新能源汽車驅(qū)動電機控制器深度解析

【摘" 要】文章針對新能源汽車驅(qū)動電機控制器的結(jié)構(gòu)原理進行深度解析，闡述電機控制器的基本結(jié)構(gòu)、基本功能，深入分析逆變電路的逆變原理、能量回收整流原理、正弦交流電產(chǎn)生原理和變壓與變頻原理，介紹電機控制器驅(qū)動電路與控制電路的基本組成與結(jié)構(gòu)特點，對職業(yè)院校新能源汽車技術(shù)專業(yè)教師和新能源汽車維修行業(yè)維修人員具有一定的參考和借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】電機控制器；逆變；變頻；變壓；隔離；控制

中圖分類號：U463.61" " 文獻標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）02-0005-04

In Depth Analysis of the Motor Control Unit（MCU）in New Energy Vehicles

LIU Guoxin

（Hebei Jiaotong Vocational and Technical College，Shijiazhuang 050035，China）

【Abstract】This article provides a deep analysis of the structural principles of the Motor Control Unit（MCU）for new energy vehicles，elucidated the basic structure and functions of the motor controller，delved into the mechanisms of the inverter circuit，energy recovery and rectification，sinusoidal alternating current（AC）generation，and the voltage and frequency conversion. The article also introduces the basic components and structural characteristics of the drive circuit and control circuit of the motor controller. In all，it serves as a reference and a source of inspiration for teachers specializing in new energy vehicle technology at vocational colleges and maintenance personnel for new energy vehicles.

【Key words】motor control unit（MCU）；inverter circuit；frequency conversion；voltage conversion；electrical isolation；controller

1" 引言

驅(qū)動電機控制器MCU是新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)的控制中心，主要由DC-AC逆變模塊、功率驅(qū)動模塊、溫度保護模塊以及電子控制器ECU組成。目前新能源車輛多采用一體化設(shè)計，把電機、傳動機構(gòu)及電機控制器MCU等集成在一起，優(yōu)化空間布局，節(jié)省高壓線束。

目前，無論是純電動汽車還是混動汽車，驅(qū)動電機均采用三相交流電機，電機控制器的主要作用就是給驅(qū)動電機提供三相交流電來驅(qū)動車輛。盡管不同廠家控制器內(nèi)部電路設(shè)計不同，但基本功能是相同的。

2" 電機控制器介紹

2.1" 基本組成

電機控制器MCU是電驅(qū)系統(tǒng)的控制中心，以IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊為核心，輔以驅(qū)動集成電路（驅(qū)動板）、主控集成電路（控制板），如圖1、圖2所示。電機控制器MCU主要由控制板、驅(qū)動板和IGBT模塊3部分組成。MCU通過對輸入信號進行處理，并將電機控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給整車控制器VCU（混動車型為混動控制器HCU）。電機控制器內(nèi)含故障診斷電路，當(dāng)診斷出異常時，它將會激活一個故障代碼，發(fā)送給整車控制器，同時也會存儲該故障代碼和數(shù)據(jù)^[1]。

通常，電機控制器還可以與直流變換器DC-DC、車載充電機OBC和高壓配電盒PDU等其它控制電路集成在一起，與電流傳感器、漏電傳感器、薄膜電容（預(yù)充電容）和泄放電阻等元器件一并集成，這種結(jié)構(gòu)稱為多合一。

2.2" 主要功能

采集扭矩請求信號、旋變信號等控制電機正向驅(qū)動、反驅(qū)發(fā)電功能；具有高壓輸出電壓和電流限制功能；具有電壓跌落、過流、驅(qū)動電路過溫保護、IGBT過溫保護、電機過溫保護、功率限制、扭矩控制限制等功能；同時具備能量回饋控制、主動泄放、被動泄放控制^[2]。

2.3" 結(jié)構(gòu)原理

控制板接收各種輸入信號，經(jīng)過運算向驅(qū)動板輸出PWM信號作為控制信號；驅(qū)動板接收到控制板的PWM信號后，對信號進行電壓放大和功率放大等處理，驅(qū)動IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷，并進行高壓隔離，防止動力電池的高電壓竄入低壓電路；IGBT模塊接收驅(qū)動，按照控制單元的PWM指令要求，通過不斷導(dǎo)通和關(guān)斷，實現(xiàn)逆變、整流、變壓和變頻等功能，給驅(qū)動電機提供波形近似正弦波、相差120°的三相交流電，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)；同時控制模塊接收驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速位置信號和溫度信號，監(jiān)控驅(qū)動電機的工作狀態(tài)。除驅(qū)動電機外，新能源汽車其它三相交流電機的控制，如啟動發(fā)電機、空調(diào)壓縮機電機等，也需要相似的驅(qū)動控制。

2.3.1" 逆變電路

電機控制器能夠?qū)恿﹄姵氐母邏褐绷髂孀兂筛邏喝嘟涣麟?，?qū)動三相交流電機運轉(zhuǎn)。逆變電路主要由6只IGBT構(gòu)成，如圖3所示，6只IGBT分成3組構(gòu)成3支橋臂，每支橋臂又由2只IGBT構(gòu)成，分別稱作上橋和下橋，這種電路被稱作三相橋式全波逆變電路，簡稱全橋。這樣的結(jié)構(gòu)形式上很像三相橋式全波整流電路，整流是將交流變成直流，而逆變是將直流變成交流，在作用和工作原理上有根本區(qū)別。

2.3.1.1" 逆變與整流原理

IGBT在逆變電路工作過程中起開關(guān)作用。3支橋臂的中間節(jié)點分別與電機的三相定子繞組相連接（三相繞組Y接或△接）。電路工作時總是有一支橋臂的上橋和另一支橋臂的下橋同時導(dǎo)通，電流沿某一方向流經(jīng)電機的一相定子繞組。不允許同一支橋臂的上下橋同時導(dǎo)通（當(dāng)上橋或下橋的1只IGBT擊穿時就會發(fā)生，這是一種嚴重的電源被短路故障），也不允許不同橋臂的2只上橋或下橋同時導(dǎo)通。在控制模塊ECU的PWM信號控制下，6只IGBT成對輪番導(dǎo)通，通過三相定子繞組的電流就會是相差為120°的三相交流電流。圖4為逆變原理^[3]。

并聯(lián)在IGBT集電極和發(fā)射極之間的二極管有2個主要作用：①這只二極管名為續(xù)流二極管，用于消除IGBT關(guān)斷時出現(xiàn)在集電極和發(fā)射極之間的反向高壓，防止IGBT被擊穿，起保護作用，還能提高開關(guān)速度；②整流作用，當(dāng)驅(qū)動電機用作發(fā)電機進行能量回收時，6只二極管又構(gòu)成三相橋式全波整流電路，給動力電池充電回收能量，如圖5所示，此時6只IGBT全部處于關(guān)斷狀態(tài)。

2.3.1.2" 正弦交流電的產(chǎn)生原理

控制模塊ECU通過給IGBT柵極輸入PWM信號（占空比信號），控制IGBT不斷導(dǎo)通和關(guān)斷，就能夠產(chǎn)生等效的正弦交流電。以正半周為例，當(dāng)電機在某一轉(zhuǎn)速時，脈沖周期T_s為一個固定值，這個周期T_s隨電機轉(zhuǎn)速或交流電的頻率改變而改變，T_on為IGBT導(dǎo)通時間，D=T_on/T_s即為占空比。如圖6所示，在電壓上升階段，占空比D逐漸增大，IGBT導(dǎo)通時間T_on越來越長，則一個脈沖周期內(nèi)電壓或電流的平均值（簡稱為周期平均值）也越來越大；在電壓下降階段，占空比D逐漸減小，IGBT導(dǎo)通時間T_on越來越短，則電壓或電流的周期平均值也越來越小。

正弦波負半周原理相同。在一個周期內(nèi)，控制模塊ECU通過PWM信號控制全橋的IGBT成對輪番導(dǎo)通，就能夠產(chǎn)生近似正弦波的正弦交流電。

圖6是由周期平均值構(gòu)成的近似正弦波的交流電的波形。使用示波器看到的波形應(yīng)該是由IGBT不斷導(dǎo)通和關(guān)斷構(gòu)成的脈沖波形，但是因為示波器分辨率不夠高、響應(yīng)速度不夠快，看到的脈沖波形也不是清晰完整的，示波器顯示的只是大致輪廓。圖7為使用示波器采集的電機控制器輸出的實際波形，可以看出，示波器顯示的波形只是三相交流電的大致輪廓線（圖7a的交流電頻率比圖7b低），并不是理想的正弦波形，這一點和使用示波器觀察工頻交流電所看到的波形是不同的。

2.3.1.3" 變壓與變頻原理

在正弦交流電頻率不變的情況下，若增大IGBT導(dǎo)通頻率，即T_s會變短，再減小占空比，IGBT的導(dǎo)通時間會變得更短，使得電壓脈沖周期平均值變小，正弦交流電的電壓幅值變小，電機控制器輸出的電壓降低。由此可見，通過改變IGBT導(dǎo)通頻率和占空比能夠使電壓發(fā)生變化。如圖8a、圖8b所示。電機控制器通過控制施加給驅(qū)動電機的三相交流電的電壓高低，就能夠控制電機繞組內(nèi)的電流大小，從而達到控制電機輸出功率和扭矩大小的目的。

上述變壓原理的前提條件是正弦交流電的頻率不變，通過改變IGBT導(dǎo)通頻率和占空比使電壓發(fā)生改變。同樣的道理，若正弦交流電的電壓有效值不變，通過改變IGBT導(dǎo)通頻率和占空比也能夠使交流電的頻率發(fā)生改變，這就是變頻原理。如圖8c、圖8d所示。電機控制器通過控制施加給驅(qū)動電機的三相交流電的頻率，就能夠達到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。

IGBT導(dǎo)通頻率和占空比有相對性，IGBT導(dǎo)通頻率變大，占空比不一定變小，但二者之間有關(guān)聯(lián)性，存在一定的數(shù)量關(guān)系，電機控制器能夠同時改變正弦交流電的電壓和頻率。

通過以上分析可以得出結(jié)論，電機控制器變頻和變壓的根本原理就是改變IGBT導(dǎo)通頻率和占空比。

電機控制器通過控制PWM信號，就能夠?qū)崿F(xiàn)逆變、整流、變壓和變頻，輸出近似正弦交流電，而且還能實現(xiàn)三相正弦交流電彼此相差120°；能改變?nèi)嘟涣麟姷南嘈颍瑢崿F(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)控制；在能量回收時確保IGBT可靠關(guān)斷；在高壓下電后，還要進行主動泄放或被動泄放控制，利用放電電阻（主動泄放該電阻一般為幾歐姆，被動泄放一般為十幾歐姆至幾十歐姆）把薄膜電容及電路中儲存的高壓電能泄放掉，避免出現(xiàn)高壓觸電事故。

2.3.2" 驅(qū)動電路

電機控制器的驅(qū)動電路主要由驅(qū)動芯片、推挽電路和低壓電源3部分組成，如圖9、圖10所示，比亞迪稱作智能功率模塊IPM。電子控制模塊ECU（控制板）通過接收和采集各種信號并經(jīng)過計算后，向驅(qū)動電路輸出PWM脈寬調(diào)制信號，并將故障信號送到控制板。驅(qū)動芯片的主要作用是對PWM信號進行電壓放大和電氣隔離，經(jīng)過電壓放大的PWM信號送至推挽電路；推挽電路的主要作用是對信號進行功率放大，以滿足IGBT柵極導(dǎo)通和關(guān)斷所需的電壓和電流；低壓電源的作用是為驅(qū)動芯片和推挽電路提供工作電源電壓，確保IGBT可靠導(dǎo)通和關(guān)斷，并進行電氣隔離。圖11為一種由驅(qū)動芯片構(gòu)成的驅(qū)動電路。

新能源汽車驅(qū)動電機控制器逆變橋均為三相全橋驅(qū)動，需要6組IGBT模塊，所以也需要6組驅(qū)動電路為三相全橋的橋臂提供PWM脈寬調(diào)制信號，如圖12所示。IGBT驅(qū)動電路的總體設(shè)計要求主要有兩個方面：一是能夠安全可靠地導(dǎo)通和關(guān)斷IGBT，二是能夠同時提供盡可能的保護功能。

電氣隔離是保證IGBT安全可靠地導(dǎo)通和關(guān)斷重要措施之一，以防止高壓竄入，電氣隔離包括信號隔離和電源隔離。

信號隔離主要包括電磁隔離（變壓器隔離）、光電隔離和電容隔離，如圖13所示。一般IGBT驅(qū)動電路采用快速光電耦合芯片進行光電耦合實現(xiàn)信號隔離，如AVAG0公司的APCL352J驅(qū)動芯片，英飛凌公司的驅(qū)動芯片采用的是電磁隔離，電容隔離是目前一種新興的信號電隔技術(shù)，如德州儀器公司TI的驅(qū)動芯片。

低壓電源的作用是為信號傳輸電路、推挽電路等提供工作電壓和電流，是一個與其它模塊相互隔離的低壓電源，通常采用變壓器隔離DC-DC變換器（開關(guān)電源）。

推挽電路的作用是為IGBT柵極提供導(dǎo)通和關(guān)斷電壓。IGBT為壓控（電壓控制）型開關(guān)器件，它的導(dǎo)通過程可以看成是柵極電容的充電過程，關(guān)斷過程可以看成是柵極電容的放電過程。IGBT驅(qū)動通常采用雙電源驅(qū)動技術(shù)，供電電源采用正負雙電壓進行供電，一般限定為+20V/-20V之間，如圖14所示。IGBT柵極正向電壓使柵極電容充電，達到飽和而導(dǎo)通，正向?qū)妷阂话阍?12～+20V之間；IGBT柵極反向電壓使柵極電容放電，抽取柵極電容中儲存的電荷，使柵極截止而關(guān)斷，反向關(guān)斷電壓一般在-5～-15V之間，柵極驅(qū)動電壓超出范圍就有可能破壞柵極。

IGBT保護主要包括短路、過流、過壓、過熱、死區(qū)時間和最小脈沖抑制等。電機控制器MCU除了驅(qū)動芯片、推挽電路和電源電路外，還須有各種保護電路，驅(qū)動器的設(shè)計過程中，保護功能設(shè)計得是否完善，對系統(tǒng)的安全運行尤其重要。

2.3.3" 控制電路

控制電路（控制板）主要包括主控制芯片、電源電路、CAN網(wǎng)絡(luò)、旋變電路和各種采樣電路，是電機控制器MCU的控制中樞。

1）電源電路：電源電路主要將12V或24V電轉(zhuǎn)變成控制模塊ECU和部分電路所需的電壓，主要由電源芯片、變壓器、電解電容、大體積瓷片電容、大體積電感等元件組成。

2）CAN網(wǎng)路：主要由解碼IC和共模電感組成，用于CAN網(wǎng)絡(luò)通信。

3）旋變電路：主要由旋變解碼芯片、共模電感和推挽電路等組成，旋變解碼芯片對旋變信號進行解碼，用于計算判斷轉(zhuǎn)子的位置和轉(zhuǎn)速進行電機矢量控制。

4）各種采樣電路：包括電流采樣、電壓采樣、溫度采樣等。

主控制芯片一般為控制板上最大的芯片，主要有MCU、DSP、FPGA等幾種。MCU即微處理器（單片機），是把CPU、內(nèi)存、I/O接口等主要部件集成到一片超大規(guī)模的集成電路芯片上，MCU通常側(cè)重于I/O接口的數(shù)量和可編程存儲器的大小，非常適用于有大量I/O操作的場合，但數(shù)據(jù)處理能力有限，應(yīng)用場合有比較大的限制，廣泛應(yīng)用在低成本、低功耗和對精度要求不高的系統(tǒng)中，適用于中、低端電機控制，是目前市場主流的電機控制方案。在32位處理器中，通過提高運算處理速度，也可以很好地實現(xiàn)空間矢量、磁場定位和PD閉環(huán)調(diào)節(jié)的復(fù)雜控制，應(yīng)用越來越多。DSP即數(shù)字信號處理器，芯片內(nèi)部集成了模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入/輸出、串口通信、電機控制PWM信號輸出等接口，電機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計靈活、簡易，尤其DSP比較擅長高速運算，具有較強的控制功能，能更好地實現(xiàn)電機的伺服控制和保護功能，一般用于專用的相對高檔的控制系統(tǒng)中，如圖15所示。FPGA即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，由邏輯單元、RAM、乘法器等組成，具有可無限重新編程、響應(yīng)快速、多軸同時處理、靈活多樣的外設(shè)接口和多種工業(yè)總線的支持等優(yōu)點，在高端專用電機控制應(yīng)用中顯示出了卓越的性能。

3" 結(jié)束語

本文從電機控制器的基本組成、主要功能對新能源汽車驅(qū)動電機控制器的結(jié)構(gòu)原理進行了深度解析，為職業(yè)院校新能源汽車技術(shù)專業(yè)教師和新能源汽車維修行業(yè)維修人員提供參考和借鑒。

參考文獻：

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[2] 呂冬明，楊運來. 新能源汽車電機及控制系統(tǒng)檢修[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[3] 比亞迪汽車有限公司. 比亞迪培訓(xùn)手冊[Z].

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-07-18

作者簡介

劉國新（1967—），男，教師，研究方向為汽車電子技術(shù)與新能源汽車檢修。