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电机，作为新能源汽车不可或缺的三大核心部件之一，对车辆的负载能力、加速性能、爬坡能力以及最高车速具有决定性影响。它不仅是汽车前进动力的源泉，还在节能减排方面发挥着关键作用，直接影响着汽车的能耗和续驶里程。而电机控制器MCU，作为电机的核心控制枢纽，通过一系列复杂的控制算法和策略，实现对电机多项功能的精确控制，旨在优化电机的性能，确保驾驶的平稳与高效。那么，MCU究竟需要控制哪些关键功能呢？首先，就是DC/AC转换。新能源汽车所采用的电机，主要包括交流异步电机和永磁同步电机两大类，它们都需要通过控制器将直流电转换为交流电，以驱动电机正常运转。此外，MCU还需要控制电机的启动、停止、转速以及转矩等，以确保电机在各种工况下都能发挥出最佳性能。永磁同步电机的工作原理，可以通过其磁场相互作用来解释。当两个磁场轴线正对着时，它们之间的吸引力是径向的，不会产生转矩（如上图左所示）。然而，当两个磁场轴线之间存在一定的夹角时，这种吸引力既包含径向分量，也包含切向分量，从而产生了一定的转矩（如上图中所示）。当两个磁场轴线垂直时，切向分量成为主导，因此产生了最大的转矩（如上图右所示）。在实际应用中，电机采用三相定子绕组，每个绕组产生的磁通大小与电流成正比，进一步影响了电机的性能。三相电机的工作原理，基于三个定子线圈的时序和电流控制。当这些线圈按照特定顺序和电流强度通电时，它们会产生一个旋转磁场。这个旋转磁场对转子上的永磁体施加电磁力，从而驱动转子旋转。然而，车辆动力电池提供的是直流电，无法直接用于电机控制。因此，MCU的首要任务是将直流电（DC）转换为电机所需的三相交流电（AC）。这一过程在电力电子学中，被称为从直流到交流的逆变。为此，MCU电机控制器中配备了逆变器电路VSI。VSI电路能够从直流电压源中产生所需的交流电流和电压，从而确保电机能够正常工作。
MCU中的DC/AC转换原理框图逆变器电路VSI的核心部件是IGBT，即绝缘栅双极晶体管。这种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，不仅与MOSFET场效应管在结构功能上相似，更拥有卓越的电压控制能力，其可控制的电压范围通常超过V，电流达到0A以上，且适用于kHz以上的高频区域。为了实现DC到AC的转换，通常会采用6个IGBT配置成3个半桥的形式。当电机需要更高的驱动电流时，还可以通过增加并联IGBT的数量来满足需求。通过精确控制6个IGBT的通断，我们可以实现对永磁同步电机定子线圈三相输入电压的方向、电流大小以及频率的灵活调整，进而成功将直流电转换为交流电。然而，在IGBT的开关过程中，脉动电流和过电压是不可避免的。为了确保动力电池的输出电压稳定，我们通常会在IGBT的前端并联一个电解电容。这个电容的主要作用是稳定母线电压，并承受脉动电流的影响。用于稳压的电解电容在DC/AC转换中扮演着重要角色。它不仅有助于稳定母线电压，还能有效缓冲脉动电流的影响。此外，IGBT的应用也进一步增强了系统的电压隔离和保护功能。
在车辆行驶过程中，当驾驶员需要加速时，会通过踩下加速踏板来向MCU发送信号。这些信号主要来源于VCU，它负责监控和解读驾驶员的加速意图，并据此调整车辆的行驶状态。同时，速度和扭矩的调节也是车辆控制系统的重要组成部分，它们直接影响到车辆的加速性能和行驶平稳性。速度控制信号流当MCU接收到来自加速踏板的信号后，它会依据信号的强度来调整PWM脉冲的占空比。这种占空比的变化会进一步影响电源开关IGBT的通断状态，从而产生相应的交变电流和磁场。这些交变电流和磁场的变化最终实现了对电机转速的精准调节。速度控制原理框图
整体流程为：MCU从整车控制器VCU处接收整车需求，并从动力电池包获取电能。经过自身逆变器的精心调制后，MCU产生适合控制电机的电流和电压，进而驱动电动机。这样，电机的转速和转矩便能满足整车的运行需求。
在控制过程中，MCU还会将各类传感器信息，诸如电机位置、相电流以及温度等，实时反馈给VCU，以确保精确的控制效果。电机转动的原理在于转子受到的电磁力作用，而转速的大小则主要受到定子磁通变化速度的影响，同时，转速与力矩之间也存在着紧密的联系。转矩（功率）-转速曲线揭示了电机转矩（功率）与转速之间的变化关系。在电机的运行范围内，这条曲线呈现出恒转矩区和恒功率区两个阶段，而基速则是这两个阶段的分界点。
从力矩转速曲线中，我们可以观察到以下特点：
在基速以下，力矩保持恒定，而功率则随着转速的增加而逐渐增大。到达基速后，力矩会随着转速的进一步增加而逐渐减小，此时功率已达到最大值并保持不变。为何在高速状态下，力矩会逐渐减小呢？这主要是因为电机在旋转过程中，其定子绕组会切割磁力线，从而产生反向电动势。随着转速的升高，反向电动势也会相应增大，而它会对电流产生削弱作用，进而导致力矩的减小。
基于这一特性，电机的速度调节被划分为两个主要部分：基速以下的恒转矩控制和基速以上的弱磁控制。具体来说，在额定转速以下时，通过保持磁通恒定并采用变压/变频的方式进行调速；而当转速超过额定值后，则保持输入电压恒定，并利用弱磁技术进一步提升电机转速。
此外，还有一种称为恒压比调速的方法。它依据同步电机的运行原理，在电机极对数P确定的情况下，通过调节供电电源的频率f来控制电机转速。电机转速与供电电源频率之间的关系可用以下公式表示：所以，通过调节供电电源的频率f，我们可以实现对电机转速的精准控制。同时，转矩与电压/频率比紧密相关，若保持恒定的电压/频率比，最大电磁转矩将保持不变。因此，在转速提升的过程中，为了维持转矩的稳定，需要相应地升高电压。
恒压比调速的核心理念是保持定子磁通为恒定值，这意味着电机的转速与输入电压之间呈现正比关系。一旦电机达到其额定转速，由于耐压限制，我们无法仅通过增加输入电压来进一步提升转速。这时，就需要采用弱磁控制技术，以实现转速的继续提升。
在实际应用中，转子位置传感器发挥着至关重要的作用，它能够检测定子、转子磁极的相对位置和转子的转速。基于这些信息，驱动板能够精确控制逆变器IGBT的导通顺序和开关频率，进而实现供电电源频率和电压的灵活调整。
接下来，我们将深入探讨电机的弱磁控制。电机的反向电动势是由定子线圈切割磁力线所产生的，为了降低这种反向电动势，我们需要降低磁通强度。然而，对于永磁同步电机而言，其转子由永磁体构成，因此励磁磁动势是恒定的，无法改变。在这种情况下，我们只能通过调节定子电流来降低磁通强度。具体来说，就是增加定子直轴(d轴)的去磁电流分量，以维持高速运行时电压的平衡，从而实现弱磁增速的目的。永磁同步电机的电压与电流限制随着电机转速从WA提升到WB，其电压极限圆逐渐缩小，而定子电压则持续上升。在图中，A点所对应的转矩为TA，这代表着电机在转速WA下能够产生的最大转矩。由于电压和电流均已达到其上限，无法进一步增加，因此WA标志着电机恒转矩运行的临界速度。一旦转速超越WA，转矩将随转速的上升而逐渐降低。
此外，电机的电压平衡方程如下：当电压U达到极限时，若想进一步提升转速W，必须对id和iq进行调整。由于电流合成矢量值同样存在上限，因此增大id必然伴随着iq的减小，以维持电流矢量大小不变。弱磁控制的核心在于通过逆变器IGBT的调控，使定子电流相位提前，借助定子电枢磁场来部分抵消永磁磁场，进而削弱永磁励磁磁场。这一过程旨在降低电机反电动势，确保其不会超出电压极限，从而实现弱磁升速。简言之，当电机反电动势过于强大，控制器电压已达上限无法继续提升时，弱磁控制通过削弱电机，降低其反向电动势，使其低于控制器电压，从而维持电动电流的形成。这一原理与高铁在高速运行时面临的风阻相似，当速度达到一定程度后，单纯依靠动力无法进一步提速时，就需要通过降低风阻来解决问题。弱磁控制的核心思想在于削弱对方的能量，即通过降低电机反电动势来维持电动电流的形成。在电机控制中，MCU能够灵活地控制电机的正反转，从而决定车辆的前进或倒车。此外，控制器还能在再生制动过程中实现电池的反向充电功能。电机的工作状态可分为电动状态和发电状态。在电动状态下，车辆行驶时，电机将电能高效转化为机械能，推动车辆前进。这一过程中，逆变器从电池汲取电能，电机则从逆变器获取电功率，并输出机械能，扭矩与转速同向，功率输出大于0。而发电状态则发生在车辆因惯性行驶或被拖动时，电机将机械能转化为电能。此时，车辆带动电机旋转，电机扭矩与转速反向，机械能通过电机转换为交流电，再经逆变器转为直流电，功率输出小于0。需注意，电机的反向转动并非总是发电状态的标志，例如倒车时电机反向转动，但此时仍属于电动状态。判断车辆是否处于发电状态的关键在于转速与力矩的方向是否相反。例如，行驶中踩刹车时，电机正向转速与刹车提供的反向力矩相互作用，便进入了发电状态。同样，倒车时的刹车以及下坡行驶时，也都属于发电状态的范畴。在电动状态下，电能从电池经过电机控制器传输至电机，经过转换后变为交流电，其电压幅值受控制系统内部控制和BUCK电路中PWM占空比的影响。电动状态下的能量传输过程可以这样理解：当电机控制器产生的电压高于当前转速下电机的空载反电动势时，电流会从电压较高的控制器流向电机，从而形成驱动车辆前进的电动电流。在这一过程中，通过调整负载交流电压，可以在控制器电压与电机电压之间产生不同的压差，进而控制电流流向电机，实现电动状态下的电能转换和机械能输出。
而发电状态则恰恰相反：当控制器产生的电压低于电机在当前转速下的空载反电动势时，电流会从电机流向控制器，再经过BOOST电路将电能输送回电池，从而形成发电电流。这一状态通常发生在车辆因惯性行驶或被拖动时，电机将机械能高效转化为电能。发电状态下的能量传输过程可以这样理解：在特定的转速下，通过调整控制器电压的高低，可以在电机与控制器间产生不同的电压差。发电状态的核心控制在于，通过降低控制器电压，使其低于电机电压，从而形成所需的发电特性。
在这一过程中，BOOST电路发挥了关键作用。它是由IGBT与电感电容共同构成的升压电路。IGBT电路不仅可以将直流电转换为所需频率的交流电，还能将交流电反向转换为直流电。在发电过程中，IGBT电路存在两种工作状态：不工作时，电路进行整流发电；工作时，则进行BOOST发电。
此外，电机控制器MCU需要执行电源的直流和交流转换，以控制驱动交流电机和电压反馈充电。MCU通过调节输出电压和电流，实现对电机转矩和转速的控制。同时，它还能实时监控电机的关键参数如温度、电流和电压，以确保电机性能的优化，并防止过温和过载等潜在风险。
