車用電機控制與實踐（簡體書）

汽車的發展在不斷的追求更安全、更智能、更節能和更舒適的過程中，汽車電機作為其執行機構起著越來越重要的作用，而其ECU作為汽車電機的控制中樞就顯得尤為重要了。本書的推出就是為了適應這種需求而誕生的。本書立足於電磁學基本物理概念，通過理論和實踐相結合的方式，重點介紹了直流電機、直流無刷電機和永磁同步電機的原理、設計及控制方法。同時基於恩智浦汽車電子產品，介紹了車窗天窗、廢氣再循環、水泵、燃油泵、機油泵、冷卻風扇和鼓風機、電子助力轉向、新能源主電機驅動等具體應用實例。這些具體應用覆蓋了從簡單的基於PID調節器的直流電機控制到複雜的無傳感器永磁同步電機的磁場定向控制，可以滿足大家對汽車電機控制方向的學習和實踐。

森途國信教育科技（北京）有限公司成立於2016年12月（以下簡稱"國信森途”），森途國信是工業和信息化部人才交流中心的下屬單位，在中心指導下開展中國集成電路、工業物聯網以及智能製造領域的人才交流合作，人才培養培訓，技術與項目對接，政產學研合作等多方面業務。
日前，中心指定由森途國信來具體落實和執行中心與恩智浦的合作項目，通過專業教材編撰、專業課程共建、專業人才培訓、專業能力認證四個主要方面，開展與中國企業、高校和地方政府的合作，促進產學研的有機聯動、校企政的協同創新，構築多層次、多類別的專業人才培養和交流機制。
未來，森途國信將與恩智浦展開深入合作，進一步執行中心在集成電路產業的人才深度服務戰略，促進恩智浦的先進技術和經驗在國內最大範圍內推廣和應用，促進國內外人才、技術、服務、信息等創新要素的流動和共享，進一步踐行中心的國際合作交流機制。

序一
中國經濟已經由高速增長階段轉向高質量發展階段，正處在轉變發展方式、優化經濟結構、轉換增長動力的攻關期。習近平總書記在党的十九大報告中明確指出，要堅持新發展理念，主動參與和推動經濟全球化進程，發展更高層次的開放型經濟，不斷壯大我國的經濟實力和綜合國力。
對於我國的集成電路產業來說，當前正是一個實現產業跨越式發展的重要戰略機遇期，前景十分光明，挑戰也十分嚴峻。在政策層面，2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈，提出到2030年產業鏈主要環節達到國際先進水平，實現跨越式發展的目標；2015年，國務院提出“中國製造2025”，將集成電路產業列為重點領域突破發展的首位；2016年，國務院頒佈《“十三五”國家信息化規劃》，提出構建現代信息技術和產業生態體系，推進核心技術超越工程，其中集成電路被放在了首位。在技術層面，目前全球集成電路產業已進入重大調整變革期，中國集成電路技術創新能力和中高端芯片供給水平正在提升，中國企業設計、封測水平正在加快邁向第一陣營。在應用層面，5G移動通信、物聯網、人工智能等技術逐步成熟，各類智能終端、物聯網、汽車電子及工業控制領域的需求將推動集成電路產業的穩步增長，因此集成電路產業將成為這些產品創新發展的戰略制高點。
展望“十三五”，中國集成電路產業必將迎來重大發展，特別是黨的十九大提出要加快建設製造強國，加快發展先進製造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合等新的要求，給集成電路發展開拓了新的發展空間，使得集成電路產業由技術驅動模式轉化為需求和效率優先模式。在這樣的大背景下，通過高層次的全球合作來促進我國國內集成電路產業的崛起，將成為我們發展集成電路的一個重要抓手。
在推進集成電路產業發展的過程中，建立創新體系、構建產業競爭力，最終都要落實在人才上。人才培養是集成電路產業發展的一個核心組成部分，我們的政府、企業、科研和出版單位對此都承擔著重要的責任和義務。所以我們非常支持工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司、電子工業出版社共同組織出版這套“物聯網與人工智能應用開發叢書”。這套叢書集中了眾多一線工程師和技術人員的集體智慧和經驗，並且經過了行業專家、學者的反復論證。我希望廣大讀者可以將這套叢書作為日常工作中的一套工具書，指導應用開發工作，還能夠以這套叢書為基礎，從應用角度對我們未來產業的發展進行探索，並與中國的發展特色緊密結合，服務中國集成電路產業的轉型升級。
刁石京
工業和信息化部電子信息司司長
2018年1月











序二

隨著摩爾定律逐步逼近極限，以及雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新興應用領域的興起，其細分領域競爭格局加快重塑，圍繞資金、技術、產品、人才等全方位的競爭加劇，當前全球集成電路產業進入了發展的重大轉型期和變革期。
自2014年《國家集成電路產業發展推進綱要》發佈以來，隨著“中國製造2025”“互聯網+”和大數據等國家戰略的深入推進，國內集成電路市場需求規模進一步擴大，產業發展空間進一步增大，發展環境進一步優化。在市場需求拉動和國家相關政策的支持下，我國集成電路產業繼續保持平穩快速、穩中有進的發展態勢，產業規模穩步增長，技術水平持續提升，資本運作漸趨活躍，在國際合作的層次也不斷提升。
集成電路產業是一個高度全球化的產業，發展集成電路需要強調自主創新，也要強調開放與國際合作，中國不可能關起門來發展集成電路。
集成電路產業的發展需要知識的不斷更新。這一點隨著雲計算、大數據、物聯網、人工智能、5G等新業務、新平臺的不斷出現，已經顯得越來越重要、越來越迫切。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的“物聯網與人工智能應用開發叢書”，是我們產業開展國際知識交流與合作的一次有益嘗試。我們希望看到更多國內外企業持續為我國集成電路產業的人才培養和知識更新提供有效的支撐，通過各方的共同努力，真正實現中國集成電路產業的跨越式發展。

丁文武
2018年1月













序三

儘管有些人認為全球集成電路產業已經邁入成熟期，但隨著新興產業的崛起，集成電路技術還將繼續演進，並長期扮演核心關鍵角色。事實上，到現在為止還沒有出現集成電路的替代技術。
中國已經成為全球最大的集成電路市場，產業佈局基本合理，各領域進步明顯。2016年，中國集成電路產業出現了三個里程碑事件：第一，中國集成電路產業第一次出現在製造、設計、封測三個領域銷售規模均超過1000億元，改變了多年來總是封測領頭、設計和製造跟隨的局面；第二，設計業超過封測業成為集成電路產業最大的組成部分，這是中國集成電路產業向好發展的重要信號；第三，中國集成電路製造業增速首次超過設計業和封測業，增速最快。隨著中國經濟的增長，中國集成電路產業的發展也將繼續保持良好態勢。未來中國將保持世界電子產品生產大國的地位，對集成電路的需求還會維持在高位。與此同時，我們也必須認識到，國內集成電路的自給率不高，在很長一段時間內對外依存度仍會停留在較高水平。
我們要充分利用當前物聯網、人工智能、大數據、雲計算加速發展的契機，實現我國集成電路產業的跨越式發展，一是要對自己的發展有清醒的認識；二是要保持足夠的定力，不忘初心、下定決心；三是要緊緊圍繞產品，以產品為中心，高端通用芯片必須面向主戰場。
產業要發展，人才是決定性因素。目前我國集成電路產業的人才情況不容樂觀，人才缺口很大，人才數量和質量均需大幅度提升。與市場、資本相比，人才的缺失是中國集成電路產業面臨的最大變量。人才的成長來自知識的更新和經驗的積累。我國一直強調產學研結合、全價值鏈推動產業發展，加強企業、研究機構、學校之間的交流合作，對於集成電路產業的人才培養和知識更新有非常正面的促進作用。由工業和信息化部人才交流中心、恩智浦（中國）管理有限公司與電子工業出版社共同組織編寫的這套“物聯網與人工智能應用開發叢書”，內容涉及安全應用與微控制器固件開發、電機控制與USB技術應用、車聯網與電動汽車電池管理系統、汽車控制技術應用等物聯網與人工智能應用開發的多個方面，對於專業技術人員的實際工作具有很強的指導價值。我對參與叢書編寫的專家、學者和工程師們表示感謝，並衷心希望能夠有越來越多的國際優秀企業參與到我國集成電路產業發展的大潮中來，實現全球技術與經驗和中國市場需求的融合，支持我國產業的長期可持續發展。

魏少軍 教授
清華大學微電子所所長
2018年1月








序四

千里之行 始於足下

人工智能與物聯網、大數據的完美結合，正在成為未來十年新一輪科技與產業革命的主旋律。隨之而來的各個行業對計算、控制、連接、存儲及安全功能的強勁需求，也再次把半導體集成電路產業推向了中國乃至全球經濟的風口浪尖。
歷次產業革命所帶來的衝擊往往是顛覆性的改變。當我們正為目不暇接的電子信息技術創新的風起雲湧而喝彩，為龐大的產業資金在政府和金融機構的熱推下，正以前所未有的規模和速度投入集成電路行業而驚歎的同時，不少業界有識之士已經敏銳地意識到，構成並驅動即將到來的智能化社會的每個電子系統、功能模塊、底層軟件乃至檢測技術都面臨著巨大的量變與質變。毫無疑問，一個以集成電路和相應軟件為核心的電子信息系統的深入而全面的更新換代浪潮正在向我們湧來。
如此的產業巨變不僅引發了人工智能在不遠的將來是否會取代人類工作的思考，更加現實而且緊迫的問題在於，我們每一個人的知識結構和理解能力能否跟得上這一輪技術革新的發展步伐？內容及架構更新相對緩慢的傳統教材以及漫無邊際的網絡資料，是否足以為我們及時勾勒出物聯網與人工智能應用的重點要素？在如今僅憑獨到的商業模式和靠免費獲取的流量，就可以瞬間增加企業市值的IT盛宴裡，我們的工程師們需要靜下心來思考在哪些方面練好基本功，才能在未來翻天覆地般的技術變革時代立於不敗之地。
帶著這些問題，我們在政府和國內眾多知名院校的熱心支持與合作下，精心選題，推敲琢磨，策劃了這一套以物聯網與人工智能的開發實踐為主線，以集成電路核心器件及相應軟件開發的最新應用為基礎的科技系列叢書，以期對在人工智能新時代所面對的一些重要技術課題提出抛磚引玉式的線索和思路。
本套叢書的準備工作始終得到了工業和信息化部電子信息司刁石京司長，國家集成電路產業投資基金股份有限公司丁文武總裁，清華大學微電子所所長魏少軍教授，工業和信息化部人才交流中心王希征主任、李甯副主任，電子工業出版社黨委書記、社長王傳臣的肯定與支持，恩智浦半導體的任霞女士、張伊雯女士、陳劼女士，以及恩智浦半導體各個產品技術部門的技術專家們為叢書的編寫組織工作付出了大量的心血，電子工業出版社的董亞峰先生、徐薔薇女士為叢書的編輯出版做了精心的規劃。著書育人，功在後世，借此機會表示衷心的感謝。

未來已來，新一代產業革命的大趨勢把我們推上了又一程充滿精彩和想像空間的科技之旅。在憧憬人工智能和物聯網即將給整個人類社會帶來的無限機遇和美好前景的同時，打好基礎，不忘初心，用知識充實並走好腳下的每一步，又何嘗不是一個主動迎接未來的良好途徑？！

鄭力
寫於2018年拉斯維加斯CES科技展會現場

前言
當今物聯和人工智能發展迅速，汽車在功能上提倡更安全、智能和節能，而這些目標的實現，都必須落地在車用電機這些執行器上。當無人駕駛模塊識別出前方的障礙後，自動刹車模塊（eBoost）就會進行減速動作；當發現應該變換車道時，助力轉向模塊（EPS）就會變換方向；當腳踩油門時，燃油泵（EFP）就會加大轉速將燃油抽取到發動機中；當發動機溫度過高時，冷卻風扇（ECF）就會加足馬力，為發動機降溫。這些實例告訴我們車用電機是汽車自動化、智能化的基礎。
第1章首先對於車用電機發展現狀和趨勢闡述了作者的理解，然後對車用電機的應用和分類做了相應的說明。接著基於無刷直流電

第1章 車用電機的應用及分類 001
1.1 車用電機的發展現狀 002
1.2 車用電機發展趨勢 003
1.2.1 車用電機發展趨勢―更安全 003
1.2.2 車用電機發展趨勢―更智能 004
1.2.3 車用電機發展趨勢―更節能 005
1.2.4 車用電機發展趨勢――一體化 006
1.2.5 車用電機發展趨勢―無刷化設計 006
1.2.6 車用電機發展趨勢――極速化 007
1.2.7 車用電機發展趨勢―新能源激發的新需求 007
1.3 車用電機應用 007
1.3.1 車身執行器 008
1.3.2 安全相關執行器 008
1.3.3 流體控制 008
1.3.4 新能源汽車主驅電機 009
1.4 車用電機控制算法 009
1.4.1 無刷直流電機的方波控制策略 010
1.4.2 永磁同步電機的磁場定向控制策略 010
1.4.3 永磁同步電機的無傳感器控制策略 011
1.5 車用電機控制處理器的介紹 011
1.5.1 S12 MagniV家族 012
1.5.2 基於Power平臺的MPC574xP系列 019
1.5.3 基於ARM平臺的S32K1xx和KEA系列 021
1.6 小結 024
第2章 直流電機控制 025
2.1 直流電機的工作原理 026
2.2 直流電機的單向驅動 027
2.2.1 單向驅動的電路原理 027
2.2.2 單向驅動的程序原理 028
2.3 直流電機的雙向驅動 030
2.3.1 雙向驅動的電路原理 030
2.3.2 雙向驅動的程序原理 033
2.4 直流電機的PID閉環控制 035
2.4.1 PID算法的原理 035
2.4.2 PID速度閉環的電路原理 039
2.4.3 PID速度閉環的程序原理 046
2.5 直流電機控制在汽車上的應用實踐 048
2.5.1 防夾車窗控制器設計實例 048
2.5.2 有刷直流燃油泵控制器設計實例 060


第3章 步進電機控制 075
3.1 步進電機的工作原理 076
3.2 步進電機的單極性驅動 077
3.2.1 單極性驅動的原理 077
3.2.2 單極性驅動電路 081
3.2.3 單極性驅動程序 082
3.3 步進電機的雙極性驅動 086
3.3.1 雙極性驅動的原理 086
3.3.2 雙極性驅動電路 089
3.3.3 雙極性驅動程序 089
3.4 細分驅動的簡介 091
3.5 基於步進電機的汽車前器燈隨動轉向系統實例 092
3.5.1 背景 092
3.5.2 設計目標 093
3.5.3 系統設計 094
3.5.4 小結 098
第4章 無刷直流電機的控制 099
4.1 無刷直流電機的工作原理 100
4.2 無刷直流電機有感驅動 104
4.2.1 有感驅動的電路原理 110
4.2.2 有感驅動的程序原理 121
4.3 無刷直流電機無感驅動 124
4.3.1 無刷直流電機的反向電動勢計算 125
4.3.2 過零法的原理 129
4.3.3 過零法的判斷 130
4.3.4 採樣時刻確定 131
4.3.5 無感驅動的程序原理 134
4.4 無刷直流電機控制汽車應用實踐篇 145
4.4.1 背景 145
4.4.2 設計目標 146
4.4.3 系統設計 149
4.4.4 項目難點 156
4.4.5 測試驗證 157
第5章 永磁同步電機FOC控制 161
5.1 永磁同步電機FOC控制的工作原理 162
5.1.1 永磁電機的結構 163
5.1.2 非凸極電機的電路模型 166
5.1.3 凸極電機的電路模型 173
5.1.4 轉矩計算 176
5.1.5 凸極電機的轉矩軌跡 177
5.1.6 凸極電機的電壓和電流軌跡 178
5.1.7 弱磁控制 180
5.2 永磁同步電機FOC有感驅動 181
5.3 永磁同步電機FOC無感驅動 182
5.4 FOC電機驅動的電路原理 183
5.5 FOC電機驅動的程序原理 185
5.5.1 安裝軟件 185
5.5.2 導入工程 185
5.5.3 編譯及調試 187
5.6 永磁同步電機控制在汽車上的應用實踐 190
第6章 總結及展望 207
參考文獻 209