CN111959278A - 一种电机控制器下桥臂主动关断控制***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电机控制器下桥臂主动关断控制***及方法，***的低压侧部分有三路输入信号，其包括来自低压微控制单元的生命信号、来自CPLD的综合故障信号和来自***基础芯片的功能安全故障信号；三路输入信号经过一个逻辑或门再通过隔离芯片输出到高压侧部分；高压侧部分的时钟监控模块对信号进行实时监控，时钟监控电路监控隔离芯片的输出信号控制输出ASC动作信号到推挽芯片，推挽芯片控制功率IGBT模块的下桥臂进行主动短路保护。本发明采用了标准的占空比50%的方波生命信号来监控低压侧各功能模块的状态，控制高压侧的功率模块主动短路功能；同时对高压侧进行双电源供电方式也能够确保该电路实现低压侧掉电情况下保证能够继续进行主动短路功能。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车电机控制器，特别涉及一种电机控制器下桥臂主动关断控制***及方法。
背景技术
随着新能源汽车的广泛普及，电力电子器件在汽车的整车占比中越来越多，器件失效风险和汽车安全性成为行业不可忽视的研究课题；这就对新能源纯电动和混合动力汽车的技术要求越来越高。安全性能不单单是成为我们产品的第一要求，也是我们行业竞争的利器。在新能源纯电动或者混合动力汽车中，对动力***的要求更是尤为严苛，需要在任何驾驶的工况下，都不能因为电子器件失效或者安全故障造成人员伤害或者违背安全目标要求。这几年，新能源产品的开发中满足功能安全等级成了产品开发的基本要求。因此，在电机控制器的研发过程中，主动短路电路（Active Short Circuit）是驱动控制的常用的安全控制技术，确保电机在安全故障之后不会产生非预期的动力扭矩，以及确保控制器的不损坏。
与本技术最为接近的技术主要如下：
1、电机控制器独立主动短路高压侧保护电路（专利号：CN201822175052）
本实用新型公开了一种电机控制器独立主动短路高压侧保护电路，本电路包括主动短路信号、PWM控制信号和电流计控制器的IGBT管，以及数字光耦隔离器、第一比较器、第二比较器、推挽驱动器、PMOS管、NMOS管、第一电容、第二电容以及第一至第十九电阻；主动短路信号经过数字光耦隔离器分别输入第一比较器和第二比较器，经逻辑判断后有PMOS管和NMOS管实现由推挽驱动器输入的PWM控制信号的通断，并对电机控制器的IGBT管实现保护。本电路克服传统电机的相间主动短路保护功能的缺陷，当驱动芯片失效时依然实现电机相间主动短路保护功能，以避免硬件随机失效带来的***风险。
2、电动汽车低压掉电保护电路（专利号：CN20180829673）
本发明提供一种电动汽车低压掉电保护电路，包括：第一电源电路：包括串联的驱动电路以及二极管，所述第一电源电路从电动汽车的蓄电池取电，在蓄电池的输出电压大于预定值的状态下，为电动汽车的抗故障主动短路***提供所需的电压；第二电源电路：包括串联的低压掉电检测电路、直流中间电路以及二极管，所述第二电源电路从电动汽车的蓄电池取电，在蓄电池的输出电压小于预定值的状态下，未电动汽车的抗故障主动短路***提供所需额定电压。本发明可以实现在蓄电池电压低于12V时，能稳定输出15V直流电，使抗故障主动短路(ASC)策略处于工作状态，避免磁激励过压损坏控制器和电机。
3、一种转矩控制方法和控制装置（专利号：CN201810848168）
本专利介绍了一种转矩控制方法和控制装置，包括：获得期望转矩、实际转矩；根据期望转矩、实际转矩，确定是否需要安全停机；若需要，则使功率器件处于断开状态第一预设时间，使功率器件处于闭合状态；确定功率器件断开后所产生的实际制动转矩是否大于制动允许转矩；若是，则获取永磁同步电机的实际转速，并判断实际转速是否大于安全转速；若是，则获取上下桥臂功率器件的故障指示信号，并在上下桥臂的器件均无故障时，根据轮换ASC标志的当前值，执行上桥臂或者下桥臂功率器件的ASC功能第二预设时间；获取永磁同步电机的三相绕组电流，若其中任一相电流大于功率器件电流额定值时，则返回闭合功率器件的步骤。本专利可实现电机***的安全可靠的制动。
4、一种电机控制器的主动保护回路（专利号：CN201910815049）
本发明公开了一种电机控制器的主动保护回路，包括故障检测单元和主动短路单元：所述故障检测单元包括三输入与门U1和锁存器U2；三输入与门U1的三个输入端分别连接母线电压过压故障信号输出端、三相电流过流故障信号输出端和低压电源故障信号输出端，三输入与门U1输出端连接锁存器U2的输入端，锁存器U2的输出端输出主动短路信号ASC到主动短路单元；所述主动短路单元包括六个与门U3～U8，两个三输入与门U9、U10，四个肺门U11～U14，六个或门U15～U20。本发明的电机控制器的主动保护回路，实现了上、下桥臂的切换，可以在电机不同的工作模式下，或者客户不同的安全模式要求下，实现上下桥臂的选择来实现ASC功能。
以上现有的技术中，控制器虽然也考虑了一些故障工况下的主动短路电路，但是考虑的情况不够全面，不能覆盖大部分的故障工况，因此设计的功能存在缺陷，会给后续的使用带来隐患和风险。还有一方面的问题就是一些复杂电路的分立器件搭建增加了***的失效点和风险点。
发明内容
本发明目的是：提供一种电机控制器下桥臂主动关断控制***及方法，采用逻辑监控和故障执行策略保证了***的三层安全保护功能，充分利用驱动模块后级的推挽芯片的ASC功能确保控制器***的安全。
本发明的技术方案是：
一种电机控制器下桥臂主动关断控制***，包括低压侧部分和高压侧部分，其中：
所述低压侧部分有三路输入信号，包括：
Signal 1、来自低压微控制单元的生命信号，
Signal 2、来自CPLD的综合故障信号，
Signal 3、来自***基础芯片的功能安全故障信号；
三路输入信号分别输入到一个逻辑或门的三个输入端，逻辑或门输出再经过隔离芯片后输出到高压侧部分；
所述高压侧部分有时钟监控模块，对隔离芯片输出的信号进行监控，时钟监控电路模块根据监控结果输出ASC信号到推挽芯片；当ASC信号触发推挽芯片的ASC功能管脚时，使得功率IGBT模块的下桥臂主动短路。
优选的，所述低压侧部分由蓄电池供电，蓄电池通过SBC电源芯片输出5V进行供电；高压侧部分供电是由蓄电池和母线同时供电，蓄电池通过隔离变换产生的16V电压，母线电压经过DC/DC变换产生的15V电压，16V电压和15V电压进行电源合路后向高压侧部分供电。
优选的，所述低压侧部分输入的三路信号中，signal 1为频率300K，占空比50%的标准方波，在控制器工作期间一直工作；signal 2和 signal 3为高电平有效。
优选的，所述时钟监控模块实现对频率300K的标准方波进行频率监控，当标准方波的频率超过330K或者低于250K，或者低压侧将生命信号拉低到一定范围时，时钟监控电路模块输出ASC信号，ASC信号输入到推挽芯片的ASC功能管脚。
优选的，所述低压侧部分的三路输入信号中，来自CPLD的综合故障信号Signal 2综合了驱动芯片故障、母线电压过压故障、相电流过压故障；来自***基础芯片的功能安全故障信号Signal 3综合了低压电源的供电故障、低压微控制单元的功能安全故障信号、看门狗故障信号。
优选的，所述来自低压微控制单元的生命信号signal 1的标准方波为不限于频率300K，占空比不限于50%；对应的更改时钟监控电路的频率监控范围。
优选的，所述推挽芯片采用1EBN1001芯片，或用分立器件搭建推挽电路。
电机控制器下桥臂主动关断控制方法，采用所述的电机控制器下桥臂主动关断控制***，所述控制方法包括：
低压侧部分输入Signal 1～Signal 3三路信号，三路输入信号具有相同的重要等级，经过逻辑或门输出，再经过隔离芯片后输出到高压侧部分；
高压侧部分的时钟监控模块对隔离芯片输出信号进行监控；
时钟监控电路模块根据监控结果输出ASC信号到推挽芯片；
ASC信号触发推挽芯片的ASC功能管脚时，使得功率IGBT模块的下桥臂主动短路。
优选的，所述时钟监控模块实现对标准方波进行频率监控，当标准方波的频率超过或者低于设定范围，或者低压侧将生命信号拉低到一定范围时，时钟监控电路模块输出ASC信号，ASC信号低电平有效。
优选的，所述推挽芯片放大来自低压微控制单元的信号，驱动功率模块IGBT，实现功率模块的导通和关断；同时具备主动关断功能，实现功率模块IGBT的下桥臂的全关断；当ASC信号触发推挽芯片的ASC功能管脚时，使得功率IGBT模块的下桥臂进行主动短路，确保***不产生非预期扭矩。
本发明的优点是：
本发明主要创新点为采用了标准方波的生命信号来监控低压侧各功能模块、LV MCU、SBC功能安全监控模块的状态，控制高压侧的功率模块主动短路功能；同时对高压侧进行双电源供电方式也能够确保该电路实现低压侧掉电情况下进行主动短路功能。该专利具有如下优点：
1．该电路监控反应快，实现了us级别动作速度；
2．该专利能够监控所有的低压侧核心的功能模块，包括低压供电电源掉电监控；
3．该专利电路简单，器件失效点少，可靠性高，成本低；
4．该电路实现了冗余的下桥ASC功能，在驱动模块正常情况下，同样可以通过6路PWM进行驱动芯片控制的正常下桥臂ASC功能。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明电机控制器下桥臂主动关断控制***的框图。
具体实施方式
本发明提出一种简单的逻辑监控和故障执行策略保证了***的三层安全保护功能，充分利用驱动模块后级的推挽芯片的ASC功能确保控制器***的安全。
如图1所示，为电机控制器下桥臂主动关断控制***的框图，该***实现了在正常驱动模块功能故障、低压MCU内部程序跑飞或者片内功能失效、低压电源故障、低压掉电等情况下冗余的一条主动短路电路(ASC)，具有可靠性高、响应快、执行简单的特点；确保了控制器的功能安全以及整车***的安全。
下桥臂的主动关断功能应用于具备功能安全等级要求的电机控制器***，实现驱动功率模块的下桥臂的主动短路保护；在***出现异常功能故障的情况下，不仅可以确保控制器的安全，也能够确保不违背控制器的安全目标。
具体的，控制***包括低压侧部分和高压侧部分，所述低压侧部分输入有三路信号，包括：来自LV MCU (低压微控制单元)的生命信号(Alive)，简称Signal 1、来自CPLD的综合故障信号(SZ)，简称Signal 2 和来自SBC（***基础芯片）的功能安全故障信号(SS1), 简称Signal 3；其中，signal 1为频率300K，占空比50%的标准方波，在控制器工作期间一直工作；signal 2为cpld的故障信号，高电平有效；signal 3为sbc芯片的故障信号，高电平有效。
三个输入信号具有相同的重要等级，它们经过逻辑或门输出，再经过隔离芯片后输出到高压侧，高压侧有时钟监控模块对信号进行监控。时钟监控模块的功能为实现对频率300K的标准方波进行频率监控，当标准方波的频率超过330K或者低于250K，或者低压侧将生命alive信号完全拉低时，时钟监控电路模块输出ASC信号（低电平有效），ASC信号输入到推挽芯片IEBN1001。推挽芯片IEBN1001的功能为放大来自LV MCU的信号，驱动功率模块IGBT，实现功率模块的导通和关断；同时具备主动关断功能，实现功率模块的下桥臂（或者上桥臂）的全关断。当ASC信号触发IEBN1001芯片的ASC功能管脚时，能够使得功率IGBT模块的下桥臂的主动短路，确保***不产生非预期扭矩；同时，电机产生的感应反电势不会反灌到电机控制器的薄膜电容当中，造成电容和功率器件的损坏。
所述低压侧部分由蓄电池供电，蓄电池通过SBC电源芯片输出5V进行供电；高压侧部分供电是由蓄电池和母线同时供电，蓄电池通过隔离变换产生的16V电压，母线电压经过DC/DC变换产生的15V电压，16V电压和15V电压进行电源合路后向高压侧部分供电。
该专利电路能够实现如下功能：
1）确保安全产品控制器的非预期扭矩安全目标；
2）母线过压故障下执行下ASC功能；
3）拖车情况下ASC功能，保护功率模块和高压母线电容。
本发明中所述的三类有效输入信号能够监控控制器的各种类型的故障，这是因为三个输入故障信号综合了控制器的所有的故障类型；其中CPLD综合的故障信号综合了驱动模块的故障、母线电压过压故障、相电流过压故障等；SBC模块的功能安全故障信号SS1综合了低压电源的供电故障和与LV MCU间的功能安全信号。详细的故障信号来源如下表所示。
本发明方案电路结构简单、功能策略设计灵活、故障监控全面，能够覆盖各种类型的故障信号；监控在低压掉电情况下高压侧实现主动短路功能；能够覆盖驱动芯片失效情况下实现主动短路功能；实现在电动车拖车工况下，实现功率IGBT模块进行主动短路功能，保护功率模块和薄膜电容。
本发明方案还可以更改来自低压微控制器（LV MCU）的生命信号alive的标准方波的频率和占空比，对应的更改时钟监控电路的频率监控范围；
本发明的1EBN1001芯片还可以替换为分立器件搭建推挽电路或者其他型号的同功能的芯片。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电机控制器下桥臂主动关断控制***，其特征在于，包括低压侧部分和高压侧部分，其中：
所述低压侧部分有三路输入信号，包括：
Signal 1、来自低压微控制单元的生命信号，
Signal 2、来自CPLD的综合故障信号，
Signal 3、来自***基础芯片的功能安全故障信号；
三路输入信号分别输入到一个逻辑或门的三个输入端，逻辑或门输出再经过隔离芯片后输出到高压侧部分；
所述高压侧部分有时钟监控模块，对隔离芯片输出的信号进行监控，时钟监控电路模块根据监控结果输出ASC信号到推挽芯片；当ASC信号触发推挽芯片的ASC功能管脚时，使得功率IGBT模块的下桥臂主动短路。
2.根据权利要求1所述的电机控制器下桥臂主动关断控制***，其特征在于：
所述低压侧部分由蓄电池供电，蓄电池通过SBC电源芯片输出5V进行供电；高压侧部分供电是由蓄电池和母线同时供电，蓄电池通过隔离变换产生的16V电压，母线电压经过DC/DC变换产生的15V电压，16V电压和15V电压进行电源合路后向高压侧部分供电。
3.根据权利要求1所述的电机控制器下桥臂主动关断控制***，其特征在于：
所述低压侧部分输入的三路信号中，signal 1为频率300K，占空比50%的标准方波，在控制器工作期间一直工作；signal 2和 signal 3为高电平有效。
4.根据权利要求3所述的电机控制器下桥臂主动关断控制***，其特征在于：
所述时钟监控模块实现对频率300K的标准方波进行频率监控，当标准方波的频率超过330K或者低于250K，或者低压侧将生命信号拉低到一定范围时，时钟监控电路模块输出ASC信号，ASC信号输入到推挽芯片的ASC功能管脚。
5.根据权利要求3所述的电机控制器下桥臂主动关断控制***，其特征在于：
所述低压侧部分的三路输入信号中，来自CPLD的综合故障信号Signal 2综合了驱动芯片故障、母线电压过压故障、相电流过压故障；来自***基础芯片的功能安全故障信号Signal 3综合了低压电源的供电故障、低压微控制单元的功能安全故障信号、看门狗故障信号。
6.根据权利要求3所述的电机控制器下桥臂主动关断控制***，其特征在于：所述来自低压微控制单元的生命信号signal 1的标准方波为不限于频率300K，占空比不限于50%；对应的更改时钟监控电路的频率监控范围。
7.根据权利要求3所述的电机控制器下桥臂主动关断控制***，其特征在于：所述推挽芯片采用1EBN1001芯片，或用分立器件搭建推挽电路。
8.电机控制器下桥臂主动关断控制方法，其特征在于：采用权利要求1-7任意一项所述的电机控制器下桥臂主动关断控制***，所述控制方法包括：
低压侧部分输入Signal 1～Signal 3三路信号，三路输入信号具有相同的重要等级，经过逻辑或门输出，再经过隔离芯片后输出到高压侧部分；
高压侧部分的时钟监控模块对隔离芯片输出信号进行监控；
时钟监控电路模块根据监控结果输出ASC信号到推挽芯片；
ASC信号触发推挽芯片的ASC功能管脚时，使得功率IGBT模块的下桥臂主动短路。
9.根据权利要求8所述的电机控制器下桥臂主动关断控制方法，其特征在于：
所述时钟监控模块实现对标准方波进行频率监控，当标准方波的频率超过或者低于设定范围，或者低压侧将生命信号拉低到一定范围时，时钟监控电路模块输出ASC信号，ASC信号低电平有效。
10.根据权利要求9所述的电机控制器下桥臂主动关断控制方法，其特征在于：所述推挽芯片放大来自低压微控制单元的信号，驱动功率模块IGBT，实现功率模块的导通和关断；同时具备主动关断功能，实现功率模块IGBT的下桥臂的全关断；当ASC信号触发推挽芯片的ASC功能管脚时，使得功率IGBT模块的下桥臂进行主动短路，确保***不产生非预期扭矩。
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