電機是新能源汽車的三大件之一，它決定了新能源汽車的負載能力、加速能力、爬坡能力和最高車速，是新能源汽車獲得前進動力的核心部件，同時也在一定程度上影響了汽車的整車能耗和續駛里程。

電機控制器MCU（MotorControl Unit）是電機的中央控制樞紐，通過控制算法和策略執行多項重要功能，目標是使電機的性能發揮到最佳狀態，以確保平穩高效的駕駛。

那么MCU都需要控制哪些功能呢？

1.DC/AC轉換

新能源汽車所使用的電機主要分為兩類，交流異步電機和永磁同步電機。

這兩種電機有一個共同特點，就是都是交流電機。交流電機顧名思義，就是必須要使用交流電才能驅動電機旋轉，這與電機的工作原理有關。

以國內常用的永磁同步電機為例，通常將永磁體放在轉子上，而定子是一個線圈，線圈通電后，也會產生一個磁場。

永磁同步電機基本原理示意圖

當兩個磁場軸線正對著的時候（上圖左），磁場之間有相互吸引力，這個力是徑向的，不會產生轉矩。

當兩個磁場軸線有一定夾角的時候（上圖中），磁場之間有相互吸引力，但是這個力既有徑向分量，也有切向分量，因此會產生一定的轉矩。

當兩個磁場軸線垂直的時候（上圖右），磁場之間有相互吸引力，但是這個力主要是切向分量，因此會產生最大的轉矩。

實際使用的電機為三相定子繞組，每個繞組產生的磁通大小與電流成正比！

三相電機

當三個定子線圈按一定的時序和電流大小導通后，就會產生一個合成的旋轉磁場，轉子永磁體被這個旋轉磁場產生的電磁力拉著旋轉，這就是電機工作的原理。

但是車輛的動力電池輸出的是直流電，不能用于電機的控制。所以MCU首先要做的就是把電池提供的直流電（DC）轉換為電機需要的三相交流電（AC）。

在電力電子中，把交流電變換為直流電稱為整流，而把直流電變換為交流電稱為逆變！

所以MCU電機控制器中需要具備逆變器電路VSI。VSI電路可以從直流電壓源產生交流電流和電壓。

MCU中的DC/AC轉換原理框圖

逆變器電路VSI 中最主要的器件是IGBT！

IGBT是Insulate-Gate Bipolar Transistor的縮寫，表示絕緣柵雙極晶體管，它是一種復合全控型電壓驅動式功率半導體器件，它與MOSFET場效應管結構功能相似，但是可控制的電壓范圍更高，IGBT的應用范圍一般都在耐壓600V以上、電流10A以上、頻率為1kHz以上的區域。

通常采用6個 IGBT 配置3個半橋來實現這種轉換，如果電機要求的驅動電流更大，還可以增加并聯IGBT的數量。

用IGBT組成的VSI電路圖

通過6個IGBT的開關通斷控制，就可以實現永磁同步電機定子線圈三相輸入電壓的方向、電流的大小和頻率的變化，從而將直流電轉變為交流電。

IGBT在開關過程中，會產生脈動電流和過電壓，過電壓會對動力電池的輸出電壓造成影響，所以在實際電路中，在IGBT的前端還會并聯一個電解電容，這個電容就是用于穩定母線電壓，承受脈動電流。

用于穩壓的電解電容

其中的IGBT除了可以實現DC/AC轉換，還可以起到電壓隔離以及保護的作用。

2.速度、扭矩調節

車輛行駛需要加速時，駕駛員會踩下加速踏板，所以MCU的輸入主要來自VCU的加速踏板信號。

速度控制信號流

MCU收到加速踏板信號后，根據信號大小決定 PWM 脈沖的占空比如何變化，通過PWM信號控制電源開關IGBT的通斷，產生對應的交變電流和磁場，實現電機的轉速調節。

速度控制原理框圖

總體過程是MCU從整車控制器VCU獲得整車的需求，從動力電池包獲得電能，經過自身逆變器的調制，獲得控制電機需要的電流和電壓，提供給電動機，使得電機的轉速和轉矩滿足整車的要求。

控制的同時也會將傳感器信息（電機位置、相電流、溫度等），反饋給VCU，以實現精確控制。

電機轉動的形成是由于轉子受到電磁力的作用，轉速大小主要受到定子磁通變化速度的影響，但是轉速大小同時還與力矩有密切的關系。

轉矩（功率）-轉速曲線

轉矩（功率）-轉速曲線是電機的轉矩（功率）隨著轉速變化的曲線。從圖中我們可以看出在電機轉速運行范圍內，隨著轉速的升高，分為恒轉矩區和恒功率區兩部分，兩部分交界轉速為基速。

通過力矩轉速曲線可知：

基速以下力矩是恒定不變的，功率隨著轉速的升高而變大；

基速以上力矩會隨著轉速的增加而減小，此時功率已經達到最大， 保持不變。

為什么高速時，力矩會越來越小呢？

這是因為電機旋轉時，定子繞組切割磁力線，本身也會產生反向電動勢，轉速越高，反向電動勢越大，而反向電動勢會減小電流，削弱力矩。

根據這個特性，所以電機的速度調節分為兩個部分，基速以下的恒轉矩控制以及基速以上的弱磁控制。

兩種控制方式可以理解為：

在額定轉速以下，保持磁通恒定采用變壓/變頻進行調速；
在額定轉速以上，保持輸入電壓恒定，采用弱磁繼續提升電機轉速。

2.1恒壓比調速

根據同步電機的運行原理，當電機的極對數P確定后，電機的轉速n由供電電源的頻率f決定。電機轉速如下公式所示：

所以只要控制供電電源的頻率f，即可控制電機運行在不同的轉速。

而轉矩與電壓/頻率比相關，按恒定電壓/頻率比運行時，最大電磁轉矩可以保持不變。

所以在轉速升高的同時，要想保持轉矩不變，就要升高電壓。

恒壓比調速的工作特性是保持定子磁通為恒定值，電機的轉速與輸入電壓成正比關系。

當電機到達額定轉速后，由于耐壓限制不能通過輸入電壓來獲得轉速提升，這就需要我們對電機進行弱磁控制進而獲得轉速繼續提升。

在實際應用中，通常會采用轉子位置傳感器檢測定子、轉子磁極的相對位置和轉子的轉速。

知道轉子磁極位置后，通過驅動板控制逆變器IGBT的導通順序和開關頻率，來實現供電電源頻率的變化，同時也實現了電壓的變化。

V/F具有簡單有效、受電機參數影響小的優勢，是最常用的電機調速方法。

2.2電機弱磁控制

電機的反向電動勢是由于定子線圈切割磁力線產生的，要想降低反向電動勢，就要降低磁通強度。

我們知道永磁同步電機的轉子是由永磁體構成，所以它的勵磁磁動勢不能改變，是一個恒定值。

如果想要降低磁通強度只有調節定子電流，即增加定子直軸(d軸)去磁電流分量來維持高速運行時電壓的平衡，以達到弱磁增速的目的。

這里稍微說明一下，q軸方向表示垂直于轉子磁場方向，這個方向的磁場是驅動電機轉矩最大的方向。

而其它方向的定子磁場，也就是與q軸無關的為d軸，d軸方向的磁場越大，驅動電機轉矩越小。

dq軸是隨轉子同步旋轉的！

永磁同步電機電壓、電流限制圓

由上圖可見，當轉速由WA提高至WB時，電壓極限圓會不斷縮小，定子電壓不斷上升。圖中A點對應的轉矩為TA，即電機在轉速WA時可以輸出的最大轉矩，此時電壓和電流均達到最大值不能再繼續增加，所以WA是電機恒轉矩運行時的轉折速度，當轉速大于WA時轉矩會隨著轉速的上升會逐步減小。

電壓平衡方程如下：

通過上式可知，當電壓U達到極限時，要想讓轉速W繼續上升就要通過調整id和iq來實現。電流的合成矢量值同樣存在極限，要想增大id就必須減小iq，才能保證電流矢量大小保持不變。

所以弱磁的工作過程就是通過控制逆變器IGBT，使定子電流相位提前，利用定子電樞的磁場去抵消掉一部分永磁磁場，削弱永磁勵磁磁場，讓電機的反電動勢降低，不至于超過電壓極限，從而達到弱磁升速的目的。

簡單理解，就是電機反電動勢太高，太強大，控制器電壓已經到了極限，無法繼續以提升電壓的方式戰勝電機取得電動電流，那么控制器就使用弱磁，削弱電機，把電機的反向電動勢拉到比控制器更低的地方，這樣控制器電壓依然比他強大，還是可以形成電動電流。

這個道理就像高鐵一樣，速度越快，風阻越大，速度達到一定程度時就克服不了風阻繼續提速，如果當前動力已經不能再增大，那就想辦法減小風阻。

3.電動和發電

MCU可以控制電機正反轉，電機正轉車輛前進，電機反轉車輛倒車。

控制器還能在再生制動過程中反向為電池充電。

機電能量轉換

電機有兩個工作狀態，電動狀態和發電狀態。

電動狀態就是車輛正常行駛時，電機將電能轉換成機械能，是驅動的狀態，也是用電的狀態。

其能量轉換的過程是逆變器從電池獲取功率，電池放電；電機從逆變器獲取電功率，電機輸出機械能，電機扭矩與轉速同向，電機推動車輛，此時功率大于0；

發電狀態是在車輛因慣性行駛或被拖動時，電機將機械能轉換成電能，是饋電的狀態。

發電狀態的能量轉換過程是車輛帶動電機，電機力矩與轉速反向，軸上輸入機械能，機械能通過電機輸出交流電，逆變器再轉為直流電，此時功率小于0.

這里要注意的是，電機的反向轉動并不一定是發電狀態，比如正常倒車時，電機是反向，但此時卻是是電動狀態。

車輛是否為發電狀態可以根據轉速與力矩的方向判斷，轉速與力矩相反時為發電狀態。

比如行駛時踩剎車，此時電機轉速為正向（向前），但是剎車給了它一個反向的力矩（向后），此時就是發電狀態。

同樣的道理，倒車時踩剎車和下坡時也是發電狀態。

電動狀態的電能傳輸過程為：電池的電壓進到電機控制器，直流電變成交流電，交流電壓的幅值取決于控制系統內部的控制以及對應的BUCK電路上工作的PWM占空比。

電動狀態能量傳輸過程

當電機控制器產生的電壓大于當前轉速下的電機空載反電動勢值的電壓，電流是從高電壓的控制器流向電機，形成電動的電流。

在同一個轉速下，通過調節負載交流電壓，進而在控制器電壓和電機電壓之間形成不同的壓差（即負載交流電壓與空載反電勢的壓差），電從控制器流向電機，就可以轉化成對應的電動電流和轉矩了。

發電狀態的過程是當控制器產生的電壓小于當前轉速下的電機空載反電動勢值的電壓時，電流是從電機流向控制器，然后通過BOOST電路將電流向電池，形成發電的電流。

發電狀態能量傳輸過程

在同一個轉速下，通過調節控制器的電壓高低，進而在電機和控制器之間形成不同的壓差。發電狀態控制的核心就是通過控制控制器電壓小于電機電壓的差值來形成所需要的發電性能。

這里的BOOST電路是利用IGBT配合電感電容形成的升壓電路。

所以通過IGBT電路不僅可以把輸入的直流電變成所需要頻率的交流電，也可以把交流電反向轉變成直流電。發電過程中，IGBT也存在兩種狀態，在IGBT不工作時，是整流發電，在IGBT工作時是BOOST發電。

小結：

電機控制器MCU首先要做好電源的直流和交流轉換，這是為了控制驅動交流電機和電壓反饋充電。在此基礎上，通過控制輸出電壓、電流，來控制電機的轉矩和轉速。此外，MCU還可以實時監控電機的溫度、電流和電壓等關鍵參數，除了優化電機性能外、還要做好過溫和過載保護！