新能源汽车电机与控制器 课件 第7、8章 电机控制器、电动汽车电驱动系统

电机控制器第7章

7.1电机控制器组成驱动电机控制器，简称MCU（MotorControlUnit）车用电机控制器的组成包括硬件和软件。硬件主要包括功率电路、控制电路、驱动电路和结构散热等主要部分。软件包括控制电路MCU的软件，也包括保护电路里面可编程逻辑器件的软件。图7-2

车用电机控制器组成举例永磁同步驱动电机控制系统

图7-1永磁同步驱动电机控制系统图7-3电机控制器（MCU）驱动电机控制器的功用1）根据工况控制电机的正反转、功率、扭矩、转速等；2）硬件采集传感器信号：电机的旋变、温度、制动、油门踏板开关信号；3）通信功能：在电机系统运行期间，电机控制器需将电机系统的运行状态实时的发送给整车控制器，通过CAN通信实现与整车控制器的通信、与其他器件的通信；4）故障诊断：电机控制器（MCU）通过采集电流、电压、温度、绝缘及其他参数判断电机和电机控制器是否工作在安全范围内，如果超出这个范围将对电机和电机控制器（MCU）采取保护措施，并产生故障代码发送至整车控制器（VCU）；5）制动能量回馈控制：整车控制器根据加速踏板和制动踏板的开度、车辆行驶状态信息以及动力电池的状态信息（如SOC值）来判断某一时刻能否进行制动能量回馈。电机控制器基本结构（1）功率电路功率电路主要包括功率模块、电容器、功率母排等。1）ＩＧＢＴ模块：根据控制器主板的指令，将输入的高压直流电流逆变成频率可调的三相交流电流供给配套的电机使用。在能量回收过程中对三相交流电流进行整流，同时检测直流母线电压、驱动电机相电流以及ＩＧＢＴ模块温度并将检测信息反馈给电机控制器。2）母线电容：功率器件在高速开关时，会产生高幅值的纹波电流，在直流输入端与功率器件之间增加电容器可以起到吸收纹波电流、稳定直流电压的作用。3）放电电阻：在断开高压电路时通过电阻给电容放电，在放电电路故障时在报送放电超时故障的同时切断高压供电。电机控制器基本结构（2）控制电路

控制电路（控制板）主要包括主控制芯片、电源电路、CAN网络、旋变电路和各种采样电路，是电机控制器MCU的控制中枢。

1）电源电路：电源电路主要将12V或24V电转变成控制模块ECU和部分电路所需的电压，主要由电源芯片、变压器、电解电容、大体积瓷片电容、大体积电感等元件组成。2）CAN网路：主要由解码IC和共模电感组成，用于CAN网络通信。

3）旋变电路：主要由旋变解码芯片、共模电感和推挽电路等组成，旋变解码芯片对旋变信号进行解码，用于计算判断转子的位置和转速进行电机矢量控制。

4）信号处理电路：信号处理电路的处理对象主要包括电机温度、控制器温度、直流母线电压、电机相电流（A/C相）、母线电流、电机位置和速度等。信号的实时检测并将采集到的信息送给DSP控制单元，是电机驱动系统可靠运行的保证。（3）电机传感器信号采集

工作过程中，使用以下传感器完成对驱动电机运行状态信息采集。如电流传感器、电压传感器、温度传感器等。（4）结构散热

结构散热主要包括提供防护和支撑的壳体、冷却流道、接插件等。

车用电机控制器以液冷方式为主，主要通过传导散热方式对发热元件进行冷却。（5）驱动电路

主要由驱动芯片、推挽电路和低压电源等部分组成。驱动器将微控制器发出的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号，‌实现控制信号与功率信号的隔离。7.2交流电机逆变器7.2.1电力电子器件电力电子器件（功率半导体器件）的分类如下：1．按可控性分类（1）不可控型器件（UncontrolledDevice）不能用控制信号来控制其通断，因此也就不需要驱动电路。不可控型器件主要是指电力二极管；（2）半控型器件（Semi-controlledDevice）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断。半控型器件主要是指晶闸管，如SCR等；（3）全控型器件（Full-controlledDevice）通过控制信号既可控制其导通又可控制其关断，又称自关断器件。这类器件品种较多，目前最常用的如MOSFET、IGBT等。2．按驱动信号类型分类（1）电流驱动型（CurrentDrivingType）通过从控制端注入或者抽出电流来实现导通或者关断的控制。代表性器件如SCR、电力二极管等；（2）电压驱动型（VoltageDrivingType）仅通过在控制端和公共端之间施加一定的电压信号就可实现导通或者关断的控制。代表性器件如IGBT、MOSFET等。3．按照载流子参与导电的情况分类按照载流子参与导电的情况，可分为单极型、双极型和复合型。（1）单极型器件（UnipolarDevice）由一种载流子参与导电的器件；（2）双极型器件（BipolarDevice）由电子和空穴两种载流子参与导电的器件；（3）复合型器件（ComplexDevice）由单极型器件和双极型器件集成混合而成的器件。图7-5电力电子器件树状分类图1.大功率二极管

大功率二极管，也叫电力二极管，是最简单的电力电子器件，内部结构是一个具有P型及N型两层半导体、一个PN结和阳极A、阴极K的两层两端半导体器件，一般用于实现电流的单向流动，如图7-6所示。图7-6电力二极管的外形、结构和电气图形符号2.晶闸管晶闸管是大功率的半导体器件，如图7-9所示。可分为螺栓型和平板型两种，也有一些多个器件组成模块。晶闸管依靠螺栓将管芯与散热器紧密连接在一起，并靠相互接触的一个面传递热量。晶闸管具有三个可以与外电路连接的电极：引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。其内部是PNPN四层半导体结构，如图7-10所示。图7-9晶闸管图7-10

晶闸管的结构和电气图形符号a）等效PN结

b）

等效复合晶体管

c）

电气图形符号3.功率MOSFET（电力场效应晶体管）MOSFET全称是金属-氧化物半导体场效应晶体管（MetalOxideSemiconductorFET）。它利用栅极（G）作为控制端，控制漏极（D）与源级（S）之间的功率流动。a）N沟道功率MOSFET内部结构断面示意图

b）

电气图形符号图7-11电力MOSFET的结构和电气图形符号图7-12

P-MOSFET的结构示意图

4.IGBT（绝缘栅双极性晶体管）

IGBT全称绝缘栅双极型晶体管（Insulate-GateBipolarTransistor，IGBT）IGBT综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有低导通压降和高输入阻抗的综合优点。

图7-13

IGBT模块实物图

图7-14

IGBT结构及符号5.碳化硅（SiC）功率器件SiC功率器件具有以下特点：（1）高功率密度，降低功率模块体积（2）低功率损耗，提高系统效率或工作频率（3）良好的高温稳定性，显著减小散热器体积降低成本7.2.2逆变器拓扑结构图7-15逆变电路及其波形举例1．单相半桥电压源逆变电路2.单相全桥逆变电路图7-17H桥式单相电压源逆变器电路3．三相电压源方波逆变电路图7-19电压型三相桥式逆变电路的工作波形7.2.3脉宽调制技术及PWM逆变电路1.脉冲宽度调制（PWM）技术原理脉冲宽度调制（PWM）指在不改变信号幅值的条件下对开关器件进行控制，维持T不变，改变ton的调制方式。占空比（DutyRatio）：周期电信号中有电信号输出的时间与整个信号周期之比，即：2.PWM逆变电路单极性和双极性SPWM调制方法是常用的电压源逆变器脉宽调制技术PWM逆变电路的控制方法可以分为计算法和调制法1）单极性SPWM技术图7-23单极性SPWM的DC/AC逆变器2）双极性SPWM技术

图7-25三相电压型逆变器的双极性SPWM控制

（a）调制波形

（b）驱动信号生成电路7.3微控制器图7-26数字微控制器为核心的典型控制系统功能图7.4驱动电路图7-27

驱动板基本组成框架图

7.5软件架构图7-30

AUTOSAR软件架构电动汽车电驱动系统第8章电动汽车驱动电机系统由驱动电动机（DM）、驱动电机控制器（MCU）、变（减）速器等构成电动汽车驱动电机系统构成电机控制器驱动电机控制器，简称MCU（MotorControlUnit），它是新能源汽车电驱动系统控制单元。电机控制器组成电机控制器的主体部分包括控制电路、功率模块、驱动电路、散热器、电流传感器和直流母排、滤波组件、母线电容、交流铜排等。电机控制器组成功率电路：主要包括功率模块、电容器、功率母排等；控制电路：是电机控制器MCU的控制中枢；驱动电路：将微控制器发出的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号；散热器：主要通过传导散热方式对发热元件进行冷却；电流传感器：用以检测电机工作的实际电流（包括母线电流、三相交流电流）驱动电机位置传感器1.电磁式位置传感器电磁式位置传感器的定子由磁芯（6凸极、高频导磁材料）、3个高频励磁绕组Win、3个输出绕组WA、WB、WC组成，输入与输出相间排列。转子由120°扇形磁芯和非导磁衬套组成，如图8-2所示。输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器开关管。2光电码盘式传感器光电转换将输出轴的角位移量转换成脉冲或数字量的传感器3.旋转变压器旋转变压器简称旋变，旋转变压器属于电磁式位置检测传感器。旋转变压器使用最为广泛，是一种用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度的电磁式传感器，由定子和转子组成，如图8-5所示。于可变磁阻式旋变而言，初级绕组和次级绕组均位于定子上，两个定子次级绕组机械错位90°，转子的特殊设计使得次级耦合出的电压随着角位置变化而发生正弦变化。可以看出随着转子角度发生变化（0~360°），输出绕组的高频电压信号明显受到了转子位置的调制。需要采用合适的解算器从两相输出绕组电压中解算出转子的位置信息。4.霍尔位置传感器霍尔效应霍尔效应：置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场。三相无刷直流电机霍尔位置传感器安装

位置信号与电动势关系用三路高低电平判断转子在哪个区间霍尔位置传感器5.硬件设计-电流检测为霍尔电压系数，为霍尔传感器励磁电流。霍尔式电流传感器8.2.2减速器

减速器是位于驱动电机之后的传动装置，用来降低驱动电机轴的转速并增大扭矩。减速器主要由传动零件（齿轮或蜗杆）、轴、轴承、差速器、箱体及其附件组成。电机轴承轴承是汽车驱动电机及减速器的关键部件速度：驱动电机转速高达20000r/min,轴承dmn值达到80万以上，比普通工业电机速度高很多。温度：-40~150℃轴承稳定运转，无啸叫；长期工作温度110~120℃；寒冷地区启动温度-30~-20℃，启动力矩小，噪声低。润滑：要求润滑脂低温性能优异、耐高温、抗振动、节能高效、长寿命。振动、噪声：为保证乘车的舒适性，电机的振动噪声水平要低，保证车内的安静。电蚀：由于绕组的不平衡，造成转子间存在电位差，形成电流；逆变器高频电压造成的电流泄露都可能导致轴承产生电蚀，导致轴承的失效。寿命：保证与整车质保同寿5~8年或10~16万公里。DC-DC

转换器DC-DC按电压等级变换关系分升压电源和降压电源两类车载充电机的作用，是在交流充电时，将外界的三相交流电转化为直流电，为动力电池充电。车载充电机（OBC）8.3电驱动系统的冷却技术

电机的绝缘等级绝缘等级允许最高温度

/℃AEBFHC105120130155180＞1808.3.1电机的温升和温升限值1.绝缘材料的等级2.温升限度电机某部分的温度和周围冷却介质的温度之差称为该电机的温升，用来表征电机发热和散热的情况。如电机采用A级绝缘