1 引言
电机控制器（Motor Control Unit，MCU）是新能源汽车特有的核心功率电子单元，通过接收VCU的车辆行驶控制指令，控制电动机输出指定的扭矩和转速，驱动车辆行驶。实现把动力电池的直流电能转换为所需的高压交流电、并驱动电机本体输出机械能。同时，MCU具有电控系统故障诊断保护和存储功能。
MCU软件关键技术方案包括：基于模型的代码生成开发方式（MBD开发）；基于分层分模块开发思想的软件架构设计；提升电压利用率的过调制算法；提高扭矩控制稳定性与控制精度的标定与补偿算法；提高电控效率的自适应变频算法等。
MCU由外壳及冷却系统、功率电子单元、控制电路、底层软件和控制算法软件组成，具体结构如图1.1所示。
图1.1 MCU的结构
2 硬件电路
MCU外形如图2.1所示，它内部采用三相两电平电压源型逆变器，是驱动电机系统的控制核心，称为智能功率模块，它以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为核心，辅以驱动集成电路、主控集成电路。
图2.1 MCU的外形
MCU硬件电路如图2.2所示，采用模块化、平台化设计理念，功率驱动部分采用多重诊断保护功能电路设计，功率回路部分采用汽车级IGBT模块、定制母线电容设计；结构部分采用高防护等级、集成一体化液冷设计。
图2.2 MCU的硬件结构设计
MCU的CAN网络结构如图2.3所示，它集成了CAN1、CAN4两路CAN接口，整车CAN网络可以通过CAN1节点与DC/DC控制器、绝缘检测仪、转向泵控制器、油泵控制器、PDU控制模块连接来传递CAN报文信息，通过CAN4节点与电机控制器(MCU)连接传递CAN报文信息。
图2.3 MCU的CAN网络结构
3 底层软件
底层软件基于英飞凌多核芯片TC1782进行开发，对应开发软件Tasking。Tasking Tricore是一款集成编辑、编译、调试、仿真于一体的集成开发环境，他支持英飞凌32位行业领先级芯片，包含所有的TriCore和Aurix芯片，这些芯片主要用于汽车和工业。它支持C，C++，汇编编程，具有一个多核连接器(linker)。Tasking具有行业相关认证（ISO26262），也是汽车电子开发中的一款利器。
图3.1 底层软件
4 应用层软件
4.1 MBD开发方式
4.1.1 策略建模
应用层软件开发采用基于模型的代码生成方式（MBD开发方式）。MBD开发方式是目前行业内软件开发的主流方式，它是一种通过可视化建模的手段实现控制策略，并利用工具自动生成C代码的软件开发方式。较手写代码而言，MBD具有开发周期短、错误率低、代码风格统一等优点，再配合特定的代码优化工具即可实现与手写代码相媲美的代码执行效率。
图4.1 基于模型代码生成
在Matlab/Simulink仿真环境中搭建MCU的控制策略模型，并合理设计模型间的层级结构。在MCU软件中，应用层模型与底层软件交互的所有全局变量均需经过接口层模型，从而避免全局变量在全软件范围的混乱调用，降低软件出错的概率。
4.1.2 参数导入
软件中的所有标定参数、控制参数以及系统常量的名称、数值、数据类型、数据范围、单位、说明均通过excel表格形式记录，并采用m函数自动导入到模型中。这种方式便于参数的统一修改和管理。
4.1.3 代码生成
一、变量定义
代码生成前需对模型之间的交互变量进行定义，从其他模型传递到本模型的变量，在信号线上统一定义成外部引入全局变量；从本模型传递到其他模型的变量，在信号线上统一定义成全局变量。
二、函数定义
建模时还需按照功能、类别等属性对模型进行模块划分，并对划分后的各子模块进行规范命名。将子模块设置为原子单元，即勾选Treat as atomic unit，该设置将保证生成代码后子模块会产生一个与其模块名一致的无参数无返回值形式的函数。应用层软件所有的控制策略均通过这些函数的周期或中断调用来实现。
4.1.4 代码集成
控制策略模型生成的代码以若干个无参数无返回值的函数形式体现，根据函数的功能及类别，将这些函数写入对应周期的调度函数内，并注意这些函数的前后调用顺序，同时将模型生成的其他c文件和h文件放入底层软件的特定文件夹下，完成代码集成工作。
4.2 应用层软件控制算法
矢量控制（vector control）也称为磁场定向控制（field-oriented control，简称FOC），是一种利用变频器（VFD）控制三相交流电机的技术，利用调整变频器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制电机的输出。其特性是可以分别控制电机的磁场及转矩，类似他激式直流电机的特性。由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制。
为了提高电机控制系统的性能，并针对电动车驱动电机在基速以下的恒转矩和基速以上的恒功率输出特性，运用MATLAB/Simulink软件对其矢量控制系统进行仿真分析。基速以下使用MTPA控制，基速以上进行弱磁控制。
最大转矩转矩电流控制(Maximum Torque Per Ampere,简称MTPA)通过合理分配d-q轴电流值或控制电流矢量的角度，使单位电流产生的电磁转矩最大或单位转矩需求的电流最小，实现最小铜损，转矩输出能力最优，提高能效，适用于对电磁转矩最大值要求较高的场合。由于逆变器直流侧电压达到最大值后引起电流调节器的饱和，为了获得较宽的调速范围，在基速以上高速运行时实现恒功率调速，需要对电机进行弱磁控制。弱磁控制思想源自励磁直流电动机的调磁控制，当励磁直流电动机端电压达到最大值时，只能通过降低电动机的励磁电流，改变励磁磁通，在保证电压平衡的条件下，使电动机能恒功率运行于更高速度，也就是说，通过降低励磁电流达到弱磁扩速的目的。
图4.2 电机控制算法
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