新能源汽车之电机控制器（MCU）

一、电机控制器MCU是什么

电机控制器（MCU）是新能源汽车的核心电子部件之一，其主要功能是控制电机的运行状态，以满足整车的行驶需求。所谓MCU，通俗的讲就是控制电机工作的控制器，MCU是通过主动工作来控制电机按照设定的方向、速度、角度、响应时间进行工作的集成电路。

二、电机控制器的结构

电机控制器的主体部分包括直流母排、滤波组件、母线电容、控制电路、功率模块、散热器、驱动电路、电流传感器和交流铜排等。

1. 直流母排

直流母排是连接直流电源（如电池组）和电机控制器的导电部件。提供高电流传输路径，确保电能高效传输，减少电能传输过程中的电阻损耗，作为整个系统的直流电源分配中心。

2. 滤波组件

滤波组件主要用于滤除电源中的高频噪声和纹波。保证输入到电机控制器的直流电源质量稳定，减少电磁干扰（EMI），提高系统的电磁兼容性（EMC），保护后续电路免受电源波动的影响。

3. 母线电容

母线电容是电机控制器中的储能元件。平滑直流母线电压，减少电压波动，在电源瞬间断电或电压突变时，提供短暂的能量缓冲，与滤波组件协同工作，进一步优化电源质量。

4. 控制电路

控制电路是电机控制器的大脑，负责整个系统的运行逻辑和控制策略。接收来自车辆控制单元（VCU）或操作界面的指令，实现电机的启动、停止、调速、换向等控制功能，通过复杂的算法（如矢量控制、直接转矩控制）实现高效、精确的电机驱动，监测系统状态，如电压、电流、温度等，并进行故障诊断和保护。

5. 功率模块

功率模块是电机控制器的核心部件，负责将直流电转换为交流电。通常由多个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或碳化硅（SiC）/氮化镓（GaN）功率器件组成，实现直流到交流的逆变过程，驱动电机运行，通过高频开关控制，调节交流电的幅值、频率和相位，以满足电机的不同运行需求。

6. 散热器

散热器用于散发功率模块和其他发热部件产生的热量。防止功率模块因过热而损坏，确保系统稳定运行，通常采用风冷或水冷散热方式，根据功率大小和应用场景选择合适的散热方案，在高功率、高效率运行时，散热器的作用尤为重要。

7. 驱动电路

驱动电路是控制电路和功率模块之间的桥梁。将控制电路输出的低电平控制信号放大为能够驱动功率模块的高电平信号，提供电气隔离，防止功率模块的高压信号对控制电路造成干扰，实现快速、准确的开关控制，提高系统的动态响应性能。

8. 电流传感器

电流传感器用于实时监测电机控制器中的电流。提供电流反馈信号，用于控制电路的闭环控制，监测电机运行状态，确保电流在安全范围内，在过流或短路等异常情况下，及时触发保护机制，防止损坏功率模块和电机。

9. 交流铜排

交流铜排是连接电机控制器输出端和电机的导电部件。将逆变后的交流电传输到电机，提供低电阻的电流传输路径，减少能量损耗，确保电机的三相交流电输入稳定、可靠。

三、电机控制器MCU的重要性

①负载能力：电机的额定功率和扭矩；

②加速能力：电机瞬时扭矩输出特性；

③爬坡能力：电机输出的扭矩；

④最高车速：电机的转速限制与驱动系统的设计相关；

⑤能耗和续航里程：电机的效率与能耗相关；

四、电机控制器MCU的功能  

①控制算法的执行：PID控制、模糊控制等，优化电机运行状态，实时监测运行参数（转速、扭矩、电流等），MCU动态调整电机的输入信号，确保最佳性能；

②电机驱动：MCU控制电机驱动电路（如逆变器），实现电机的启动、停止、正反转和调速功能等；

③能量管理：监控电池状态和电机负载，MCU可进行能量回收（如再生制动），优化能量使用，提高续航里程；

④故障诊断与保护：MCU实时监测电机及其驱动系统的工作状态，及时发现异常并采取保护措施，过载保护、过热保护等；

⑤通讯与数据处理：MCU负责与其他ECU（电子控制单元）通讯，收集处理数据，以便实现更复杂的驾驶辅助功能；

五、电机控制器工作原理、步骤

①数据采集：传感器采集，转速、温度、位置、扭矩等；

②决策制定：根据控制算法和策略，MCU分析采集到的数据，判断电机的运行状态，并决定接下来的控制策略；

③控制信号输出：MCU生成相应的控制信号（如PWM信号）发送给电机驱动电路，控制电机的输出；

④反馈调整：MCU不断实时监测电机状态，与设定目标进行对比，根据偏差调整控制信号，以实现精准控制；

六、新能源常用电机（依赖交流电驱动）

①交流异步电机

②永磁同步电机

结构：定子&转子

定子是电机的静止部分，通常由三相绕组构成，每个绕组在通电之后产生一个旋转的磁场；

转子：通常装有永磁体，形成固定磁场。

三相绕组的优点：

①平衡性：三相电流在时间上相位相差120°，确保了电机在任何时刻都有足够的转矩输出；

②平滑运行：三相电机的设计使得输出转矩更加平稳，减少了振动和噪声；

③高效性：由于能够均匀的分布电流和磁场，三相电的效率较高，适用于新能源车。

工作原理：

①磁场产生：三相绕组，每个绕组在通电之后产生一个旋转的磁场；

②磁场交互：定子与转子产生的磁场相互作用；

③转矩输出：调节定子绕组的电流，可控制选择磁场角度，从而改变与转子磁场之间的夹角，进而控制电机的输出转矩和功率。

七、逆变器主要功能

①直流转交流：通常转为三相交流；（DC（直流）由动力电池提供，AC（交流）驱动交流电机）

②频率控制：通过控制输出交流电的频率来调节电机的转速，频率越高，转速越大；

③电压调节：根据电机的负载情况，逆变器可以调节输出电压以提供所需的功率；

八、电机控制器中MCU的任务

①整流：某些情况，如再生制动时电机可作发电机，机械能转为电能，反向送回电池，需要进行AC转DC，由整流器实现；

②逆变：将电池的DC转化为AC，由逆变器电路实现（主要任务）；

九、逆变器电路（VSI）

VSI的基本结构：

①功率开关器件：如MOSFET或IGBT，这些器件通过开关控制实现电流的导通和断开；

②控制电路：用于调节开关的开关频率和时序，以产生所需的交流电压和电流；

VSI的工作过程中：

①直流输入：逆变器接收来自电池的直流电源；

②开关控制：控制电路根据预定的控制策略（如PWM调制、脉宽调制）控制器件的开关状态（导通时间、导通顺序），实现对输出电压和电流的调节；

③生成交流电：开关器件的开关操作将DC转化成具有一定频相和幅度的AC，通过对不同相的定时控制，逆变器能产生三相交流电；

④输出到电机：生成的三相交流电送到电机定子，形成旋转磁场驱动转子旋转，完成电机工作；

逆变器电路如下图所示，通常由6个IGBT构成3个半桥电路，MCU通过这6个IGBT可以实现：

①电流方向：调节IGBT开关，可改变电流方向，从而控制电机的旋转方向；

②电流大小：调节IGBT导通时间来改变电流大小（可使用脉宽调制PWM技术实现）；

③电机频率：改变IGBT开关频率；

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）具有高耐压、大电流、高效率、控制简便的作用，在逆变器电路中起到直流转交流的作用。此外，IGBT在开关过程容易出现的问题有：

①脉动电流：IGBT的快速开关会导致电流的突变，产生瞬时脉冲，可能会影响电源的稳定性；

②过电压：开关过程，尤其关断时，可能会因为反向电动势等因素造成过压。

十、电解电容的作用

为了缓解脉动电流和过电压的影响，电解电容通常并联在IGBT的前端，具体作用包括：

①稳定母线电压：电解电容可以吸收电流脉动，从而稳定电源电压，避免电压剧烈波动。

②过滤高频噪声：电容有助于过滤电路中的高频噪声，确保电源的平滑性和稳定性。

IGBT在逆变器电路VSI中发挥着核心作用，负责将直流电转换为适合电机工作的交流电。通过合理配置和控制IGBT，可以实现对电机的精确控制。与此同时，适当的电路设计（如使用电解电容）有助于提高系统的稳定性和可靠性。

十一、总结

总的来说，电机控制器MCU的主要任务就是将动力电池提供的直流电转换成为三相交流电，以此来驱动电机的工作，该过程主要由开关器件IGBT完成；此外，在某些情况下，如再生制动的时候，电机控制器MCU也会将交流电转换为直流电，反向送回动力电池中，这一整流过程主要依赖二极管完成。

电机控制器实时采集车辆数据，如温度、转矩、位置等状态信息，MCU通过分析这些数据输出相对应的控制信号；同时，通过采集到的实时状态信息，与设定的目标进行对比，存在差异的MCU进行实时的调整以达到最佳运行状态；此外，还可以采集其他的状态信息，与ECU建立通讯（数据的传输可以依靠CAN总线通讯）实现更加复杂的驾驶功能；MCU还可以进行故障诊断与保护，实时监测电机及其驱动系统的工作状态，及时发现异常并采取保护措施，过载保护、过热保护等。

个人学习笔记记录，仅供参考~（部分内容来自博主：空间机器人）

作者：yzll+7