电动汽车电机控制器驱动板的设计思路及实现方式

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24 V，在电动汽车等应用领域，电源的典型输入为12 V 或24 V。28335 芯片正常工作需要3． 3 V 和1． 9 V 两路电源，板上其他常用的典型电平应该还包括5 V，正负15 V 等。5 V 是运放芯片、CAN芯片等需要的电源，正负15 V 是驱动板、传感器所需电源。
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; 5 V 转3． 3 V 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。5 V 或3． 3 V 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
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。
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。
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3 V。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。很多主控芯片上会自带AD 转换器。28335 自带的AD 转换器为12 位精度，精度可达到3 V/212 = 7． 32e － 4 V; 该转换器可同时采集两路信号，可以满足一般控制的要求。如果对采集的精度及不同信号的同时性有更高要求的话，可选用专门的片外AD，比如AD7656，它可达到16 位精度，可实现六路信号的同时采集。模拟信号电路的电源和地与板上其他电源和地最好用磁珠等分隔开，减少数字开关信号对模拟信号的干扰。
2． 4 故障处理模块
模拟运放电路处理过的电流、电压信号在传送到主控芯片的同时，也应送入比较器电路进行比较。通过电阻分压设定比较器电路的基准电压，这样在过流或者过压时就能产生硬件故障信号，比软件故障信号更为及时和可靠。板上可能出现的故障信号有过压、过流、欠压、过温、IGBT 故障、旋变解码芯片故障等，很多控制板件会采用一块CPLD 或者是由ＲS 触发器等来综合故障信号，在严重故障出现时，更为及时的封锁PWM 输出。需注意驱动板产生的故障信号很多时候是集电极开路输出的，在输入到CPLD 或者其他电路之前应先用电阻上拉至合适的电平。
2． 5 通信模块
控制板件需要与上位机进行通信，在调试时可以对各种参数进行监测，并给出控制指令和控制参数; 实际应用中也需要跟整车控制器等进行通信，跟踪对转矩或是速度的指令，传递故障信息。工业应用中ＲS485 串行通信使用较为广泛，控制板件上需配备485 通信芯片及其周边电路。汽车相关应用中CAN 通信使用最为广泛，控制板上需配备CAN 芯片，一般建议CAN 芯片的供电电源能够隔离，这样能更加可靠。在设计CAN 通信电路时还需注意，应给终端匹配电阻留下位置，在传输距离较长时可消除通信电缆中的信号反射。
2． 6 继电器模块
由图1 可知主接触器、预充电接触器都需要由控制板件来进行控制，由于接触器的额定电压较高或是控制电流较大，主控芯片的IO 口没法对接触器进行直接控制，需要通过光耦电路或是固态继电器等电路来进行中继。在控制板件上至少需要三路继电器中继电路，用于对预充电接触器、主接触器、风扇或者水泵等进行控制。
2． 7 PWM 模块
主控芯片的PWM 信号不能直接输入给驱动板，因为驱动板对PWM 信号的电平有要求，PWM 信号在控制板件上需要有一个电压变换的过程，比如在28335 的应用中，是从3． 3 V 转换为15 V 电平。PWM 信号输出时可不用隔离，因为一般驱动板上会对此信号进行隔离。如果控制板上有CPLD 来处理故障信号和PWM 信号，从主控芯片输出的PWM 信号应先经过CPLD 再输出，这样在有故障时CPLD 可以快速封锁PWM，避免驱动板和IGBT 的损坏。有些控制板件设计中PWM 信号会经过施密特反相器等，也会有使能信号进行输出控制，并能使得PWM 信号的边沿陡峭，但此时在控制中要格外注意PWM的电平是高有效还是低有效。三相电机驱动一般需要6 路PWM 信号，但如果电机控制器有制动功能，最好多增加一路PWM 信号，用于斩波器的控制。
2． 8 速度检测模块
速度检测可采用光电编码器、旋转变压器等。光电编码器反馈的是数字信号，而旋转变压器反馈的是模拟的正弦或余弦信号。由于旋转变压器可应用于很高的转速，温度范围也更广，耐振动，所以现在得到了普遍应用。
若使用光电编码器，输入的A、B、Z 为数字信号，可通过光耦隔离后连接到主控芯片，在28335 的应用中应连接到28335的QEP 模块相应引脚。
旋转变压器的基本原理是有一个旋转的转子和两个互成90 度的定子，如图3 所示。它的转子固定在电机的转子上。

图3 旋转变压器原理图
在激励线圈上通入正弦激励信号Uref，当转子转动时，在图中Usin 和Ucos 两路线圈会产生感应电压信号，根据该感应电压信号的相位、幅值等可计算得到转子的角度和速度。若自主设计激励电路，可参考如下电路进行设计，该电路中包括将输出方波转换为正弦信号Uref 的激励产生电路，以及对返回正余弦信号Usin 和Ucos 进行处理的运放电路。采集到正余弦模拟信号之后，若希望从该模拟信号得到位置、速度信号，在软件中还需设计解码算法进行计算。也可以有专门的旋变解码芯片对旋转变压器的信号进行解码，比如AD 公司的AD2S1210 就是一款较常用的解码芯片，其手册中也推荐了该芯片的周边电路，包括激励缓冲电路等。该芯片可直接得到位置和速度信号，能通过SPI 接口或并行数据总线传送给主控芯片。在船舶等应用场景中，会出现无法安装速度传感器的情况，此时只能进行无速度传感器控制。不过控制板上依然可配备速度检测电路，用于在实验室测试时对无速度传感控制算法的验证。

图4 旋变信号处理电路
3 结语
前面介绍了典型电机控制器控制板件的设计方法，当然实际的设计工作中，还需考虑的因素很多。比如在汽车相关应用中，需要选用汽车级芯片，温度范围在－ 40℃ ～ 125℃; 而工业相关应用，需选用工业级芯片，温度范围在－ 40℃ ～ 85℃。板件上还需有很多接插件，需要与航空插头、传感器、驱动板等进行接口，接插件的选择要考虑到传输的电流、是否抗振动等因素。即使控制板件原理和器件选用都没有问题，PCB 的设计过程也需格外小心，遵循数字电路、模拟电路尽量分开，缩小信号回路，合适的电容放置位置以及合适的信号线间距等等原则。并需注意应在PCB 板件上放置足够的测试点，方便调试。
所以电机控制器的控制板件设计包括了原理设计、器件选型、PCB 布板等工作，必须各处兼顾，才能得到信号准确使用可靠的控制板件，减轻软硬件调试工作量，并为成功的电机控制奠定基础。