电动机控制系统主要由TMS320F2812最小系统、逻辑控制单元、驱动单元、速度及位置反馈单元（旋转变压器及其解码芯片）、过电流保护电路、电流反馈单元和电源管理等组成。电动机控制系统框图如图6-28所示。

图6-28 电机控制系统框图

TMS320F2812外接JTAG口便于系统仿真和烧写2812，外扩EV、SPI、CAN及ADC接口和2812运行必备的电路；逆变电路采用的是三菱IPM，使用的多电源供电方式，通过内置三相桥路的不同导通状态产生了电动机控制信号；转角信号的采集是采用旋转变压器配以解码芯片，使用联轴节和ISG电动机的轴相连，测得电动机的位置信号，为矢量控制系统提供了转角信号；相电流采集使用的是LEM公司出品的磁平衡式电流霍尔传感器。

旋转变压器通过解码芯片解码后得到的位置和转速信息经过DSP的串行口或者并行口或者捕获口送入DSP内部与通过CAN接口读入的速度给定进行速度PI调节，电流霍尔传感器感应转子绕组电流大小，经过电流调节单元处理后，一路用作过电流保护采样电流，另一路直接送入DSP的I/O口，得到的反馈电流参与电流PI调节，最终得到的PWM信号经过逻辑控制、光电隔离驱动IPM。

此外，还要检测系统的温度（主要是IPM工作温度）和直流母线电压，当温度或者直流电压超出设定值时，DSP关断输出PWM信号，保护IPM不被烧坏。检测到的温度、电压和电流大小可以通过CAN接口读出。

6.5.2.1 功率驱动电路

把MOS管技术引入功率半导体器件的思想开创了革命性的器件——绝缘栅双极晶体管IGBT。随着IGBT的工作功率在20kHz的硬开关及更高的软开关应用中，IGBT已代替了MOSFET和GTR。IGBT的发展使集外围电路内置于一体功率模块的IPM脱颖而出。IPM已被用于无噪声逆变器，低噪声UPS系统和伺服控制器等设备上。

1.智能功率模块的介绍

IPM不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且还内藏有过电压，过电流和过热等故障检测电路，并可将检测信号送到CPU或DSP作中断处理。它由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成。即使发生负载事故或者使用不当，也可以IPM自身不受损坏。IPM一般使用IGBT作为功率开关元件，并内藏电流传感器及驱动电路的集成结构。IPM模块有四种封装形式：单管封装，双管封装，六管封装和七管封装。IPM模块具有以下的优点：

1）开关速度快。IPM内的IGBT芯片都选用高速型，而且驱动电路紧靠IGBT芯片，驱动延时小，所以IPM开关速度快，损耗小。

2）低功耗IPM内部的IGBT导通压降低，开关速度快，功耗小。

3）快速过电流保护。IPM实时检测IGBT电流，当发生严重过载或直接短路时，IGBT将被软关断，同时送出一个故障信号。

4）过热保护。在靠近IGBT的绝缘基板上安装了一个温度传感器，当基板过热时，IPM内部控制电路将截止栅极驱动，不响应输入控制信号。

5）桥臂对管互锁。在串接桥臂上，上下桥臂的驱动信号互锁。有效防止上下臂同时导通。

6）抗干扰能力强。优化的门极驱动与IGBT集成，布局合理，无外部驱动线。

7）驱动电源欠电压保护。当低于驱动控制电源（一般为15V）就会造成驱动能力不够，增加导通损坏。自动检测驱动电源，当低于一定值超过10μs时，将截止驱动信号。

8）外围电路。IPM内藏相关的外围电路，缩短开发时间，加快产品上市。

对IPM布线，IPM的驱动和保护电路中的注意事项，简述如下：

1）IPM的保护功能包括控制电源的欠电压锁定（UV），过热保护（OT），过电流保护（OC）和短路保护（SC）。如果IPM其中有一种保护电路工作，IGBT就关断并输出一个故障信号FO。

2）6个或7个IGBT单元的IPM四组隔离的供电电源，两单元或一单元的则在三相大功率中需要六组隔离电源，以避免噪声。IPM的控制电源端子应该一个至少0.1μF的退耦电容，该电容帮助过滤共模噪声并提供IPM栅极电路所需电流。

3）三菱的IPM接口电平为低电平开通高电平截止。接口电路设计主要考虑的是du/dt噪声耦合问题。布线上不应把PCB板上走线布得太过靠近，否则开关使电位发生变化。

4）驱动信号隔离要采用高共模抑制比的高速光耦，要求t_p<0.5μs，CMR>10kV/μs，如HCPL4506、N6-37和TLP250等。低速光耦可用于故障输出端和制动输入端。

2.智能功率模块的驱动和保护电路

IPM的输入一般是采用光耦式的驱动电路，驱动电路输入级与控制电路通过光耦隔离，光耦器件的开关速度对驱动电路性能有较大的影响。控制系统的死区时间不仅要考虑IPM器件的驱动延时，还应该考虑的是光耦的延时。普通低速光耦器件的传输延迟时间典型值为2ms，最大值为9ms，这要比IPM的开关时间高出一个数量级，这不仅使得控制系统的性能变差，甚至可能造成IPM器件的损坏。

IPM的驱动电路上必须采用高速光耦，本文选用高速光耦TLP250，其驱动电路如图6-29所示。

对于由6只或7只IGBT组成的IPM，各桥臂的上端IGBT分别用一路驱动电源，而桥臂下端的3只管子以及可能含有的制动IGBT可以共用一路电源，各路驱动电源的电源VD为13.5～1.65V，不能高于20V，也不要低于12V；多路独立电源一般由开关电源提供，此时下桥臂所用驱动电源相应设计时需要较大的功率。相应于驱动信号，而故障信号的隔离用了普通光耦。因为故障发生时，IPM自动封锁脉冲，所以可以用普通光耦传递故障信号，故障信号的硬件锁存可以提高IPM保护的可靠性。

本系统中DSP输出驱动信号波形如图6-30所示。经过预驱动芯片2SD106之后给IPM的驱动信号如图6-31所示。

6.5.2.2 速度及位置检测单元

转速信号就是系统的控制目标，所以它的准确与否直接关系着控制性能的好坏。通常转速信号与位置信号的获得可以通过光电编码器、旋转变压器或脉冲编码器等获得。几种速度反馈元件的性能比较见表6-2。

图6-29 PM600CLA060应用电路

图6-30 DSP输出驱动信号波形

图6-31 IPM驱动信号波形展开（带死区）

表6-2 几种常见的速度检测元件性能比较

从功能上来讲，它们都能完成速度反馈的功能，但是编码器由于码盘防护等级不高，容易震坏，虽然有较高的分辨率，但是维修频率高，从而影响整台车质量可靠性；霍尔速度传感器价格便宜、但是分辨率低，使得控制精度受到限制，而且霍尔元件长时间受热后磁性会减弱，所以使用寿命不长；旋转变压器（简称旋变）由于转子和定子分离，无接触，而且采用无刷设计，所以有很高的防护等级，能耐高强度的震动，不怕水和油污，使用寿命可以长达数十年，另外采用专用的转换芯片解码，可以将旋变输出的模拟信号转换为数字信号，有和旋转编码器相当的解码精度。因此，用于混合动力汽车的速度反馈元件，旋变可以说一种比较理想的选择。

旋转变压器、解码芯片、外围电路和机械连接共同构成系统中的速度反馈单元，以下部分就详细介绍这些构成部分。旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号元件。当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。

它具有耐高温、耐湿度、抗冲击性好、抗干扰能力强等突出优点，同时与旋转变压器/数字转换器配合使用能够产生转子绝对位置信息。因此，旋转变压器适用于永磁同步电动机数字控制系统，能够满足电动汽车驱动系统高性能、高可靠性的要求。汽车中使用时，旋转变压器输出的信号通过专用芯片进行解码后得到的速度和角度信息送入DSP中，完成速度和角度信息的采集。

旋变在汽车中的应用特别广泛，图6-32显示了旋变在汽车中主要的应用。

图6-32 旋变在汽车中主要的应用

本系统中选用的旋变结构如图6-33所示，转子由硅钢片叠成。硅钢片的外形轮廓视旋变极数而定，图中旋变为1对极，转子外形似椭圆状。

定子上开有齿槽，一相一次侧励磁线圈和两相二次侧输出线圈都绕在齿槽内，定子旋转改变和定子之间空气厚度，从而改变初、次级绕组间的耦合系数。使得在初极输入交流励磁电压的情况下，输出电压的幅度和转子转过的角度成比例。

图6-33 旋转变压器实物图

旋转变压器安装的位置可以在电动机外部，这种情况是与发动机曲轴输出端相连，这种安装相对简单；另一种情况是安装在电动机内部时。由于电动机内部的磁场会影响旋变本身的磁通量变化率，从而影响其解码精度，因此必须加装屏蔽罩。并且在旋变的输出线上套上屏蔽线，降低空间电磁干扰。采用这种安装方法将使旋变得到很好的保护，不会受到灰尘、油污等的影响，因此旋变使用寿命长，故障率低，是一种理想的使用方法。目前丰田、凌志等就是采用这种方法，而且经实践检验确实非常可靠。图6-34是丰田混合动力汽车动力部分，图中的旋变是日本多摩川公司一款Singlsyn装在电动机主轴上的展示图。

旋变的输出信号是连续变化的模拟信号，用户一般不能直接使用，需解码芯片将模拟信号转换为方波信号。

解码芯片AD2S1200是最新的旋转变压器/数字转换器单片集成电路，输出12位绝对位置信息和带符号的11位速度信息，±11弧分精确度，最大跟踪速度1000r/min，工作温度-40～+125℃，相对于前一代的AD2S90，它集成了可编程的正弦波振荡器，励磁频率10kHz、12kHz、15kHz、20kHz可编程，因此不再需要搭配AD2S99正弦波励磁芯片；AD2S1200在保留串行通信接口的同时，增加了并行输出接口；速度检测输出由模拟信号升级到数字信号。以上特点不仅简化了外围电路设计，而且功能得到丰富，性价比很高。

图6-34 本田汽车中的旋变

1.内部结构及原理

AD2S1200的内部包括可编程的正弦波振荡器、错误检测电路、Ⅱ型闭环系统及数据总线接口等四个单元构成。

由EXC两端向旋转变压器提供励磁信号。承载位置信息的两路旋转变压器模拟信号送入sin/sinLo、cos/cosLo输入端，分别经过AD采样后送入乘法器。假设此时位置积分器（增减计数器）输出的数字角度为ϕ，也送入乘法器，分别经过乘法运算

KE₀sin（wt）sinθcosϕ （6-1）

KE₀sin（wt）cosθsinϕ （6-2）(www.daowen.com)

式（6-1）减去式（6-2）并简化得

KE₀sin（wt）（sinθcosϕ-cosθsinϕ）

=KE₀sin（wt）sin（θ-ϕ） （6-3）

式中 （θ-ϕ）——角度误差。

2.通信模式

AD2S1200与DSP的通信既可以采用并行模式，也可以采用串行模式。系统中的硬件电路兼顾并行和串行两种模式，电路如图6-35所示。

并行模式：AD2S1200有DB0～DB11共12位的数据输出总线，可直接或光耦隔离后连接至DSP的数据总线上。

当SOE为高电平时，AD2S1200处于并行输出模式；CS低电平对AD2S1200实行片选；在SAMPLE引脚电平由高到低的跳变过程中，位置和速度积分器的数据采样至位置和速度寄存器中；由RDVEL的高低状态选择传送位置或速度寄存器中的数据到输出寄存器；最后，RD置低电平，启动读输出寄存器和使能输出缓冲器。

图6-35 旋转变压器的接口电路

串行模式：AD2S1200的3线式串行总线引脚为RD、SCLK和S0（SCLK与DB10，S0与DB11引脚复用），串行输出频率最高可达25MHz。当SOE为低电平时，AD2S1200被设置为串行输出模式；SAMPLE、RDVEL的工作机制同并行模式相同；串行通信时，时钟由SCLK引脚引入；当RD置低电平时，启动读输出寄存器，数据将会随着时钟频率从输出寄存器串行输出至S0引脚。串行输出时DB0～DB9处于高阻状态。

3.AD2S1200在永磁同步电动机控制中的应用

本系统的控制器以专用于电动机控制的高速数字信号处理器TMS320F2812为核心。SPICLK为时钟输出引脚，SPISOMI为从出主入引脚，SPISTE为数据传送使能引脚。F2812的SPI设为主模式工作，总线频率2MHz。为了分别传送位置和速度信息，串行通信需要执行两次。在第一次SPI通信之前，需要对控制引脚SAMPLE置低电平，且延时7个晶振时钟后置高电平；SPI通信时，首先空发一个数据以产生通信时钟和通信使能信号；位置信息传送完毕后，读SPIRXBUF寄存器，进行数据移位存储。RDVEL置低电平，且延时2个晶振时钟脉冲后第二次开启SPI通信，接收过程和第一次时相同，传送完毕后RDVEL置高电平。

6.5.2.3 电流反馈单元

1.霍尔传感器

将一块半导体垂直放入半导体平面的磁场B中，当半导体中通过电流I_N时，在半导体中与磁场B和电流I_N垂直的方向将产生电动势，这种现象称为霍尔效应。

以霍尔效应为基本原理做出的霍尔检测元件有电流霍尔、功率霍尔以及霍尔位置传感器等。本课题采用的LEM公司生产的电流霍尔传感器LA128-P，采样比率为1∶1000，其封装及引脚如图6-36所示。正负两端分别接±15V电源，被测电流从传感器中的方孔穿出，M脚输出于绕组电流成比例的电流信号，经过电阻采样将电流信号变换成电压信号，且该信号随着输入电流信号发生同步变化。

图6-36 电流霍尔传感器

2.电路设计

电流霍尔传感器采样反馈电流后，由于DSP不能输入负信号，因此需要对其信号进行一定的处理后才能送入到DSP中。这部分电路如图6-37所示。

图6-37 电流处理电路

被测电流通过电流霍尔传感器，并经过电阻采样后，所得信号偏置1.5V，使负信号变成正信号，再通过二极管的限幅保护后送到DSP的A/D转换单元，进行电流检测。

6.5.2.4 过电流保护电路

过电流是引起功率驱动器被烧坏和损坏的主要原因之一。IGBT虽然可以承受短时间的过电流，但一旦超出安全区，则会永久地损坏，所以要设置快速的过电流保护电路。在主电路进行电流检测时，一旦检测到主电路的电流过电流时，应该立即封锁控制信号输出，通知DSP关断所有控制信号并报警，关断IGBT并采取相应的措施。图6-38为过电流保护电路图。

图6-38 过电流保护电路

6.5.2.5 CAN通信模块

CAN通信介质采用双绞线，如果通信距离在40m之内，最高传输速率可达1Mbit/s。为了实现数据共享，混合动力车辆中各功能模块之间的通信除了需要遵循CAN2.0B的相关协议外，还需要遵循各功能模块之间数据格式的规范，即通信协议127-28。混合动力车辆CAN总线通信协议主要包括4部分：

1）邮箱标识协议：电动汽车中功能模块非常多，数据量大。为了区别不同的数据来源，通信协议首先应该为各个CAN控制器的邮箱分配标识。这个标识在通信的时候填入相应信箱的MSZGIDnL、MSGIDxH寄存器中，起到邮箱地址的作用。

2）数据标识协议：对于动力总成系统而言，需要处理的数据非常多，它们代表了不同功能模块的状态。在通过CAN总线通信的过程中必须表明正在传输的数据所代表的物理意义。所以通信协议的第二个部分要为CAN中传输的每一个数据分配一个标识。本文采用了一种比较方便的方法：固定偏移地址身分标定法，即取通信协议中规定的某个数据的标识ID（一个16位二进制数）作为这个数据在存储区里相对基地址的偏移量。在数据传输过程中，这个ID作为数据帧中数据域的前两个字节随同数据一起传输。如果一个数据帧一次传输多于一个数据，要求它们必须是地址（或ID）连续的数据量。这样，接收方可以从接收到的数据帧中直接剥离出这个ID，把它和本系统的数据区基地址相加得到该数据的实际存储地址，然后就可以用新数据对本地数据库进行更新。

3）数据基协议：通信协议涉及的第三个问题是定义每一个数据的基。基和数据值结合可以计算出实际的物理值。

4）数据优先级协议：通信协议的第四个部分是定义数据的优先级。当同时有多个数据到达的时候，应该首先响应优先级高的数据和请求。例如IPM故障报警的优先级应该高于电动机速度数据的优先级。

混合动力汽车对信号采集和控制系统的基本要求是：能有效地进行数据交换；具有快速准确的计算能力；硬件系统有较高的抗干扰能力。图6-39为混合动力汽车CAN总线系统原理框图，由CAN中央控制器、发动机控制系统、电动机控制系统、制动控制系统、仪表控制系统、传动控制系统组成。各个控制系统之间通过CAN总线进行通信，以实现测量数据的交换、发送和接收。

图6-39 CAN系统原理

电动机控制器与混合动力汽车其他各部分的协调控制，是通过电动机控制器与其他控制器之间的CAN总线通信实现的。

TMS320F2812DSP内部集成有CAN控制器，包含传送信息处理，接受管理和帧存储功能。C28x处理器上的eCAN总线有以下特点：

1）支持兼容的CAN2.0B总线协议；

2）最高支持1Mbit/s的总线通信速率；

3）32个邮箱，接收邮箱或发送邮箱可配置；

4）低功耗模式；

5）在仲裁或错误丢失消息时，自动重发；

6）可编程总线唤醒功能。

电动机控制器与混合动力汽车其他各部分的协调控制，是通过电动机控制器与其他控制器之间的CAN总线通信实现的。

当需要电动机提供起动、助力或者制动转矩时，只需给电动机控制器发一个命令，通过CAN总线通信将目标转矩和整车的运行模式发送给电动机控制器，电动机控制器接收到命令后，给出应答信号，并按要求控制电动机运行。

TMS320F2812内嵌了CAN模块。只要把TMS320F2812的CAN模块引脚CANRx（接收信息）和CANTx（发送信息）通过光耦器件6N139连接到收发器82C250，而收发器82C250再通过两个引脚CANH和CANL与CAN总线相连，就可实现TMS320F2812与CAN总线间的通信。

6.5.2.6 控制器主板

控制器主要由控制器主板，控制器外壳及其水冷装置组成。本文将控制板，驱动板和旋转变压器电路模块以及电流霍尔及其处理电路板集成至一个主板上，包含DSP最小系统、旋变解码芯片及其外围电路，JTAG电路、CAN收发电路，驱动部分逻辑控制单元、6路独立的电源模块、隔离放大电路及外部反馈电流信号接口等等。电路板与IPM的散热板同时固定在散热壳体上，保证整体稳固和可靠性。控制器主板（第三版）如图6-40所示。

图6-40 驱动控制器主板

6.5.2.7 控制器外壳及其水冷装置

控制器的壳体与IPM的散热片部分紧密贴合，根据IPM尺寸，驱动控制板以及各种元件的大小，最终在UG环境中设计出壳体和散热水道模型。图6-41中a），b）分别为控制器外壳实物的正面和背面。

图6-41 控制器壳体设计

a）控制器壳体正面 b）控制器壳体背面