一、電機控制器原理介紹

電機控制器是連接電機與電池的神經中樞，用來調校整車各項性能，足夠智能的電控不僅能保障車輛的基本安全及精準操控，還能讓電池和電機發揮出充足的實力。

如圖1所示為一款多合一電機控制器和單電機控制器外形圖。

圖1

電機控制器單元的核心，便是對驅動電機的控制。動力單元的提供者--動力電池所提供的是直流電，而驅動電機所需要的，則是三相交流電。因此，電控單元所要實現的，便是在電力電子技術上稱之為逆變的一個過程，即將動力電池端的直流電轉換成電機輸入側的交流電。為實現逆變過程，電控單元需要直流母線電容、IGBT等組件來配合一起工作。當電流從動力電池端輸出之后，首先需要經過直流母線電容用以消除諧波分量，之后，通過控制IGBT的開關以及其他控制單元的配合，直流電被最終逆變成交流電，并最終作為驅動電機的輸入電流。通過控制動力電機三相輸入電流的頻率以及配合動力電機上轉速傳感器與溫度傳感器的反饋值，電控單元最終實現對電機的控制。

圖2是一個典型的電機控制器系統電氣圖，其中主要分兩部分，一部分是高壓部分，主要實現高壓直流轉換成高壓三相交流；另一部分是低壓控制部分，包括所有通訊、電流傳感器檢測、電壓檢測，驅動電路、電機溫度和位置檢測、低壓電源及保護電路等等。

圖2

二、電機控制器硬件部分介紹

電機控制器硬件部分根據高低壓隔離原則基本會分成2個部分，一部分是主控板，主控板上主要布置電機控制器的低壓部分，以電機控制器主控芯片為核心分別布置了CAN通訊電路，低壓輸入濾波電路、保護電路、主控部分電源、驅動電路電源、旋變解碼電路、溫度采樣電路、過流、短路保護電路、過壓保護電路等，如圖3所示。另一部分是驅動板，上面主要布置了驅動電路、電流采樣電路、母線電壓采樣電路、IGBT保護電路（過溫、過流、短路、欠壓過壓保護）等，驅動板下面即是IGBT模塊，如圖4所示。

圖3

圖4

同時也有如圖5所示，把整個控制電路和驅動電路放在一塊PCB板上，當然這樣也會進行高低壓區分布板，如圖5中靠近三相出線處為高壓部分，主要為驅動電路；另一端導熱膠墊上部為控制部分，主要為低壓電路。

圖5

下面對硬件部分主要零件關鍵技術及行業趨勢進行簡單介紹：

說到關鍵零件第一個要介紹的肯定是IGBT模塊，它作為整個功率變換中心，占整個控制器成本的一半左右。IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)，絕緣柵雙極型晶體管，是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應管)組成的復合全控型電壓驅動式功率半導體器件, 兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR（電力晶閘管）的低導通壓降兩方面的優點。

IGBT模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續流二極管芯片）通過特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導體產品；封裝后的IGBT模塊直接應用于電機控制器、變頻器、UPS不間斷電源等設備上；目前IGBT主要的幾種封裝形式如圖6所示，單管IGBT,表貼式IGBT,雙面水冷IGBT等，同時根據目前新能源汽車整體的發展趨勢，高功率密度，高效率，輕量化等方向，IGBT封裝也在朝雙面水冷，SiC，GaN等方向發展。

 圖6

第二個要介紹的是主控板上主控芯片（DSP），它作為電機控制器整個產品的控制核心，在整個PCB板上單個元器件的成本也是比較高的，目前行業比較主流的幾個品牌有英飛凌、TI、飛思卡爾等，根據新能源汽車行業功能安全要求，三個品牌目前都已有滿足功能安全要求的汽車級產品，當然目前乘用車行業市占率相對比較高的芯片還是英飛凌的TC 275系列，目前已有好幾家企業達到了ASIL C及以上功能安全等級。

第三個要介紹的就是功率電容，它在產品中的作用主要是濾波及儲能，目前行業基本都是采用定制電容，以達到產品體積空間利用最優化，如圖7所示為其中一種定制形狀。

圖7

三、電機控制器軟件部分介紹

電機控制器軟件部分按目前行業比較熱門的AUTOSAR架構劃分為ASW層（ApplicationSoftware Layer應用層）,RTE層（RuntimeEnvironment Layer接口層）,BSW層（BasicSoftware Layer基礎軟件層），也許有人會問什么是AUTOSAR架構，AUTOSAR是Automotive Open System Architecture(汽車開放系統架構)的首字母縮寫，是一家致力于制定汽車電子軟件標準的聯盟。AUTOSAR是由全球汽車制造商、部件供應商及其它電子、半導體和軟件系統公司聯合建立，各成員保持開發合作伙伴關系。

ASW層AUTOSAR的軟件被組織在獨立的單位軟件組件（software-component）中，其中封裝了部分或全部汽車電子的功能與行為，包括對具體模塊功能的實現以及對應描述，但是對外界僅僅開放了定義好的接口，稱之為PortPrototypes，而所有ECU內部組件之間的通信及獲取其他ECU資源的動作就都必須要通過接口來訪問RTE來完成了。

RTE層提供基礎的通信服務，支持SoftwareComponent之間和Software Component到BSW的通信（包括MCU內部的程序調用、MCU外部的總線通信等情況）。RTE使應用層的軟件架構完全脫離于具體的單個ECU和BSW。BSW層主要是根據所選芯片參數進行的系統配置、底層算法等功能。具體如圖8所示：

圖8

同時對于軟件部分比較核心的是底層算法，每家可能略有區別，但是整體的控制原理都差不多，基本都是采用FOC控制。FOC（Field-Oriented Control），即磁場定向控制，也稱矢量變頻，是目前無刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）高效控制的最佳選擇。FOC精確地控制磁場大小與方向，使得電機轉矩平穩、噪聲小、效率高，并且具有高速的動態響應。由于FOC的優勢明顯，目前已在很多應用上逐步替代傳統的控制方式，在運動控制行業中備受矚目。FOC主要是通過對電機電流的控制實現對電機轉矩（電流）、速度、 位置的控制。通常是電流作為最內環，速度是中間環，位置作為最外環。

圖9是電流環（最內環）的控制框圖：

圖9

在圖9中，Iq_Ref是q軸（交軸）電流設定值，Id_Ref是d軸（直軸）電流設定值，Ia、Ib、Ie分別是A相、B相、C相的采樣電流，是可以直接通過AD采樣得到的，通常直接采樣其中兩相，利用公式Ia+Ib+Ic=O計算得到第三相，電角度θ可以通過實時讀取磁編碼器或是旋轉變壓器的值計算得到。

在得到三相電流和電角度后，即可以進行電流環的執行了：三相電流Ia、Ib、Ie經過Clark變換得到Ia、Iβ；然后經過Park變換得到Iq,Id;然后分別與他們的設定值Iq_Ref,Id_Ref 計算誤差值；然后分別將q軸電流誤差值代入q軸電流PI環計算得到Vq,將d軸電流誤差值代入d軸電流PI環計算得到Vd;然后對Vq,Vd進行反Park變換得到Va,Vβ；然后經過SVPWM算法得到Va、 Vb、 Vc, 最后輸入到電機三相上。當對PMSM進行速度控制時，需要在電流環外面加一個速度環，控制框圖如圖10所示：

圖10

在圖10中，Speed_Ref是速度設定值，ω是電機的轉速反饋，可以通過電機編碼器或是旋轉變壓器值計算得到。

將計算得到的電機速度ω與速度設定值Speed_Ref進行誤差值計算，代入速度Pl環，計算的結果作為電流環的輸入；比較圖10和圖9的電流環部分可以發現，圖10中d軸電流被設定為零(Id_Ref=O)，因為d軸電流對于驅動電機的轉動不會產生輸出力，所以通常情況下都會將d軸電流設定為零（但不是總是設定為0的）；當ld_Ref=O時，lq_Ref就等于了速度環的輸出；再結合上面的電流環，就實現了速度電流的雙閉環控制。

當對PMSM進行位置控制時，需要在速度電流環外面加一個位置環，控制框圖如圖11所示：

圖11

在圖11中，Position_Ref是位置設定值，Position(θ)是電機的當前位置，可以通過電機編碼器或是旋轉變壓器得知，位置控制可以分為電角度位置控制和機械角度位置控制。

將得到的當前位置Position(θ)和位置設定值Position_Ref誤差值代入P環， 輸出作為速度環的輸入Speed_Ref在結合上面的速度電流環實現位置、速度、電流三閉環控制。

四、電機控制器結構部分

電機控制器結構從系統的角度布局最終實現功能的產品化，目前行業比較常見的有如圖12所示三種形式：單電機控制器，多合一電機控制器，多合一動力總成。目前這三種形式并存，相對于微面物流、專用車來說目前主要用單電機控制器的比較多，輕卡，公交車用第二種多合一電機控制器的相對多些，而多合一動力總成主要是乘用車的發展趨勢，但是總體的發展目標都是：性能、可靠性最好，成本最優，輕量化等方向發展。

圖12

本文我們對單電機控制器內部布置進行詳細說明，如圖13所示是一款標準單電機控制器內部元件布置圖，產品主要分為三個回路：第一個回路是高壓主回路，如圖10所示，接線端子通過格蘭頭，通過端子座支撐穿過母線電流傳感器，經過直流母排，流過薄膜電容濾波，再經過IGBT逆變后由導電銅排經過三相電流傳感器從格蘭頭輸出。第二個回路是低壓控制回路，VCU指令經過圖中控制線束接插件到達控制電路板，經過主控芯片處理后控制電機控制器對整車需求進行響應，最終轉換成實際電流、電壓、頻率輸出，并實時與VCU進行通訊，把響應情況和電機控制器目前狀態反饋給VCU。第三個回路就是水路，整車的冷卻防凍液通過圖中冷卻水管接頭進入主殼體的散熱水道，經過內部熱量交換后再從另一冷卻水管接頭流出，一般流經電機后回到整車的換熱器，換熱器經過風扇冷卻后，冷卻水再流向電機控制器，就這樣不斷循環，帶走電機控制器內部（主要是IGBT）產生的熱量。下面對如圖13所示部分結構零件關鍵技術及目前行業方向進行簡單介紹：

圖13

如圖13中所示電機控制器主殼體材料在手工樣機階段主要是AL6061或是AL6063,然后通過CNC機加得到；工程樣機后基本采用高壓鑄造工藝，材料主要是ADC12或是A380。內部水道行業主流除了HP-Drive模塊自帶Pin針水道外，大都采用殼體自帶水道另做水冷蓋板通過摩擦焊工藝焊接成一體。當然也有一部分企業采用如圖13中所示水冷蓋板壓水冷密封圈或是打膠密封形成水道，此工藝如果密封材料選型不當或是蓋板壓力不夠的情況下存在漏水的風險。

如圖13中格蘭頭所示，此為行業目前比較主流出線方式之一，此種方案價格比較低，但是接線比較麻煩，同時暫無有效方式進行防錯；另一種就是快插方式，此方案成本比較高，客戶接線方便，同時可以進行防錯設計，目前行業可選的快插接頭品牌比較多，其中比較典型的有安費諾、泰科、永貴、瑞可達、中航、沃爾核材、巴斯巴等；目前行業還有一種主流的出線方式，就是采用塑料連接器的方案，此方案價格在格蘭頭和快插中間，同時可以進行防錯設計。以上三種方案防水等級都可以達到IP67以上。

如圖13中端子座目前行業主要分兩個方向，一種是手工樣機階段為電木通過機加工得到所需產品，到工程樣機就用BMC或是DMC通過熱固成型模具工藝獲得，此路線方案產品強度好，絕緣性能好，但是產品比重略重，手工樣機階段時電木材料比較脆，容易開裂；另一種路線就是手工樣機階段采用PA66通過機加工獲得所需形狀，工程樣機后用工程塑料（PA66或是PPS、PBT）采用注塑模具工藝獲得，此方案產品比重比第一種方案略輕，成本略低，但產品吸水性相比第一種好，絕緣性能略差，可以說兩種方案在特性上各有優劣。

如圖13中上蓋密封圈目前行業主流的有二種方式，第一種現有密封圈（此處密封圈行業有三種形式，第一種是直接采用O型圈；第二種是采用異形密封圈，密封效果相比O型圈略好，圖中采用此種方案；第三種是采用密封條根據產品尺寸裁剪再粘接成密封圈，前面兩種方案產品定制化比較強，每種產品不同尺寸都需要開一套模具，第三種產品一套模具成型后可根據不同產品不同尺寸進行裁剪后粘接成型，不受產品種類變化限制，目前三種方案行業都有實際批量應用）直接放入主殼體或是上蓋，最后通過螺絲壓緊上蓋來進行密封；第二種是采用CIPG點膠成型工藝直接把硅膠點在機箱或是上蓋上，等產品固化后直接用螺絲壓緊上蓋來進行密封，此工藝因采用點膠機進行點膠，相對第一種手工放置密封圈，產品的一致性得到有效保障。

如圖13中上蓋行業目前主要分三個方向，第一種是采用工程塑料注塑成型，此方案主要應用在低速車等對產品要求不是很嚴格的情況，此方案成本最低；第二種方案是用ADC12或是A380通過壓鑄成型，此方案成本相對較高，但產品的整體效果和強度都比較好；第三種方案是采用鋁板或是鐵板沖壓成型，此方案成本居中，但由于與主殼體的材料成型工藝不一致，產品整體效果較差，同時如果上蓋上面還需開接線小蓋，此方案由于防水問題不可取。