一種集成式電機控制器選型設(shè)計與控制策略研究

肖 聰

（東風汽車股份有限公司商品研發(fā)院， 湖北 武漢 430056）

1 引言

電機電控系統(tǒng)作為新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)，其技術(shù)、制造水平直接影響整車的性能和成本。與傳統(tǒng)汽車的控制系統(tǒng)相比，新能源汽車電控系統(tǒng)的控制單元數(shù)量及復雜程度是遠高于傳統(tǒng)車，而且各個電子控制單元需要更好地協(xié)調(diào)工作，同時穩(wěn)定性與安全性的要求也更高。電機驅(qū)動控制系統(tǒng)是新能源汽車車輛行駛中的主要執(zhí)行結(jié)構(gòu)，整個驅(qū)動系統(tǒng)包括電機驅(qū)動系統(tǒng)與其機械傳動機構(gòu)。

隨著產(chǎn)能的增大，整車對于高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理的設(shè)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(fā)展，不僅降低了整車部件布置的難度以及整車的質(zhì)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(xiàn)。

電機控制器由于原來通過逆變橋調(diào)制輸出正弦波來驅(qū)動電機的設(shè)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(diào)回路供電、電除霜回路供電等；②IGBT驅(qū)動回路：接收控制信號，驅(qū)動IGBT并反饋狀態(tài)，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(qū)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(tǒng)傳感器信息，根據(jù)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(shè)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(gòu)原理

2.1 電氣架構(gòu)設(shè)計

動力電池提供驅(qū)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(jīng)過控制器內(nèi)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(zhuǎn)換成高壓交流電為主驅(qū)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(shè)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(nèi)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(shè)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(nèi)部，HCU根據(jù)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(tài)，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(qū)電機內(nèi)的旋轉(zhuǎn)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(diào)正余弦信號可以獲得主驅(qū)電機的角度位置信息，同時HCU通過溫度信號（temp-、temp+） 線與主驅(qū)電機內(nèi)的溫度傳感器TH1相連，收集主驅(qū)電機的溫度，了解主驅(qū)電機內(nèi)部溫度是否異常［1］。集成式電機控制器高壓架構(gòu)見圖1。

2.2 接線原理設(shè)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(guān)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(tài)；當開關(guān)打到ST擋時，VCU收到START信號，并將上高壓指令通過CAN線發(fā)到MCU，MCU控制IGBT閉合，讓整個回來處于高壓通電狀態(tài)［2］。若整車有開電除霜功能的需求，只用在ON擋狀態(tài)下，VCU發(fā)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(gòu)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(nèi)部元件，以及與外部設(shè)備通信。檢測電路負責收集控制器內(nèi)部霍爾傳感器（L1、L2）、電壓傳感器 （V1、V2、V3、V4、V5、V6） 發(fā)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(nèi)部元件狀態(tài)，以及收集電機內(nèi)部旋轉(zhuǎn)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(tài)?？刂菩酒幚頇z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(qū)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(diào)整裝置，主要用于把直流電力轉(zhuǎn)換成交流電力。逆變器內(nèi)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?qū)⑤斎氲闹绷麟娮兂山涣麟姡?個IGBT按照一定的順序，依次間隔60°循環(huán)導通或者關(guān)閉，從而形成相位差為180°的UVW三相電。

IGBT功率管常規(guī)選配核算根據(jù)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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(shè)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(tǒng)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(tǒng)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(xù)負載電流，本控制器系統(tǒng)熔斷器包括主驅(qū)電機熔斷器FU1、電除霜熔斷器FU3。

3.3.3 系統(tǒng)電阻與濾波電容

系統(tǒng)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(fā)出的充放電電流干擾電路穩(wěn)定工作，同時消耗逆變器反向?qū)ɑ貋淼碾姍C多余能量。

濾波電容C1是用來降低交流脈動波紋系數(shù)，抑制電源電壓的波動，使電路獲得平滑穩(wěn)定的直流電壓，同時也起到儲能的作用。根據(jù)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(guān)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(qū)動

在行車READY下，VCU通過目標扭矩或目標轉(zhuǎn)速值控制MCU驅(qū)動車輛。

4.1.2 制動優(yōu)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(yōu)先，VCU僅響應制動請求。

4.1.3 充電時禁止車輛驅(qū)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(tǒng)轉(zhuǎn)矩/方向控制

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

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

2） N擋：VCU發(fā)送零扭矩。

3） D擋：VCU發(fā)送正扭矩，驅(qū)動車輪正向運動。VCU發(fā)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(wěn)定在15km/h附近，此時制動優(yōu)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(jù)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(xiàn)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(tài)時，需要緩慢過渡，保證整車的平穩(wěn)過渡。

4.1.7 倒擋最高車速限制功能

擋位為R擋時，通過調(diào)節(jié)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(diào)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(fā)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(nèi)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(shè)置

5.1 報文結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)定主要參考CAN2.0B和J1939的相關(guān)規(guī)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(fā)送機制。如表1所示，優(yōu)先級為3位，可以有8個優(yōu)先級；R一般固定為0；DP現(xiàn)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(fā)送此報文的源地址；PGN為參數(shù)組號碼；本文設(shè)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(fā)給電機控制器的數(shù)據(jù)，電機控制器接收數(shù)據(jù)如表2所示。

2） 電機控制器發(fā)給整車控制器第1組數(shù)據(jù)，電機控制器發(fā)送數(shù)據(jù)1表如表3所示。

3） 電機控制器發(fā)給整車控制器第2組數(shù)據(jù)，電機控制器發(fā)送數(shù)據(jù)2表如表4所示。

6 故障處理

集成式電機控制器會根據(jù)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(zhuǎn)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(jù)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(shù)據(jù)表

表3 電機控制器發(fā)送數(shù)據(jù)1表

表4 電機控制器發(fā)送數(shù)據(jù)2表

表5 常見故障問題表

7 總結(jié)

根據(jù)新能源汽車的最新發(fā)展趨勢，集成方案必定蓬勃發(fā)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(shè)計、控制方式，具體說明集成系統(tǒng)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(zhuǎn)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(shè)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(jù)具體項目的開發(fā)需求，就可以在需要的電路中安裝，采集相關(guān)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(tǒng)的有效解決方案，具有一定的參考價值。