制器系統熔斷器包括主驅電機熔斷器FU1、電除霜熔斷器FU3。

3.3.3 系統電阻與濾波電容

系統電阻包括預充電阻R1、放電電阻R0。預充電阻R1在預充電路中起限流的作用。而放電電阻R0在電源波動時防止從電容器發出的充放電電流干擾電路穩定工作，同時消耗逆變器反向導通回來的電機多余能量。

濾波電容C1是用來降低交流脈動波紋系數，抑制電源電壓的波動，使電路獲得平滑穩定的直流電壓，同時也起到儲能的作用。根據電機需求，濾波電容在使用中允許有1.2倍額定電壓值的脈沖，因此電容電壓≥電機最大反電勢/1.2。電容容值計算

式中：P——電機峰值功率；f——IGBT開關頻率；U——電池額定電壓［3］。

4 控制策略

4.1 MCU管理功能

4.1.1 正常驅動

在行車READY下，VCU通過目標扭矩或目標轉速值控制MCU驅動車輛。

4.1.2 制動優先

在行車READY下，VCU同時檢測加速踏板APS、制動踏板BPS的輸入信號。如果檢測到APS，BPS輸入同時有效時，制動功能優先，VCU僅響應制動請求。

4.1.3 充電時禁止車輛驅動

當檢測充電連接信號有效時，VCU控制電機控制器扭矩輸出一直為0。

4.1.4 電機系統轉矩/方向控制

VCU根據加速踏板開度信號、制動踏板、擋位信號、車速信號（或電機轉速信號）、電池狀態、電機狀態，計算得出駕駛員請求扭矩。VCU通過CAN信息發送當前擋位狀態信號與扭矩命令信號給MCU，控制電機驅動車輛。

1） R擋：VCU發送正扭矩，MCU自行讓電機反轉，驅動車輪反向運動，車速不超過20km/h。

2） N擋：VCU發送零扭矩。

3） D擋：VCU發送正扭矩，驅動車輪正向運動。VCU發送負扭矩，進行電制動能量回收。

4.1.5 跛行

車輛進入跛行模式后，VCU 控制車速不超過15km/h，控制MCU 輸出功率不超過最大功率的50%，此模式下若無加速踏板故障，車輛響應加速踏板開度進行行車；若加速踏板有故障，則VCU自動控制車速穩定在15km/h附近，此時制動優先依舊需要保證。

4.1.6 功率限制

當接收到整車其他控制器限功率故障后，VCU根據此故障的處理方式以及MCU的限制值和動力電池的輸出限制值限制MCU輸出功率。當出現VCU自身限功率故障后，控制MCU輸出功率不超過最大功率的50%。此情況下由正常解析過程過渡到限功率狀態時，需要緩慢過渡，保證整車的平穩過渡。

4.1.7 倒擋最高車速限制功能

擋位為R擋時，通過調節當前輸出扭矩值的大小，限制車速不大于20km/h。

4.2 控制流程

4.2.1 上電流程

當有MCU使能信號時，檢測電壓為9～16V，延時T0，再檢測HCU使能信號，若過了T1沒有信號主動斷開空調接觸器KM3與PTC接觸器KM3；若再過T2還沒信號，主動斷開主正繼電器KM1；若再過T3沒信號，MCU下電。上電流程如圖3所示。

圖3 上電流程圖

4.2.2 下電流程圖

當有MCU使能信號一直有效時，如果檢測到VCU發過的CAN報文中，YC+信號T0有效則閉合主預充接觸器KM2，再判斷YC+信號，若在T4時間內一直有信號則斷開主預充接觸器KM2，若斷開主預充接觸器KM2，T5時間后還有YC+信號則再閉合主預充接觸器KM2，重新判斷YC+信號，反之則延時T0斷掉主預充接觸器KM2。若檢測到ZZ+信號，保持T0閉合主正繼電器KM1，若沒檢查到ZZ+信號就斷開主正繼電器KM1。下電流程如圖4所示。

5 報文設置

5.1 報文結構

數據鏈路層的規定主要參考CAN2.0B和J1939的相關規定［4］。使用CAN擴展幀的29位標識符并進行了重新定義，表1為29標識符的分配表，通信速率為250kb/s，采用Intel格式，采用單幀報文，周期發送機制。如表1所示，優先級為3位，可以有8個優先級；R一般固定為0；DP現固定為0；8位的PF為報文的代碼；8位的PS為目標地址或組擴展；8位的SA為發送此報文的源地址；PGN為參數組號碼；本文設定整車控制器地址是26，電機控制器地址是100。

圖4 下電流程圖

5.2 報文定義

1） 整車控制器發給電機控制器的數據，電機控制器接收數據如表2所示。

2） 電機控制器發給整車控制器第1組數據，電機控制器發送數據1表如表3所示。

3） 電機控制器發給整車控制器第2組數據，電機控制器發送數據2表如表4所示。

6 故障處理

集成式電機控制器會根據不同的故障對故障處理進行分類，主要分為無故障、1級故障、2級故障、3級故障等4類故障等級，其中1級故障只報警而不限扭矩，2級故障要限制扭矩到峰值轉矩的50%值，3級故障直接要求不輸出扭矩。當達到故障診斷條件時，控制器會報出相應的故障，并根據故障對應的故障等級進行處理，只有滿足故障恢復條件后，控制器就能消除故障，恢復正常。本文羅列一份常見故障問題表，見表5。

表1 標識符分配表

表2 電機控制器接收數據表

表3 電機控制器發送數據1表

表4 電機控制器發送數據2表

表5 常見故障問題表

7 總結

根據新能源汽車的最新發展趨勢，集成方案必定蓬勃發展，全文以較簡單的二合一電機控制器（MCU+PDU） 為例，詳細介紹集成式電機控制器的電氣原理、選型設計、控制方式，具體說明集成系統的工作原理和通信策略，以一帶多，無論是三合一電機控制器 （MCU+PDU+直流變壓器（DCDC））、四合一電機控制器（MCU+PDU+DCDC+電動轉向控制器 （EHPS））、五合一電機控制器 （MCU+PDU+EHPS+高壓氣泵控制器 （ACM）） 等多重合一控制器，都可以借鑒本文的設計方案。上文雖然只介紹了IFBT、PTC，其他用電器可以類似應用，電容性用電器需要增加預充回路進行控制，電感性用電器直接用接觸器控制就行。傳感器種類很多，只用根據具體項目的開發需求，就可以在需要的電路中安裝，采集相關的信息。本文所介紹的集成電機控制器是新能源汽車集成系統的有效解決方案，具有一定的參考價值。