電機(jī)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(jī)的設(shè)備,，變成了多種功能的集合體,。集成式電機(jī)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(hù),；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(jī)系統(tǒng)傳感器信息，根據(jù)指令傳輸電機(jī)控制信號,。本文通過實例介紹集成式電機(jī)控制器的電氣設(shè)計方案和控制器邏輯,，從點(diǎn)到面介紹集成方案的功能。

動力電池提供驅(qū)動電源,，正負(fù)極高壓電從動力電池傳到集成式電機(jī)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(jī)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(yù)充電路，由于集成電機(jī)控制器內(nèi)部有濾波電容C1,，預(yù)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(hù)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(jī)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(dá)到控制各高壓用電器的目的,。HCU與主驅(qū)電機(jī)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(jī)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(jī)內(nèi)的溫度傳感器TH1相連,，收集主驅(qū)電機(jī)的溫度,，了解主驅(qū)電機(jī)內(nèi)部溫度是否異常。集成式電機(jī)控制器高壓架構(gòu)見圖1,。

集成式電機(jī)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(dāng)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(dāng)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)。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(jī)控制器接線原理如圖2所示,。

圖1 集成式電機(jī)控制器電氣架構(gòu)圖

圖2 集成式電機(jī)控制器接線原理圖

集成式電機(jī)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,。

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(fù)責(zé)檢控三合一電機(jī)控制器內(nèi)部元件,，以及與外部設(shè)備通信,。檢測電路負(fù)責(zé)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(dāng)前控制器內(nèi)部元件狀態(tài),，以及收集電機(jī)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(jī)當(dāng)前狀態(tài),。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(jìn)行控制，以達(dá)到高壓配電和驅(qū)動電機(jī)的作用,。

IGBT逆變器是一種由半導(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(yīng)能承受電機(jī)峰值電流至少30s,，IGBT峰值直流電流≥1.414倍電機(jī)最大相電流有效值,，IGBT直流耐電壓≥1.414倍電機(jī)峰值反電動勢。

PDU （高壓電配電單元） 負(fù)責(zé)控制器內(nèi)部的高壓電分配,、電路保護(hù),、預(yù)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(fù)載電流通斷。其中預(yù)充電接觸器的作用是有效保護(hù)負(fù)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(fù)載額定電壓，主觸頭的額定電流≥1.3倍負(fù)載額定電流,。本控制器系統(tǒng)接觸器包括電機(jī)主接觸器KM1,、電機(jī)預(yù)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(hù)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(fù)載電流,，本控制器系統(tǒng)熔斷器包括主驅(qū)電機(jī)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(yù)充電阻R1,、放電電阻R0,。預(yù)充電阻R1在預(yù)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(jī)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(jī)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(jī)最大反電勢/1.2。電容容值計算

式中：P——電機(jī)峰值功率,；f——IGBT開關(guān)頻率,；U——電池額定電壓,。

4.1.1 正常驅(qū)動

在行車READY下，VCU通過目標(biāo)扭矩或目標(biāo)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(yīng)制動請求,。

4.1.3 充電時禁止車輛驅(qū)動

當(dāng)檢測充電連接信號有效時，VCU控制電機(jī)控制器扭矩輸出一直為0,。

4.1.4 電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速信號）,、電池狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài),，計算得出駕駛員請求扭矩,。VCU通過CAN信息發(fā)送當(dāng)前擋位狀態(tài)信號與扭矩命令信號給MCU，控制電機(jī)驅(qū)動車輛,。

1） R擋：VCU發(fā)送正扭矩,，MCU自行讓電機(jī)反轉(zhuǎn)，驅(qū)動車輪反向運(yùn)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(yùn)動,。VCU發(fā)送負(fù)扭矩，進(jìn)行電制動能量回收,。

4.1.5 跛行

車輛進(jìn)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(yīng)加速踏板開度進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)前輸出扭矩值的大小,，限制車速不大于20km/h。

4.2.1 上電流程

當(dāng)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(dāng)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(yù)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(yù)充接觸器KM2,，若斷開主預(yù)充接觸器KM2,，T5時間后還有YC 信號則再閉合主預(yù)充接觸器KM2，重新判斷YC 信號,，反之則延時T0斷掉主預(yù)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。

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,。使用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識符并進(jìn)行了重新定義,，表1為29標(biāo)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(jī)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(biāo)地址或組擴(kuò)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(jī)控制器地址是100,。

圖4 下電流程圖

1） 整車控制器發(fā)給電機(jī)控制器的數(shù)據(jù)，電機(jī)控制器接收數(shù)據(jù)如表2所示,。

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

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

集成式電機(jī)控制器會根據(jù)不同的故障對故障處理進(jìn)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(dāng)達(dá)到故障診斷條件時,，控制器會報出相應(yīng)的故障，并根據(jù)故障對應(yīng)的故障等級進(jìn)行處理,，只有滿足故障恢復(fù)條件后,，控制器就能消除故障，恢復(fù)正常,。本文羅列一份常見故障問題表,，見表5。

表1 標(biāo)識符分配表

表2 電機(jī)控制器接收數(shù)據(jù)表

表3 電機(jī)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)1表

表4 電機(jī)控制器發(fā)送數(shù)據(jù)2表

表5 常見故障問題表

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(jī)控制器（MCU PDU） 為例，詳細(xì)介紹集成式電機(jī)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(jī)控制器 （MCU PDU 直流變壓器（DCDC））,、四合一電機(jī)控制器（MCU PDU DCDC 電動轉(zhuǎn)向控制器 （EHPS））、五合一電機(jī)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(yīng)用,，電容性用電器需要增加預(yù)充回路進(jìn)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,。

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