一种纯电动汽车永磁同步电机控制器和电动汽车控制系统的制作方法

本实用新型涉及一种纯电动汽车永磁同步电机控制器，以及，应用该纯电动汽车永磁同步电机控制器的电动汽车控制系统。

背景技术：

随着环保意识的增强，各国政府开始对传统燃油车陆续下达禁售时间表；我国汽车销量居全球首位，对此，我国选择了以纯电动汽车为主，插电混合动力汽车、燃料电池车为辅的长远发展路线。

1：目前纯电动汽车电机控制器核心主要采用两种方案

1.1、以DSP为核心的永磁同步电机控制器，这类控制器受DSP处理器影响，虽然运算能力强但价格成本较高、接口资源不够丰富、事务处理能力不强。

1.2、以通用芯片STM32F系列为核心的运动控制器，这类控制器因STM32F处理器安全性做的不够好，虽然处理器功能比较强，但应用于汽车电子领域仍比较少。

2：目前纯电动汽车电机转速测量方式主要有两种方法

2.1、增量式编码器或绝对值编码器，转速不能太高，适用温度范围窄、对使用环境有一定要求，灰尘、油污和振动对其精度影响较大，不适合在汽车上使用。

2.2、霍尔传感器，精度低，受使用环境(如精度温度漂移严重)、材料影响大，不适合用来测量汽车电机转速。

纯电动汽车是未来汽车的发展方向，相比传统燃油汽车在节能、环保等方面具有诸多优势。纯电动汽车的核心是“三电系统”，通常包括电池、电机和电控。电机控制器又作为电控的核心，对整车的性能的重要性不言而喻。

永磁同步电机具有转矩动态响应快、功率因素高、体积小、重量轻、可靠性强等诸多优势，在我国已成为纯电动汽车用电机的主流。传统的基于DSP的电机控制器因成本高，可扩展性差；基于STM32F系列的电机控制器，因处理器的可靠性和安全性做的不够好，无法大规模应用在汽车电机控制器产品上。而且这两种处理器都未进行过ISO26262等相关的功能安全认证。所以开发一款性能优、价格低、安全性好永磁同步电机控制器迫在眉睫，而选择一款优秀的处理器又是关键所在。飞思卡尔S32K是一款基于32位ARM Cortex-M4F和Cortex-M0+内核的MCU。具有片上资源丰富、安全性高、超低功耗、生态系统丰富，集成-ISO CAN FD、CSEc硬件安全、ASIL-B ISO26262功能安全，且S32K价格低，特别适合应用于PMSM(永磁同步电机)电机控制。

电机的转速反馈对闭环控制有重要作用，故高精度的转速测量至关重要，目前在纯电动汽车上应用的转速测量装置都不够好。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种纯电动汽车永磁同步电机控制器和电动汽车控制系统。

解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种纯电动汽车永磁同步电机控制器，其特征在于：所述的纯电动汽车永磁同步电机控制器设有处理器系统、用于与整车控制器通信的CAN收发器、用于将外部传感器采集到的模拟信号转换成数字信号的AD采样模块、用于对旋转变压器的输出信号进行解码的旋转变压器解码模块、用于隔离强电与弱电信号的磁耦隔离模块和用于为纯电动汽车永磁同步电机控制器供电的电源模块；所述CAN收发器、AD采样模块和旋转变压器解码模块分别通过SPI接口连接所述处理器系统的相应端口，所述处理器系统用于输出SVPWM控制信号的端口连接所述磁耦隔离模块的输入端，其中，所述SVPWM控制信号用于驱动纯电动汽车的永磁同步电机。

作为本实用新型的优选实施方式：所述的处理器系统由处理器芯片及其外围电路组成，其中，所述处理器芯片的型号为S32K142、S32K144、S32K146和S32K148中的任意一者。

作为本实用新型的优选实施方式：所述的CAN收发器采用型号为UJA1164的高集成度芯片。

作为本实用新型的优选实施方式：所述的AD采样模块采用型号为AD7606的AD采样芯片。

作为本实用新型的优选实施方式：所述的旋转变压器解码模块由型号为AD2S1200的解码芯片及其外围电路组成。

作为本实用新型的优选实施方式：所述的磁耦隔离模块采用型号为ADUM3440的高速磁耦隔离芯片。

作为本实用新型的优选实施方式：所述的电源模块包含相互独立的第一电源电路和第二电源电路，所述第一电源电路将外部蓄电池的电源转换成适配的工作电压提供给所述CAN收发器、AD采样模块、旋转变压器解码模块和磁耦隔离模块，所述第二电源电路将所述外部蓄电池的电源转换成适配的工作电压提供给所述处理器系统。

作为本实用新型的优选实施方式：所述的纯电动汽车永磁同步电机控制器还设有掉电保护电路；所述掉电保护电路能够检测所述外部蓄电池是否正常供电，且所述掉电保护电路能够将监测结果发送给所述处理器系统。

作为本实用新型的优选实施方式：所述的纯电动汽车永磁同步电机控制器还设扩展CAN收发器；所述扩展CAN收发器与所述处理器系统的相应端口连接。

一种电动汽车控制系统，设有整车控制器、电机控制器、智能功率模块、电机温度传感器、转速采集模块、电压采集模块和电流采集模块，所述整车控制器能够接收来自受控电动汽车的油门踏板指令、制动踏板指令和换挡器指令，且所述整车控制器能够通过CAN总线输出加减速指令给所述电机控制器；所述电机温度传感器、转速采集模块、电压采集模块和电流采集模块分别能够采集到所述受控电动汽车的永磁同步电机的温度、转速、绕组电压和绕组电流，所述电机控制器能够接收所述电机温度传感器、转速采集模块、电压采集模块和电流采集模块采集到的数据，且所述电机控制器能够向所述智能功率模块输出SVPWM控制信号，使得所述智能功率模块相应驱动所述永磁同步电机，其特征在于：所述的电机控制器为上述纯电动汽车永磁同步电机控制器，所述的转速采集模块为旋转变压器；所述纯电动汽车永磁同步电机控制器的CAN收发器通过所述CAN总线接收所述整车控制器输出的加减速指令，所述纯电动汽车永磁同步电机控制器通过其AD采样模块接收所述电机温度传感器、电压采集模块和电流采集模块采集到的数据，所述旋转变压器的转子安装在所述永磁同步电机的转轴上，所述纯电动汽车永磁同步电机控制器的旋转变压器解码模块连接所述旋转变压器的线圈，以接收所述旋转变压器采集到的数据，所述纯电动汽车永磁同步电机控制器的磁耦隔离模块的输出端连接所述智能功率模块的控制端，以通过所述磁耦隔离模块向所述智能功率模块输出所述SVPWM控制信号。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

第一，本实用新型的纯电动汽车永磁同步电机控制器，采用型号为S32K142、S32K144、S32K146和S32K148的处理器芯片组成处理器系统，具有性能优、价格低、安全性好的优点。

第二，本实用新型的电动汽车控制系统，采用上述纯电动汽车永磁同步电机控制器和旋转变压器，以通过旋转变压器以非接触方式测量永磁同步电机的转速，因此，本实用新型的电动汽车控制系统具有抗震能力好、温度特性极佳、抗恶劣环境的工作能力强、成本低的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：

图1为本实用新型的纯电动汽车永磁同步电机控制器的电路原理框图；

图2为本实用新型中旋转变压器解码模块的电路原理图；

图3为本实用新型中磁耦隔离模块的电路原理图；

图4为本实用新型中电源模块的电路原理图；

图5为本实用新型中掉电保护电路的电路原理图；

图6为本实用新型的电动汽车控制系统的电路原理框图。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型公开的是一种纯电动汽车永磁同步电机控制器，其发明构思为：该纯电动汽车永磁同步电机控制器设有处理器系统、用于与整车控制器通信的CAN收发器、用于将外部传感器采集到的模拟信号转换成数字信号的AD采样模块、用于对旋转变压器的输出信号进行解码的旋转变压器解码模块、用于隔离强电与弱电信号的磁耦隔离模块和用于为纯电动汽车永磁同步电机控制器供电的电源模块；CAN收发器、AD采样模块和旋转变压器解码模块分别通过SPI接口连接处理器系统的相应端口，处理器系统用于输出SVPWM控制信号的端口连接磁耦隔离模块的输入端，其中，SVPWM控制信号(即空间矢量脉宽调制信号)用于驱动纯电动汽车的永磁同步电机。

在上述发明构思的基础上，本实用新型采用以下优选的结构：

作为本实用新型的优选实施方式：处理器系统由处理器芯片及其外围电路组成，其中，处理器芯片的型号为S32K142、S32K144、S32K146和S32K148中的任意一者，它们均为飞思卡尔S32K芯片，它们的外围电路包括复位电路、时钟电路等，采用它们作为纯电动汽车永磁同步电机控制器的核心具有以下优点：1、资料丰富：S32K11x MCUs是一款基于32位ARM Cortex-M0+,S32K14x MCUs是一款基于32位ARM Cortex-M4F内核的MCU。基于这两个ARM内核的芯片在消费电子市场上应用非常广泛，所以资源多，应用经验丰富；2、性价比高：Flash高达2MB、RAM高达256KB、主频112MHZ、2个带有CAN-FD的CAN、FlexIO可灵活扩展的IO、超低功耗、宽温度范围-40℃～+125℃、价格低；3、安全认证：符合汽车和高可靠性的工业应用，ISO CAN FD、CSEc硬件安全、ASIL-B ISO26262功能安全。该MCU可应用于车身和底盘控制、车内空调控制、PMSM/BLDC电机控制、被动安全、停车辅助系统、触摸感应、安全气囊、网关等。

作为本实用新型的优选实施方式：CAN收发器采用型号为UJA1164的高集成度芯片，该芯片内部集成两路LDO稳压器和一路高速CAN总线接口芯片，可以通过SPI与MCU进行通信实现复杂的电源管理工作。

作为本实用新型的优选实施方式：AD采样模块采用型号为AD7606的AD采样芯片。

作为本实用新型的优选实施方式：参见图2，旋转变压器解码模块由型号为AD2S1200的解码芯片及其外围电路组成，该解码芯片通过处理器系统的处理器芯片进行数据通信。

作为本实用新型的优选实施方式：参见图3，磁耦隔离模块采用型号为ADUM3440的高速磁耦隔离芯片，该芯片的隔离信号频率最高可达150Mbps，集成4通道隔离，宽体封装增加爬电距离，该芯片用于隔离驱动强电和控制弱电信号，即隔离处理器系统的处理器芯片与IPM之间的PWM信号，实现处理器系统的处理器芯片对IPM的安全控制，起到保护内部电路稳定的作用，其中，处理器系统的处理器芯片的IO口输出电压为3.3V，输出电流小，磁耦隔离模块同时起到提高处理器芯片的IO口驱动能能力的作用。

作为本实用新型的优选实施方式：电源模块包含相互独立的第一电源电路和第二电源电路，第一电源电路将外部蓄电池的电源转换成适配的工作电压提供给CAN收发器、AD采样模块、旋转变压器解码模块和磁耦隔离模块，第二电源电路将外部蓄电池的电源转换成适配的工作电压提供给处理器系统，以确保供电的安全可靠。其中，参见图4，第一电源电路为：外部蓄电池的电源是12V直流电压DC12V-IN，经过降压开关稳压器LM2596后输出DC5V供给前述外围接口电路使用；第二电源电路为：外部蓄电池的12V直流电压DC12V-IN，经过隔离式电源降压模块后输出VCC5V直流电压，VCC5V再经AMS1117-3.3V的三端线性稳压芯片转成VCC3.3V供给前述核心电路使用。

作为本实用新型的优选实施方式：纯电动汽车永磁同步电机控制器还设有掉电保护电路；掉电保护电路能够检测外部蓄电池是否正常供电，且掉电保护电路能够将监测结果发送给处理器系统。参见图5，掉电保护电路的电路结构如下：电阻R54和电阻R55构成分压电路得到4.05V输入给电压比较器U15A的同相输入端，电阻R57和电阻R58将5V电压分为2.5V输入给电压比较器U15A的反向输入端。传递给电压比较器U15A的同相输入端INB+电压与反相输入端INA-端的基准电压2.5V相比较，当同相端INB+电压大于反相端INA-端电压时，电压比较器U15A的输出端OUT输出高电平，当同相端INB+电压小于反相端INA-端电压时，电压比较器U15A的输出端OUT输出低电平。若电压比较器U15A输出低电平则表示外部蓄电池提供的直流电压DC24V-IN电压低于7V，表示输入电源工作异常。然后处理器系统的处理器芯片IO口检测电压比较器U15A的输出电平即可知开关电源是否工作正常，若工作异常则立即发出报警信号。

作为本实用新型的优选实施方式：纯电动汽车永磁同步电机控制器还设扩展CAN收发器；扩展CAN收发器与处理器系统的相应端口连接，扩展CAN收发器作为预留接口，供必要的时候使用。

如图6所示，本实用新型还公开了一种电动汽车控制系统，设有整车控制器、电机控制器、智能功率模块(即IPM)、电机温度传感器、转速采集模块、电压采集模块和电流采集模块，整车控制器能够接收来自受控电动汽车的油门踏板指令、制动踏板指令和换挡器指令，且整车控制器能够通过CAN总线输出加减速指令给电机控制器；电机温度传感器、转速采集模块、电压采集模块和电流采集模块分别能够采集到受控电动汽车的永磁同步电机的温度、转速、绕组电压和绕组电流，电机控制器能够接收电机温度传感器、转速采集模块、电压采集模块和电流采集模块采集到的数据，且电机控制器能够向智能功率模块输出SVPWM控制信号，以用于构成闭环控制，使得智能功率模块相应驱动永磁同步电机，以令永磁同步电机驱动受控电动汽车行驶。

本实用新型的电动汽车控制系统的发明构思在于：其采用的电机控制器为上述纯电动汽车永磁同步电机控制器，其采用的转速采集模块为旋转变压器；纯电动汽车永磁同步电机控制器的CAN收发器通过CAN总线接收整车控制器输出的加减速指令，纯电动汽车永磁同步电机控制器通过其AD采样模块接收电机温度传感器、电压采集模块和电流采集模块采集到的数据，旋转变压器的转子安装在永磁同步电机的转轴上，纯电动汽车永磁同步电机控制器的旋转变压器解码模块连接旋转变压器的线圈，以接收旋转变压器采集到的数据，纯电动汽车永磁同步电机控制器的磁耦隔离模块的输出端连接智能功率模块的控制端，以通过磁耦隔离模块向智能功率模块输出SVPWM控制信号。

另外，在上述发明构思的基础上，本实用新型的电动汽车控制系统采用以下优选的结构：

作为本实用新型的优选实施方式：整车控制器的处理器采用S32K148芯片，IPM采用三菱公司的PM75RL1A120，具有过流保护、输入保护等功能。

参见图2，作为本实用新型的优选实施方式：旋转变压器采用多摩川旋转变压器TS2640N321E64，上述型号为AD2S1200的解码芯片的34、35引脚通过型号为AD8048AR的芯片U2驱动多摩川旋转变压器TS2640N321E64，旋转变压器输出正余弦脉冲信号给解码芯片AD2S1200的37、38、40、41引脚，解码芯片AD2S1200经过数据处理后即可得到电机轴转速，转速信息通过SPI接口输出给处理器系统的处理器芯片。

作为本实用新型的优选实施方式：电动汽车控制系统还设有IPM温度传感器，IPM温度传感器能够采集到智能功率模块的IGBT温度，纯电动汽车永磁同步电机控制器通过其AD采样模块接收IPM温度传感器采集到的数据，以实时监控IPM中IGBT的温度信息，保证IGBT安全运行。

作为本实用新型的优选实施方式：电动汽车控制系统还设有智能仪表；整车控制器将各类传感器采集重要信息参数发送给智能仪表，以显示给驾驶员。

作为本实用新型的优选实施方式：电动汽车控制系统还设有电池管理系统；受控电动汽车的车载充电机给动力电池组充电，电池管理系统管理动力电池组的充放电，确保动力电池组安全稳定运行。

本实用新型不局限于上述具体实施方式，根据上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本实用新型上述基本技术思想前提下，本实用新型还可以做出其它多种形式的等效修改、替换或变更，均落在本实用新型的保护范围之中。