CN104333293A - 一种电动汽车电机控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电动汽车电机控制器，具有整车控制器、电机控制器主控芯片MCU、功率模块，MCU通过功率模块对电机进行控制，其特征在于：还具有过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元、母线电压采集单元，过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元的信号输出端接与门（U4）,与门（U4）的输出端、母线电压采集单元的信号输出端接与门（U5）;与门（U5）的输出端即关键状态信号输出端，接与门（U7）的第一输入端,与门（U7）的输出端即功率桥使能信号输出端，接上下桥臂PWM信号互锁电路，上下桥臂PWM信号互锁电路的输出端即功率模块驱动信号输出端，接功率模块。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动汽车电机控制器。
背景技术
随着全球石油资源日趋紧张及环境污染日趋严重，各种节能环保的电动汽车不断涌现，一般可以分为3类，即：纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池动力汽车。随着电动汽车的技术不断进步及各国持续的政策支持，电动汽车的销售量呈现逐年快速增长的态势。
在电动汽车中，电机控制器实现电机驱动控制和再生制动能量回收控制，即实现直流电到交流电的逆变又可实现交流电到直流电的整流，也就是说它是电动汽车动力电池与交流电机能量传递的桥梁，又因电动汽车的电机控制器属于核心零部件，且直接关系的人身行驶安全，所以对电机控制器的可靠性有更高的要求。传统电机控制器也有工作状态的诊断和保护措施，一般多采用主控芯片MCU对模拟信号进行监控及异常时的保护工作，这些都需要借助软件来实现。软件的反应速度较慢，在一些异常情况下，往往保护措施响应不及时而造成了电机控制器内部元器件的损坏，据统计，工程应用中损坏最多的就是功率器件。对于电动汽车电机控制器，功率器件的损坏可能会导致车辆失去动力或突然加速，给人们行驶安全带来极大的危险。另外，传统电机控制器故障保护后无法读取其故障信息，所以给电机控制器的维护修理带来了极大不便。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种电动汽车电机控制器，能够有效提高电动汽车电机控制器工作的安全性和可靠性。
实现本发明目的的技术方案：
一种电动汽车电机控制器，具有整车控制器、电机控制器主控芯片MCU、功率模块，MCU通过功率模块对电机进行控制，其特征在于：还具有过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元、母线电压采集单元，过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元的信号输出端接与门（U4）, 与门（U4）的输出端、母线电压采集单元的信号输出端接与门（U5）; 与门（U5）的输出端即关键状态信号输出端，接与门（U7）的第一输入端, 与门（U7）的输出端即功率桥使能信号输出端，接上下桥臂PWM信号互锁电路，上下桥臂PWM信号互锁电路的输出端即功率模块驱动信号输出端，接功率模块。
过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元的信号输出端，经锁存器（U1）接与门（U4），锁存器（U1）的锁存清除信号输入端接MCU。
与门（U7）的第二输入端接与门（U6）的输出端；MCU的电机使能信号输出端和整车控制器的信号输出端接与门（U6）的输入端。
还具有掉电保持电路，掉电保持电路结构为，开关管（Q3）、开关管（Q4）并联组成开关电路，开关电路的输出端接开关管（Q5）的控制端，开关管（Q5）用于控制电机控制器供电电源；开关管（Q3）的控制端接整车控制器的输出端，开关管（Q4）的控制端接MCU。
功率器件温度采集单元具有功率器件温度采集电路和比较器（U3），功率器件温度采集电路的输出端接比较器（U3）；母线电压采集单元具有母线电压采集电路和比较器（U2），母线电压采集电路的输出端接比较器（U2），比较器（U2）的输出端接与门（U5）。
上下桥臂PWM信号互锁电路由两个与门（U8）、（U10）和两个与非门（U9）、（U11）组成，上下桥臂PWM信号互锁电路的上桥臂PWM信号输入端、下桥臂PWM信号输入端与MCU连接。
与门（U5）的输出端即关键状态信号输出端、与门（U7）的输出端即功率桥使能信号输出端、比较器（U2）的输出端和锁存器（U1）的输出端均与MCU连接。
本发明具有的有益效果：
本发明过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元、母线电压采集单元的信号输出端接入与门，通过与门输出关键状态信号，继而输出功率桥使能信号，对功率模块进行控制。本发明对电动汽车电机控制器的工作状态监控和保护做了冗余设计，除采用软件的监控、保护措施外，还增加了硬件的监控、保护措施，用硬件电路来监控电机控制器运行时的关键工作状态量（母线电压、三相电流、功率器件的温度），所谓关键工作状态量是因为这些状态量的值超出正常范围时可能会直接导致电机控制器的核心器件——三相全桥的功率器件（功率模块）损坏或电机的损坏，因硬件电路的特点是响应迅速和高可靠性，任何关键工作状态异常时可以及时停止功率器件工作来保护功率器件，异常消除后再迅速恢复功率模块工作，因此，本发明安全性和可靠性高、反应速度快、维护成本和故障率低。同时，本发明将各监控状态正常与否集中为一个功率桥使能信号输出，这样大大简化了保护电路，降低了成本，进一步提高了电机控制器的可靠性。
本发明过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元的信号输出端，经锁存器（U1）接与门（U4），锁存器（U1）的锁存清除信号输入端接MCU。锁存器可以保持功率器件一直处于关闭状态，避免了异常状态频繁地冲击功率模块和/或电机，从而进一步提高了电驱动***的可靠性。电路中锁存的故障电平可以通过MCU的I/O输出脉冲来清除，在电机控制器关键状态恢复到正常安全范围内时电机控制器可以重新恢复正常工作，对于多次清除后故障状态一直存在的，MCU可以记录清除次数，并根据安全策略适时地彻底关闭功率管，这样电机控制器可以排除一些偶发的异常并保证电机控制器地持续工作，一定程度上避免了电动汽车突加速或突减速带来的安全问题。
本发明还具有掉电保持电路，掉电保持电路结构为，开关管（Q3）、开关管（Q4）并联组成开关电路，开关电路的输出端接开关管（Q5）的控制端，开关管（Q5）用于控制电机控制器供电电源；开关管（Q3）的控制端接整车控制器的输出端，开关管（Q4）的控制端接MCU。掉电保持电路使电机控制器延迟一段时间掉电，这段时间用来做故障信息的存储，进一步方便电机控制器的维护，提高电机控制器工作的安全性和可靠性。
本发明具有上下桥臂PWM信号互锁电路，上下桥臂PWM信号互锁电路由两个与门（U8）、（U10）和两个与非门（U9）、（U11）组成，上下桥臂PWM信号互锁电路的上桥臂PWM信号输入端、下桥臂PWM信号输入端与MCU连接，PWM信号互锁电路从硬件上避免了上下桥臂驱动信号同为高电平的情况，避免了上下桥PWM信号同为高导致的功率器件直通损坏，提高电机控制的可靠性及整车行驶的安全性。
本发明与门（U5）的输出端即关键状态信号输出端、与门（U7）的输出端即功率桥使能信号输出端、比较器（U2）的输出端和锁存器（U1）的输出端均与MCU连接，主控芯片MCU可对状态信息进行有效监控，同时简化了电路，有效降低了成本。
附图说明
图1是本发明掉电保持电路部分原理图；
图2 是本发明故障诊断电路部分原理图；
图3是本发明PWM互锁电路部分原理图。
具体实施方式
如图1所示，电机控制器包括整车控制器VMS、电机控制器主控芯片MCU、功率模块，MCU通过功率模块对电机进行控制，此为现有技术。
如图2所示，过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元的信号输出端，经锁存器U1接与门U4，锁存器U1的锁存清除信号输入端经开关管U12接MCU。与门U4的输出端、母线电压采集单元的信号输出端接与门U5。功率器件温度采集单元具有功率器件温度采集电路和比较器U3，功率器件温度采集电路的输出端接比较器U3；母线电压采集单元具有母线电压采集电路和比较器U2，母线电压采集电路的输出端接比较器U2。
与门U5的输出端即关键状态信号输出端，接与门U7的第一输入端, 如图2、图3所示， 与门U7的输出端即功率桥使能信号输出端，接上下桥臂PWM信号互锁电路，上下桥臂PWM信号互锁电路的输出端即功率模块驱动信号输出端，接功率模块。与门U7的第二输入端接与门U6的输出端；MCU的电机使能信号输出端M和整车控制器的信号输出端L接与门U6的输入端。
与门U5的输出端即关键状态信号输出端、与门U7的输出端即功率桥使能信号输出端、比较器U2的输出端和锁存器U1的输出端均与MCU连接。
如图1所示，掉电保持电路结构为，开关管Q3、开关管Q4并联组成开关电路，开关电路的输出端经电阻R10接开关管Q5的控制端，开关管Q5用于控制电机控制器供电电源,接通电源变换器；开关管Q3的控制端接整车控制器VMS的输出端，开关管Q4的控制端接MCU。
如图3所示，上下桥臂PWM信号互锁电路（简称PWM信号互锁电路）由两个与门U8、U10和两个与非门U9、U11组成，上下桥臂PWM信号互锁电路的上桥臂PWM信号输入端、下桥臂PWM信号输入端与MCU的IO口连接。
参考图1，当整车控制器VMS发送点火信号R（高电平）给开关管Q3时，开关管Q3立即导通后，在MSOFET开关管Q5的GS之间产生一个负电压，根据P型MOSFET的特性，这时开关Q5导通，电动汽车小蓄电池额度12V电压就通过开关管Q5并给电机控制器内所有低压电路供电。当整车控制器VMS发送点火信号R（低电平）给开关管Q3时，MCU的IO口同时也接收到点火信号变为低电平，然后MCU的IO口输出掉电保持信号S（高电平），在开关管Q3关断的同时，开关管Q4因接收到掉电保持信号S而开通，之后MCU立即存储最后的关键状态信息。存储完毕后，断开低压供电电源，MCU发出掉电保持信号S（低电平），开关管Q4接收到低电平控制信号后，由导通状态变为关闭状态，完成电机控制器掉电保持。
下表1列出了电机控制器内部的低压供电状态表：
表1 电机控制器内部的低压供电状态表
注：H代表高电平、L代表低电平、X代表任意电平、R、S、T端如图1所示。
参考图1—图3：
电机控制器内部正常供电后，整车控制器VMS发出使能信号L（高电平）给与门U6，当三个关键状态量（电机三相电流值、功率模块温度值、电机控制器母线电压值）都正常时，过流故障诊断电路、比较器U2和比较器U3均输出高电平，过流故障诊断电路与比较器U3输出的电平通过锁存器U1输出高电平给与门U4，此时，与门U5输入端的电压均为高电平，则与门U5输出高电平给后端的MCU，MCU检测到该高电平后默认关键状态量均正常，之后MCU通过IO口输出电机使能信号M（高电平）给与门U6，则U7输入端信号均为高电平，于是U7输出功率桥使能信号P（高电平）给后端的MCU和PWM互锁电路。因此PWM互锁电路输出通道被打开，由之前功率模块驱动信号H与L持续输出低电平变为输出电平随输入同样变化，从而实现了电机的运转控制。
比较器U2输出高电平的情况下，当电机三相电流和/或功率模块温度异常时，过流故障诊断电路和/或比较器U3输出低电平给锁存器U1，锁存器U1则在对应输出引脚输出低电平给与门U4，同时锁存器输出状态信号E和H给MCU的IO口，以便MCU获知具体哪路故障。因与门U4输入端变为低电平，则与门U4输出低电平给U5，于是U5输出低电平P给PWM互锁电路和MCU的I/O口后，PWM互锁电路立即全部输出低电平来关闭功率器件，以免异常造成功率器件的损坏，同时MCU获知了这一状态。功率模块关闭后过流故障诊断电路输出信号C和/或比较器U3输出信号D一段时间后会恢复为高电平，MCU一旦检测的两相电流值和功率模块温度值恢复到某一安全范围内立即发出故障清除信号B，锁存器U1的Q1和/或Q2端输出恢复为高电平，之后PWM信号通过PWM互锁电路控制电机运行，一旦再次检测到故障状态量，锁存器将再次锁存输出低电平，如果电机运行时各状态量均正常的话电机控制器恢复正常工作。如果清除锁存器到达规定的次数，故障状态仍然存在的话，MCU输出电机使能信号M（低电平）来彻底关断功率模块。
当电机控制器母线电压过压时，比较器U2输出低电平给与门U5和MCU，则与门U7会立即输出低电平来关断功率模块，根据母线电压值MCU通过输出信号M适时的控制U7输出高电平，从而恢复电机控制器对电机的控制。
下表2列出了故障诊断电路中的信号关系表：
表2 故障诊断电路中的信号关系表
注释：H代表高电平、L代表低电平、X代表任意电平、C D I E F G H L M K P端，如图2所示。
参考图3，电机控制器采用的是三相全桥，所以有三相PWM互锁电路，图3为其中的某一相的PWM互锁电路。当使能信号P为高电平时，MCU发出的PWM信号直接通过PWM互锁电路后控制功率器件的开关。如果PWM互锁电路输入侧的上下桥PWM信号均为高电平，PWM互锁电路立即输出一路X高电平一路Y低电平，从而避免了功率器件直通危险事件的发生。当使能信号P为低电平时，PWM互锁电路输出均为低电平，则三相六路功率器件均被关闭，从而避免了异常故障状态对功率模块和/或电机的损坏。
下表列出了PWM互锁电路中的信号关系表：
表3 PWM互锁电路中的信号关系表
注释：H代表高电平、L代表低电平、X代表任意电平、P U W X Y端,如图3所示。
Claims (7)
1.一种电动汽车电机控制器，具有整车控制器、电机控制器主控芯片MCU、功率模块，MCU通过功率模块对电机进行控制，其特征在于：还具有过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元、母线电压采集单元，过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元的信号输出端接与门（U4）, 与门（U4）的输出端、母线电压采集单元的信号输出端接与门（U5）; 与门（U5）的输出端即关键状态信号输出端，接与门（U7）的第一输入端, 与门（U7）的输出端即功率桥使能信号输出端，接上下桥臂PWM信号互锁电路，上下桥臂PWM信号互锁电路的输出端即功率模块驱动信号输出端，接功率模块。
2.根据权利要求1所述的电动汽车电机控制器，其特征在于：过流故障诊断电路、功率器件温度采集单元的信号输出端，经锁存器（U1）接与门（U4），锁存器（U1）的锁存清除信号输入端接MCU。
3.根据权利要求2所述的电动汽车电机控制器，其特征在于：与门（U7）的第二输入端接与门（U6）的输出端；MCU的电机使能信号输出端和整车控制器的信号输出端接与门（U6）的输入端。
4.根据权利要求3所述的电动汽车电机控制器，其特征在于：还具有掉电保持电路，掉电保持电路结构为，开关管（Q3）、开关管（Q4）并联组成开关电路，开关电路的输出端接开关管（Q5）的控制端，开关管（Q5）用于控制电机控制器供电电源；开关管（Q3）的控制端接整车控制器的输出端，开关管（Q4）的控制端接MCU。
5.根据权利要求4所述的电动汽车电机控制器，其特征在于：功率器件温度采集单元具有功率器件温度采集电路和比较器（U3），功率器件温度采集电路的输出端接比较器（U3）；母线电压采集单元具有母线电压采集电路和比较器（U2），母线电压采集电路的输出端接比较器（U2），比较器（U2）的输出端接与门（U5）。
6.根据权利要求5所述的电动汽车电机控制器，其特征在于：上下桥臂PWM信号互锁电路由两个与门（U8）、（U10）和两个与非门（U9）、（U11）组成，上下桥臂PWM信号互锁电路的上桥臂PWM信号输入端、下桥臂PWM信号输入端与MCU连接。
7.根据权利要求6所述的电动汽车电机控制器，其特征在于：与门（U5）的输出端即关键状态信号输出端、与门（U7）的输出端即功率桥使能信号输出端、比较器（U2）的输出端和锁存器（U1）的输出端均与MCU连接。
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