MCU電機(jī)控制器都需要控制什么？

電機(jī)是新能源汽車的三大件之一，它決定了新能源汽車的負(fù)載能力、加速能力、爬坡能力和最高車速，是新能源汽車獲得前進(jìn)動(dòng)力的核心部件，同時(shí)也在一定程度上影響了汽車的整車能耗和續(xù)駛里程。

電機(jī)控制器MCU（MotorControl Unit）是電機(jī)的中央控制樞紐，通過控制算法和策略執(zhí)行多項(xiàng)重要功能，目標(biāo)是使電機(jī)的性能發(fā)揮到最佳狀態(tài)，以確保平穩(wěn)高效的駕駛。

那么MCU都需要控制哪些功能呢？

1.DC/AC轉(zhuǎn)換

新能源汽車所使用的電機(jī)主要分為兩類，交流異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)。

這兩種電機(jī)有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是都是交流電機(jī)。交流電機(jī)顧名思義，就是必須要使用交流電才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，這與電機(jī)的工作原理有關(guān)。

以國內(nèi)常用的永磁同步電機(jī)為例，通常將永磁體放在轉(zhuǎn)子上，而定子是一個(gè)線圈，線圈通電后，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。

永磁同步電機(jī)基本原理示意圖

當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)軸線正對(duì)著的時(shí)候（上圖左），磁場(chǎng)之間有相互吸引力，這個(gè)力是徑向的，不會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)軸線有一定夾角的時(shí)候（上圖中），磁場(chǎng)之間有相互吸引力，但是這個(gè)力既有徑向分量，也有切向分量，因此會(huì)產(chǎn)生一定的轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)兩個(gè)磁場(chǎng)軸線垂直的時(shí)候（上圖右），磁場(chǎng)之間有相互吸引力，但是這個(gè)力主要是切向分量，因此會(huì)產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩。

實(shí)際使用的電機(jī)為三相定子繞組，每個(gè)繞組產(chǎn)生的磁通大小與電流成正比！

三相電機(jī)

當(dāng)三個(gè)定子線圈按一定的時(shí)序和電流大小導(dǎo)通后，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子永磁體被這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力拉著旋轉(zhuǎn)，這就是電機(jī)工作的原理。

但是車輛的動(dòng)力電池輸出的是直流電，不能用于電機(jī)的控制。所以MCU首先要做的就是把電池提供的直流電（DC）轉(zhuǎn)換為電機(jī)需要的三相交流電（AC）。

在電力電子中，把交流電變換為直流電稱為整流，而把直流電變換為交流電稱為逆變！

所以MCU電機(jī)控制器中需要具備逆變器電路VSI。VSI電路可以從直流電壓源產(chǎn)生交流電流和電壓。

MCU中的DC/AC轉(zhuǎn)換原理框圖

逆變器電路VSI 中最主要的器件是IGBT！

IGBT是Insulate-Gate Bipolar Transistor的縮寫，表示絕緣柵雙極晶體管，它是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動(dòng)式功率半導(dǎo)體器件，它與MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管結(jié)構(gòu)功能相似，但是可控制的電壓范圍更高，IGBT的應(yīng)用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區(qū)域。

通常采用6個(gè) IGBT 配置3個(gè)半橋來實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換，如果電機(jī)要求的驅(qū)動(dòng)電流更大，還可以增加并聯(lián)IGBT的數(shù)量。

用IGBT組成的VSI電路圖

通過6個(gè)IGBT的開關(guān)通斷控制，就可以實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)定子線圈三相輸入電壓的方向、電流的大小和頻率的變化，從而將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟?/span>

IGBT在開關(guān)過程中，會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電流和過電壓，過電壓會(huì)對(duì)動(dòng)力電池的輸出電壓造成影響，所以在實(shí)際電路中，在IGBT的前端還會(huì)并聯(lián)一個(gè)電解電容，這個(gè)電容就是用于穩(wěn)定母線電壓，承受脈動(dòng)電流。

用于穩(wěn)壓的電解電容

其中的IGBT除了可以實(shí)現(xiàn)DC/AC轉(zhuǎn)換，還可以起到電壓隔離以及保護(hù)的作用。

2.速度、扭矩調(diào)節(jié)

車輛行駛需要加速時(shí)，駕駛員會(huì)踩下加速踏板，所以MCU的輸入主要來自VCU的加速踏板信號(hào)。

速度控制信號(hào)流

MCU收到加速踏板信號(hào)后，根據(jù)信號(hào)大小決定 PWM 脈沖的占空比如何變化，通過PWM信號(hào)控制電源開關(guān)IGBT的通斷，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的交變電流和磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

速度控制原理框圖

總體過程是MCU從整車控制器VCU獲得整車的需求，從動(dòng)力電池包獲得電能，經(jīng)過自身逆變器的調(diào)制，獲得控制電機(jī)需要的電流和電壓，提供給電動(dòng)機(jī)，使得電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足整車的要求。

控制的同時(shí)也會(huì)將傳感器信息（電機(jī)位置、相電流、溫度等），反饋給VCU，以實(shí)現(xiàn)精確控制。

電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的形成是由于轉(zhuǎn)子受到電磁力的作用，轉(zhuǎn)速大小主要受到定子磁通變化速度的影響，但是轉(zhuǎn)速大小同時(shí)還與力矩有密切的關(guān)系。

轉(zhuǎn)矩（功率）-轉(zhuǎn)速曲線

轉(zhuǎn)矩（功率）-轉(zhuǎn)速曲線是電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（功率）隨著轉(zhuǎn)速變化的曲線。從圖中我們可以看出在電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，分為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)兩部分，兩部分交界轉(zhuǎn)速為基速。

通過力矩轉(zhuǎn)速曲線可知：

基速以下力矩是恒定不變的，功率隨著轉(zhuǎn)速的升高而變大；

基速以上力矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小，此時(shí)功率已經(jīng)達(dá)到最大， 保持不變。

為什么高速時(shí)，力矩會(huì)越來越小呢？

這是因?yàn)殡姍C(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，定子繞組切割磁力線，本身也會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)速越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大，而反向電動(dòng)勢(shì)會(huì)減小電流，削弱力矩。

根據(jù)這個(gè)特性，所以電機(jī)的速度調(diào)節(jié)分為兩個(gè)部分，基速以下的恒轉(zhuǎn)矩控制以及基速以上的弱磁控制。

兩種控制方式可以理解為：

在額定轉(zhuǎn)速以下，保持磁通恒定采用變壓/變頻進(jìn)行調(diào)速；
在額定轉(zhuǎn)速以上，保持輸入電壓恒定，采用弱磁繼續(xù)提升電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.1恒壓比調(diào)速

根據(jù)同步電機(jī)的運(yùn)行原理，當(dāng)電機(jī)的極對(duì)數(shù)P確定后，電機(jī)的轉(zhuǎn)速n由供電電源的頻率f決定。電機(jī)轉(zhuǎn)速如下公式所示：

所以只要控制供電電源的頻率f，即可控制電機(jī)運(yùn)行在不同的轉(zhuǎn)速。

而轉(zhuǎn)矩與電壓/頻率比相關(guān)，按恒定電壓/頻率比運(yùn)行時(shí)，最大電磁轉(zhuǎn)矩可以保持不變。

所以在轉(zhuǎn)速升高的同時(shí)，要想保持轉(zhuǎn)矩不變，就要升高電壓。

恒壓比調(diào)速的工作特性是保持定子磁通為恒定值，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比關(guān)系。

當(dāng)電機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，由于耐壓限制不能通過輸入電壓來獲得轉(zhuǎn)速提升，這就需要我們對(duì)電機(jī)進(jìn)行弱磁控制進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)速繼續(xù)提升。

在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)采用轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)定子、轉(zhuǎn)子磁極的相對(duì)位置和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。

知道轉(zhuǎn)子磁極位置后，通過驅(qū)動(dòng)板控制逆變器IGBT的導(dǎo)通順序和開關(guān)頻率，來實(shí)現(xiàn)供電電源頻率的變化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了電壓的變化。

V/F具有簡(jiǎn)單有效、受電機(jī)參數(shù)影響小的優(yōu)勢(shì)，是最常用的電機(jī)調(diào)速方法。

2.2電機(jī)弱磁控制

電機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)是由于定子線圈切割磁力線產(chǎn)生的，要想降低反向電動(dòng)勢(shì)，就要降低磁通強(qiáng)度。

我們知道永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由永磁體構(gòu)成，所以它的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)不能改變，是一個(gè)恒定值。

如果想要降低磁通強(qiáng)度只有調(diào)節(jié)定子電流，即增加定子直軸(d軸)去磁電流分量來維持高速運(yùn)行時(shí)電壓的平衡，以達(dá)到弱磁增速的目的。

這里稍微說明一下，q軸方向表示垂直于轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向，這個(gè)方向的磁場(chǎng)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩最大的方向。

而其它方向的定子磁場(chǎng)，也就是與q軸無關(guān)的為d軸，d軸方向的磁場(chǎng)越大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩越小。

dq軸是隨轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的！

永磁同步電機(jī)電壓、電流限制圓

由上圖可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速由WA提高至WB時(shí)，電壓極限圓會(huì)不斷縮小，定子電壓不斷上升。圖中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為TA，即電機(jī)在轉(zhuǎn)速WA時(shí)可以輸出的最大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)電壓和電流均達(dá)到最大值不能再繼續(xù)增加，所以WA是電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)折速度，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于WA時(shí)轉(zhuǎn)矩會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的上升會(huì)逐步減小。

電壓平衡方程如下：

通過上式可知，當(dāng)電壓U達(dá)到極限時(shí)，要想讓轉(zhuǎn)速W繼續(xù)上升就要通過調(diào)整id和iq來實(shí)現(xiàn)。電流的合成矢量值同樣存在極限，要想增大id就必須減小iq，才能保證電流矢量大小保持不變。

所以弱磁的工作過程就是通過控制逆變器IGBT，使定子電流相位提前，利用定子電樞的磁場(chǎng)去抵消掉一部分永磁磁場(chǎng)，削弱永磁勵(lì)磁磁場(chǎng)，讓電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)降低，不至于超過電壓極限，從而達(dá)到弱磁升速的目的。

簡(jiǎn)單理解，就是電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)太高，太強(qiáng)大，控制器電壓已經(jīng)到了極限，無法繼續(xù)以提升電壓的方式戰(zhàn)勝電機(jī)取得電動(dòng)電流，那么控制器就使用弱磁，削弱電機(jī)，把電機(jī)的反向電動(dòng)勢(shì)拉到比控制器更低的地方，這樣控制器電壓依然比他強(qiáng)大，還是可以形成電動(dòng)電流。

這個(gè)道理就像高鐵一樣，速度越快，風(fēng)阻越大，速度達(dá)到一定程度時(shí)就克服不了風(fēng)阻繼續(xù)提速，如果當(dāng)前動(dòng)力已經(jīng)不能再增大，那就想辦法減小風(fēng)阻。

3.電動(dòng)和發(fā)電

MCU可以控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，電機(jī)正轉(zhuǎn)車輛前進(jìn)，電機(jī)反轉(zhuǎn)車輛倒車。

控制器還能在再生制動(dòng)過程中反向?yàn)殡姵?strong>充電。

機(jī)電能量轉(zhuǎn)換

電機(jī)有兩個(gè)工作狀態(tài)，電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)。

電動(dòng)狀態(tài)就是車輛正常行駛時(shí)，電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，是驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)，也是用電的狀態(tài)。

其能量轉(zhuǎn)換的過程是逆變器從電池獲取功率，電池放電；電機(jī)從逆變器獲取電功率，電機(jī)輸出機(jī)械能，電機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速同向，電機(jī)推動(dòng)車輛，此時(shí)功率大于0；

發(fā)電狀態(tài)是在車輛因慣性行駛或被拖動(dòng)時(shí)，電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，是饋電的狀態(tài)。

發(fā)電狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換過程是車輛帶動(dòng)電機(jī)，電機(jī)力矩與轉(zhuǎn)速反向，軸上輸入機(jī)械能，機(jī)械能通過電機(jī)輸出交流電，逆變器再轉(zhuǎn)為直流電，此時(shí)功率小于0.

這里要注意的是，電機(jī)的反向轉(zhuǎn)動(dòng)并不一定是發(fā)電狀態(tài)，比如正常倒車時(shí)，電機(jī)是反向，但此時(shí)卻是是電動(dòng)狀態(tài)。

車輛是否為發(fā)電狀態(tài)可以根據(jù)轉(zhuǎn)速與力矩的方向判斷，轉(zhuǎn)速與力矩相反時(shí)為發(fā)電狀態(tài)。

比如行駛時(shí)踩剎車，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速為正向（向前），但是剎車給了它一個(gè)反向的力矩（向后），此時(shí)就是發(fā)電狀態(tài)。

同樣的道理，倒車時(shí)踩剎車和下坡時(shí)也是發(fā)電狀態(tài)。

電動(dòng)狀態(tài)的電能傳輸過程為：電池的電壓進(jìn)到電機(jī)控制器，直流電變成交流電，交流電壓的幅值取決于控制系統(tǒng)內(nèi)部的控制以及對(duì)應(yīng)的BUCK電路上工作的PWM占空比。

電動(dòng)狀態(tài)能量傳輸過程

當(dāng)電機(jī)控制器產(chǎn)生的電壓大于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)值的電壓，電流是從高電壓的控制器流向電機(jī)，形成電動(dòng)的電流。

在同一個(gè)轉(zhuǎn)速下，通過調(diào)節(jié)負(fù)載交流電壓，進(jìn)而在控制器電壓和電機(jī)電壓之間形成不同的壓差（即負(fù)載交流電壓與空載反電勢(shì)的壓差），電從控制器流向電機(jī)，就可以轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的電動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩了。

發(fā)電狀態(tài)的過程是當(dāng)控制器產(chǎn)生的電壓小于當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)值的電壓時(shí)，電流是從電機(jī)流向控制器，然后通過BOOST電路將電流向電池，形成發(fā)電的電流。

發(fā)電狀態(tài)能量傳輸過程

在同一個(gè)轉(zhuǎn)速下，通過調(diào)節(jié)控制器的電壓高低，進(jìn)而在電機(jī)和控制器之間形成不同的壓差。發(fā)電狀態(tài)控制的核心就是通過控制控制器電壓小于電機(jī)電壓的差值來形成所需要的發(fā)電性能。

這里的BOOST電路是利用IGBT配合電感電容形成的升壓電路。

所以通過IGBT電路不僅可以把輸入的直流電變成所需要頻率的交流電，也可以把交流電反向轉(zhuǎn)變成直流電。發(fā)電過程中，IGBT也存在兩種狀態(tài)，在IGBT不工作時(shí)，是整流發(fā)電，在IGBT工作時(shí)是BOOST發(fā)電。

小結(jié)：

電機(jī)控制器MCU首先要做好電源的直流和交流轉(zhuǎn)換，這是為了控制驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)和電壓反饋充電。在此基礎(chǔ)上，通過控制輸出電壓、電流，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。此外，MCU還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的溫度、電流和電壓等關(guān)鍵參數(shù)，除了優(yōu)化電機(jī)性能外、還要做好過溫和過載保護(hù)！