一文带你看懂电机控制器

电机控制器是驱动电机系统的控制中心，又称为智能功率模块，简称MCU。目前电机控制器总体上正在朝多合一的集成化发展，这样有利于减小驱动系统的体积，以及减少连接的线束，有些车型上的电机控制器不仅控制驱动电机，而且还控制发电机，为双电机控制器，比如理想One。

一.电机控制器的组成

电机控制器以IGBT模块(绝缘栅双极型晶体管)为核心，主要由控制板、冷却水道、UVW高压插件、直流高压插件、IGBT模块及驱动板组成。电机控制器内部设有故障诊断电路，当诊断出系统异常时会激活一个错误代码，发送给整车控制器，同时也会存储该故障码和数据。

二.电机控制器的原理

电机控制器主要依靠电流传感器、电压传感器、温度传感器等来进行电机运行状态的监测，根据相应参数进行电压、电流的调整控制以及其他控制功能的完成。电流传感器用于检测电机工作实际电流，包括母线电流、三相交流电流;电压传感器用于检测供给电机控制器工作的实际电压，包括动力电池电压、12V蓄电池电压;温度传感器用于检测电机控制系统的工作温度，包括IGBT模块的温度。

电机控制器是通过调节电压大小、频率高低、相位变化等参数来控制电机的运转，即通过相应的电力转换来控制电机工作。所谓的电力转换就是直流与交流、电压与频率的转换。电力转换形式有交流→直流转换、直流→交流转换、直流→直流转换和交流→交流转换。

电机控制器接收档位开关、加速踏板位置、旋转变压器、制动等信号，经过判断和逻辑运算之后控制电机的正反转以及转速。电机控制器工作框架如图所示。

电机控制器主要包括控制电路板和驱动电路板两部分。控制电路板以信号采集、旋转变压器解码、模数转换以及CAN通信功能为主，并计算出所需占空比，产生正弦PWM(脉宽调制)信号。驱动电路板以电源控制、功率调节为主，通过IGBT向驱动电机输送U、V、W三相交流电。

三.电机控制器的功能

电机控制器作为电动汽车中连接动力蓄电池与驱动电机的电能转换单元，是电机驱动及控制系统的核心。它从整车控制器获得整车的需求，从动力蓄电池获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给电机，使得电机的转速和转矩满足整车的加速、减速、制动、停车等要求。

电机控制器具有以下功能

1.把直流电变成交流电。

2.控制电机正反向驱动、正反转发电。

3.控制电机的动力输出，同时对电机进行保护

4.通过CAN总线与其他控制模块通信，接收并发送相关的信号，间接地控制车上相关系统的整车运行。

5.制动能量反馈控制。

6.自身内部故障的检测和处理。

7.采集P档、R档、N档和D档位信号。

8.采集制动传感器信号。

四.电机控制器的控制方式

电机控制方式主要有电压控制方式、电流控制方式、频率控制方式、弱磁控制、矢量控制、直接转矩控制。由于驱动电机结构的不同，其控制方式也不尽相同。

1.异步电机

异步电机是一个多输入输出系统，其中变量电压、电流、频率、磁通、转速之间又相互影响，所以又是强耦合的多变量系统。对异步电机的控制主要有转差控制、矢量控制以及直接转矩控制等。

除此之外，PID控制、自适应控制、模糊控制等现代控制和智能控制理论也开始应用于异步电机的控制。

2.同步电机

为了提高永磁同步电机控制系统的性能，使其具有更快的响应速度、更高的转速精度、更宽的调速范围，提出了各种新型控制策略用于永磁同步电机控制永磁同步电机控制主要有矢量控制、直接转矩控制、智能控制等。下图为特斯拉同步电机第三代和第四代电机控制器控制板。

在永磁同步电机系统中应用智能控制时，也不能完全摒弃传统的控制方法，必须将两者很好地结合起来，才能彼此取长补短，使系统的性能达到最优。

3.开关磁阻电机

开关磁阻电机不同于常规的感应电机，因其自身结构的特殊性，既可以通过控制电机自身的参数(如开通角、关断角）来实现，也可以用适用于其他电机上的控制理论，如PID控制、模糊控制等，对功率变换器部分进行控制，进而实现电机的速度调节针对开关磁阻电机自身参数进行控制，主要有角度位置控制、电流斩波控制和电压控制。

角度位置控制的优点在于，转矩调节的范围宽;可同时多相通电，以增加电机的输出转矩，同时减小了转矩波动;通过角度的优化，能实现效率最优控制或转矩最优控制角度位置控制不适于低速场合，因为在低速时，旋转电动势较小，使电流峰值增大，必须采取相应措施进行限流，故一般用于转速较高的场合。

电流斩波控制的优点在于，它适用于电机的低速调速系统，可以控制电流峰值的增长，并有很好的电流调节作用；因每相电流波形会呈现出较宽的平顶状，使得产生的转矩比较平稳，转矩的波动相应地比其他控制方式要小。

然而，由于电流的峰值受到了限制，当电机转速在负载的扰动作用下发生变化时，电流的峰值无法做出相应的改变，使得系统的特性比较软，因此系统在负载扰动下的动态响应很缓慢。

电压控制的优点在于，它通过调节绕组电压的平均值进而调节电流，因此可用在低速和高速系统，且控制简单，但它的调速范围有限。

开关磁阻电机也可以采用多种控制方式相组合的方法。如高速角度控制和低速电流斩波控制组合，变角度电压斩波控制和定角度电压斩波控制等。这些组合方式各有优势及不足，因此必须针对不同的应用场合和不同的性能要求，合理地选择控制方式，才能使电机运行于最佳状态。

来源：新能源汽车技术分享

新能源汽车之电机控制器

一、电机控制器的作用及组成

电机控制器（MCU）是纯电动汽车驱动电机控制系统的重要组成部件，它主要起到调节电机运行状态，使其满足整车不同运行要求的目的。具体来说就是 MCU 从整车控制器获得整车需求（挡位、加速、制动等指令），从动力电池获得电能，经自身逆变器调制，获得驱动电机所需电能，从而使电机的转速和转矩满足整车的要求（启动、加速、制动、减速、爬坡、能量回收等）。

电机控制器是驱动电机系统的控制中心，英文缩写为MCU，主要由控制模块、驱动模块、功率模块、传感器及散热风扇等组成。

二、逆变的基本原理

1.逆变

车辆工作过程中，动力电池输出直流电，并输入给电机控制器，电机控制器将直流电变成交流电，然后输出给电机进而传递给车辆驱动装置，在此过程中，将直流电变成交流电的过程，称为逆变。

2.典型逆变电路

如图下所示，以单相桥式逆变电路为例，S1~S4是桥式电路的 4 个臂，通过改变开关S1~S4的闭合状态，即可改变负载的电压电流方向。

按照一定频率的开启和关闭开关，可以实现负载电压U0由正至负，即电流由直流变为交流。其中，可以使用 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）实现开关的开启和关闭功能，使用 PWM（脉冲宽度调制）实现开关频率控制。

3.电机控制器工作原理

在驱动电机系统中，电机控制器对所有的输入信号进行处理，根据位置传感器检测到转子位置信号，经处理后得到电机实际转速信号；根据挡位、加速、制动踏板等信号，处理后得到电机的需求转速；并通过矢量控制，得到 PWM 发生器的输入信号，通过驱动电路产生控制逆变器功率元件（IGBT）导通和断开的控制信号，输入给逆变器，从而控制车辆的启动运行、行驶速度、刹车等行驶状态；同时，MCU将系统运行状态通过CAN网络进行信息共享发送，从而实现车辆行驶状态的反馈。

驱动电机控制器对驱动电机的控制分为驱动控制、速度控制、方向控制和制动控制。

（1）驱动控制：MCU 内部的逆变器将动力电池提供的两相直流电逆变为电压、频率可调的三相交流电，供给驱动电机并驱动汽车运行。

（2）速度控制：采用PWM控制改变逆变器输出的三相交流电的电压和频率就可以改变电机的转速转矩，从而对汽车进行调速。

（3）方向控制：通过改变逆变器中IGBT的导通顺序就可以改变输出三相交流电的相序，实现电机反转，从而改变汽车的运行方向。

（4）制动控制：驱动电机作为发电机运行将动能变为电能产生三相交流电，经逆变器变为直流电反馈回动力电池，进行再生制动。

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