电机控制器设计简述

一、控制器概述

控制器是电驱动系统的核心控制单元。主要将来自动力电池的直流电转化为交流电输出给驱动电机，并对驱动电机进行实时控制，最终控制电动车辆的启动运行，进退速度、爬坡力度等行驶状态。

二、控制器的组成

控制器主要由支撑电容、IGBT、驱动板、控制板、EMC滤波板、电流传感器、磁环、铜排、散热器、机箱、连接器、线束等部分组成，具体器件介绍如下：

2.1 IGBT是绝缘栅双极晶体管，在控制器内主要起交直流转变的作用，是电机控制器的核心电子器件，它的选型决定了控制器的输入输出特性。

目前乘用车控制器内应用最广泛的就是英飞凌HPDriver模块了。不过随着国产器件的发展，国内中车及BYD等都有类似封装的IGBT。

随着近年来新能源技术的不断发展创新，控制器内不再局限于使用IGBT模块。TESLA Model 3、Audi etron、Toyota prius等车型的出现，也使得单管IGBT、双面水冷IGBT、SiC等功率器件在控制器内开始百花齐放。

图1 英飞凌HPD FS820R08A6P2B IGBT模块

2.2 支撑电容：支撑电容主要在控制器内使直流母线上的电压波动保持在允许范围内，并且防止来自直流母线的电压过冲和瞬时过电压对IGBT的影响。目前主要采用金属聚丙烯薄膜介质电容器。支撑电容在控制器内部属于定制件，需要依据电控内部具体布局设计外形，然后由供应商依据外形设计内部布局。

图2 一种支撑电容

图3 一种电流传感器

2.3 电流传感器：电流传感器主要在控制器内用于检测直流母线输入电流及交流三相输出电流。

2.4 驱动板：驱动板主要在控制器内用于集成驱动电路。包含IGBT驱动部分、电源转换部分、电流采样部分及通信部分等。

2.5 控制板：控制板主要在控制器内用于集成控制电路。包含主控芯片、PWM输出电路、滤波电路、加密芯片、旋变解码电路等。

2.6 EMC滤波板：EMC滤波板主要在控制器内用于集成X/Y电容滤波电路。

2.7 磁环：磁环主要在控制器内用于EMC滤波。

2.8 机箱：控制器外壳，用于集成内部所有器件并提供安装位置；提供诸如密封、承受冲击和振动、方便维修、对IGBT进行冷却、防EMC等功能。

2.9 铜排：铜排主要用于连接各器件，承载电流。

三、控制器模块化设计

现阶段绝大部分电机控制器都是属于客户定制品。首先由主机厂将所开发车型需求的电机控制器的相应要求整合为SOR，然后将SOR分发给零部件供应商。零部件供应商依据SOR开发对应的电机控制器。

零部件供应商设计控制器一般分三部分：结构设计、硬件设计、软件设计。依据控制器的零部件分为IGBT选型、支撑电容参数确定、电流传感器选型、驱动板及控制板的设计属于硬件设计；机箱、散热器、固定支架、铜排、屏蔽板等属于结构设计。

3.1控制器的设计流程

①、审核主机厂SOR，并就相关问题与客户沟通并达成一致；

②、依据SOR中的相应参数对电子器件选型。此时需要根据工作电压，工作电流等参数信息选择功率器件IGBT（本文中功率器件选用IGBT模块）、支撑电容工作电压及容值、电流传感器型号等；

③、依据SOR中相应参数设计驱动板PCBA及控制板PCBA；

④、依据SOR中相应信息选择输入/输出连接器及低压信号连接器；

⑤、依据SOR中客户提供的包络尺寸及连接器位置对控制器进行结构设计。包含元器件布局、散热器设计、铜排连接设计、线束走线设计、仿真（强度/散热/NVH/EMC），以及软件开发等；

⑥、控制器打样及样件装配；

⑦、控制器DVP测试；

⑧、控制器开模、小批量试产、OTS认证、SOP。

3.2 结构设计

如上面所说，如果公司硬件平台已经确定的，绝大部分控制器的设计工作都主要集中在控制器的结构设计上。要求结构工程师不仅要有机械领域的专业知识（机械设计、材料、力学、模具、机械加工制造、工艺、机械制图等），而且需要懂得一定的电气领域知识。否则，设计出的电机控制器就会存在各种问题。

3.2.1 结构设计流程

首先根据客户提供的包络尺寸及连接器、水嘴、安装脚位置，进行初步方案布局。主要是在包络尺寸内将各器件摆放在合适的位置。初步方案布局的重点主要是以下几条：

1）尽量将交直流隔离，将控制器的直流输入端和交流输出端隔离开，避免二者交叉形成相互干扰，不利于EMC。

2）强弱电分离，将控制器内部的高压强电与低压弱电尽量隔离开。

3）线束走线合理，尽量减少线束种类及缩短线束长度。

4）预留输入输出位置EMC整改空间。

5）控制器重心尽量位于中心位置。

其次是提供外形数模给客户确认。初步方案需要给客户提供外形数模，外形数模图中应该将与客户相关的接口（连接器及进出水嘴位置、朝向、标识）标识清楚。

然后是详细方案设计，详细方案设计主要指对控制器内部的各零件进行具体的三维结构设计和DFMEA设计。并且应该是先做DFMEA文件，再依据DFMEA文件进行结构设计。各零部件的具体结构设计后面分零部件详细介绍。

再次是评审打样，控制器的详细方案完成后需要组织设计、工艺、质量、采购、计划等人员进行方案评审。具体评审内容应该包括结构合理性、工艺可行性、质量可控性、采购周期等等要点，最终要输出评审记录表。评审完成后依据评审结果修改详细方案。

最后是样机装配测试，样机物料到后组织样机装配，并记录装配过程中发现的问题点。装配完成后根据DVP进行相应的试验工作并输出试验报告。

3.2.2 零件材料

零件材料一般要依据零件的作用来选择，同时也要考虑可制造性及成本：

1）通常机箱我们选用铝合金材料。因为铝合金导热系数高，切削性能好，价格便宜且密度比较小。在开模前的机加工件机箱，一般选用切削性能比较优异的6061。开模后，为适应批量生产，一般选用压铸铝合金ADC12。

2）铜排主要是承载大电流，所以一般选择导电性能优异的紫铜。表面辅以镀镍或镀锡处理。

3）屏蔽板主要是在控制器内部起到屏蔽的作用。所以一般选择金属材料。如果屏蔽板结构层次复杂，一般同机箱一样选用铝合金。如果是平板结构，一般采用钣金件，冷板即可。

4）绝缘支撑件，由于这类零件要起到绝缘的作用，一般都选用绝缘材料。通常都选用尼龙+玻纤。

3.2.3 散热设计

控制器内IGBT是主要的发热器件，工作状态下热量比较大，需要及时将热量导出去以保证其能正常工作。所以散热水道就是关键点。散热水道依据选用IGBT功率模块的型号，分两种情况：

图4 HPD封装推荐水道设计

1）IGBT基板底面带有PinFin。例如常用的英飞凌HPD（FS820）模块。这一块直接按照英飞凌推荐设计。值得注意的是，由于车型不一样，整车冷却水道也不一样，所以控制器的进出水嘴位置也不一样。即使是按照官方推荐水道设计的，我们也要对控制器的水道进行散热仿真分析，并且需要输出热仿真分析报告。

2）IGBT基板底面为平面。常在机箱的底部外表面设计水道盖板，水道盖板与机箱采用摩擦焊工艺连接。所以为防止水道盖板鼓包，散热水道的区域不能设计太大。在部分散热水道必须很大的情况下，水道中间必须增加焊接点保证强度。此外，为便于IGBT的装配，机箱内IGBT配合面应设计定位结构。

控制器内的铜排由于承载大电流，也是一个重要的发热器件。铜排的设计重点要关注其截面积。

3.2.4 防振动设计

目前各主机厂对控制器的振动要求，以随机振动为例，基本都是3G起步，部分极端的要求承受10G振动，所以控制器的零部件设计需要注意防振：

1）各零件（特别是比较重的器件）的固定点设计。根据器件的外形合理布局固定点，并且需要考虑固定脚的强度。

2）薄壁类零件的强度、刚度设计。根据要求合理设计壁厚。增加凹凸等结构增加强度。钣金件有条件增加折弯，无条件设计翻边。

3）PCBA器件布局。PCBA上的芯片、电感、变压器及连接器等最好设计在PCBA固定孔旁边，并且PCBA固定孔要合理布局，间距不能太大。

4）线束绑扎设计。线束的两端接口位置必须设计绑扎，中间在适合位置设计绑扎，避免晃动。

3.2.5 密封设计

控制器一般要求IP67。所以，要关注以下几点：

1）连接器选型。所有外部连接器必须选择满足IP67级别；

2）密封圈工作状态直接涉水区域，如上述HPD模块，密封圈直接选用推荐结构。工作状态不直接涉水位置，如上盖与机箱配合面，密封圈通常有如下几种形式。

3.2.6 EMC设计

控制器的EMC设计主要还是遵循三大原则：交直流分隔、强弱电分离及屏蔽接地。这是从结构方面主动处理EMC问题。

此外，一般在直流输入侧设计磁环及滤波板，在三相输出端设计磁环。这两种方式属于被动整改。最主要的还是从源头上解决EMC问题，即PCBA设计时从电路端及PCBA布局多考虑。

3.2.7 可装配性设计

控制器属于一种多器件装配成的电子组件。所以内部器件在设计时要考虑可装配性。并且目前很多装配车间都引入了自动化装配线，能够有效提升效率并降低成本。所以在器件设计时更要考虑如何适配自动化装配。

1）定位设计：零部件相互配合出设计定位孔定位销等结构限位；

2）防呆设计：对于对称的零部件，要注重防呆设计，避免装配错误；

3）组件化设计：控制器内相关联的一些器件，可以设计为一个组件以适配自动化装配；

4）螺丝统一化设计：各零件的固定螺丝相同规格的尽量采用同一型号。减少装配时拿错螺钉的概率。

3.2.8 轻量化设计

国家新能源发展政策对于控制器的功率密度要求越来越高，所以在对控制器的零部件进行设计时要合理进行减重设计，在保证质量的前提下，尽可能减少重量。

3.3硬件设计

控制器的硬件设计主要是设计相应的电路，然后将电路体现在驱动板及控制板上。重点就在于电路原理图设计及PCBA布局。硬件设计主要工作及流程如下：

3.3.1 器件选型

硬件工程师依据SOR提供的控制器需求参数，需要对IGBT、支撑电容、电流传感器以及主控芯片、驱动芯片、变压器等器件选择合适的型号。器件的选型需要综合考虑成本及品质，尽量选择已经批量应用的器件，有助于品质的稳定性及成本的可控性。

3.3.2 电路原理图设计

电路原理图设计主要是设计驱动板电路原理图及控制板电路原理图。驱动板包含有驱动电路、母线电压采样电路、电流采样电路、IGBT保护电路、被动放电电路等。控制板包含有主控电路、电源电路、CAN通讯电路、低压输入滤波电路、旋变解码电路、温度采样电路、过流/过压/短路保护电路等。

另外还有两份相对简单的电路原理图设计，分别是EMC滤波电路及转接板电路。这两份电路原理图相对比较简单，其中EMC滤波板上主要就是X电容及Y电容，电容参数会依据EMC测试结果修改。转接板是控制器低压输出信号需要转接的时候才会有，主要就是转接信号，在部分情况下也会加入部分输出滤波电路。

电路原理图设计完成后，需要组织相应人员（硬件、软件、项目管理、采购、质量、工艺、计划等）进行评审，评审通过后才能进行下一步画板。

3.3.3 PCB设计

电路原理图评审通过后交给画板工程师进行PCB设计：

1）由结构工程师提供PCB的布局CAD图，包含外形尺寸、安装孔位及连接端子位置。Layout工程师依据CAD图开始布板。

2）审核原理图，检查是否有新元器件，如有，绘制封装且确保封装正确。然后开始进行PCB方案设计。布板中要重点关注EMC及工艺。

3）PCB设计完成后外发先打样PCB，然后贴片做PCBA。

3.3.4 硬件调试

硬件调试分为两部分：单板调试及整机调试。

1）单板调试是指测试单块PCBA（驱动板及控制板）的电路功能是否正常，一般无需软件支持。

2）整机调试是在样机装配完成后，对整机进行测试，检测控制器能否正常工作输出对应的参数，一般需在硬件中刷入软件，这个过程也是同步在调试软件。

四、软件设计

软件虽然是看不见摸不着的，但却是控制器工作性能好坏的核心。现阶段控制器的软件开发的方向是基于AUTOSAR架构开发的。

4.1、软件分层：按照AUTOSAR架构，软件分为四层：

①应用层软件设计（ASW）：应用层软件是电机控制算法及其全监控等功能的具体实现，需要先确定控制器的输入和输出数据，控制器所包含的软件组件 SWC （电机控制算法SWC、数据解算SWC、安全监控功能 SWC等软件组件）及其系统约束等。

②基础软件层设计（BSW）：基础软件层向应用层软件提供基础设施服务，包括外设驱动服务、内存管理服务、通信服务等，是连接应用层与微控制器之间的桥梁。

图5 AUTOSAR体系软件架构分层标准

图6 控制器基础软件层框架

③基础运行时环境设计（RTE）：在完成了应用层软件和基础软件层的设计之后，需在实时运行环境层定义相关接口函数，实现应用层软件组件之间以及应用层与基础软件层之间数据的传输与调用。

④Microcontroller层：底层驱动层是由芯片厂家提供的。

4.2 软件设计

首先需要明确应用层软件的输入输出数据以及定义相应的数据类型，各个软件组件的输入输出相关数据均列出，在 Matlab/Simulink 搭建模型后，生成的程序代码将输入输出数据以结构体形式封装；基础软件层中的输入输出数据则是在底层软件中相关结构体进行定义。完成各软件层数据定义后，在中断服务程序中将相应输入输出数据进行赋值即可实现应用层与基础软件层之间的数据传输。

其中，应用层软件通过在 Matlab/Simulink 中搭建各个运行实体模型并完成相关仿真测试，进行代码生成，基础软件层利用底层驱动软件驱动进行设计实现对各个外设驱动初始化，并且包含对通信协议和中断服务等进行相应配置；数据通信和服务调用通过在实时运行环境层定义相关接口函数实现。

通过上述方法完成基于 AUTOSAR 电机控制软件的具体设计实现。最后，将各层软件导入 Tasking 开发环境中，并在编译器中对所有程序进行集成编译、链接生成可执行文件，将生成的可执行文件添加到调试软件中对软件进行调试、分析，根据分析结果可对软件进一步优化。

软件设计完成后，需要刷入控制器中进行整机调试，这个过程主要检测控制器的输出是否满足功能。待控制器装车后，跟随整车还需要配合整车进行一些软件部分的工作，如整车标定，防抖优化、NVH优化等等。