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(qū)動電機是純電動、混合動力、氫能源等電動汽車的動力系統(tǒng)核心，電動汽車通常采用高壓直流供電，電動汽車驅(qū)動電機主要采用直流電機。無刷直流電機因自身優(yōu)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(nèi)運行；同時無機械換向器，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，塵土等雜質(zhì)不易進入電機內(nèi)部，可靠性高，適應(yīng)電動車輛道路行駛復(fù)雜地地理環(huán)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(qū)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(yè)電機控制芯片為基礎(chǔ)設(shè)計電動汽車驅(qū)動電機控制系統(tǒng)，包括電機控制硬件電路和電機轉(zhuǎn)速控制設(shè)計。同時基于電動汽車整車分布式控制設(shè)計原則，電機控制系統(tǒng)設(shè)計為單獨控制器獨立負責(zé)驅(qū)動電機控制，實現(xiàn)對驅(qū)動電機可靠、高效地控制[2-3]。

1 驅(qū)動電機控制硬件電路設(shè)計

電動汽車驅(qū)動電機控制硬件電路設(shè)計主要包括電機高壓供電電路及電機轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)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(zhuǎn)速控制閉環(huán)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(shè)計

圖1 電動汽車驅(qū)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(qū)動電機，并通過改變輸出電壓時序及大小控制驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動方向及轉(zhuǎn)速。根據(jù)整車動力系統(tǒng)及驅(qū)動電機功率參數(shù)，設(shè)計選擇對應(yīng)功率參數(shù)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(qū)動電機、空調(diào)壓縮機和PTC加熱器等高壓用電設(shè)備，集成功率模塊電路將高壓直流電轉(zhuǎn)換成三相電輸出加載到驅(qū)動電機，集成功率模塊電路同時受驅(qū)動電機控制系統(tǒng)控制，通過改變輸出電壓時序及大小控制驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)方向及轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)對車輛行駛控制。

1.2 電機控制器、電機控制芯片HCTL-1100設(shè)計

現(xiàn)代電動汽車設(shè)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(shù)據(jù)信息交換與共享。開發(fā)中將驅(qū)動電機控制系統(tǒng)從整車控制系統(tǒng)中獨立，作為單獨電機控制器，獨立負責(zé)驅(qū)動電機控制，除轉(zhuǎn)速控制外，還包括：驅(qū)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(tài)診斷、與其它控制器數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速控制功能，替代電機控制器單片機對驅(qū)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(shù)據(jù)I/O接口，HCTL-1100接收電機控制器單片機各種控制指令和數(shù)據(jù)，同時向電機控制器單片機反饋電機控制的各種相關(guān)信息數(shù)據(jù)。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(zhuǎn)命令（高/低電平）。PWM輸出經(jīng)HCTL-1100內(nèi)部數(shù)字調(diào)節(jié)器運算后的電機電壓控制信號（高低電平），實現(xiàn)對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制。

1.3 可編程邏輯器GAL16V8設(shè)計

可編程邏輯器GAL16V8根據(jù)系統(tǒng)需求定義輸入輸出信號及邏輯關(guān)系。本系統(tǒng)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(nèi)部控制邏輯及電機轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)加載在驅(qū)動電機上的高壓電壓，以實現(xiàn)驅(qū)動電機的速度控制[5]。

1.4 電機檢測集成電路設(shè)計

電機檢測集成電路主要用來檢測驅(qū)動電機內(nèi)部狀態(tài)并實時反饋。檢測電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速信號（V1、V2）反饋給HCTL-1100，用于HCTL-1100實時采集當(dāng)前電機轉(zhuǎn)速，計算輸出在驅(qū)動電機的電壓，從而實現(xiàn)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)節(jié)。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(nèi)部溫度是否正常。

2 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制設(shè)計

驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制設(shè)計首先是建立驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型，以實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速自動閉環(huán)控制。電動汽車驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制是常規(guī)地比例-積分-微分PID閉環(huán)控制，結(jié)合驅(qū)動電機硬件電路設(shè)計，其系統(tǒng)閉環(huán)控制數(shù)學(xué)模型如圖2所示。其中PID控制器由電機控制芯片HCTL-1100內(nèi)部數(shù)字濾波器HCTL-1100會自動地分配給A、B、K默認(rèn)值，但從提高電機轉(zhuǎn)速控制精度出發(fā)，設(shè)計者應(yīng)基于驅(qū)動電機性能參數(shù)，根據(jù)PID控制理論，給出合理的參數(shù)值[6-7]。

圖2 電動汽車驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型

電機控制器單片機只需設(shè)定目標(biāo)速度v和加速度a，HCTL-1100獨立完成對驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制，其速度控制原理如圖3所示。HCTL-1100控制電機以設(shè)定的加速度a到達目標(biāo)速度后并穩(wěn)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(shè)定速度。

圖3 驅(qū)動電機轉(zhuǎn)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(jù)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(biāo)車速后，整車控制器（VCU）向驅(qū)動電機控制器下達電機目標(biāo)轉(zhuǎn)速等控制命令，驅(qū)動電機控制器獨立自主地控制驅(qū)動電機啟動、加速、減速、恒速等，從而實現(xiàn)電動汽車行駛和車速控制[8]。

3 結(jié)束語

電動汽車開發(fā)中，根據(jù)本系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計電動汽車驅(qū)動電機控制電路包括電機高壓供電電路及電機轉(zhuǎn)速控制閉環(huán)電路。根據(jù)整車動力系統(tǒng)及驅(qū)動電機性能參數(shù)，選擇合適功率的高壓供電部件；建立電動汽車驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速控制數(shù)學(xué)模型，依據(jù)PID控制理論，通過仿真分析及試驗驗證，給出HCTL-1100內(nèi)部數(shù)字濾波器D（Z）中A、B、K合理值，以精準(zhǔn)控制電機轉(zhuǎn)速。電動汽車行駛中，驅(qū)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(zé)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速等控制，因此控制系統(tǒng)具有極強的實時性、精確性和穩(wěn)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。