电动汽车电机控制器驱动板设计方法及实现

图 １ 电机控制器基本构成
+ 控制板件设计 控制板件在电机控制器中的主要功能为提供 ＩＧＢＴ所需的
开关信号，从 而 实 现 直 流 电 到 交 流 电 的 转 换。 为 实 现 这 一 功 能，控制板件首先要能发出 ＰＷＭ波；其次还要精确采集电压电 流信号；也必须要能通信，得百度文库目标转矩转速等信号；还需要有 强大的运算功能等。控制板件的典型组成如图 ２。
! 引言 电机应用在现代社会的方方面面，小到电动玩具、电风扇、
空调、洗衣机，大到电站的 ＭＷ 级电机。本文主要介绍应用于 电动汽车驱动和船舶驱动等领域的异步电机或永磁同步电机 的控制板件的设计方法。 " 背景介绍
首先简单介绍电机控制器的总体构成。电机控制器其实 就是一部逆变器，它将动力电池的直流电转换为电机转动所需 要的交流电，通过电压、频率等的改变，从而控制电机输出的转 速或转矩。
模拟量采集电路是控制板件设计的重中之重。控制板件 需采集的模拟信号包括：电流、电压、温度。其中电流信号与控 制关系紧密，精度要求最高，如果电流信号干扰过大甚至会使 整张控制板报废。电压和温度主要是与故障控制相关，精度要 求稍低。
电流：需要 检 测 输 出 交 流 电 流。 控 制 时 只 需 用 到 两 相 电 流，从成本考虑可只采集两相，但如需检查缺相等故障，采集三 相电流更为可靠。电流信号的输入一般采用霍尔电流传感器。
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创新与实践
ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＭＡＲＫＥＴ Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１１，２０１８
汽车上的电机控制器很多使用 Ｉｎｆｉｎｅｏｎ的产品，此外 ＮＸＰ、ＳＴ 等公司主控芯片也有大量使用。选用时可根据工程师使用习 惯、成 本、售 后 等 做 综 合 考 虑 进 行 选 用。 本 文 以 ＴＩ的 ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５（后简称 ２８３３５）为例进行说明。
电机控制器的基本构成如图 １，主要有叠层母排、支撑电 容 、ＩＧＢＴ、三 相 铜 排 、电 流 传 感 器 、电 压 传 感 器 、驱 动 板 和 控 制
板这 些部分。 而预充电 接 触 器 、预 充 电 电 阻 和 主 接 触 器 一 般 位于控制器外，用于防止上电瞬间充电电流过大，当支撑电容 上电压较为稳定后使用主接触器将预充电电路切出。电流传 感器的数量，根据对控制的要求不同而 不同。为保 护 ＩＧＢＴ， 很多应用中还会使用吸收电容对尖峰电压进行吸收。在电动 汽车应用中，控制器的直流输入来自于动力电池；而在船舶等 应用 中，控制 器的直 流 输 入 来 自 于 整 流 系 统 的 输 出 。 根 据 不 同的冷却方式，电机控制器结构也会有所不同，自然冷却会有 散热翅片，风冷会有风扇和散热翅片，水冷会有冷却水道和进 出水嘴。此外，如果控制器有制动功能，控制器内还会有一路 制动电路。
电压：需检测母线电压。电压信号的输入可采用霍尔电压 传感器。但由于成本较高，也可采用其他方案，比如电阻分压 加上隔离芯片的方法。在实际操作中，也可考虑将电压采集部 分单独做在一张 ＰＣＢ板上，这样控制板上不会有很高的电压， 比较安全。
温度：需要检测包括电机温度、ＩＧＢＴ温度以及控制器想要 采集的其他位置的温度。电机的温度采集一般采用 ＰＴ１００传 感器，它的好处是电阻与温度的关系是恒定的，不会因为品牌 和购买渠道的差异而产生变化。ＩＧＢＴ上的温度传感器一般是 ＮＴＣ传感器，这是负温度系数的传感器，温度越高，电阻越低， ＮＴＣ的电阻与温度的关系不是固定的，使用时需找到相应 ＮＴＣ 的计算公式；ＮＴＣ的优点在于价格较为便宜，处理电路也较为 简单。
２．１ 最小系统 最小系统是整个控制板件的核心。最小系统包括主控芯
片及其周边器件，比如 ＪＴＡＧ调试接口、晶振电路、复位电路等。 在实际电机控制应用中，比较常用的主控芯 片 有 ＴＩ的 ２８系 列，Ｉｎｆｉｎｅｏｎ的 ＴｒｉＣｏｒｅ系列等。其中传统的变频器厂家使用 ＴＩ 系列的较多，而由于 Ｉｎｆｉｎｅｏｎ在汽车级产品方面做得较好，所以
实际应用中 需 要 统 计 板 上 各 个 芯 片 所 需 的 电 源 电 压、电 流、是否隔离、上电顺序是否有要求等信息，对电源进行设计。 可自行设计变压器产生多路电源；也可采购现成的成熟的电源 模块；５Ｖ转 ３．３Ｖ等应用可采购相应的 ＬＤＯ芯片并参照数据 表进行外围电容电感选用。５Ｖ或 ３．３Ｖ处可设计 ＬＥＤ上电 指示灯，方便调试时知道控制板件是否已上电。 ２．３ 模拟量采集模块
以上信号在进入主控芯片前都需经过滤波处理，滤除信号 传输过程中产生的毛刺，但对电流信号的滤波电容不应选择过 大，这样不至于造成较大相移影响控制。还需经过运放对电压 范围进行调整，以免超出主控芯片 ＩＯ口的电压阈值，在 ２８３３５ 中不能超过 ３Ｖ。可在信号进入主控芯片前采用钳位二极管进 行钳位，保证电压不超过范围。
技术与市场 ２０１８年第２５卷第１１期
创新与实践
电动汽车电机控制器驱动板设计方法及实现
赵 霁，程 青
（清华四川能源互联网研究院，四川 成都 ６２０２１３）
摘 要：介绍了汽车、船舶等领域电机控制器中的驱动控制板件的设计方法。介绍了电机控制器及电机控制板件的典型 构成，并详细介绍了最小系统、电源模块、模拟量采集模块、故障处理模块、继电器模块、ＰＷＭ模块、通信模块、速度检测模 块的设计思路及注意事项。还介绍了与控制板件质量相关的其他因素。 关键词：电机控制；模拟量采集；速度检测 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０１８．１１．００９
图 ２ 控制板件典型构成
控制板上可使用 ＥＥＰＲＯＭ来储存电机参数以及控制中所 需要的其他大量参数。ＥＥＰＲＯＭ 可通过 ＳＰＩ接口或 Ｉ２Ｃ接口 与主控芯片连接。 ２．２ 电源模块
在船舶等工业应用领域，电源的典型输入为 ２４Ｖ，在电动 汽车等应用领域，电源的典型输入为 １２Ｖ或 ２４Ｖ。２８３３５芯 片正常工作需要 ３．３Ｖ和 １．９Ｖ两路电源，板上其他常用的典 型电平应该还包括 ５Ｖ，正负 １５Ｖ等。５Ｖ是运放芯片、ＣＡＮ 芯片等需要的电源，正负 １５Ｖ是驱动板、传感器所需电源。