電動汽車驅動電機控制設計

張其東

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

驅動電機是純電動、混合動力、氫能源等電動汽車的動力系統核心，電動汽車通常采用高壓直流供電，電動汽車驅動電機主要采用直流電機。無刷直流電機因自身優點，低速情況下提供大扭矩輸出滿足車輛動力加速性能，可以在低、中、高大速度范圍內運行；同時無機械換向器，采用全封閉式結構，塵土等雜質不易進入電機內部，可靠性高，適應電動車輛道路行駛復雜地地理環境。因此無刷直流電機作為電動汽車動力源得到廣泛使用[1]。

鑒于良好地驅動電機控制性能直接影響電動車駕駛性、動力性、安全性等整車性能，采用以專業電機控制芯片為基礎設計電動汽車驅動電機控制系統，包括電機控制硬件電路和電機轉速控制設計。同時基于電動汽車整車分布式控制設計原則，電機控制系統設計為單獨控制器獨立負責驅動電機控制，實現對驅動電機可靠、高效地控制[2-3]。

1 驅動電機控制硬件電路設計

電動汽車驅動電機控制硬件電路設計主要包括電機高壓供電電路及電機轉速控制閉環電路，其原理圖如圖1所示。電機高壓供電電路有動力電池、高壓配電盒、高壓保險絲、集成功率模塊電路、高壓線束等；電機轉速控制閉環電路包括控制器單片機、電機控制芯片HCTL-1100、可編程邏輯器GAL16V8、光電耦合器、電機檢測集成電路等[4]。

1.1 電機高壓供電電路設計

圖1 電動汽車驅動電機控制硬件電路原理圖

電機高壓供電電路主要是將電動汽車動力電池電能輸送加載到驅動電機，并通過改變輸出電壓時序及大小控制驅動電機轉動方向及轉速。根據整車動力系統及驅動電機功率參數，設計選擇對應功率參數的高壓線束、高壓配電盒、高壓保險絲和功率模塊等。高壓配電盒將車輛動力電池電能分別分配給驅動電機、空調壓縮機和PTC加熱器等高壓用電設備，集成功率模塊電路將高壓直流電轉換成三相電輸出加載到驅動電機，集成功率模塊電路同時受驅動電機控制系統控制，通過改變輸出電壓時序及大小控制驅動電機運轉方向及轉速，從而實現對車輛行駛控制。

1.2 電機控制器、電機控制芯片HCTL-1100設計

現代電動汽車設計通常采用分散式控制器模式，各個控制器間通過總線進行數據信息交換與共享。開發中將驅動電機控制系統從整車控制系統中獨立，作為單獨電機控制器，獨立負責驅動電機控制，除轉速控制外，還包括：驅動電機力矩控制，車輛能量回收控制、電機自我保護、電機狀態診斷、與其它控制器數據信息交換等功能。

HCTL-1100是電機控制芯片，適用于直流電機、無刷直流電機控制。HCTL-1100具有對無刷直流電機轉速控制功能，替代電機控制器單片機對驅動電機直接控制，降低單片機的接口及計算資源需求，因此電機控制器可選擇低成本高性價比的單片機。通過地址/數據I/O接口，HCTL-1100接收電機控制器單片機各種控制指令和數據，同時向電機控制器單片機反饋電機控制的各種相關信息數據。SN輸出HCTL-1100由整車控制器（VCU）輸入給電機控制器的電機正/反轉命令（高/低電平）。PWM輸出經HCTL-1100內部數字調節器運算后的電機電壓控制信號（高低電平），實現對驅動電機轉速控制。

1.3 可編程邏輯器GAL16V8設計

可編程邏輯器GAL16V8根據系統需求定義輸入輸出信號及邏輯關系。本系統中定義5路輸入信號：來自HCTL-1100的SN、PWM信號，來自電機位置信號 （S1、S2、S3）；定義6路輸出信號，按照無刷直流電機內部控制邏輯及電機轉速控制指令，通過光電耦合器高低壓隔離，實時控制集成功率模塊電路6個橋臂的通斷，從而調節加載在驅動電機上的高壓電壓，以實現驅動電機的速度控制[5]。

1.4 電機檢測集成電路設計

電機檢測集成電路主要用來檢測驅動電機內部狀態并實時反饋。檢測電機轉子位置信號（S1、S2、S3）反饋給GAL16V8，用于控制高壓電路U、V、W項的輸出電壓時序。檢測電機轉速信號（V1、V2）反饋給HCTL-1100，用于HCTL-1100實時采集當前電機轉速，計算輸出在驅動電機的電壓，從而實現驅動電機轉速閉環調節。檢測電機電流信號（I）、電機溫度信號（T）反饋給電機控制器單片機，用于控制器判斷電機電流、電機內部溫度是否正常。

2 驅動電機轉速控制設計

驅動電機轉速控制設計首先是建立驅動電機轉速控制數學模型，以實現電機轉速自動閉環控制。電動汽車驅動電機轉速控制是常規地比例-積分-微分PID閉環控制，結合驅動電機硬件電路設計，其系統閉環控制數學模型如圖2所示。其中PID控制器由電機控制芯片HCTL-1100內部數字濾波器HCTL-1100會自動地分配給A、B、K默認值，但從提高電機轉速控制精度出發，設計者應基于驅動電機性能參數，根據PID控制理論，給出合理的參數值[6-7]。

圖2 電動汽車驅動電機轉速控制數學模型

電機控制器單片機只需設定目標速度v和加速度a，HCTL-1100獨立完成對驅動電機轉速控制，其速度控制原理如圖3所示。HCTL-1100控制電機以設定的加速度a到達目標速度后并穩定工作直到下一個速度命令到來；且電機控制器單片機可隨時改變命令速度和加速度，HCTL-1100會自動及時地將電機加/減速到設定速度。

圖3 驅動電機轉速控制原理圖

電動汽車行駛中，整車控制器（VCU）采集加速踏板、制動踏板和方向盤等駕駛員駕駛信息，再根據車輛車速、動力電池電量、變速器擋位、車輛工況等整車信息，綜合計算出車輛行駛目標車速后，整車控制器（VCU）向驅動電機控制器下達電機目標轉速等控制命令，驅動電機控制器獨立自主地控制驅動電機啟動、加速、減速、恒速等，從而實現電動汽車行駛和車速控制[8]。

3 結束語

電動汽車開發中，根據本系統技術方案設計電動汽車驅動電機控制電路包括電機高壓供電電路及電機轉速控制閉環電路。根據整車動力系統及驅動電機性能參數，選擇合適功率的高壓供電部件；建立電動汽車驅動電機轉速控制數學模型，依據PID控制理論，通過仿真分析及試驗驗證，給出HCTL-1100內部數字濾波器D（Z）中A、B、K合理值，以精準控制電機轉速。電動汽車行駛中，驅動電機控制器實時接收電動車整車控制器（VCU）指令，獨立自主負責驅動電機轉速等控制，因此控制系統具有極強的實時性、精確性和穩定性，從而保障和提升了電動汽車駕駛性、動力性、安全性等整車性能。