电动汽车电机驱动控制系统设计方法

电动汽车电机驱动控制系统设计方法

[摘要]随着国家新能源汽车的发展，电机技术也实现了很大的进步，特别

是电动汽车的电机驱动控制技术日益完善。本文通过分析电动汽车电机及其驱动

系统的种类，探讨了相应的控制技术运用，以供相关工程人员参考借鉴。

[关键词]电动汽车；电机；控制

1电机驱动控制系统介绍

作为电动汽车的核心部件之一，电机驱动控制系统设计得是否合理，对于

车辆的性能有着非常重要的影响。该系统最重要的功能就是在司机驾驶车辆的过

程中，将蓄电池中的电能高效地转化为车辆行驶的动能，尽可能降低车辆行驶过

程中所遇到的阻力[1]。从宏观层面上来看，电机驱动控制框架可以分为两个板块。第一个板块是电器系统，该系统由控制器、功率转换机以及电动机三个主要部分

组成，是电动汽车与传统汽车区别最大的地方。第二个板块是机械系统，主要包

括充电器、刹车踏板、加速踏板、差速器以及传动轴等。

2电动汽车工作原理

电动驱动系统主要由动力电池组、电池管理系统（BMS）、驱动电机、变速箱、控制系统等部分组成。

电池管理系统对动力电池组充电、放电时的电流、电压、放电深度、电池温

度等进行监控，保持单体电池间的一致性。驱动电机是纯电动汽车行驶的唯一动

力装置。电机控制器（MCU）接收来自整车控制器的指令，将动力电池直流电流

进行逆变控制，形成三项交流电进行电机转矩转速控制，并检测电机及控制器状

态进行故障诊断。整车控制器（VCU）将驾驶员意图通过加速踏板信号转换为动

力系统的需求信号，对整车能量进行管理，对各系统进行监控并及时反馈信息和

报警等。

直流电动机、感应电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机这4大类是当前电

动汽车中的主要开发和应用类型。电动汽车电动控制系统要求具备一定的功率以

及转矩密度，要求宽速域范围中，驱动以及电动控制能够符合功率要求，具备可

靠的控制能力和过载性能，从而提升汽车启动和加速过程。

3驱动控制系统软件设计

电机驱动控制系统的软件可以将控制算法、控制逻辑和汽车的整个硬件资

源进行高效连接。从微观层面上来讲，软件设计部分主要包括PI算法设定以及

PI控制参数的整定工作，此外，还涉及到PWN输出系统以及中控/中断程序的设计。

3.1PI控制算法设计

3.1.1设计思路。在完整的PID控制器当中，主要分为比例、积分、微分三个

环节，其中比例模块的主要功能是对汽车运动中产生的偏差瞬间进行及时反映，

通过比例的调节来减少偏差，比例的系数越高，则代表PID控制系统的控制能力

越强。而积分模块的主要作用是将偏差的积累作为输出，借助这种累计输出来消

除系统中的静态误差。这里需要注意的是，积分模块虽然可以避免静态误差对于

驱动系统的影响，但也会影响到驱动系统的反应速度。积分常数的增加会减少超

调量，让整个驱动控制系统变得更加稳定。而微分模块的主要功能是防止系统中

的偏差出现变化，通过减少超调量的方式来解决振荡问题，让该系统的运行变得

更加平稳[2]。利用PI系统来对电动车的电机驱动控制系统进行滞后—超前的校正

工作有两个优势。第一是可以提升整个控制系统运行的稳定性;第二是可以在消

除静差和快速响应之间寻找到巧妙的平衡。

3.1.2算法实现与整定。电机驱动控制系统控制器PI算法模块的程序流程，如

图1所示。系统在运行的过程中，从CAN总线处接收PI控制参数，利用系统中

的定时器每间隔一段时间就自动中断一次，以此来完成针对控制系统参数的调整。在LPC2119系统中的PWN单元，可以通过改变输出波形的方式来灵活调控波形占

空比，进而完成对于驱动控制系统的实时控制。在一般情况下，输出控制增量会

在一个相对较小的范围内波动最后达到平滑控制，所以在程序中对输出增量大小

规定了上限值U

max 和下限值U

min

；PI参数的整定方式目前主要有两种，第一种是理

论计算整定，这种方式要利用已知过程数学模型，计算过程十分繁琐，工作量巨大，可靠性比较低。第二种是工程整定法，这种整定方式的特点是不需要已知数学模型，在电机驱动控制系统运行过程中直接进行整定。这种方式的优势在于计算量小，方法简便，是目前比较流行的一种整定方法。

图1增量式PI控制算法流程图

3.2主程序与中断程序设计

主程序的主要任务是对整个控制系统进行初始化，主要包括模数转换模块初始化、PWN输出模块初始化以及LPC2119内核的初始化等工作，控制系统在完成初始化之后自动进入中断程序。其主程序流程图，如图2所示。当传感器传输的信号输入到LPC2119中以后，最先开始的就是对该信号进行AD采样工作，采样结束之后进行数字滤波[3]。控制系统中的判断子系统先对制动信号进行检查，如果存在制动信号，就要启动再生制动控制程序，如果没有制动信号，就检查有无加速信号，如果存在加速信号，那么就启动电流调节算法。反之则结束中断系统。

图2主程序流程框图

4驱动控制装置硬件设计

4.1设计需求

在设计驱动控制装置硬件的过程中，主要考虑的需求包括以下几个方面。

第一，在司机踩下加速踏板之后，可以对加速踏板的操纵变化做出及时的反馈，

在确保操作准确的前提下，尽可能快速做出对于电机转速的调控。第二，硬件系

统要收集与电机操纵相关的各种信号，对汽车运行中所产生的各种数据进行筛查。主要包括蓄电池的电压，电枢电流，加速踏板、制动踏板信号等数据。第三，硬

件系统要保证与汽车外部设备之间顺畅的沟通，做好信号的检测工作。第四，要

保证硬件的稳定性，任何零件在振动状态下都要保持紧固，可以在极端温度下进

行正常工作。第五，当车辆由于某种原因而出现过电压或者过电流故障的时候，

控制装置可以自动切断主控制回路，同时向司机发出警报信号。

4.2主控回路硬件设计

目前，主控回路在硬件层面的设计以PWM调速系统为主，其具有电路设计

简单，零件数量少，反应速度快等特点[4]。LPC2119主控芯片可以同时支持6个PWM控制单元。这里需要注意的是，在车辆行驶过程中，需要实现前进以及倒退

等功能，因为在采用内燃机变速器的情况下，电动汽车可以通过倒挡来实现倒车。PWM控制装置的另一个特点就是结构简单。这种组合模式中电枢电流无法实现逆

向流动，因此其无法在制动状态下进行工作，因此只能作为单象限使用。电动汽

车的兴起对于缓解能源压力以及环境保护工作都具有重要的意义，人们对于这种

清洁环保的出行方式也越发认可，为了保证电动汽车能够稳定运行，设计人员要

对电机驱动控制系统进行科学合理的设计，为该行业的稳定发展保驾护航。

5结语

综上所述，电动汽车电机控制技术是电动汽车关键技术之一，电动汽车电机

驱动系统及其控制系统构成了电动汽车的“心脏循环系统”，它直接决定着电机

的效率、密度以及调速状况。因此，需要大力提高电动汽车电机驱动系统的驱动

能力和可靠性，才能确保整车的运行安全。

参考文献：

[1]丁荣军，刘侃.新能源汽车电机驱动系统关键技术展望[J]中国工程科学，2019（3）.