摘要：针对智能化新能源汽车中永磁同步电机（PMSM）的应用需求，文章研究了一种高效、低成本且可靠的电机控制系统设计方案，通过分析电机控制器的技术要求，设计了基于高压薄膜电容器、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块、隔离电源及电流电压检测模块的模块化硬件架构。该设计采用模块化方法，不仅确保了系统的高效能，还有效降低了成本并提升了整体可靠性。实验测试结果表明，所设计的控制器在额定功率下的效率达到98.05%，电机效率为94.93%；在最大功率下，控制器效率达到95.13%，超越设计峰值功率。与传统控制器相比，新型控制器在体积上减少了40%，成本降低了15%，功率输出提升了4.8%。研究结果表明，该控制器设计方案能够较好地满足新能源汽车对电机控制系统在高效能、低成本和高可靠性方面的要求。
随着电动汽车的快速发展，电动驱动系统成为替代传统燃油发动机的核心技术。相比燃油车，电动汽车具备更高的启动扭矩、更快的加速性能及更低的噪声，同时实现零排放。然而，电池容量有限、续航里程受限，如何提高能效并减轻车体重量成为关键挑战。永磁同步电机（Permanent MagnetSynchronousMotors,PMSM）因其高效率、高功率密度和低噪声等优势，已成为电动汽车的首选驱动方案。当前，电机控制器面临高可靠性、低成本和高效能的设计要求，国内外研究多聚焦于控制器的优化，但对于如何在高可靠性与低成本之间，尤其是在小体积和高效能的要求下实现平衡，仍存在研究空白。本文针对这一问题，设计了一种适用于电动汽车的PMSM控制器，并通过测试验证其性能。
1、电机控制器的特性和技术参数
电机和控制器是电动汽车（ElectricVehicle, EV）的核心动力系统，即使提高续航、减轻重量很重要，但减小控制器体积可能导致更高热量损失，增加散热难度。而提高动力系统效率和回收废能是提升续航的另一途径，PMSM可用作发电机，实现能量回收，优化运行效率。在不同工况下，电机需提供低速高扭矩和高速低扭矩输出，类似传统车的挡位切换。控制器还需具备快速动态响应和过载能力，以满足频繁的启动、加速、减速等需求。为降低成本，控制器采用模块化设计，便于自动化生产、测试和维护，减少零部件种类和数量，从而降低库存和管理成本。
为电动汽车设计的PMSM控制器技术参数如表1所示。
2、电机控制器设计
电动汽车中永磁电机控制器的硬件主要由高压薄膜电容器、主电路、绝缘栅双极管（Insulated GateBipolarTransistor,IGBT）模块、光电隔离驱动和保护、24V电源模块以及电流和电压检测模块组成，如图1所示，其中RENESAS为瑞萨电子的控制器。
电机控制器由高低压电路、信号电路、电源电路、数字电路和模拟电路组成，由于数字信号频率高，容易干扰模拟电路，因此，控制器分为控制板和驱动板，避免高频信号干扰。控制板和驱动板之间采用光耦隔离技术，有效减少干扰，提升系统可靠性。脉冲宽度调制（PulseWidth Modulation,PWM）信号路径与反馈信号路径分开，避免交叉干扰。控制板包括低压电源、处理芯片、数模转换接口、SVPWM接口、旋转变压器信号接口、温度检测接口和通信接口。驱动板包含隔离电源、薄膜电容器、驱动保护电路、检测电路和电源逆变器。
2.1、功率模块
本文创新性地选用赛米控公司（SEMIKRON）的SKiM93IGBT功率模块作为电机控制器的核心功率器件，该模块采用烧结半导体工艺，结合点接触技术连接二极管，并使用高性能导热硅脂，相较于传统功率模块，性能提升了23%。更为关键的是，其能承受高达1500次的无故障温度循环，极大地增强了电机控制器在复杂工况下的可靠性和稳定性，为新能源汽车在各种极端环境下的稳定运行提供了有力保障，有效突破了传统功率模块在耐久性和性能提升方面的瓶颈。
2.2、驱动电路
在驱动电路设计上，本文针对电源模块高频工作时电感可能产生的高峰值电压问题，精心设计了完备的保护措施，包括过流、过电压、电网过压/欠压保护以及过热保护等，全方位确保了电路的安全运行。针对IGBT开关速度快导致的浪涌电压问题，创新性地引入了浪涌钳位电路，有效抑制了浪涌电压对电路的冲击。此外，本文采用Avago公司的ACPL-38jtIGBT驱动芯片，该芯片不仅具备隔离功能和最大2.5A的输出电流，还集成了集电极-发射极电压检测及故障状态反馈功能。
由ACPL-38jt组成的电机绕组驱动电路原理图如图2所示。为了提高驱动电路可靠性，设计了磁滞欠压锁定电路，当电源电压低于设定阈值时，能够及时输出欠压信号，ACPL-38jt根据该信号迅速对IGBT进行保护，有效避免了因电源电压波动导致的IGBT损坏。同时，为防止逆变器桥臂上下开关同时导通引发短路故障，设计了输入联锁电路，从硬件层面杜绝了此类风险。通过推挽电路设计，显著提高了ACPL-38jt的驱动能力，使用两个快速三极管推挽输出电压，大幅增加了驱动电流，实现了对1200V、450A的IGBT模块的快速、稳定驱动。
2.3、隔离电源
电机控制器采用三种不同的电源：控制板电源、驱动板电源和电源模块电源。由于控制板和驱动板为低压电路，而电源模块为高压电路，开关过程中会产生冲击噪声，可能对低压电路造成干扰。为有效解决这一问题，本文创新性地为每个电路提供了独立的电源，并利用隔离电源转换器在控制板和驱动板之间产生不同的电源，实现了两者间的电气隔离，如图3所示。这样可以有效地将控制板的弱电信号与驱动板的强电信号隔离，从而提高系统的可靠性。
2.4、电流和电压检测
PMSM控制器在坐标变换时需要检测三相绕组电流。电流采样有两种方法：一是通过精密电阻测量电压，再根据欧姆定理计算电流，成本低但存在损耗和温度漂移，仅适用于小电流；另一种是通过电流传感器直接测量电流，适用于大电流且传感器与绕组隔离，但成本较高且尺寸较大。
电机控制器通常测量两相电流并计算第三相电流，至少需要两个电流传感器，采用LEMHC5F400S。为了保护电机，控制器实时监控总线电压和电流，使用电阻分压法测量电压，电压传感器采用Avago公司的ACPL-C87，UP连接正极，E2-W连接负极。采样电阻由10个100kΩ电阻和一个2kΩ电阻串联组成，当电源的额定电压为600V时，采样电路的电阻功耗为0.36W，计算公式为
式中，U为电源的电压，取600V；R为电阻，取1002kΩ。ACPL-C87的第二个引脚Uin由R125电阻器输入，当总线电压为600V时，输入电压Uin为1.198V，Uin的电压值可以通过改变R125的电阻值来调整，ACPL-C87的差分输出信号由运算放大器放大，然后输入到处理芯片的AD采样端口。
3、电机控制器的实验测试
3.1、速度测试
电机控制器的最高转速为7500r/min，PMSM的额定转速为6500r/min。当电机转速超过额定转速时，需要控制器提供弱磁电流（id）。图4展示了在6600、7000、7500r/min不同功率下，磁通弱化电流id的应用情况。在6600r/min时，弱磁电流id从0增至10A；在7000r/min时，磁通弱化电流id从15A增加到35A；在7500r/min时，初始需要35A的退磁电流，负载达到额定功率56kW时，弱磁电流id增至50A。
3.2、效率测试
图5(a)展示了PMSM控制器系统在额定功率下的运行数据（36kW、5600r/min、61Nm）。此时，控制器和电机的效率分别为98.05%和94.93%，驱动系统的效率为93.08%。图5(b)展示了PMSM控制器在最大功率为60.8kW时的性能，超过了设计峰值56kW，且控制器的最大效率为95.13%。图5(c)为PMSM控制器的效率图，控制器效率超过90%的区域占据了效率图的三分之二。
3.3、发电机测试
在下坡或制动时，电机以发电机状态运行。在实验中，PMSM由异步电机驱动发电，图6展示了发电机在60.6kW峰值功率下的运行数据为：转速3200r/min，直流输出电流-83.61A，控制器效率95.40%、发电机效率86.81%，发电系统效率82.81%。电机和控制器完全满足发电状态下的设计要求。
3.4、温升测试
在实验中，输入冷却水温度控制在30℃，水流量为12L/min，电机在额定负载下（36kW、5600r/min）工作超过1h。控制器IGBT温升稳定后，最大温升为42℃，符合设计要求。随后，输入水温升至60℃，水流量保持在12L/min，IGBT温升为45℃，最高温度为105℃，低于150℃的结温。
表2为原始控制器和新控制器的性能比较。除了温升略高处，新控制器在其他指标上表现更好，特别是在体积、成本和功率方面，新控制器的体积和成本大幅降低，功率提高了4.8%。
新控制器在体积、成本和功率方面的提升，主要得益于更紧凑的设计和高效的生产工艺，减少了不必要的空间和材料成本。更高效的电子元件和优化的电路设计使其功率输出提高4.8%，同时，采用了更先进的集成电路和元件，降低了生产成本，从而使得新控制器在保证高效率的同时，体积减小、成本降低，性能得到提升。
4、结论
本文提出了一种高效、低成本且可靠的PMSM控制器设计方案，旨在满足电动汽车对电机控制器在高效能、可靠性和低成本方面的要求。通过模块化设计，控制器有效降低了体积和成本，同时提高了功率输出和效率。实验结果表明，新设计的控制器在不同工作状态下均能稳定运行，表现出较高的系统效率，尤其在最大功率下超越了设计峰值。与传统控制器相比，新控制器在尺寸、成本和功率方面均有提升，较好地满足了新能源汽车领域对电机控制系统的技术需求。
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