車用驅動電機原理與控制基礎(第2版)

車用電機控制方法及其實現28.1磁場定向控制（FOC）原理四線圈原型電機FOC架構四線圈原型電機有較多的控制自由度。以定子單邊控制為例，四線圈原型電機的基本矢量控制架構如圖8-1所示。該控制架構基于任意MT坐標系，以空間矢量形式表達。圖8-1四線圈原型電機矢量控制基本架構

3PMSM的FOC架構8.1磁場定向控制（FOC）原理

圖8-2PMSM的FOC控制架構48.1磁場定向控制（FOC）原理感應電機的FOC架構與PMSM相對比，感應電機轉子磁鏈的產生來源于定子電流的激勵，因此，在做轉子磁場定向矢量控制時，不能像PMSM一樣通過檢測轉子的機械位置就可以檢測出磁場的方向，需要通過定子電流、轉速以及定子電壓等信號對轉子磁鏈進行分析與估計，才能進行磁場定向控制。轉子磁鏈估計方法可參考8.6節介紹的電壓-電流模式或電流-轉速模型。感應電機磁場定向控制的其他問題與PMSM電機基本雷同。圖8-3感應電機的FOC控制架構5三相交流電

68.2脈寬調制逆變器和空間矢量調制8.2.1定子電壓基矢量定子電壓基矢量

圖8-4定子電壓矢量--繞組由逆變器供電78.2.1定子電壓基矢量定子電壓基矢量

圖8-5定子電壓矢量（100矢量）88.2.1定子電壓基矢量定子電壓基矢量

圖8-6基本電壓空間矢量98.2.2伏秒等效原理和SVPWM七段式SVPWM圖8-7空間電壓矢量的合成

10SVPWM電壓矢量內切圓內切矢量圓

118.2.2伏秒等效原理和SVPWM伏秒等效原理和SVPWM

圖8-8基本電壓空間矢量128.2.2伏秒等效原理和SVPWM伏秒等效原理和SVPWM

圖8-9定子參考電壓矢量合成第二步，在確定扇區后，由組成該扇區的非零電壓基矢量及零電壓矢量，對電壓指令進行合成。138.2.2伏秒等效原理和SVPWM伏秒等效原理和SVPWM圖8-10第一扇區電壓指令三相PWM波形

14七段式SVPMW生成過程七段式SVPWM的生成視頻動畫158.4功率半導體器件功率半導體器件-電力晶體管

圖8-13NPN晶體管的共射連接和伏安特性

168.4功率半導體器件功率半導體器件-MOSFET場效應晶體管（FET）是利用改變電場通過溝道來控制半導體的導電能力的器件，其通過的電流隨電場強弱而改變，它有結型和表面型兩大類，前者是以PN結上的電場來控制所夾溝道中的電流，后者是以表面電場來控制溝道中的電流。用外加電壓控制絕緣層的電場來改變半導體中溝道電導的表面場效應，因而又稱為絕緣柵場效應晶體管。根據絕緣層所用材料不同，絕緣柵場效應管有各種類型。目前應用最廣泛的是金屬-氧化物-半導體場效應管（MOSFET）或簡稱MOS管。圖

8-16功率MOSFET單元結構示意圖圖

8-15MOSFET的電氣圖形符號178.4功率半導體器件功率半導體器件-MOSFET

圖8-17n溝道增強型P-MOSFET的共射電路、輸出特性和轉移特性188.4功率半導體器件功率半導體器件-MOSFET

圖

8-17n溝道增強型P-MOSFET的共射電路、輸出特性和轉移特性198.4功率半導體器件功率MOSFET特點

208.4功率半導體器件（車用）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）圖8-19IGBT的結構示意圖、符號和等效電路

218.4功率半導體器件（車用）絕緣柵雙極晶體管（IGBT）圖8-20IGBT的伏安特性和短路特性

228.4功率半導體器件第三代寬禁帶半導體技術概述

表8-4主要功率半導體材料物理特性表238.5車用電機控制器集成技術車用電機控制器的基本構成車用電機控制器的組成包括硬件和軟件。硬件主要包括功率電路、控制電路和結構散熱等主要部分。軟件包括控制電路MCU的軟件，也包括保護電路里面可編程邏輯器件的軟件。車用電機控制器可以獨立設計也可以與其他車載變流部件或驅動傳動部件集成，以共用散熱結構或/和高壓電路聯接，并最大限度減少機械/電氣連接元件。功率電路主要包括功率模塊、電容器、功率母排等。控制電路包括驅動與保護電路、MCU邏輯電路等。結構散熱主要包括提供防護和支撐的殼體、冷卻流道、接插件等。圖

8-21車用電機控制器組成舉例248.5車用電機控制器集成技術25車用功率模塊其中車用功率模塊的需求特點可以歸結為：1）寬溫度特性：車載運用工況對功率模塊最重要以及最具挑戰性的一個技術指標就是在不降低模塊性能或縮減模塊壽命的情況下，功率模塊可在環境溫度達到105℃的情況下正常運行。2）復雜的運行工況：不同于工業應用中電機拖動，電動汽車運行工況更復雜，例如對應城市工況，車輛需要頻繁運行在加速、減速、巡航各個狀態；隨車輛工況反復波動，IGBT模塊需要在電流、電壓循環沖擊下可靠運行。3）高可靠性要求：車用功率模塊必須和汽車的生命周期保持一致，對IGBT的耐久性提出了更高要求，通常功率模塊的工作狀態壽命為15年及以上。影響功率模塊失效的主要因素包括功率循環、熱循環以及振動等，隨著工作循環次數的增加，功率器件的鍵合點等容易出現失效。

8.5車用電機控制器集成技術26驅動電路實例27驅動的作用288.5車用電機控制器集成技術硬件設計-功率半導體器件IGBT的驅動圖8-22典型的電氣隔離方式示意圖IGBT驅動電路是低壓控制電路和高壓主回路的接口，主要起到驅動功率放大、保護功率器件的作用。對IGBT的開關特性有重要影響，包括開關速度、開關損耗、波形的尖峰和振蕩等。日益提升的電流、電壓以及更高的開關頻率更容易對IGBT產生破壞。IGBT保護電路可以減小IGBT模塊過壓擊穿、短路和過流燒壞、過溫的可能，提高了系統的可靠性和安全性。驅動電路是連接控制回路和功率回路的重要環節，應起到高、低壓電氣隔離的作用。目前主流驅動電路按隔離方式可分為：光隔離、磁隔離、容隔離三大類。1）光耦隔離驅動：光隔離型驅動通常使用光耦合器實現電氣隔離，光耦隔離因信號僅能單向傳輸，副邊高頻干擾信號不會影響到原邊，所以具有抗干擾能力強，工作穩定等優點。但是普遍隔絕電壓較低，同時存在著傳輸延時長、老化等缺點。因目前IGBT驅動普遍在10kHz以下，所以光耦仍能滿足IGBT的驅動工作。2）磁隔離驅動：磁隔驅動采用脈沖變壓器的隔離方式，信號、能量通過磁場方式傳輸，可靠性高、傳輸延遲小，可滿足更高開關頻率下的驅動要求，同時具有成本低、體積小等特點。3）電容隔離驅動：容隔驅動使用電容進行隔離，使用電場方式傳輸信號。具有高速、低延時低偏移的特點，EMI輻射較磁隔離方式更容易處理。同時有些產品內部采用高絕緣性能半導體材料，絕緣電壓可以做到很高，最高可達到5kVrms以上。298.5車用電機控制器集成技術濾波電容設計

308.5車用電機控制器集成技術散熱設計

圖8-24電機控制器冷卻系統熱阻電路等效車用電機控制器以液冷方式為主，主要通過傳導散熱方式對發熱元件進行冷卻。車用電機控制器功率模塊采用緊湊布置方式，可近似認為功率模塊為單一熱源；同時冷卻系統采用優化的設計方案，使得冷卻系統的熱量能夠及時散發，因而可以認為用于電機控制器的散熱器是一個均質發熱體。31電流檢測

圖8-25霍爾式電流檢測原理8.5車用電機控制器技術328.5車用電機控制器技術電流檢測

圖8-26基于采樣電阻的電流檢測原理338.5車用電機控制器集成技術軟件架構圖8-27MCU工作模式轉換示意圖下面舉例說明典型的軟件功能模塊。（1）電機控制狀態機設計。引入狀態機（StateMachine）對于并發任務應用場合非常必要，它可以通過劃分不同工作模式，確保嵌入式控制器對外界輸入做出合理/及時的響應。合理的狀態機設計，能保證逆變器軟件中電機控制在不同工作狀態下的平滑切換與過渡。典型的電機控制狀態機如圖7-21所示。電機的狀態可以劃分為：初始化（Initialization）、就緒（Standby）、高壓上電（HVActive）、轉速控制模式（SpdqCtl）、轉矩控制模式（TrqCtl）、高壓放電（DisCharge）、失效模式（Failure）。（2）電機轉矩控制功能。轉矩控制指MCU接收上位機發送的轉矩控制請求，在考慮電機系統自身工況（電壓、轉速、溫度）的情況下，輸出與工況相匹配的轉矩。涉及驅動電機轉矩控制及功能實現主要包括低速恒轉矩控制區域的最大轉矩電流比（MTPA）控制、高速區域的恒功率弱磁控制、轉速控制、電壓控制等。控制原理即如本書介紹的矢量控制算法。（3）通訊模塊及其他功能。現代汽車的電子結構是主要通過CAN總線通訊系統將不同的ECU連接起來，構成分布控制系統。除總線通訊功能外，電機控制器還要完成故障診斷、熱管理等必要控制功能。34PMSM與感應電機對比PMSM定向感應電機定向

將任意磁場同步MT坐標系選擇到轉子DQ坐標系

358.6交流電機的轉子磁場位置測量與估計8.6.1典型電機位置和轉速測量傳感器電機位置檢測

圖8-28旋轉變壓器安裝及定子繞組結構圖、旋變激勵信號及正余弦返回信號368.6.1典型電機位置和轉速測量傳感器硬件設計-電機位置檢測

圖8-30旋變解碼鎖相環方法原理378.6交流電機的轉子磁場位置測量與估計硬件設計-電機位置檢測對于PMSM的FOC控制，需要機械式電機位置檢測傳感器，而感應電機的FOC僅需要電機的轉速信息，因此感應電機僅需要速度的測量。一種常用的速度傳感器為霍爾轉速傳感器，其采用霍爾效應來測量轉子旋轉速度。霍爾轉速傳感器工作原理如圖8-31所示，其基于霍爾效應原理。將金屬或半導體薄片置于z向磁場中，當x方向有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向（y向）上將產生電動勢。霍爾效應的本質為x方向運動的載流電子要受到洛倫茲力作用。當旋轉齒輪的齒對準霍爾元件時，磁力線集中穿過霍爾元件，可產生較大的霍爾電動勢，反之，當齒輪的空擋對準霍爾元件時，產生較低的霍爾電動勢。隨著旋轉齒輪的旋轉，傳感器輸出的近似正弦的電壓信號，經過信號調理和整形，可生成相對應的方波信號。測量單位時間內的方波脈沖數，就可以計算出旋轉齒輪的轉速。而旋轉齒輪的齒數，決定了該霍爾轉速傳感器的分辨率。最終將霍爾轉速傳感器輸出的方波信號輸送到微處理器進行轉子轉速的計算。圖8-31霍爾轉速傳感器工作原理388.6.2PMSM位置傳感器初始角標定原理

圖8-32PMSM的初始角示意圖圖8-33基于反電動勢法的PMSM初始角標定原理398.6.2PMSM位置傳感器初始角標定原理a)電壓源法b)電流源法

圖8-32PMSM的初始角示意圖408.6.3PMSM的無位置傳感器估計原理

418.6.3PMSM的無位置傳感器估計原理

428.6.4感應電機的轉子磁鏈估計電壓—電流模型圖8-34電壓—電流模型

438.6.4感應電機的轉子磁鏈估計電流—轉速模型

448.6.4感應電機的轉子磁鏈估計電流—轉速模型圖8-35以定子電流和轉速的實測值作為輸入的MT軸系“電流—轉速”模型

45突破功率半導體的瓶頸功率半導體廣泛應用于電子制造行業，傳統應用領域包括消費電子、網絡通信、電子設備等產業。隨著社會經濟的快速發展及技術工藝的不斷進步，新能源汽車及充電樁、智能裝備制造、物聯網、新