電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制設(shè)計(jì)

張其東

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

驅(qū)動(dòng)電機(jī)是純電動(dòng)、混合動(dòng)力、氫能源等電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)核心，電動(dòng)汽車通常采用高壓直流供電，電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要采用直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)因自身優(yōu)點(diǎn)，低速情況下提供大扭矩輸出滿足車輛動(dòng)力加速性能，可以在低、中、高大速度范圍內(nèi)運(yùn)行；同時(shí)無(wú)機(jī)械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，塵土等雜質(zhì)不易進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，可靠性高，適應(yīng)電動(dòng)車輛道路行駛復(fù)雜地地理環(huán)境。因此無(wú)刷直流電機(jī)作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源得到廣泛使用[1]。

鑒于良好地驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制性能直接影響電動(dòng)車駕駛性、動(dòng)力性、安全性等整車性能，采用以專業(yè)電機(jī)控制芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)，包括電機(jī)控制硬件電路和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制設(shè)計(jì)。同時(shí)基于電動(dòng)汽車整車分布式控制設(shè)計(jì)原則，電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單獨(dú)控制器獨(dú)立負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)可靠、高效地控制[2-3]。

1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制硬件電路設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制硬件電路設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)高壓供電電路及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)電路，其原理圖如圖1所示。電機(jī)高壓供電電路有動(dòng)力電池、高壓配電盒、高壓保險(xiǎn)絲、集成功率模塊電路、高壓線束等；電機(jī)轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)電路包括控制器單片機(jī)、電機(jī)控制芯片HCTL-1100、可編程邏輯器GAL16V8、光電耦合器、電機(jī)檢測(cè)集成電路等[4]。

1.1 電機(jī)高壓供電電路設(shè)計(jì)

圖1 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制硬件電路原理圖

電機(jī)高壓供電電路主要是將電動(dòng)汽車動(dòng)力電池電能輸送加載到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并通過(guò)改變輸出電壓時(shí)序及大小控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向及轉(zhuǎn)速。根據(jù)整車動(dòng)力系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率參數(shù)，設(shè)計(jì)選擇對(duì)應(yīng)功率參數(shù)的高壓線束、高壓配電盒、高壓保險(xiǎn)絲和功率模塊等。高壓配電盒將車輛動(dòng)力電池電能分別分配給驅(qū)動(dòng)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器等高壓用電設(shè)備，集成功率模塊電路將高壓直流電轉(zhuǎn)換成三相電輸出加載到驅(qū)動(dòng)電機(jī)，集成功率模塊電路同時(shí)受驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)控制，通過(guò)改變輸出電壓時(shí)序及大小控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛控制。

1.2 電機(jī)控制器、電機(jī)控制芯片HCTL-1100設(shè)計(jì)

現(xiàn)代電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)通常采用分散式控制器模式，各個(gè)控制器間通過(guò)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換與共享。開發(fā)中將驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)從整車控制系統(tǒng)中獨(dú)立，作為單獨(dú)電機(jī)控制器，獨(dú)立負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制，除轉(zhuǎn)速控制外，還包括：驅(qū)動(dòng)電機(jī)力矩控制，車輛能量回收控制、電機(jī)自我保護(hù)、電機(jī)狀態(tài)診斷、與其它控制器數(shù)據(jù)信息交換等功能。

HCTL-1100是電機(jī)控制芯片，適用于直流電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)控制。HCTL-1100具有對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制功能，替代電機(jī)控制器單片機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接控制，降低單片機(jī)的接口及計(jì)算資源需求，因此電機(jī)控制器可選擇低成本高性價(jià)比的單片機(jī)。通過(guò)地址/數(shù)據(jù)I/O接口，HCTL-1100接收電機(jī)控制器單片機(jī)各種控制指令和數(shù)據(jù)，同時(shí)向電機(jī)控制器單片機(jī)反饋電機(jī)控制的各種相關(guān)信息數(shù)據(jù)。SN輸出HCTL-1100由整車控制器（VCU）輸入給電機(jī)控制器的電機(jī)正/反轉(zhuǎn)命令（高/低電平）。PWM輸出經(jīng)HCTL-1100內(nèi)部數(shù)字調(diào)節(jié)器運(yùn)算后的電機(jī)電壓控制信號(hào)（高低電平），實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。

1.3 可編程邏輯器GAL16V8設(shè)計(jì)

可編程邏輯器GAL16V8根據(jù)系統(tǒng)需求定義輸入輸出信號(hào)及邏輯關(guān)系。本系統(tǒng)中定義5路輸入信號(hào)：來(lái)自HCTL-1100的SN、PWM信號(hào)，來(lái)自電機(jī)位置信號(hào) （S1、S2、S3）；定義6路輸出信號(hào)，按照無(wú)刷直流電機(jī)內(nèi)部控制邏輯及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制指令，通過(guò)光電耦合器高低壓隔離，實(shí)時(shí)控制集成功率模塊電路6個(gè)橋臂的通斷，從而調(diào)節(jié)加載在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的高壓電壓，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度控制[5]。

1.4 電機(jī)檢測(cè)集成電路設(shè)計(jì)

電機(jī)檢測(cè)集成電路主要用來(lái)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)部狀態(tài)并實(shí)時(shí)反饋。檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)（S1、S2、S3）反饋給GAL16V8，用于控制高壓電路U、V、W項(xiàng)的輸出電壓時(shí)序。檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)（V1、V2）反饋給HCTL-1100，用于HCTL-1100實(shí)時(shí)采集當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算輸出在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)。檢測(cè)電機(jī)電流信號(hào)（I）、電機(jī)溫度信號(hào)（T）反饋給電機(jī)控制器單片機(jī)，用于控制器判斷電機(jī)電流、電機(jī)內(nèi)部溫度是否正常。

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制設(shè)計(jì)首先是建立驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)閉環(huán)控制。電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制是常規(guī)地比例-積分-微分PID閉環(huán)控制，結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)，其系統(tǒng)閉環(huán)控制數(shù)學(xué)模型如圖2所示。其中PID控制器由電機(jī)控制芯片HCTL-1100內(nèi)部數(shù)字濾波器HCTL-1100會(huì)自動(dòng)地分配給A、B、K默認(rèn)值，但從提高電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度出發(fā)，設(shè)計(jì)者應(yīng)基于驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)，根據(jù)PID控制理論，給出合理的參數(shù)值[6-7]。

圖2 電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型

電機(jī)控制器單片機(jī)只需設(shè)定目標(biāo)速度v和加速度a，HCTL-1100獨(dú)立完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，其速度控制原理如圖3所示。HCTL-1100控制電機(jī)以設(shè)定的加速度a到達(dá)目標(biāo)速度后并穩(wěn)定工作直到下一個(gè)速度命令到來(lái)；且電機(jī)控制器單片機(jī)可隨時(shí)改變命令速度和加速度，HCTL-1100會(huì)自動(dòng)及時(shí)地將電機(jī)加/減速到設(shè)定速度。

圖3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制原理圖

電動(dòng)汽車行駛中，整車控制器（VCU）采集加速踏板、制動(dòng)踏板和方向盤等駕駛員駕駛信息，再根據(jù)車輛車速、動(dòng)力電池電量、變速器擋位、車輛工況等整車信息，綜合計(jì)算出車輛行駛目標(biāo)車速后，整車控制器（VCU）向驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器下達(dá)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速等控制命令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器獨(dú)立自主地控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)、加速、減速、恒速等，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車行駛和車速控制[8]。

3 結(jié)束語(yǔ)

電動(dòng)汽車開發(fā)中，根據(jù)本系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路包括電機(jī)高壓供電電路及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)電路。根據(jù)整車動(dòng)力系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能參數(shù)，選擇合適功率的高壓供電部件；建立電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型，依據(jù)PID控制理論，通過(guò)仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，給出HCTL-1100內(nèi)部數(shù)字濾波器D（Z）中A、B、K合理值，以精準(zhǔn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)汽車行駛中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器實(shí)時(shí)接收電動(dòng)車整車控制器（VCU）指令，獨(dú)立自主負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速等控制，因此控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、精確性和穩(wěn)定性，從而保障和提升了電動(dòng)汽車駕駛性、動(dòng)力性、安全性等整車性能。