电动汽车电机控制器控制系统一体化设计
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Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ； ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ； ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ； ＤＳＰ
０ 前言
清华大学燃料电池城市客车项目是国家“８ ６ ３ ”计 划电动汽车重大专项中的一个课题。燃料电池的工作 原理是通过冷燃烧氢气直接将燃料的化学能转变为电 能，排放物为纯水。其能量转变效率高，反应过程受控， 能量转化过程可连续进行，是理想的汽车用动力电池。 燃料电池客车一方面对环境几乎没有污染；另一方面 大大减少了对石油产品的依赖，对我国经济和战略意 义十分深远。株洲电力机车研究所承担了清华大学燃
３ 系统控制方法
根据电动汽车的速度，转矩要求可分为３ 部分：恒 力矩区、恒功率区和弱磁区（图 ３）。额定转速（基速）以 下为恒力矩区；额定转速以上到恒功率结束点为恒功率 区；恒功结束点到最高转速的区间为弱磁区，需பைடு நூலகம்削弱 磁场运行。
电动汽车为带负载直接启动，其控制器必须能够提供 足够大的启动力矩以满足车辆启动的要求。行驶过程中频 繁的动作（如起 ／ 停车、加 ／ 减速、低速大转矩、高速低转 矩下坡）都要求汽车具有优良的转矩控制特性。 ３．１ 电机最大力矩限制线及力矩上升斜率控制 ３．１．１ 电机最大力矩限制线设置
(1. School of Mechanics & Electronic Control, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute, Zhuzhou, Hunan 412001, China)
２／２００７
３９
工业应用
电动汽车电机控制器控制系统一体化设计
杨 光 １ ，２ ，张家栋 １ ，梁裕国 ２
（１． 北京交通大学，机械与电子控制学院，北京 １０００４４； ２ ． 株洲电力机车研究所，湖南 株洲 ４ １ ２ ０ ０ １ ）
摘 要：介绍了电动汽车电机控制器控制系统的设计目标、工作原理、硬 ／ 软件构成，着重说明了系统解耦后
的各个子功能模块的功能。充分利用 ＴＩ ＤＳＰ 特点，通过对电机控制器控制系统合理的软 ／ 硬件解耦，达到控制系统
体积小、功能齐、高效率、高可靠性的设计要求。现场运行表明该系统设计合理、工作可靠，达到了清华大学燃
料电池城市客车整车组的要求。
关键词：电动汽车；电机及控制器；控制系统；Ｄ Ｓ Ｐ
中图分类号：ＴＭ３０１．２ 文献标识码：Ａ
收稿日期：２ ０ ０ ６ － １ ２ － ２ ０ 作者简介：杨 光（ １ ９ ７ ５ － ） ，男，工程师，在读硕士，主要从事电 动汽车驱动装置控制系统的研究和开发工作。
料电池城市客车课题中电机及其控制器方面子课题。 汽车产品要求电机及其控制器体积小、功能齐、可
靠性高，所以其电机控制系统需进行一体化设计。控制 系统除控制电机和逆变器外，还要求具有 Ｃ Ａ Ｎ ２ ． ０ Ｂ 通 讯方式的数字控制接口和硬连线方式的模拟控制接口， 并能提供直流母线电流和电压的仪表显示功能。
扰能力。 ２．２ 模拟量输入 ／ 输出
模拟量输入／ 输出信号包括直流母线电压和电流信
异步电机是一个高阶、非线性性、强耦合的多变量 号、交流侧电流信号、电机和控制器温度信号及供车辆
复杂系统，要实现对它的精确控制相当困难。近几年 仪表显示的电压电流信号等。为了保证模拟输入信号采集
来，由异步电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控 的精确度和抗干扰性，在硬件方面增加了滤波电路，在
制和直接转矩控制。 直接转矩控制克服了矢量控制中解 软件方面设计了采用滑动平均值策略的软件滤波器。
耦的思想，结构简单，控制性能优良，转距响应迅速，是
直流母线电压和电流信号以电流源形式给整车显示仪
一种高静动态性能的交流调速方法。燃料电池汽车主 表 供 电 。
传动系统开关频率较低而动态性能要求高，因此采用
行选择，既节约了 Ｃ Ｐ Ｕ 资源，又便捷了硬件调试。 系统采用铂电阻器作为电机和控制器的温度传感
器进行温度检测。铂电阻器具有阻值随温度上升呈接 近线形上升的特性。对铂电阻器施加恒定电流，Ｄ Ｓ Ｐ 对 其两端电压进行取样，即可获得实际温度信号。 ２．３ 速度检测及处理
电机速度传感器为机械式（磁电式）速度传感器， 输出２ 路相差为 ９０°的正交１５ Ｖ 电平脉冲速度信号。采 用２对极７２齿电机，最高设计转速为５ ２００ ｒ／ｍｉｎ，对应的 脉冲频率为６．２４ ｋＨｚ。利用ＤＳＰ芯片的快速捕获功能，对 其中一路脉冲信号进行连续检测，以脉冲信号上升沿
对电机及其控制器的控制除通过 Ｃ Ａ Ｎ 总线外，还 增加了模拟接口控制。所谓模拟接口控制，就是将电机 控制器所需要的各种外部控制信号（如电机工作模式、 目标力矩等）通过电缆连接的方式，直接送到电机控制 系统中，通过 Ｄ Ｓ Ｐ 模拟、数字接口获取控制信号。一方 面保证了在Ｃ Ａ Ｎ 总线控制失效情况下车辆仍然可以继 续运行，避免了车辆失控的危险，提升了整个系统的可 靠性；另一方面也可以为没有设计Ｃ Ａ Ｎ 总线的车辆提 供一套有效的控制接口解决方案，提高了系统的兼容 性和可实现性。
（１）当电机控制器的母线输入低于直流３８４ Ｖ额定电 压时，输出功率 Ｐ（式 １ ）相应降低。
Ｐ＝（Ｕ１ ／ Ｕ２）２×ＰＭ （ １） 式中：Ｕ１ ——当前母线电压，Ｖ ；
Ｕ２ ——额定母线电压，Ｖ ； ＰＭ ——最大输出功率，Ｗ。 （２）电机控制器的母线输入为直流 ３８４ Ｖ额定电压 时，恒力矩区电机转速为０￣１ ８００ ｒ／ｍｉｎ，输出转矩８５０ Ｎｍ ； 恒功率区，转速为１ ８００￣４ ２４８ ｒ／ｍｉｎ，输出转矩Ｍ１ Ｍ１＝ＰＭ ／ Ｎ （ ２） 式中：Ｎ ——电机转速，ｒａｄ／ｓ。 弱磁区，电机转速为４ ２４８￣５ ２００ ｒ／ｍｉｎ，输出转矩Ｍ２ Ｍ２＝ＰＭ×Ｎ１ ／ Ｎ２ （ ３） 式中：Ｎ１ ——电机恒定功率结束点转速，ｒａｄ／ｓ。 ３．１．２ 电机力矩上升斜率控制 在电机的控制过程中，须控制输出力矩的响应时 间。响应时间太短，则力矩上升斜率大，会造成电机工 作不稳定，因此只能在二者中寻找平衡点。在力矩上升 斜率算法中，充分考虑了不同的工况下电机力矩的上 升斜率。制动工况下，要求迅速施加制动力，因此要求 制动力矩上升速度快；向前牵引时，牵引力矩上升相对 减缓，但必须满足车辆加速度要求；向后牵引时，因为 无加速度要求，可将牵引力矩的上升进一步减缓，满足 车辆在倒车时的要求。 （１ ）向前牵引工况 向前牵引时，为获得尽可能短的整车启动时间和 良好的加速度，理论上应完全放开力矩的上升斜率，以 保证电机发出的实际力矩能够迅速跟随司机驱动踏板 发出的控制力矩。实际应用时，当汽车进行二次加速， 由于此时汽车已经有运行速度，若在短时内施加过大 的驱动力，会冲击甚至损害电机、齿轮箱及传动轴等传 动部件，造成整车运行不稳定，严重影响行车安全。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｔ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｂｊｅｃｔ， ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ＆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｌｅ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂ ｍｏｄｅｌ． Ｔａｋｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ＴＩ ＤＳＰ ａｎｄ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｈａｒｄｗａｒｅ ＆ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｍａｌｌ ｖｏｌｕｍｅ， ｆｕｌｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｔｓｉｎｇｈｕａ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＦＣ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．
动机、异步电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机
４ 类，应用相对成熟的为永磁无刷电动机和异步电动机。
直流电动机结构简单，技术成熟，具有优良的电磁
转矩控制特性，但其价格高、体积和质量大、维护工作
量大，已不能成为应用发展的方向。 开关磁阻电动机由于存在低速转矩脉动及噪声大、需
要位置检测器等目前还难以解决的问题，也仅仅停留在试
文章编号：１６７１－８４１０（２００７）０２－００３９－０５
Integrative Design of Electric Vehicle Motor Control System
Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ １ ， ２ ，Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｊ ｉ ａ Ｄ ｏ ｎ ｇ １ ，Ｌ Ｉ Ａ Ｎ Ｇ Ｙ ｕ Ｇ ｕ ｏ ２
图 ２ 系统总体方案
Ｆｉｇ． ２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ
验室阶段。
２．１ 数字量输入 ／ 输出
永磁无刷电动机体积小、重量轻、功率密度高，控
数字量输入／输出信号包括外部２４ Ｖ控制信号（如：
制方式与异步电动机基本相同，在电动汽车上得到了 车辆驱动方向控制信号、油门踏板有效控制信号等）和
１ 燃料电池汽车电动机及其控制策略
电动机与传动系统是电动汽车的关键部件。要使 电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围 宽、转速高、启动转矩大、质量与体积小、效率高、动态 制动强和能量回馈等特性。
４０
电动汽车电机控制器控制系统一体化设计
２／２００７
１．１ 燃料电池汽车电动机
目前国内外电动汽车用驱动电动机主要有直流电
通过检测 ２ 路速度信号的相位差，判断电机当前方向。 ２．４ ＣＡＮ 总线通信
在汽车领域广泛应用Ｃ Ａ Ｎ 总线作为现场总线。
２／２００７
电动汽车电机控制器控制系统一体化设计
４１
ＣＡＮ 总线为串行通信，能有效支持分布式控制或实时控 制，具有抗干扰能力强、配置灵活、全系统数据相容等 特点。根据整车组设计要求，使用ＣＡＮ２．０Ｂ 协议，采用了 以控制系统通过双口ＲＡＭ 与ＣＡＮ 通信子板交换数据为主、 ８２５２７ＣＡＮ 总线收发器为辅的通信模式。８２５２７ＣＡＮ 总线收 发器支持 ＣＡＮ２．０Ｂ 协议并与 ＣＡＮ２．０Ａ 协议相兼容，提高了 系统的兼容性和冗余。一旦出现主模式故障，可以根据 需要来配置辅模式继续通信。 ２．５ 模拟接口控制
作为触发沿，记录２ 个连续的触发时刻（ｔ１ 和ｔ２），时间ｔ （ｔ＝ｔ２－ｔ１）即为电机连续转过２个齿所用的时间。根据ｔ可
算出电机当前转速的频率信号ｆ；根据公式ｎ＝ｆ ×６０／７２
（ｒ／ｍｉｎ）或 Ｎ＝Ｆ × ２ π ／７２（弧度 ／ 秒）可计算出速度信号。
图 １ 燃料电池汽车传动控制系统
Ｆｉｇ．１ Ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＦＣ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ
广泛的应用，但向大功率发展时存在制造困难的问题。 控制器内部 ５ Ｖ 电平信号。为了有效避免干扰，对外部
异步电动机转矩脉动小、噪声低、转速极限高，且 输入数字信号进行光电耦合隔离，增强了系统的抗干
结 构 简 单 、体 积 和 质 量 小 、成 本 低 、易 维 护 、运 行 可 靠，因此设计时选用异步电动机作为驱动电机。 １．２ 电动机控制策略
系统采取外接电压传感器和板载电压传感器２种方式
直接转矩控制方式。
对直流母线电压信号进行采样。２种方式可通过跳线器进
２ 异步电动机控制系统结构
燃料电池汽车传动控制系统如图１ 所示，采用直接 转矩控制方式。考虑系统控制的实时性、高效性和可靠 性，故采用由 ＴＩ 公司的ＴＭＳ３２０Ｃ３１ 和ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 构造 的双ＣＰＵ 架构。其中ＴＭＳ３２０Ｃ３１ 为浮点运算处理器，主 要负责处理电机控制计算；ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 为定点运算处 理器，主要对外部信号进行采样、分析、逻辑处理并控 制整个电机控制器的运转。２ 个 Ｃ Ｐ Ｕ 通过一片双口 Ｒ Ａ Ｍ 进行数据交换，提升了控制系统效率和可靠性。控制系 统总体方案如图２ 所示。
０ 前言
清华大学燃料电池城市客车项目是国家“８ ６ ３ ”计 划电动汽车重大专项中的一个课题。燃料电池的工作 原理是通过冷燃烧氢气直接将燃料的化学能转变为电 能，排放物为纯水。其能量转变效率高，反应过程受控， 能量转化过程可连续进行，是理想的汽车用动力电池。 燃料电池客车一方面对环境几乎没有污染；另一方面 大大减少了对石油产品的依赖，对我国经济和战略意 义十分深远。株洲电力机车研究所承担了清华大学燃
３ 系统控制方法
根据电动汽车的速度，转矩要求可分为３ 部分：恒 力矩区、恒功率区和弱磁区（图 ３）。额定转速（基速）以 下为恒力矩区；额定转速以上到恒功率结束点为恒功率 区；恒功结束点到最高转速的区间为弱磁区，需பைடு நூலகம்削弱 磁场运行。
电动汽车为带负载直接启动，其控制器必须能够提供 足够大的启动力矩以满足车辆启动的要求。行驶过程中频 繁的动作（如起 ／ 停车、加 ／ 减速、低速大转矩、高速低转 矩下坡）都要求汽车具有优良的转矩控制特性。 ３．１ 电机最大力矩限制线及力矩上升斜率控制 ３．１．１ 电机最大力矩限制线设置
(1. School of Mechanics & Electronic Control, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2. Zhuzhou Electric Locomotive Research Institute, Zhuzhou, Hunan 412001, China)
２／２００７
３９
工业应用
电动汽车电机控制器控制系统一体化设计
杨 光 １ ，２ ，张家栋 １ ，梁裕国 ２
（１． 北京交通大学，机械与电子控制学院，北京 １０００４４； ２ ． 株洲电力机车研究所，湖南 株洲 ４ １ ２ ０ ０ １ ）
摘 要：介绍了电动汽车电机控制器控制系统的设计目标、工作原理、硬 ／ 软件构成，着重说明了系统解耦后
的各个子功能模块的功能。充分利用 ＴＩ ＤＳＰ 特点，通过对电机控制器控制系统合理的软 ／ 硬件解耦，达到控制系统
体积小、功能齐、高效率、高可靠性的设计要求。现场运行表明该系统设计合理、工作可靠，达到了清华大学燃
料电池城市客车整车组的要求。
关键词：电动汽车；电机及控制器；控制系统；Ｄ Ｓ Ｐ
中图分类号：ＴＭ３０１．２ 文献标识码：Ａ
收稿日期：２ ０ ０ ６ － １ ２ － ２ ０ 作者简介：杨 光（ １ ９ ７ ５ － ） ，男，工程师，在读硕士，主要从事电 动汽车驱动装置控制系统的研究和开发工作。
料电池城市客车课题中电机及其控制器方面子课题。 汽车产品要求电机及其控制器体积小、功能齐、可
靠性高，所以其电机控制系统需进行一体化设计。控制 系统除控制电机和逆变器外，还要求具有 Ｃ Ａ Ｎ ２ ． ０ Ｂ 通 讯方式的数字控制接口和硬连线方式的模拟控制接口， 并能提供直流母线电流和电压的仪表显示功能。
扰能力。 ２．２ 模拟量输入 ／ 输出
模拟量输入／ 输出信号包括直流母线电压和电流信
异步电机是一个高阶、非线性性、强耦合的多变量 号、交流侧电流信号、电机和控制器温度信号及供车辆
复杂系统，要实现对它的精确控制相当困难。近几年 仪表显示的电压电流信号等。为了保证模拟输入信号采集
来，由异步电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控 的精确度和抗干扰性，在硬件方面增加了滤波电路，在
制和直接转矩控制。 直接转矩控制克服了矢量控制中解 软件方面设计了采用滑动平均值策略的软件滤波器。
耦的思想，结构简单，控制性能优良，转距响应迅速，是
直流母线电压和电流信号以电流源形式给整车显示仪
一种高静动态性能的交流调速方法。燃料电池汽车主 表 供 电 。
传动系统开关频率较低而动态性能要求高，因此采用
行选择，既节约了 Ｃ Ｐ Ｕ 资源，又便捷了硬件调试。 系统采用铂电阻器作为电机和控制器的温度传感
器进行温度检测。铂电阻器具有阻值随温度上升呈接 近线形上升的特性。对铂电阻器施加恒定电流，Ｄ Ｓ Ｐ 对 其两端电压进行取样，即可获得实际温度信号。 ２．３ 速度检测及处理
电机速度传感器为机械式（磁电式）速度传感器， 输出２ 路相差为 ９０°的正交１５ Ｖ 电平脉冲速度信号。采 用２对极７２齿电机，最高设计转速为５ ２００ ｒ／ｍｉｎ，对应的 脉冲频率为６．２４ ｋＨｚ。利用ＤＳＰ芯片的快速捕获功能，对 其中一路脉冲信号进行连续检测，以脉冲信号上升沿
对电机及其控制器的控制除通过 Ｃ Ａ Ｎ 总线外，还 增加了模拟接口控制。所谓模拟接口控制，就是将电机 控制器所需要的各种外部控制信号（如电机工作模式、 目标力矩等）通过电缆连接的方式，直接送到电机控制 系统中，通过 Ｄ Ｓ Ｐ 模拟、数字接口获取控制信号。一方 面保证了在Ｃ Ａ Ｎ 总线控制失效情况下车辆仍然可以继 续运行，避免了车辆失控的危险，提升了整个系统的可 靠性；另一方面也可以为没有设计Ｃ Ａ Ｎ 总线的车辆提 供一套有效的控制接口解决方案，提高了系统的兼容 性和可实现性。
（１）当电机控制器的母线输入低于直流３８４ Ｖ额定电 压时，输出功率 Ｐ（式 １ ）相应降低。
Ｐ＝（Ｕ１ ／ Ｕ２）２×ＰＭ （ １） 式中：Ｕ１ ——当前母线电压，Ｖ ；
Ｕ２ ——额定母线电压，Ｖ ； ＰＭ ——最大输出功率，Ｗ。 （２）电机控制器的母线输入为直流 ３８４ Ｖ额定电压 时，恒力矩区电机转速为０￣１ ８００ ｒ／ｍｉｎ，输出转矩８５０ Ｎｍ ； 恒功率区，转速为１ ８００￣４ ２４８ ｒ／ｍｉｎ，输出转矩Ｍ１ Ｍ１＝ＰＭ ／ Ｎ （ ２） 式中：Ｎ ——电机转速，ｒａｄ／ｓ。 弱磁区，电机转速为４ ２４８￣５ ２００ ｒ／ｍｉｎ，输出转矩Ｍ２ Ｍ２＝ＰＭ×Ｎ１ ／ Ｎ２ （ ３） 式中：Ｎ１ ——电机恒定功率结束点转速，ｒａｄ／ｓ。 ３．１．２ 电机力矩上升斜率控制 在电机的控制过程中，须控制输出力矩的响应时 间。响应时间太短，则力矩上升斜率大，会造成电机工 作不稳定，因此只能在二者中寻找平衡点。在力矩上升 斜率算法中，充分考虑了不同的工况下电机力矩的上 升斜率。制动工况下，要求迅速施加制动力，因此要求 制动力矩上升速度快；向前牵引时，牵引力矩上升相对 减缓，但必须满足车辆加速度要求；向后牵引时，因为 无加速度要求，可将牵引力矩的上升进一步减缓，满足 车辆在倒车时的要求。 （１ ）向前牵引工况 向前牵引时，为获得尽可能短的整车启动时间和 良好的加速度，理论上应完全放开力矩的上升斜率，以 保证电机发出的实际力矩能够迅速跟随司机驱动踏板 发出的控制力矩。实际应用时，当汽车进行二次加速， 由于此时汽车已经有运行速度，若在短时内施加过大 的驱动力，会冲击甚至损害电机、齿轮箱及传动轴等传 动部件，造成整车运行不稳定，严重影响行车安全。
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｔ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｂｊｅｃｔ， ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｈａｒｄｗａｒｅ ＆ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ ｍｏｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｌｅ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂ ｍｏｄｅｌ． Ｔａｋｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ＴＩ ＤＳＰ ａｎｄ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｈａｒｄｗａｒｅ ＆ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｓｍａｌｌ ｖｏｌｕｍｅ， ｆｕｌｌ ｆｕｎｃｔｉｏｎ， ｈｉｇｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ． Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ａｎｄ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｔｓｉｎｇｈｕａ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ＦＣ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ．
动机、异步电动机、永磁无刷电动机和开关磁阻电动机
４ 类，应用相对成熟的为永磁无刷电动机和异步电动机。
直流电动机结构简单，技术成熟，具有优良的电磁
转矩控制特性，但其价格高、体积和质量大、维护工作
量大，已不能成为应用发展的方向。 开关磁阻电动机由于存在低速转矩脉动及噪声大、需
要位置检测器等目前还难以解决的问题，也仅仅停留在试
文章编号：１６７１－８４１０（２００７）０２－００３９－０５
Integrative Design of Electric Vehicle Motor Control System
Ｙ Ａ Ｎ Ｇ Ｇ ｕ ａ ｎ ｇ １ ， ２ ，Ｚ Ｈ Ａ Ｎ Ｇ Ｊ ｉ ａ Ｄ ｏ ｎ ｇ １ ，Ｌ Ｉ Ａ Ｎ Ｇ Ｙ ｕ Ｇ ｕ ｏ ２
图 ２ 系统总体方案
Ｆｉｇ． ２ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ
验室阶段。
２．１ 数字量输入 ／ 输出
永磁无刷电动机体积小、重量轻、功率密度高，控
数字量输入／输出信号包括外部２４ Ｖ控制信号（如：
制方式与异步电动机基本相同，在电动汽车上得到了 车辆驱动方向控制信号、油门踏板有效控制信号等）和
１ 燃料电池汽车电动机及其控制策略
电动机与传动系统是电动汽车的关键部件。要使 电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围 宽、转速高、启动转矩大、质量与体积小、效率高、动态 制动强和能量回馈等特性。
４０
电动汽车电机控制器控制系统一体化设计
２／２００７
１．１ 燃料电池汽车电动机
目前国内外电动汽车用驱动电动机主要有直流电
通过检测 ２ 路速度信号的相位差，判断电机当前方向。 ２．４ ＣＡＮ 总线通信
在汽车领域广泛应用Ｃ Ａ Ｎ 总线作为现场总线。
２／２００７
电动汽车电机控制器控制系统一体化设计
４１
ＣＡＮ 总线为串行通信，能有效支持分布式控制或实时控 制，具有抗干扰能力强、配置灵活、全系统数据相容等 特点。根据整车组设计要求，使用ＣＡＮ２．０Ｂ 协议，采用了 以控制系统通过双口ＲＡＭ 与ＣＡＮ 通信子板交换数据为主、 ８２５２７ＣＡＮ 总线收发器为辅的通信模式。８２５２７ＣＡＮ 总线收 发器支持 ＣＡＮ２．０Ｂ 协议并与 ＣＡＮ２．０Ａ 协议相兼容，提高了 系统的兼容性和冗余。一旦出现主模式故障，可以根据 需要来配置辅模式继续通信。 ２．５ 模拟接口控制
作为触发沿，记录２ 个连续的触发时刻（ｔ１ 和ｔ２），时间ｔ （ｔ＝ｔ２－ｔ１）即为电机连续转过２个齿所用的时间。根据ｔ可
算出电机当前转速的频率信号ｆ；根据公式ｎ＝ｆ ×６０／７２
（ｒ／ｍｉｎ）或 Ｎ＝Ｆ × ２ π ／７２（弧度 ／ 秒）可计算出速度信号。
图 １ 燃料电池汽车传动控制系统
Ｆｉｇ．１ Ｄｒｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ＦＣ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｖｅｈｉｃｌｅ
广泛的应用，但向大功率发展时存在制造困难的问题。 控制器内部 ５ Ｖ 电平信号。为了有效避免干扰，对外部
异步电动机转矩脉动小、噪声低、转速极限高，且 输入数字信号进行光电耦合隔离，增强了系统的抗干
结 构 简 单 、体 积 和 质 量 小 、成 本 低 、易 维 护 、运 行 可 靠，因此设计时选用异步电动机作为驱动电机。 １．２ 电动机控制策略
系统采取外接电压传感器和板载电压传感器２种方式
直接转矩控制方式。
对直流母线电压信号进行采样。２种方式可通过跳线器进
２ 异步电动机控制系统结构
燃料电池汽车传动控制系统如图１ 所示，采用直接 转矩控制方式。考虑系统控制的实时性、高效性和可靠 性，故采用由 ＴＩ 公司的ＴＭＳ３２０Ｃ３１ 和ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 构造 的双ＣＰＵ 架构。其中ＴＭＳ３２０Ｃ３１ 为浮点运算处理器，主 要负责处理电机控制计算；ＴＭＳ３２０Ｆ２４０ 为定点运算处 理器，主要对外部信号进行采样、分析、逻辑处理并控 制整个电机控制器的运转。２ 个 Ｃ Ｐ Ｕ 通过一片双口 Ｒ Ａ Ｍ 进行数据交换，提升了控制系统效率和可靠性。控制系 统总体方案如图２ 所示。