CN104199370B - 一种车用电机控制器的安全监控电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车用电机控制器的安全监控电路及其控制方法，包括芯片供电电路、芯片监控电路、故障诊断电路和PWM互锁电路,通过简单的安全监控电路实现了对安全至关重要的状态进行监控，状态异常时可以及时保护控制器，提高了控制器的可靠性和车辆的乘车安全，另外，PWM互锁电路还可以避免功率开关管的上下桥直通，进一步提高了控制器的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种车用电机控制器的安全监控电路及其控制方法。
背景技术
汽车工业是国民经济的支柱产业，它与人们的生活息息相关，已成为现代社会不可缺少的组成部分。但是，以石油为燃料的传统的汽车工业，在为人们提供快捷、舒适的交通工具的同时，也增加了国民经济对化石能源的依赖，加深了能源生产与消费之间的矛盾。随着资源与环境双重压力的持续增大，发展新能源汽车已成为未来汽车工业发展的方向。近期，我国发布了《节能与新能源汽车产业规划(2011-2020)》，其指导思想是：以纯电动汽车为主要战略取向，近期以混合动力汽车为重点，大力推广普及节能汽车加强自主创新，掌握节能与新能源汽车关键核心技术。作为新能源汽车内的关键核心零部件的电机控制器，其内部大量使用了电子元器件、大功率开关器件和可编程芯片等零部件，这些与电相关零部件的使用，大大增加了其失效的可能性，使得电动汽车的安全问题尤为突出。
电机控制器以及驱动电机共同组成了新能源汽车的动力源，其一般布置在新能源汽车的前舱内，因此需经受外部泥水、强震动、高低温等恶劣环境的考验。另外，电机控制器还经常工作在大电流、高电压、强电磁场等极端条件下，所以提高电机控制器的可靠性对解决新能源汽车安全性问题至关重要，同时，这项关键核心技术的掌握也必将极大地提高我国新能源汽车产品的核心竞争力。
目前，新能源汽车电机控制器内部一般都具有过流、欠压、过压、过温及超速等保护，另外电机控制器内一般还具有看门狗电路来防止软件跑飞，但都不能对主控芯片的片内存储器、CPU、片内外设的运行情况做监控。一旦主控芯片的片内运行错误时，电机主控器将会工作异常，这就会给驾乘者的生命安全带来威胁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种车用电机控制器的安全监控电路及其控制方法，通过SPI通讯实现两芯片之间的芯片级监控，通过芯片自身的ADC和I/O口实现对关键模拟和数字量的监控；一旦发现电机控制器工作异常可以立刻关断功率开关，避免了器件的损坏或事故的发生，另外发明的电路还可以避免功率开关上下桥直通的发生。在原有电机控制***的基础上提出了一种车用电机控制器的安全监控电路，以此来填补常规车用电机控制器安全监控的空白区域，提高新能源汽车的乘车安全。具体技术方案如下：
一种车用电机控制器的安全监控电路，进一步地，包括芯片供电电路、芯片监控电路、故障诊断电路，其中，
所述芯片供电电路包括主控芯片电源电路和监控芯片电源电路，主控芯片电源电路用于将电源电压转换成主控芯片所需要的电压，监控芯片电源电路用于将电源电压转换成监控芯片所需要的电压；
所述芯片监控电路包括主控芯片和监控芯片，主控芯片主要负责控制电机运转，监控芯片用于对主控芯片的运行状态进行监控；
所述故障诊断电路包括电机相电流过流检测电路，功率开关过温检测电路，母线过压检测电路，IGBT使能信号a，IGBT使能信号b以及功率桥使能信号，当功率开关过温检测电路，母线过压检测电路，IGBT使能信号a和IGBT使能信号b均为高电平，则功率桥使能信号对应为高电平，当功率开关过温检测电路，和/或，母线过压检测电路，和/或，IGBT使能信号a和/或IGBT使能信号b为低电平时，则功率桥使能信号相应地为低电平。
进一步地，还包括PWM互锁电路，所述PWM互锁电路用于获得上下桥的PWM信号以及功率桥使能信号，并输出功率桥驱动信号H和功率桥驱动信号L来开闭功率桥开关管。
进一步地，芯片供电电路还包括开关器件，其用于控制控制器上电与否；所述电源为蓄电池，其额度电压为12V，用于向主控芯片以及监控芯片提供供电电压。
进一步地，所述电压包括主控芯片所需要的模拟电压、数字电压、参考电压和内核电压，监控芯片所需的电源电压和参考电压。
进一步地，主控芯片电源电路用于将蓄电池电压转换成主控芯片所需要的电压，所述监控芯片电源电路为监控芯片提供电源和参考电压，主控芯片和监控芯片之间通过SPI通讯连接。
进一步地，所述运行状态包括主控芯片内的片内外设和存储器的运行状态，供电电源的工作情况。
进一步地，监控芯片具有ADC采样模块，用于监控主控芯片的供电电源的工作情况，主控芯片具有ADC采样模块，用于采集模拟信号并控制电机运转，以及监察监控芯片的供电电源。
进一步地，主控芯片具有GPIO，并通过GPIO监控故障诊断电路的过流、过温、过压的数字信号。功率开关管，其控制端通过PWM互锁电路接收主控芯片发出的PWM驱动控制信号，并可根据PWM互锁电路输出的高低电平状态进行开通或关断，PWM互锁电路共有三相，提供三相6路PWM信号。
上述车用电机控制器的安全监控电路的控制方法，包括如下步骤：
(1)控制器上电；
(2)电源电压通过主控芯片的电源电路转换成主控芯片所需要的电压；
(3)同时，电源电压通过监控芯片电源电路转换成监控芯片所需的电压；
(4)主控芯片和监控芯片使能功率开关管运行；
(5)监控芯片对主控芯片的运行状态进行监控，一旦监控芯片发现异常，则关闭功率开关管并将故障信息传递给主控芯片，主控芯片将故障信息发送给整车控制器；
(6)同时，监控芯片检测主控芯片的供电电源的工作情况，一旦检测到电源工作异常时，立即关断功率开关；
(7)同时，主控芯片采集模拟信号并控制电机运转，还监控故障诊断电路的数字信号，以此来控制功率开关管，并将状态信息发送给整车控制器；
(8)当电机和电机控制器处于正常状态情况下，故障诊断电路根据电平信号使功率开关管受主控芯片控制；
(9)当电机和/或电机控制器工作异常时，故障诊断电路根据电平信号关闭功率开关管。
进一步地，进一步包括步骤(10)：当电机和电机控制器处于正常状态情况下，PWM互锁电路获得的功率桥使能信号为高电平，上下桥的PWM信号可以流过PWM互锁电路来控制开关管，当主控芯片出现异常和/或主控芯片输出的上下桥PWM信号受到干扰导致上下桥PWM信号同时为高电平时，上下桥PWM信号经过PWM互锁电路后，PWM互锁电路强制功率桥驱动信号H为低电平，功率桥驱动信号L变为高电平，从而防止了功率桥上下直通的危险事件出现；当功率桥使能信号为低电平时，PWM互锁电路关闭PWM信号的传输通道，并使得其输出的功率桥驱动信号都为低电平，从而关闭功率桥的所有开关管。
与现有技术相比，本发明通过简单的安全监控电路实现了对安全至关重要的状态(芯片片内运行状态、过流、过压、过温、芯片供电电源)进行监控，状态异常时可以及时保护控制器，提高了控制器的可靠性和车辆的乘车安全，另外，该电路还可以避免功率开关管的上下桥直通，进一步提高了控制器的可靠性。
附图说明
图1本发明的一种车用电机控制器芯片供电电路原理图。
图2本发明的一种车用电机控制器内芯片监控电路原理图。
图3本发明的一种车用电机控制器内故障诊断电路原理图。
图4本发明的一种车用电机控制器PWM互锁电路原理图。
具体实施方式
下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。
在一个优选的实施例中，一种车用电机控制器安全监控电路，该电路通过新增一个监控芯片来监控主控芯片的运行情况，同时还可以监控主控芯片供电电源的工作情况。现在随着芯片技术的快速发展，其处理速度越来越快、集成度也越来越高，这就对其供电电源的要求也更加严格，主控芯片的电源需要更低的电压、更大的电流、更稳定的供电，所以电源的供电质量直接影响主控芯片是否能正常工作，同时它也是影响电动汽车安全性的关键因素。发明中的监控芯片一旦发现主控芯片或其供电电源运行异常，它可以通过相应电路立即关闭开关管(例如：IGBT、MOSFET等)，因为电机控制器是通过全桥开关管将输入高压直流逆变成三相交流电，通过改变三相交流电的频率和大小来控制电机运转的，如果主控芯片工作异常，则会造成全桥开关工作异常，这样可能会导致开关管烧毁或导致车辆急加速、急减速等危及人身安全的故障，所以只有及时关闭电池与电机之间的能量传递才能避免器件损坏和危险事件的发生。
另外主控芯片需要通过片内ADC采集传感器传递过来的模拟信号来控制电机运转，这些模拟量大多要参与控制算法的计算，为了保证电机控制器有较高的性能，则ADC必须要有较高的采样精度，所以主控芯片外部一般使用高精度的ADC参考电压，以此来获得高精度的采样值，如果ADC参考电源失效的话将造成电机误动作，从而给整车带来不可预料的严重后果，因此本发明采用监控芯片来监控主控芯片ADC的参考电压，参考电压异常时监控芯片可以及时关闭全桥开关管，从而避免了以上问题。
当监控芯片监控出现故障时可以通过主控芯片的CAN通讯将故障信息发给整车控制器，以便工作人员进行故障排查和分析，这样使得电机控制器能准确、及时地将故障信息传递出来，增强了电机控制器的可维护性。
传统电机控制器只有一路电源电路给主控芯片、辅助芯片、模拟电路和数字电路等部件供电，一旦电源电路出现问题，电机控制器内的电子元器件都将受到影响。因为监控芯片对保证电机控制器的可靠性至关重要，所以对其供电电源也做了冗余设计，即使主控芯片电源工作异常时也能保证监控芯片可以正常工作，以保证电机控制器能够及时关断全桥开关管，从而避免了车辆危险状况的发生。
主控芯片还可以通过SPI通讯对监控芯片的运行情况做监控，同时主控芯片还通过ADC采样监察监控芯片的供电电源以及其ADC参考电源，一旦监控芯片的供电电源、ADC参考电源或监控芯片运行异常时，主控芯片关闭全桥开关管，然后通过CAN把故障信息传递给整车控制器，从而保证了电机控制器监控芯片也一直工作在有监控的情况下。另外，主控芯片还对过压、过流、过温、IGBT使能信号等状态量进行监控，当发生硬件保护时主控芯片可以将故障信息发给整车控制器。
电机控制器工作异常时，关全桥开关管的功能是通过故障诊断电路和PWM互锁电路实现的。正常情况下，故障诊断电路在没检测到故障的情况下会输出一个高电平，该高电平打开了PWM互锁电路，一旦故障诊断检测到异常时将会输出一个低电平，该低电平会使PWM互锁电路输出均为低电平，这样就可以保证全桥的6路开关管都处于关断状态。另外电机控制器内主控芯片会产生三相驱动的6路PWM信号，每一相驱动信号都包括2路上下桥的PWM信号，在异常情况下，如果两路PWM信号都为高电平的话会导致上下桥开关直通，从而造成开关管烧毁，而PWM互锁电路可以避免此问题，当输入的两路PWM信号都为高电平时，PWM互锁电路会使输出上桥臂PWM为低电平，以此来避免上下桥PWM信号同时为高电平的情况。
在一个优选的实施例中，一种车用电机控制器的安全监控电路由4个子电路：芯片供电电路、芯片监控电路、故障诊断电路、PWM互锁电路组成，这4个子电路相互协调工作并共同完成了对电机控制器内相电流、母线电压、温度、芯片运行情况的监控、诊断、故障信息的外部传递和保护等工作，以下结合附图和实施例子对本发明进一步说明。
参照附图1：
当控制器上电后(图中的开关SW闭合)，小蓄电池的12V电压通过主控芯片的电源电路转换(DC-DC转换)成主控芯片所需要的模拟电压、数字电压、参考电压和内核电压，在以上转换的同时，小蓄电池的12V电压还通过监控芯片电源电路转换成监控芯片所需的电源电压和参考电压，两个转换电路满足了主控芯片和监控芯片各自所需不同的供电电压要求。
参照附图2：
正常情况下，当电机控制器上电，主控芯片和监控芯片完成片内程序初始化后，主控芯片和监控芯片通过自身I/O口输出IGBT使能信号(此时为高电平)，从而使能功率开关管(例如：IGBT、MOSFET等)运行。之后监控芯片将通过SPI通讯对主控芯片内的片内外设和存储器(例如：主控芯片片内的ADC、ePWM、Watchdog、GPIO、SPI、CAN、RAM、ROM、flash等)的运行状态进行监控，一旦监控芯片发现异常，则通过其I/O口输出低电平来关闭功率开关管，从而避免了危险事件的发生，之后监控芯片通过SPI将故障信息传递给主控芯片，主控芯片再通过自身的CAN模块将故障信息发送给整车控制器，以便于控制器的故障诊断与维护。
监控芯片在监控主控芯片运行情况的同时还通过自身的ADC采样模块监控主控芯片的供电电源的工作情况，一旦检测到电源工作异常时，立即通过其自身的I/O口输出低电平来关断功率开关，以避免危险事件的发生。
在监控芯片对主控芯片监控的同时，主控芯片通过片内ADC采集模拟信号并控制电机运转，另外主控芯片还通过其GPIO监控故障诊断电路的过流(A)、过温(B)、过压(C)的数字信号，一旦检测到A、B、C中任何一路信号为低电平时，主控芯片再通过内部CAN通讯将故障信息发送给整车控制器。另外在以上监控的同时，主控芯片通过自身ADC模块连续监测监控芯片的供电电源，一旦监控芯片供电电源异常时，主控芯片输出IGBT使能信号a(此时为低电平)，以此来关闭功率开关管，之后再通过主控芯片CAN通讯将故障信息发送给整车控制器。
参照附图3：
当电机控制器上电后，电机及电机都处于正常状态情况下，故障诊断电路从电机相电流过流检测电路(其输出电平用A表示)、功率开关器件过温检测电路(其输出电平用B表示)和母线过压检测电路(其输出电平用C表示)获得的电平均为高电平，这时的IGBT使能信号a(其输出电平用D表示)和IGBT使能信号b(其输出电平用E表示)也都是高电平，则故障诊断电路输出的功率桥使能信号(其输出电平用F表示)为高电平，功率开关可以正常接收主控芯片的PWM驱动控制信号，从而使得电机控制器接收整车控制器的指令后能正常地控制电机运转。
当电机控制器工作异常时，一旦故障诊断电路发现A、B、C、D、E中任何一路电平变为低电平后，则故障诊断电路输出F电平立刻变为低电平，从而有效关闭功率开关管，以便防止危险事件的发生。
下表1列举了故障诊断电路的工作状态：
表1 故障诊断电路的工作状态
| 诊断结果 | A | B | C | D | E | F | 电路输出实现的功能 |
| 正常 | H | H | H | H | H | H | 开启PWM信号传输通道 |
| 异常 | L | X | X | X | X | L | 关闭PWM信号传输通道 |
| 异常 | X | L | X | X | X | L | 关闭PWM信号传输通道 |
| 异常 | X | X | L | X | X | L | 关闭PWM信号传输通道 |
| 异常 | X | X | X | L | X | L | 关闭PWM信号传输通道 |
| 异常 | X | X | X | X | L | L | 关闭PWM信号传输通道 |
注释：H代表高电平、L代表低电平、X代表任意电平
参照附图4：
因为电机控制器一般控制三相电机，其内部使用三相全桥开关实现直流逆变成三相交流电，所以主控芯片需要提供三相6路PWM信号来控制功率开关管，图3只提供了A相的PWM互锁电路，另外两相的PWM互锁电路与A相PWM互锁电路是完全一样。
正常情况下，PWM互锁电路获得的功率桥使能信号(其输出电平用G表示)为高电平，上下桥的PWM信号(上桥PWM信号电平用P表示、下桥PWM信号电平用Q表示)可以流过PWM互锁电路来控制开关管，当主控芯片出现异常或主控芯片输出的上下桥PWM信号受到干扰导致上下桥PWM信号同时为高电平时，上下桥PWM信号经过PWM互锁电路后，PWM互锁电路强制“A相功率桥驱动信号H”(其输出电平用J表示)为低电平，A相功率桥驱动信号L(其输出电平用K表示)变为高电平，从而防止了功率桥上下直通的危险事件出现。
另外，当功率桥使能信号为低电平时，PWM互锁电路会关闭PWM信号的传输通道，并使得其输出的“A相功率桥驱动信号H”和“A相功率桥驱动信号L”都为低电平，从而关闭功率桥的所有开关管。
下表2列举了PWM互锁电路的工作状态：
表2 PWM互锁电路的工作状态
| 控制器状态 | G | P | Q | J | K | 备注 |
| 正常 | H | H | L | H | L | |
| 正常 | H | L | H | L | H | |
| 正常 | H | L | L | L | L | |
| 异常 | H | H | H | L | H | 强制驱动信号H为低电平 |
| 异常 | L | X | X | L | L | 关闭PWM传输通道 |
注释：H代表高电平、L代表低电平、X代表任意电平
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种车用电机控制器的安全监控电路，其特征在于，包括芯片供电电路、芯片监控电路、故障诊断电路，其中，
所述芯片供电电路包括主控芯片电源电路和监控芯片电源电路，主控芯片电源电路用于将电源电压转换成主控芯片所需要的电压，监控芯片电源电路用于将电源电压转换成监控芯片所需要的电压；
所述芯片监控电路包括主控芯片和监控芯片，主控芯片连接并控制电机运转，监控芯片用于对主控芯片的运行状态进行监控；
所述故障诊断电路包括电机相电流过流检测电路，功率开关过温检测电路，母线电压过压检测电路，IGBT使能信号a，IGBT使能信号b以及功率桥使能信号，当功率开关过温检测电路，母线电压过压检测电路，IGBT使能信号a和IGBT使能信号b均为高电平，则功率桥使能信号对应为高电平，当功率开关过温检测电路，和/或，母线电压过压检测电路，和/或，IGBT使能信号a和/或IGBT使能信号b为低电平时，则功率桥使能信号相应地为低电平；
主控芯片电源电路用于将电源电压转换成主控芯片所需要的电压，所述监控芯片电源电路为监控芯片提供电源和参考电压，主控芯片和监控芯片之间通过SPI通讯连接；
所述运行状态包括主控芯片内的片内外设和存储器的运行状态，供电电源的工作情况。
2.如权利要求1所述的车用电机控制器的安全监控电路，其特征在于，还包括PWM互锁电路，当功率桥使能信号为高电平，所述PWM互锁电路用于获得上下桥的PWM信号以及功率桥使能信号，并输出功率桥驱动信号H和功率桥驱动信号L来开闭功率桥开关管。
3.如权利要求1或2所述的车用电机控制器的安全监控电路，其特征在于，芯片供电电路还包括开关器件，其用于控制控制器上电与否；所述主控芯片的电源和监控芯片的电源为蓄电池，其额定电压为12V，用于向主控芯片以及监控芯片提供供电电源。
4.如权利要求1或2所述的车用电机控制器的安全监控电路，其特征在于，所述电压包括主控芯片所需要的模拟电压、数字电压、参考电压和内核电压，监控芯片所需的电源电压和参考电压。
5.如权利要求1或2所述的车用电机控制器的安全监控电路，其特征在于，监控芯片具有ADC采样模块，用于监控主控芯片的供电电源的工作情况，主控芯片具有ADC采样模块，用于采集模拟信号并控制电机运转，以及监察监控芯片的供电电源。
6.如权利要求1或2所述的车用电机控制器的安全监控电路，其特征在于，主控芯片具有GPIO，并通过GPIO监控故障诊断电路的过流、过温、过压的数字信号；功率桥开关管，其控制端通过PWM互锁电路接收主控芯片发出的PWM驱动控制信号，并可根据PWM互锁电路输出的高低电平状态进行开通或关断，PWM互锁电路共有三相，提供三相6路PWM信号。
7.一种如权利要求1-6任一权利要求所述车用电机控制器的安全监控电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)控制器上电；
(2)电源电压通过主控芯片电源电路转换成主控芯片所需要的电压；
(3)同时，电源电压通过监控芯片电源电路转换成监控芯片所需的电压；
(4)主控芯片和监控芯片使能功率桥开关管运行；
(5)监控芯片对主控芯片的运行状态进行监控，一旦监控芯片发现异常，则关闭功率桥开关管并将故障信息传递给主控芯片，主控芯片将故障信息发送给整车控制器；
(6)同时，监控芯片检测主控芯片的供电电源的工作情况，一旦检测到电源工作异常时，立即关断功率桥开关管；
(7)同时，主控芯片采集模拟信号并控制电机运转，还监控故障诊断电路的数字信号，以此来控制功率桥开关管，再将状态信息发送给整车控制器；
(8)当电机和电机控制器处于正常状态情况下，故障诊断电路根据电平信号使功率桥开关管受主控芯片控制；
(9)当电机和/或电机控制器工作异常时，故障诊断电路根据电平信号关闭功率桥开关管。
8.如权利要求7所述车用电机控制器的安全监控电路的控制方法，其特征在于，进一步包括步骤(10)：当电机和电机控制器处于正常状态情况下，PWM互锁电路获得的功率桥使能信号为高电平，上下桥的PWM信号可以流过PWM互锁电路来控制开关管，当主控芯片出现异常和/或主控芯片输出的上下桥PWM信号受到干扰导致上下桥PWM信号同时为高电平时，上下桥PWM信号经过PWM互锁电路后，PWM互锁电路强制一路功率桥驱动信号为低电平，另一路功率桥驱动信号变为高电平，从而防止了功率桥上下直通的危险事件出现；当功率桥使能信号为低电平时，PWM互锁电路关闭PWM信号的传输通道，并使得其输出的功率桥驱动信号都为低电平，从而关闭所有功率桥开关管。
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