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電驅系統的硬件電路主要由4部分組成，電驅控制系統的結構如圖1所示，各部分電路協同合作，達到精準驅動電機的目的

圖1 電驅控制系統框圖

控制器：微控制器MCU

執行器：驅動電路

反饋：信號調理電路

被控對象：電機

從強弱電角度來看可以劃分為2個部分：主功率回路和控制回路。

主功率回路主要包括：功率器件（MOSFET/IGBT）、驅動電路、母線支撐電容。

母線電容主要作用：1.平滑電壓。減少電池/電網電壓波動，確保電源穩定。2.儲能。在負載突變時，提供瞬時電流，防止電壓跌落。

正常會在母線電容前面加一級EMC濾波器。用來濾除由高壓功率器件高頻開關動作導致的EMI干擾，X Y電容濾除低頻干擾，磁環抑制共模干擾。 

設計注意點：

1.需要滿足紋波電壓的需求，有客戶需求滿足客戶需求，無客戶需求滿足國標需求。

2.電池的寄生參數、線纜長度和電容的寄生參數會產生諧振，導致母線電壓波動，初期可通過仿真模擬，結合實測解決。

3.需要關注電容的熱，主要是電容的芯包、銅排等，可給供應商提高電氣參數要求求仿真優化。

驅動芯片是連接控制系統與電機之間的關鍵部件，其主要作用是將控制信號轉換為驅動電機所需的功率信號，并確保電機高效、安全地運行。本周會專門寫一篇驅動芯片選型的文章供大家參考交流。

功率模塊也是電驅系統的核心部件之一，成本最高的器件。其作用類似于系統的“心臟”，負責高效、可靠地控制和轉換電能。以下是功率模塊在電驅系統中的主要作用：

1. 電能轉換（核心功能）

• 直流轉交流（DC-AC）

將電池或直流電源的直流電（DC）轉換為電機所需的三相交流電（AC），驅動電機運轉（如逆變功能）。

• 交流轉直流（AC-DC）

在能量回收（如電動汽車制動時）將電機的交流電轉換為直流電回充至電池。

2. 功率控制與調節

• 變頻控制

通過調節輸出電流的頻率和幅值，控制電機的轉速和扭矩，滿足不同工況需求。

• 脈寬調制（PWM）

利用高頻開關技術精確控制輸出電壓和電流波形，提升電機運行效率。

控制回路主要包括：MCU最小系統、信號調理電路、通信電路。

和主功率回路和控制回路都相關的有電機控制電路、高低壓電源電路、保護電路。

電機控制包括：三相電流檢測，母線電壓檢測，轉子位置和速度檢測，MCU最小系統，功率驅動。通過測量相電流、母線電壓、轉子位置信號，形成電壓環、電流環、位置環的閉環控制，然后MCU經控制器的算法計算后由SVPWM信號發送PWM驅動信號給到驅動芯片，在經過隔離和推挽放大后控制功率器件按照一定策略導通和關斷。一般電機上采用經典的矢量控制算法來控制電機的運行如圖2所示。

圖2 PMSM 矢量控制結構示意圖

控制單元主要包括五個方面：MCU、調理電路單元、溫度檢測、IGBT驅動以及硬件保護。 

（1）其中MCU包括：電源配置、功能單元、選型、最小系統（晶振、JTAG、復位電路）、ADC、I/O口等。 

作用：MCU模塊主要承擔著處理外部輸入的模擬信號、數字信號、與外部其它模塊建立通訊功能、承載著電機控制軟件和功能安全軟件的運行載體，保證整車可以正常安全的運轉。 

MCU選型注意：  

1.CPU及執行效率。是否支持流水線，多核，高主頻，ADC轉化時間，中斷響應時間，FLASH取指等。 

2.存儲資源。Flash、RAM、EEPROM等內存資源。

3.外設資源。ADC模擬輸入通道數、高精度PWM輸出、CAN通道數、SPI、看門狗、DSADC旋變軟解碼等等。 

4.功能安全。支持ASIL-B/C/D、輸入輸出監控、寄存器保護、總線監控、自檢等。

5.網絡安全。支持HSM、對稱加密、支持secure CPU等。 AUTOSAR支持。支持MCAL、OS AUTOSAR等。

 ADC口配置： 

1.輸入電壓。ADC端口的輸入電壓范圍應滿足0-4095的電壓范圍，并應保留一定的電壓裕量。

2.鉗位保護。當外部采樣電路異常時，內部或外部鉗位管和電阻電流限制。

I/O口配置 

1.輸入輸出范圍要求。I/O端口的電壓范圍在數據手冊的電壓閾值和電流閾值范圍。

2.保護要求.當外部輸入電平異常時，內部或外部鉗位管和電阻電流限制。 

（2）調理電路單元主要包括：三相電流檢測（通過傳感器采樣后經過濾波調制送到MCU）、轉子位置和速度檢測、母線電壓檢測。

三相電流檢測 

作用：將高壓側的三相電流通過傳感器和調理電路轉變為電壓信號送入MCU模塊用于電機的控制策略，并分別將將三相采樣信號送入過流保護模塊，用于過流保護策略的實現。

設計注意：

檢測頻率：頻率范圍滿足最高轉速檢測且留有一定余量。

精度：考慮霍爾交直流增益、零漂，電流檢測硬件電路誤差。

供電：霍爾供電一般取的高精度電源且應該與MCU ADC共源。 

延時：滿足截止頻率的條件下，越快越好。

 三相同時采樣，實時計算。

三相電流相序與電機的相序一一對應 。

母線電壓檢測 

作用：將母線電壓送入MCU的ADC及過壓保護電路，用于軟件的控制算法、電池和電控保護。

設計：有功能安全需求的電控一般需要提供2路獨立的電壓采樣電路,一路主采樣用于電機控制、電池和電控保護、高壓安全等，當前主流方案主采樣的實現方案是隔離+MCU采樣。一路冗余采樣用于安全校驗，一般冗余采樣利用的驅動芯片自帶ADC進行采樣，然后輸出到MCU。

設計注意： 

1. 兩路電壓采樣應送入不同的ADC Group。

2. 高壓采樣電路的高、低壓側絕緣阻抗應不低10M。 

3. 供電要求。主采樣應和冗余采樣供電不同。 

4. 檢測范圍。

5. 采樣精度。 

6. 延時。

轉子位置和速度檢測模塊

作用： 對電機轉子位置檢測傳感器的輸出信號進行調理后送入MCU的AD轉換單元,用于軟件的控制算法。

設計注意：

1.轉速檢測范圍 、供電、相位、 故障診斷。

2.匹配旋變時，激勵電路應有諧振阻抗電路降低激勵電路的輸出電流大小，諧振頻率及參數設定值需考慮激勵頻率和旋變感抗大小進行匹配。  

3.反饋信號采樣濾波后送入DSADC進行同步采樣。 

4.故障檢測要求： 對電源、地短路，以及兩兩PIN間短路、開路時，都能檢測且不損壞硬件電路，故障解除且系統復位后，能恢復運行。

控制單元主要包括五個方面：MCU、調理電路單元、溫度檢測、IGBT驅動以及硬件保護。 

（1）其中MCU包括：電源配置、功能單元、選型、最小系統（晶振、JTAG、復位電路）、ADC、I/O口等。 

（2）調理電路單元主要包括：三相電流檢測（通過傳感器采樣后經過濾波調制送到MCU）、轉子位置和速度檢測、母線電壓檢測（兩路：主采樣和冗余采樣其中冗余采樣用于安全校驗）。 

（3）溫度檢測：大部分都采用的是NTC型傳感器，它的優點：負溫度系數，能夠快速響應和精確控制。一般會檢測電機定子溫度、功率模塊溫度、冷卻液溫度和PCB溫度檢測根據需求來定。 

（4）IGBT驅動。它主要由MCU發出的6路上下橋互補的PWM信號經過柵極驅動器隔離放大輸出到功率模塊的門極。利用PWM信號控制IGBT的開關狀態，調節輸出功率或電壓波形。

設計注意：

1.電源架構不同，高低壓ASC優先級等不同會導致不同的電源設計。

柵極驅動電壓：正壓通常為+15V-18V（開啟）和負壓為-2.7~-8V。

2.選取合適的柵極電阻（Rg）。

作用：調節開關速度與抑制振蕩。

選擇：小電阻提高速度但增加EMI；大電阻降低損耗但減緩開關。

3.設置合適的死區時間：避免橋臂直通，可通過硬件或軟件設置。

4. 開關頻率：權衡損耗與諧波，常用范圍2kHz~20kHz。

5.保護機制。Desat保護、ASC、過流OCP保護、過溫保護、驅動正負壓過欠壓保護/米勒鉗位等等。

（5）硬件保護，它主要包括硬件過流保護、硬件過壓保護、安全關斷路徑、以及高壓安全（主動放電單元、被動放電單元、高壓互鎖單元、crash碰撞單元）。

硬件過流保護：過流信號輸出給MCU，供MCU封鎖驅動、實施保護策略。   

電路方案：一般選擇比較器比較+電阻分壓產生固定閾值的方案。當然也有軟件過流方案，缺點就是延時較大，響應慢，對模塊關斷應力不利。  

精度要求：霍爾采樣+保護電路本身，需要注意的是產生比較閾值的電路，其基準源應選擇和霍爾供電電源保持一致，以提高保護點精度。 

延時要求： 保證濾波效果前提下盡可能小，一般在二十—百us左右。 

母線過欠壓保護

作用：保護電機控制器/電池以及其他高壓回路器件不受損壞。 比如在車輛制動能量回收的工況下，如果發生整車斷高壓的故障，車輛會直接斷開主接觸器，回饋的能量會造成母線快速過壓，導致母線電容或功率模塊過壓損壞。

母線欠壓保護目的在于診斷出母線欠壓故障以及配合保護電池，不針對控制器自身保護。對高壓電池，發生母線欠壓之前，電機控制器已根據電壓-扭矩降額曲線限制輸出電流，因此不會立即引起電池嚴重過放電， 

電路方案：一般選擇比較器比較+電阻分壓產生固定閾值的方案。硬件發生過壓后，過壓信號電平翻轉（一般認為過壓后為低電平）給MCU，用于MCU執行過壓保護動作。

精度要求：母線電壓采樣+保護電路本身，需要注意的是產生比較閾值的電路，其基準源應選擇和霍爾供電電源保持一致，以提高保護點精度。 

延時要求： 保證濾波效果前提下盡可能小，一般在百us以內。  

高壓安全

高壓安全主要包括主動放電，被動放電，高壓環路互鎖。

高壓互鎖是用低壓信號管理高壓回路的一種安全設計方法。

在高壓系統設計中，為了避免由于高壓連接器在實際操作過程中帶電斷開、閉合所造成的拉弧，高壓連接器一把都應具備高壓互鎖工功能，高壓互鎖整個回路中間任何一部分互鎖斷開，整個高壓系統就會下電。 

主被動放電一般都是采樣電阻放電。

主動放電發生的場景 

1）整車正常下電場景。會根據整車指令執行主動放電，避免接觸帶電高壓器件的風險。

2）售后維修過程。在車輛維修過程中，高壓系統有可能需要頻繁地上電和下電，在此過程中會對DC-LINK電容沖放電，如果不能及時消耗掉母線電容的能量，在維修過程中會有觸電的風險。

3）整車碰撞。如果車輛發生了碰撞，那么高壓系統的絕緣可能被損壞，司機、乘客或者救援人員會存在觸電的風險，需要在短時間內放電。 

來源：54攻城獅