集成式電機(jī)控制器的電氣設(shè)計(jì)方案

1 引言

電機(jī)控制器由于原來(lái)通過(guò)逆變橋調(diào)制輸出正弦波來(lái)驅(qū)動(dòng)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(dòng)回路：接收控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(cè)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(hào)。本文通過(guò)實(shí)例介紹集成式電機(jī)控制器的電氣設(shè)計(jì)方案和控制器邏輯，從點(diǎn)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(jì)

動(dòng)力電池提供驅(qū)動(dòng)電源，正負(fù)極高壓電從動(dòng)力電池傳到集成式電機(jī)控制器，經(jīng)過(guò)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(dòng)力電池接通瞬間對(duì)濾波電容C1的充電電流，以保護(hù)IGBT逆變器不會(huì)因?yàn)V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(kāi)斷，只用一個(gè)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(duì)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(hào)，同時(shí)HCU與外部電路通過(guò)CAN通信交互傳遞控制命令與檢測(cè)信息；對(duì)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(cè)控制器電路的電氣溫度信息，查看電路狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)接觸器控制電路開(kāi)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(lì)電源 （EXC-N、EXC-P）、正弦信號(hào)（SIN-N、SIN-P）、余弦信號(hào)（COS-N、COS-P） 這3組信號(hào)線相接，通過(guò)解調(diào)正余弦信號(hào)可以獲得主驅(qū)電機(jī)的角度位置信息，同時(shí)HCU通過(guò)溫度信號(hào)（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(jiàn)圖1。

2.2 接線原理設(shè)計(jì)

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(kāi)關(guān)打到ON擋時(shí)，整車控制器 （VCU） 通過(guò)硬線給MCU提供喚醒信號(hào)，使MCU激活并自檢，讓MCU處于待命狀態(tài)；當(dāng)開(kāi)關(guān)打到ST擋時(shí)，VCU收到START信號(hào)，并將上高壓指令通過(guò)CAN線發(fā)到MCU，MCU控制IGBT閉合，讓整個(gè)回來(lái)處于高壓通電狀態(tài)。若整車有開(kāi)電除霜功能的需求，只用在ON擋狀態(tài)下，VCU發(fā)送開(kāi)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

3 元件選型

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(gè)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(cè)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(cè)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(hào)，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(guò)來(lái)的旋變和溫度信號(hào)，了解電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)?？刂菩酒幚頇z測(cè)電路收集的信號(hào)后，通過(guò)控制電路對(duì)接觸器、IGBT逆變器進(jìn)行控制，以達(dá)到高壓配電和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用。

3.2 IGBT逆變器

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(gè)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(gè)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(dòng)勢(shì)。

3.3 PDU

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(guò)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，使觸頭斷開(kāi)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(guò)大可能會(huì)造成設(shè)備損壞。

選配時(shí)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(duì)電路起到短路和過(guò)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(dòng)時(shí)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(shí)消耗逆變器反向?qū)ɑ貋?lái)的電機(jī)多余能量。

濾波電容C1是用來(lái)降低交流脈動(dòng)波紋系數(shù)，抑制電源電壓的波動(dòng)，使電路獲得平滑穩(wěn)定的直流電壓，同時(shí)也起到儲(chǔ)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(shì)/1.2。電容容值計(jì)算

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

4 控制策略

4.1 MCU管理功能

4.1.1 正常驅(qū)動(dòng)

在行車READY下，VCU通過(guò)目標(biāo)扭矩或目標(biāo)轉(zhuǎn)速值控制MCU驅(qū)動(dòng)車輛。

4.1.2 制動(dòng)優(yōu)先

在行車READY下，VCU同時(shí)檢測(cè)加速踏板APS、制動(dòng)踏板BPS的輸入信號(hào)。如果檢測(cè)到APS，BPS輸入同時(shí)有效時(shí)，制動(dòng)功能優(yōu)先，VCU僅響應(yīng)制動(dòng)請(qǐng)求。

4.1.3 充電時(shí)禁止車輛驅(qū)動(dòng)

當(dāng)檢測(cè)充電連接信號(hào)有效時(shí)，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(kāi)度信號(hào)、制動(dòng)踏板、擋位信號(hào)、車速信號(hào)（或電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)）、電池狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)，計(jì)算得出駕駛員請(qǐng)求扭矩。VCU通過(guò)CAN信息發(fā)送當(dāng)前擋位狀態(tài)信號(hào)與扭矩命令信號(hào)給MCU，控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)車輪反向運(yùn)動(dòng)，車速不超過(guò)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(dòng)車輪正向運(yùn)動(dòng)。VCU發(fā)送負(fù)扭矩，進(jìn)行電制動(dòng)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(guò)15km/h，控制MCU 輸出功率不超過(guò)最大功率的50%，此模式下若無(wú)加速踏板故障，車輛響應(yīng)加速踏板開(kāi)度進(jìn)行行車；若加速踏板有故障，則VCU自動(dòng)控制車速穩(wěn)定在15km/h附近，此時(shí)制動(dòng)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(dòng)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(guò)最大功率的50%。此情況下由正常解析過(guò)程過(guò)渡到限功率狀態(tài)時(shí)，需要緩慢過(guò)渡，保證整車的平穩(wěn)過(guò)渡。

4.1.7 倒擋最高車速限制功能

擋位為R擋時(shí)，通過(guò)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 控制流程

4.2.1 上電流程

當(dāng)有MCU使能信號(hào)時(shí)，檢測(cè)電壓為9～16V，延時(shí)T0，再檢測(cè)HCU使能信號(hào)，若過(guò)了T1沒(méi)有信號(hào)主動(dòng)斷開(kāi)空調(diào)接觸器KM3與PTC接觸器KM3；若再過(guò)T2還沒(méi)信號(hào)，主動(dòng)斷開(kāi)主正繼電器KM1；若再過(guò)T3沒(méi)信號(hào)，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(hào)一直有效時(shí)，如果檢測(cè)到VCU發(fā)過(guò)的CAN報(bào)文中，YC+信號(hào)T0有效則閉合主預(yù)充接觸器KM2，再判斷YC+信號(hào)，若在T4時(shí)間內(nèi)一直有信號(hào)則斷開(kāi)主預(yù)充接觸器KM2，若斷開(kāi)主預(yù)充接觸器KM2，T5時(shí)間后還有YC+信號(hào)則再閉合主預(yù)充接觸器KM2，重新判斷YC+信號(hào)，反之則延時(shí)T0斷掉主預(yù)充接觸器KM2。若檢測(cè)到ZZ+信號(hào)，保持T0閉合主正繼電器KM1，若沒(méi)檢查到ZZ+信號(hào)就斷開(kāi)主正繼電器KM1。下電流程如圖4所示。

5 報(bào)文設(shè)置

5.1 報(bào)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。使用CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符并進(jìn)行了重新定義，表1為29標(biāo)識(shí)符的分配表，通信速率為250kb/s，采用Intel格式，采用單幀報(bào)文，周期發(fā)送機(jī)制。如表1所示，優(yōu)先級(jí)為3位，可以有8個(gè)優(yōu)先級(jí)；R一般固定為0；DP現(xiàn)固定為0；8位的PF為報(bào)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(bào)文的源地址；PGN為參數(shù)組號(hào)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

5.2 報(bào)文定義

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。

6 故障處理

集成式電機(jī)控制器會(huì)根據(jù)不同的故障對(duì)故障處理進(jìn)行分類，主要分為無(wú)故障、1級(jí)故障、2級(jí)故障、3級(jí)故障等4類故障等級(jí)，其中1級(jí)故障只報(bào)警而不限扭矩，2級(jí)故障要限制扭矩到峰值轉(zhuǎn)矩的50%值，3級(jí)故障直接要求不輸出扭矩。當(dāng)達(dá)到故障診斷條件時(shí)，控制器會(huì)報(bào)出相應(yīng)的故障，并根據(jù)故障對(duì)應(yīng)的故障等級(jí)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(jiàn)故障問(wèn)題表，見(jiàn)表5。

表1 標(biāo)識(shí)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(jiàn)故障問(wèn)題表

7 總結(jié)

根據(jù)新能源汽車的最新發(fā)展趨勢(shì)，集成方案必定蓬勃發(fā)展，全文以較簡(jiǎn)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(jì)、控制方式，具體說(shuō)明集成系統(tǒng)的工作原理和通信策略，以一帶多，無(wú)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(dòng)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(jì)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(xiàng)目的開(kāi)發(fā)需求，就可以在需要的電路中安裝，采集相關(guān)的信息。