Abstract: The motor controller of electric vehicle is different from the traditional inverter and servo drive. It don’t need Rectifier circuit, precharge circuit, energy consumption brake unit. Mainly by the high-voltage filter capacitor, IGBT inverter unit, power supply circuit, drive circuit, detection circuit, control chip and its peripheral circuits, IO circuit, CAN communication circuit.

Key words: Motor controller; Inverter unit; Power supply circuit; Drive circuit; CAN communication

【中图分类号】TM571 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）02-0000-00

1  前言

进入2017年下半年，汽车行业屡屡爆出“禁售燃油车”的新闻，特别是欧洲部分国家相继发布停售燃油汽车时间表的报道。燃油车禁售时间表如下：如英国和法国将在2040年全面禁售燃油车；德国2030年后禁售传统内燃机汽车；荷兰和挪威将在2025年禁售燃油车；就连世界第二大国家——印度，也宣称要在2030年全面禁售燃油车。2017年9月9日，工信部副部长辛国斌在“2017中国汽车产业发展（泰达）国际论坛上”表示，目前工信部也启动了停止生产销售传统能源汽车时间表的相关研究，也将会同相关部门制订我国的时间表。总之，纯电动汽车在国内和国际市场上普及率将会越来越高。

电动汽车的主驱动电机及其控制器二者加起来直接替代传统汽车的发动机，是电动汽车的心脏，其性能是否可靠，质量是否稳定直接关系到车辆的使用情况。

2  电动汽车电机及其控制器介绍

目前市场上的电动汽车驱动电机可分为轮毂电机、轮边电机、集中式电机，我们这里主要介绍一下集中式电机及其控制器。集中式电机是指将驱动电机居中布置到汽车底盘上，通 过传动轴将动力传递给驱动轮。现在用于纯电动汽车上的集中式驱动电机主要有三相交流异步电机（特斯拉）、三相交流永磁同步电机（大部分的国产纯电动汽车）、开关磁阻电机、直流电机。目前国内汽车生产厂更多的是使用三相交流永磁同步电机，该电机能量密度高、效率高、力矩响应速度快。

三相交流异步电机和三相交流永磁同步电机的控制器硬件拓扑是一样的，其硬件电路可以通用，主要的区别是电机的软件控制核心不同。市面上很多控制器即支持异步电机又支持同步电机。根据《新能源汽车产品专项检验标准目录》规定，电动汽车用驱动电机及其控制器属于强制性检验项目，必须通过国家级检测机构检测合格并出具检测报告；因此，设计出一款兼容性好、可靠性高的电机控制器是广大工程师所必须考虑的。

3  电动汽车电机控制器电路分析

由于三相永磁同步电机在电动汽车上的应用最为广泛，我在此着重介绍一下三相永磁同步电机控制器内部拓扑。电动汽车驱动电机控制器跟传统的变频器和伺服驱动器有所不同，它不需要整流电路、预充电电路、能耗制动单元。主要由高压滤波电容、IGBT逆变单元、电源电路、驱动电路、检测电路、控制芯片及其外围电路、I/O电路、CAN通讯电路组成。电动汽车电机控制器内部拓扑图如图1所示。

下面对各单元电路进行详细说明。

3.1  电机控制器高压供电

目前国内纯电动汽车的电压平台范围一般有两种：200~400V DC和450~680V DC。可分别兼容三相220V AC和380V AC范围的电机。这样其电压范围跟常规工业变频器的范围相当。部分厂家生产的电机控制器可以直接兼容200~750V DC，大大提高了产品的兼容性减少了产品数量。很多电动汽车的车架就是低压电源的负极，因此在电路设计中高低压供电必须可靠隔离。

3.2  电机控制器滤波电容

由于纯电动汽车的能量来源是电池，可理解为是一个超大容量的电容。电池直接给电机控制器供电，电机控制器内部就不再需要整流电路，同时在高容量的电池面前能耗制动单元就不再需要了。电池电压稳定、波动很少，直接跟其并联的电机控制器的滤波电容容量不需要设计太高，通常有1000μF就够。有一些厂家会并联一个聚丙烯电容，提高高频滤波效果。纯电动汽车的高压控制单元都是跟电池并联使用，算是共直流母线结构，所有工作模块是共用一套预充电电路，可设计在电池内部，电机控制器不需要单独保留预充电电路。

3.3  电机控制器逆变模块

IGBT是新能源汽车中的核心器件之一，在新能源汽车中发挥着重要的作用。新能源汽车用IGBT模块规格一般为600V~1200V/200A~800A。我国市场需求的IGBT主要被英飞凌、赛米控、三菱、三垦、富士、东芝、IXYS、ST等欧美和日本厂商所垄断，近几年来随着市场的刺激以及国家政策的扶持，国内出现了一批IGBT方面的公司，例如中车时代电气、比亚迪微电子、华微电子、斯达半导体。电动汽车控制器内部使用的IGBT封装可分为单管、双管和六管三种。单管IGBT是指一个模块封装内只有一个IGBT管芯，常见于早期400A以上的工业级IGBT模块，耐压等级是1200V，比如英飞凌FZ400R12KE3见图2。双管IGBT是指一个模块封装内有两个IGBT管芯，常见于450A以下的工业级IGBT模块，耐压等级是有600V/650V/1200V，比如英飞凌FF450R12KT4见图3。六管IGBT是指一个模块封装内有六个IGBT管芯，目前各厂商推出的汽车级IGBT模块都是如此，常见耐压等级范围650V~1200V，比如英飞凌FS800R07A2E3、FS400R07A1E3、FS400R12A2T4见图4。

3.4  电机控制器内IGBT驱动电路

根据电机控制器内IGBT规格的不同其驱动电路也略有差异。总体来讲是分为驱动供电电源，隔离驱动芯片，反馈电路三部分。在电路设计中通常将跟DC+连接的三个IGBT称为上三路，其驱动管脚的地分别对应电机U、V、W，三者需要分别跟其他电路隔离；跟DC-连接的三个IGBT称为下三路，其驱动管脚的地就是DC-，这三路之间不需要隔离，但是要跟UVW和低压供电隔离。因此在设计驱动供电电源的时候至少需要4路隔离电源，部分产品为了达到高稳定性会设计6路隔离电源。这些电源每一路要分正负电压供电。当驱动芯片故障、IGBT故障、过电流输出故障的时候可通过隔离光耦反馈给主控芯片，主控芯片能够马上切断PWM输出，保护控制器避免造成更大损失。IGBT的驱动芯片常见的有HCPL-316、ACNW3190、M57962等带隔离功能的元器件。ACNW3190参考电路原理如图5所示。

3.5  电机控制器检测电路

3.5.1  高压直流电检测

电机控制器内部需要保留高压直流检测电路，主控芯片根据检测的直流电压来处理IGBT的PWM驱动波形输出、采取保护措施。直流电压检测电路需要将高、低压电路隔离，以保障车辆使用安全。通常可选择线性隔离光耦来使用，比如IL300之类的器件。参考电路原理如图6所示。

电机控制器需要对输出到电机的三相交流电流进行检测，可采用开环式霍尔电流传感器或闭环式霍尔电流传感器。开环式传感器一般精度低，检测带宽窄，其反馈信号通常是电压型，比如霍尼韦尔CSCA0300A000B15B01，额定检测范围±300A，供电±15V，±300A对应反馈电压±4V。闭环式传感器带宽较宽，精度较高，其反馈信号通常是0~20mA，比如霍尼韦尔CSNS300F，额定检测范围±300A，供电±15V，300A对应反馈电流150mA。由于三相交流电是正弦波，其三相之和为零，因此有的产品设计时候只安装两路霍尔电流传感器，第三路信号可通过这两路之差进行换算得出。开环式霍尔电流传感器其参考电路如图7所示。

3.5.3  电机编码器信检测

电动汽车电机控制器主要采用闭环电流矢量控制或者直接转矩控制两种模式，其电机必须要安装编码器反馈电机转速。根据汽车的路况分析，光电编码器很难满足汽车的需求，路途颠簸容易损坏。国内电动汽车电机编码器多采用旋转变压器。旋转变压器具有耐冲击、耐高温、耐油污、高可靠、长寿命等优点。旋转变压器由三路线圈组成，旋变电气原理图和引线说明如图8所示。旋变信号波形如图9所示。

旋转变压器的反馈信号是正弦波，DSP等主控芯片无法直接识别，需要通过专用的解码芯片将正弦波信号变成PWM信号。目前常用到的旋变解码芯片主要有美国ADI公司的AD2590、AD2512**或日本多摩川公司的AU6802N1系列等。再此以AD2S1205芯片为例进行说明：AD2S1205的工作频率为8.192MHz，芯片上的振荡器可输出10KHz、12KHz、15KHz或20KHz正弦波激励信号EXC及其互补信号/EXC；通过电路将激励信号放大以提供增益和额外电流，放大后的互补信号Re1/Re2给旋转变压器励磁端R1/R3供电；电机旋转带动旋变的转子旋转就可反馈出正余弦波形并通过S1/S3，S2/S4反馈到AD2S1205芯片37/38，41/40。AD2S1205解码后的信号支持增量式编码输出，输出脉冲数1024脉冲/转，DSP可以直接识别。AD2S1205外围电路配置如图10所示。AD2S1205激励信号放大电路如图11所示。

旋转变压器的反馈信号是正弦波，DSP等主控芯片无法直接识别，需要通过专用的解码芯片将正弦波信号变成PWM信号。目前常用到的旋变解码芯片主要有美国ADI公司的AD2590、AD2512**或日本多摩川公司的AU6802N1系列等。再此以AD2S1205芯片为例进行说明：AD2S1205的工作频率为8.192MHz，芯片上的振荡器可输出10KHz、12KHz、15KHz或20KHz正弦波激励信号EXC及其互补信号/EXC；通过电路将激励信号放大以提供增益和额外电流，放大后的互补信号Re1/Re2给旋转变压器励磁端R1/R3供电；电机旋转带动旋变的转子旋转就可反馈出正余弦波形并通过S1/S3，S2/S4反馈到AD2S1205芯片37/38，41/40。AD2S1205解码后的信号支持增量式编码输出，输出脉冲数1024脉冲/转，DSP可以直接识别。AD2S1205外围电路配置如图10所示。AD2S1205激励信号放大电路如图11所示。

电机控制器主控芯片可以使用DSP/FPGA/MCU等等，跟通用变频器的主控芯片要求相似但略有不同。其区别是：必须要求带有CAN2.0接口；可以通过通讯接口进行软件升级和调试；除了硬线使能信号不需要太多I/O接口，通用变频器的每种I/O接口可以预留1~2路备用。

3.7  电机控制器低压供电

目前电动汽车底盘控制电主要有12V/24V两种，电机控制器的控制电源是来自底盘控制电，而不是从高压电转换而来。电机控制器内置多路小功率DC-DC，转换控制所需要的电压。最好有一路总的电源芯片能够适应9~36V输入电压，可输出5V或者12V，其他控制用电都通过总电源芯片提供，这样可以提高电机控制器的兼容性，可满足12V/24V两种汽车底盘的需求。在此我以LM2576举例说明电路设计方案。LM2576可适应输入电压范围7~40V，输出电压5V。电机控制器其他所需的控制电都通过LM2576输出的5V进行转换。LM2576参考电路如图12所示。

SAE J1939[2]是美国汽车工程协会（SAE）的推荐标准，用于为中重型道路车辆上电子部件间的通讯提供标准的体系结构，可达到250Kbps的通讯速率。它描述了重型车辆现场总线的一种网络应用，包括CAN网络物理层定义、数据链路层定义、应用层定义、网络层定义、故障诊断和网络管理。在SAE J1939协议中，不仅仅指定了传输类型、报文结构及其分段、流量检查等，而且报文内容本身也做了精确的定义。SAEJ1939是在商用车辆、舰船、轨道机车、农业机械和大型发动机中应用最广泛的应用层协议。国内电动汽车采用的CAN2.0通讯协议都以此协议作为标准。建议选择带隔离功能的CAN收发器用于CAN信号处理，在此推荐一款芯片IOS1050，其有16Pin和8Pin两种封装，内部等效电路如图13所示。

3.9  电机控制器高、低压插件

为了满足汽车适应全路况以及复杂环境和气候的需求，现在各汽车生产厂要求电动汽车的电机及其控制器防护等级要达到IP67。这对电机控制器的外壳和插件提出了很高的要求。现在能够提供IP67等级专业高、低压插件的供应商也是越来越多，业内使用较多的有Amphenol、AMP、Tyco、中航光电科技、巴斯巴科技、永贵科技等。

4 总结

随着人们生活质量的不断提高，对环保要求越来越严，对电动汽车的使用要求也会越来越高。现阶段我国电动汽车进入了快速发展阶段，产业化规模越来越大。电机及其控制器作为电动汽车的核心零部件，对车辆的安全性、可靠性、舒适性、使用寿命有着至关重要的影响。广大设计人员应该围绕高安全性、高EMC等级、高电压等级、高功率密度这几个方向对电机控制器进行深入研究。

参考文献

[1]吴成家,赵圣宝.旋变解码芯片AD2S1205应用系统设计[s]. 合肥:安徽安凯汽车股份有限公司技术中心,国家电动客车整车系统集成工程技术研究中心.

[2]美国汽车工程师协会.SAE J1939协议[s].

作者简介

张勇波（1978） 男 大专 烟台海德专用汽车有限公司 助理工程师（电控硬件经理） 研究方向为纯电动汽车电路设计、纯电动汽车电控配件设计、纯电动汽车及其配件发展趋势

备注：本文内的“电动汽车”是针对可进入国家汽车公告目录、需要挂牌行驶的车辆。