CN220775674U - 一种集成整车控制功能的电机控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种集成整车控制功能的电机控制器，包括控制芯片模块、信号传输模块、逆变电路、电源变换器、直流母线和信号接口，所述信号接口包括开/停机信号、DNR档位信号、油门/制动信号、通信接口、电机接口、温度/位置传感器信号和高压柜控制信号。本实用新型集成整车控制功能的电机控制器，在电机控制器的硬件电路增加部分数字信号和模拟信号处理电路，软件上采用RTX实时操作***的任务调度功能，不需增加整车控制器芯片，就能实现电机控制器上集成整车控制器的功能。本实用新型集成整车控制功能的电机控制器结构紧凑、省去了整车控制器和相关连接线，控制相应速度快，能有效降低新能源汽车的成本。

Description

一种集成整车控制功能的电机控制器

技术领域

本实用新型属于新能源汽车电机控制技术领域，更具体地说，特别涉及一种集成整车控制功能的电机控制器。

背景技术

电动汽车以电机为驱动机构，与传统燃油发动机汽车相比，启动力矩大加速快，省去了变速箱噪声减少，行驶中没有尾气排放，应用越来越广泛。

电动汽车的三大核心部件：整车控制器、电池管理***和电机控制***，通过控制信号线束（通常采用CAN总线）和电力线束相互连接，线束和接插件占了较大成本、且在汽车长期运行时接插件的可靠性较差。

整车控制器的功能：一方面识别驾驶员的操作指令，控制各执行部件动作，转化为车辆运动；另一方面对车辆的各个部件（电池管理***、高压柜、电机控制器、空调等）进行实时监控，根据运行状况作出警告或降功率保护处理。电池管理***的功能：实现电池电量检测、保护、状态预测、充放电控制、电流均衡等功能。电机控制***的功能：实现电能向汽车动能的转换，电机控制器接收整车控制器发来的转矩/转速控制命令，根据汽车运行状况，将直流母线电压逆变成三相交流电，以控制驱动电机的输出转矩。目前，电动汽车的三大核心部件属于相互独立的控制***，都有各自的电器盒，彼此通过线缆连接。从数据处理的角度来看，整车控制器和电机控制器处理的数据类型相似，可以将两者的功能集成到一起，从而节省连接线路，也减少繁琐的数据通信工作。

现有中国专利申请号为：CN109367503A，提出了一种电机控制器和整车控制器集成装置，将电机控制器的两倍和整车控制器电路板装入同一个电器盒内，本质上还是两个独立的控制***；中国专利申请号为：CN106227106A，提出了一种电机控制器和整车控制的集成***，采用双核或者多核芯片，由不同的内核分别处理电机控制器和整车控制器的工作，软件上相互独立，同时硬件***设有电机控制器分区和整车控制器分区，本质上还是将两个的控制***安装到同一块电路板上。本实用新型集成整车控制功能的电机控制器，在电机控制器的硬件电路增加部分数字信号和模拟信号处理电路，软件上采用RTX实时操作***的任务调度功能，在电机控制器上增加整车控制器的功能，不需增加整车控制器芯片，也不需采用双核或多核芯片，实现低成本、高安全的性能。

实用新型内容

本实用新型集成整车控制功能的电机控制器通过以下技术方案得以实现。

一种集成整车控制功能的电机控制器，包括控制芯片模块、信号传输模块、逆变电路、电源变换器、直流母线和信号接口，所述信号接口包括开/停机信号、DNR档位信号、油门/制动信号、通信接口、电机接口、温度/位置传感器信号和高压柜控制信号；所述直流母线通过高压开关柜连接到新能源汽车的高压动力电池，弱电部分由电源变换器提供电源，所述电机接口和温度/位置传感器信号连接到驱动电机，所述通信接口通过CAN总线与汽车的设备进行数据交换，同时接受外部的开/停机信号、DNR档位信号、油门/制动信号、高压柜控制信号、电机的电压和电流，其中所述开/停机信号、DNR档位信号、油门/制动信号连接到接受外部的操作机构，获取驾驶员的操作命令。

进一步的，控制芯片模块、信号传输模块和逆变电路是电机控制器的三个功能模块，分别用于完成信息处理、信号转换和隔离、直流逆变交流的功能，且三者通过信号线相互连接，三个功能模块可以设计在一块电路板上，也可设计在不同电路板上。

进一步的，控制芯片模块用于直接接收外部弱电信号，包括接收开/停机信号、DNR档位信号、故障反馈、高压开关柜的状态反馈信号，还有油门/制动信号、来自隔离型信号传输模块的反馈信号，所述反馈信号包括电机的电压、电流和位置信号；所述控制芯片模块用于发出控制电机的三相PWM波信号和高压柜控制信号；所述高压柜状态信号将高压开关柜内部的主正接触器、主负接触器和预充接触器的状态信息反馈给控制芯片模块，控制芯片模块根据车辆状态信息控制接触器的通断和电机运行模式。

进一步的，控制芯片模块在软件上采用RTX操作***的任务调度功能，通过创建task任务函数，当***启动时从task(1)开始运行，task(1)中调用各个任务，每个任务是一个循环体，通过采用RTX实时操作系实现每个任务的实时性和独立性，根据任务挂起的方式可分成两大种类：背景型任务和状态型任务；背景型任务的运行是周期性的，可以同时运行的任务，在每运行完一个循环后会释放控制芯片模块的运算，每间隔固定时间或每停止运行固定时间后会重新获得控制芯片模块的运算的占用权，除非被删除，将一直在后台运行；而状态型任务的执行和挂起则取决于该任务的状态，通过主循环中的判断语句进入，彼此之间互斥。

进一步的，信号传输模块具有信号隔离保护功能，一方面将PWM波信号隔离放大成开关管信号，实现对功率开关管的驱动；另一方面将采集到电机的温度/位置传感器信号、母线电压和相电流信号经过滤波、AD转换、隔离后传输给控制芯片模块。

进一步的，逆变电路用于实现直流母线电源向变频变压的三相交流电源的逆变过程，给外部电机的三相绕组提供三相交流，其内部安装有电压、电流传感器用以检测输入母线电压、输出三相绕组电压和电流信号；控制芯片模块计算出控制器输出电流，由逆变电路通过相关算法（SVPWM、SPWM或PWM）输出三相正弦电压，驱动电机旋转，逆变电路可以实现能耗制动，也可以实现能量回馈。

进一步的，设备包括但不限于汽车的智能驾驶仪、空调、冷却水泵、油泵和气泵。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型集成整车控制功能的电机控制器，在电机控制器的硬件电路增加部分数字信号和模拟信号处理电路，软件上采用RTX实时操作***的任务调度功能，不需增加整车控制器芯片，就能实现电机控制器上集成整车控制器的功能。本实用新型集成整车控制功能的电机控制器结构紧凑、省去了整车控制器和相关连接线，控制相应速度快，能有效降低新能源汽车的成本。

附图说明

图1 集成整车控制功能的电机控制器的结构框图；

图2 整车控制器的内部结构和外部连线图；

图3 电机控制器的结构框图；

图4 整车控制功能的电机控制器的RTX实时操作***任务分类图；

图5 电池、高压开关柜、电机控制器和电机的连接图；

图6 集成整车控制功能的电机控制器的上电过程流程图；

图7 集成整车控制功能的电机控制器的故障处理算法图；

图8 集成整车控制功能的电机控制器的电机控制流程图。

图中，部件名称与附图编号的对应关系为：

1、控制芯片模块；2、信号传输模块；3、逆变电路；4、电源变换器；5、直流母线；6、开/停机信号；7、DNR档位信号；8、油门/制动信号；9、通信接口；10、电机接口；11、温度/位置传感器信号；12、高压柜控制信号；13、高压开关柜；14、高压动力电池；15、设备；16、母线电压和相电流信号；17、PWM波信号；18、开关管信号；19、反馈信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。

实施例

如附图1至附图3所示：

本实用新型提供一种集成整车控制功能的电机控制器，包括控制芯片模块1、信号传输模块2、逆变电路3、电源变换器4、直流母线5和信号接口，所述信号接口包括开/停机信号6、DNR档位信号7、油门/制动信号8、通信接口9、电机接口10、温度/位置传感器信号11和高压柜控制信号12；所述直流母线5通过高压开关柜13连接到新能源汽车的高压动力电池14，弱电部分由电源变换器4提供电源，所述电机接口10和温度/位置传感器信号11连接到驱动电机，所述通信接口9与汽车的设备15进行数据交换，同时接受外部的开/停机信号6、DNR档位信号7、油门/制动信号8、高压柜控制信号12、电机的电压和电流。

其中，控制芯片模块1、信号传输模块2和逆变电路3是电机控制器的三个功能模块，分别用于完成信息处理、信号转换和隔离、直流逆变交流的功能，且三者通过信号线相互连接。

其中，控制芯片模块1用于直接接收外部弱电信号，包括接收开/停机信号6、DNR档位信号7、故障反馈、高压开关柜13的状态反馈信号，还有油门/制动信号8、来自隔离型信号传输模块2的反馈信号19，所述反馈信号19包括电机的电压、电流和位置信号；所述控制芯片模块1用于发出控制电机的三相PWM波信号17和高压柜控制信号12。

其中，控制芯片模块1在软件上采用RTX操作***的任务调度功能，以保证各个控制任务的实时性和独立性，实现在电机控制器上增加整车控制器的功能，不需要增加整车控制器芯片。

其中，信号传输模块2具有信号隔离保护功能，一方面将PWM波信号17隔离放大成开关管信号18，实现对功率开关管的驱动；另一方面将采集到电机的温度/位置传感器信号11、母线电压和相电流信号16经过滤波、AD转换、隔离后传输给控制芯片模块1，在安全要求较高的场合，信号传输模块2具有硬件过流、过压保护功能。

其中，逆变电路3用于实现直流母线电源向变频变压的三相交流电源的逆变过程，给外部电机的三相绕组提供三相交流电，其内部安装有电压、电流传感器用以检测输入母线电压、输出三相绕组电压和电流信号。

其中，设备15包括但不限于汽车的智能驾驶仪、空调、冷却水泵、油泵和气泵。

整车控制功能实现：

整车控制功能是根据整车状态信号：车速、档位状态、加速踏板和制动踏板的开度，还要对设备（如智能驾驶仪、电池、空调、冷却水泵、气泵等）状态、电机状态（电机控制器和电机温度、电流、电压、转矩值）和电池状态（总电压、总电流和电荷状态SOC）等进行实时监测，综合运算处理后，判断车辆的故障状态等级，并计算出电机扭矩请求值和功率请求值。

整车控制器的具体功能是完成上下电逻辑控制、故障识别及处理、电机请求转矩控制等，以保证对车辆的舒适控制以及行车安全。

（a）上下电逻辑控制

上电时：汽车钥匙被拧到接通位置，高压开关柜13就会将电池和电机控制器相互连接。为了防止高电压电池对电机控制器的电流冲击，就要控制预充接触器和主正接触器的开通顺序：先接通主负接触器和预充接触器，让预充功率电阻和电容来降低电流冲击，待电容电压升到电池电压时再接通主正接触器，随后断开预充接触器，如图5所示。断电时：汽车钥匙被拧到初始断电位置，线断开主正接触器，再断开主负接触器。当汽车连接到充电器时，钥匙不能控制电池和电机控制器相互连接。

整车控制器控制的逻辑功能还包括车门开关、档位切换、高压开关柜的继电器通断控制等。逻辑控制通常是各个接触器按照一定的顺序开通/关断，并定义为标志位，前一个标志位变化成为下一个标志位变化的条件，条件通常是多个标志位的与/或逻辑关系。上下电程序的流程图如图6所示。

（b）故障识别及处理

根据外部通信信息和控制器采集到的信息，及时识别整车范围内可能发生的故障，并及时显示出来。故障包括***通信掉线和部件异常。部件异常主要有电机控制器、电池管理***、绝缘监测仪、油泵、气泵、高压控制柜。

整车故障分为4级，由高到低为1-4，如图7所示，其处理方式为：1级故障断开动力电池车辆停止；2级故障限功到60%；3级故障限功到30%；4级故障限制功率到15%；每级故障都会发送报警信息。特别注意当电池BMS发生故障时，电池本身会做故障处理，降低放电电流达到限制功率的作用，此时为防止整车二次限功，可以采用取最小值的方法得到限制功率值Px和电机转矩Tq请求值如下：

Px=min(U*Irea，U*Imax*K) （1）

Tx=9.55*Px/n （2）

Tq=k*Tx （3）

式中：U实时电压，Irea电池实时放电电流，Imax电池最大放电电流，K限功百分比，n实时转速，k油门/制动踏板开度（范围0~1）。

（c）电机请求转矩控制

根据油门、刹车踏板信号、电机转速、故障等级等信息，计算出扭矩或功率请求值。

（d）电机运行控制

电机控制功能是根据整车控制所发出的转矩请求信号、车辆或电机实时转速、电机三相绕组电压和电流、电机转子位置角度，控制芯片模块1计算出控制器输出电流，由逆变器通过相关算法（SVPWM、SPWM或PWM）输出三相正弦电压，驱动电机旋转，如图8所示。

按照永磁同步电机的工作特性，基速以下采用恒转矩模式，基速以上采用恒功率弱磁升速模式，这也是电动汽车电机的转矩请求最大范围。

（e）实时操作***的任务调度

由于集成整车控制功能的电机控制器的控制任务多、逻辑复杂，传统的主函数调用各个功能函数不能保证整车控制任务的实时性和独立性，所以整车控制器使用了RTX实时操作***，如图4所示：通过task创建响应编号的任务，当***启动时从task0开始运行，task0中调用各个任务，每个任务是一个循环体。RTX实时操作***要求每一个任务主体都是一个循环结构while(1)，通过 os_wait()、和os_delete_task()命令来跳出循环，或者通过外部中断的形式解除对控制芯片模块1的占用。操作***对于中断的处理过程和没有操作***是相同的。而对于***命令导致的任务挂起，与中断的过程是类似的，当前计算的数据和位置信息保存，控制芯片模块1占用解除后，***回到命令发出位置继续运行。可以根据任务挂起的方式将所有任务分成两大种类：背景型任务和状态型任务。背景型任务的运行是周期性的，可以同时运行的任务，在每运行完一个循环后会释放控制芯片模块1的运算，每间隔固定时间或每停止运行固定时间后会重新获得控制芯片模块1的运算的占用权，除非被删除，将一直在后台运行。而状态型任务的执行和挂起则取决于该任务的状态，通过主循环中的判断语句进入，彼此之间互斥。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本实用新型限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本实用新型的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本实用新型从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (7)

1.一种集成整车控制功能的电机控制器，其特征在于：包括控制芯片模块（1）、信号传输模块（2）、逆变电路（3）、电源变换器（4）、直流母线（5）和信号接口，所述信号接口包括开/停机信号（6）、DNR档位信号（7）、油门/制动信号（8）、通信接口（9）、电机接口（10）、温度/位置传感器信号（11）和高压柜控制信号（12）；所述直流母线（5）通过高压开关柜（13）连接到新能源汽车的高压动力电池（14），弱电部分由电源变换器（4）提供电源，所述电机接口（10）和温度/位置传感器信号（11）连接到驱动电机，所述通信接口（9）与汽车的设备（15）进行数据交换，同时接受外部的开/停机信号（6）、DNR档位信号（7）、油门/制动信号（8）、高压柜控制信号（12）、电机的电压和电流。

2.如权利要求1所述集成整车控制功能的电机控制器，其特征在于：所述控制芯片模块（1）、信号传输模块（2）和逆变电路（3）是电机控制器的三个功能模块，分别用于完成信息处理、信号转换和隔离、直流逆变交流的功能，且三者通过信号线相互连接。

3.如权利要求1所述集成整车控制功能的电机控制器，其特征在于：所述控制芯片模块（1）用于直接接收外部弱电信号，包括接收开/停机信号（6）、DNR档位信号（7）、故障反馈、高压开关柜（13）的状态反馈信号，还有油门/制动信号（8）、来自隔离型信号传输模块（2）的反馈信号（19），所述反馈信号（19）包括电机的电压、电流和位置信号；所述控制芯片模块（1）用于发出控制电机的三相PWM波信号（17）和高压柜控制信号（12）。

4.如权利要求1所述集成整车控制功能的电机控制器，其特征在于：所述控制芯片模块（1）在软件上采用RTX操作***的任务调度功能。

5.如权利要求3所述集成整车控制功能的电机控制器，其特征在于：所述信号传输模块（2）具有信号隔离保护功能，一方面将PWM波信号（17）隔离放大成开关管信号（18），实现对功率开关管的驱动；另一方面将采集到电机的温度/位置传感器信号（11）、母线电压和相电流信号（16）经过滤波、AD转换、隔离后传输给控制芯片模块（1）。

6.如权利要求1所述集成整车控制功能的电机控制器，其特征在于：所述逆变电路（3）用于实现直流母线电源向变频变压的三相交流电源的逆变过程，其内部安装有电压、电流传感器用以检测输入母线电压、输出三相绕组电压和电流信号。

7.如权利要求1所述集成整车控制功能的电机控制器，其特征在于：所述设备（15）包括但不限于汽车的智能驾驶仪、空调、冷却水泵、油泵和气泵。