摘要：针对整车与电驱系统的参数需求，电机控制器电路设计主要包含主控板和驱动板的原理设计，主控板主要由电源系统、信号采集电路、旋变解析电路、逻辑保护电路、CAN通讯电路等[[[] 李占江,高超,蒋元广等.一种电机控制器的硬件结构系统:中国,201811122202.8[P]. 2019-01-08.]]。驱动板主要实现IGBT的驱动及母线高压采样的功能。
关键词：CAN通讯电路、母线高压采样、电源系统
引言
自然界中，一般来说是物以类聚。其实不论是自然界，工业界也遵守这个规律。例如智能手机由移动电话、数码相机、录音机、录像机、计算机等娱乐数码产品集成，但初期却是各自独立发展的，进入成熟阶段后，由于他们属于一大类，于是人们将它们集成起来，从而成就了一个在如今生活中无处不在的产品[[[] 贺林.电动汽车设计[M].合肥.合肥工业大学.2016-12.]]。
电驱系统的控制部分也是如此，从开始的电机控制器MCU、转向电机控制器SMCU、制动电机控制器BMCU、车载充电机OBC、DC/DC、高压配电单元等的单独存在，演变到如今集成式开发。
其中电机控制器作为整个电力电子单元的核心控制器件，对电驱系统能否正常运转起着决定性的作用。硬件作为软件算法的载体，也是具体功能的执行单位，其上所含电路功能的多少，决定着电机控制算法实现的上限，下述将对本文所设计的电机控制器硬件的主要电路进行介绍。
主控板选择TI公司的高性能TMS320C28x系列32位浮点DSP处理器TMS320C28335作为主控芯片，其外围模块电路如下：
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图1 电机控制器硬件电路原理图
采用TI公司的高性能TMS320C28x系列32位浮点DSP处理器TMS320C28335,其最小系统必须满足下列要求：
IO口至少54个以上；
ADC转化精度要求12位，模拟量输入端口16个；
至少拥有2路CAN通讯功能，其中的一路作为备用；
至少拥有六路PWM；
1、电机控制器硬件板的电源需求与设计
根据MCU控制板的需求设计，其电源系统，需要提供＋24V，＋5V，＋3.3V，＋1.9V。其参数分别要求如下：
表1主控板硬件电源需求表
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2、电机控制器硬件采样电路的设计
主控板主要实现电流、温度、电机同步位置或者速度的采样，其具体设计如下：
直流母线电流采样，以便直接检测母线电流、实现直流母线过流保护功能；使用霍尔传感器采集在经过差分运放进行比例缩放；
温度采集包括三路IGBT温度、电机两路温度采集，由于方案采用三块IGBT并联，共有九路温度信号、考虑到ADC资源的有限性，采集每块IGBT中间一桥臂的温度信号，共3路模拟信号。另外两路温度进行比较得到的过温数字信号再经由DSP进行处理。
本方案旋变电路采集电机同步位置信号，旋变解码芯片采用AU6802，旋变电源+12V，励磁放大电路采用三极管+推挽放大方式。
3、电机控制器逻辑保护电路需求设计
当系统运行中，出现相电流过流、母线电流过流、母线电压过压、IGBT过温、驱动芯片退饱和报错、外部使能控制等任一故障时，硬件保护电路总输出低电平至PWM通道，PWM信号被锁定无输出，同时RS触发器锁存故障并上报DSP，待故障消除后，DSP发出故障清除信号，PWM通道正常工作。逻辑框图如下所示。
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图2 逻辑保护电路逻辑框图
4、电机控制器驱动板电路方案
驱动板主要功能：把控制板发出的PWM波形，放大、隔离，然后驱动IGBT的晶圆，驱动IGBT；同时，完成直流母线电压的采集功能[[[] 张凯,张友军等.表贴式永磁同步电机控制器的设计[J].自动化技术与应用.2018,37(2).]]。所以对驱动板而言，最重要的是功率器件IGBT，为了缩短项目开发周期降低技术风险，本项目大功率控制器采用3块IGBT并联驱动方案。选型过程如下：
假定电池包的额定母线电压UDC为600Vdc。
1）IGBT电压规格选型
① 最高电压Ed=Ubus/3.6*4.3=725V
注：假定选用采用锂电池。
单体电池正常电压3.6V； 单体电池最大电压4.2V
② 尖峰电压Vcesp=(Ed×1.15+Vp)×α=（725*1.15+50）*1.1=883V
过压保护水平(115%)
Vp：线路电感产生的尖峰电压(L×di/dt)，取50V
α：安全因数（通常取1.1）
③选取IGBT的电压Vces=1200V ，必须大于计算值883V。
2）IGBT电流规格选型
根据对国内车用交流电机的调研，按照峰值相电流500Arms估算，Ipeak=550*1.414=778A，考虑到1.5倍安全余量，至少选择1166A@70℃；
结论：根据目前市面各厂家汽车级IGBT的对比，方案如下：
选择Semikron 3块SKiM459GD12E4并联方案；
单块（六合一模块）结构尺寸为：160mm*150mm；
采用3块并联构成三相桥壁，尺寸为490mm*150mm，
这种方案的优点为：是汽车级零部件规格，所留余量大，结构实现较容易；
这种方案的缺点为：整块驱动板体积大，在电力电子控制单元内部所占空间较大；
5、电机控制器驱动电源方案
驱动核电源需求： 原边需要+15V电源输入，驱动功率根据驱动核功率而定，输入功率应该大于驱动核功率。副边IGBT驱动正负电源由驱动核自身隔离DC-DC产生。驱动电源主要参数如下：
表2 驱动板硬件电源需求表
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6、结论
本文针对纯电动车电驱系统的需求，综合考量车辆整体系统的参数，对电机控制器的硬件进行选型与设计，对核心电路进行了详细的设计，对电机控制器硬件的设计具有极大的参考价值。
参考文献