CN102969950A - 一种分层多核结构的电机控制器及其控制方法 - Google Patents

一种分层多核结构的电机控制器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分层多核结构的电机控制器及其控制方法，包括驱动电机运转的功率逆变单元、应用接口功能模块、电机控制功能模块和驱动功能保护模块，应用接口功能模块向外部控制系统传送控制器状态信息，接受控制信号并向电机控制功能模块发送控制命令；电机控制功能模块接收控制命令对电机状态进行检测，完成控制运算并向驱动功能保护模块发送传控制脉冲；驱动功能保护模块接收控制脉冲并对控制脉冲处理后发送至功率逆变单元，驱动功能保护模块检测逆变器运行状态并控制功率逆变单元。将电机控制器由内至外、自下而上分成独立的三层系统，分别为驱动层系统、控制层系统和应用层系统，每个模块联系紧密，功能上相对独立，在极端情况下不引起系统崩溃，可靠性高和安全性强。

Description

一种分层多核结构的电机控制器及其控制方法
技术领域：
本发明涉一种电机控制器及其控制方法。
背景技术：
随着全球性能源危机的加剧，节能减排，摆脱对石油的依赖成为全球科技热点，也成为一个国家的战略需要。于是区别于传统燃油汽车的新能源汽车技术得到了长足发展，并已开始在全球范围内应用。
新能源汽车多数采用电动机作为动力。整个动力系统运行是否可靠，操控是否优良，取决了电机控制器。一个完整的新能源汽车电机控制器，需要完成以下功能：
●电机状态检测及其控制；
●逆变器驱动信号给定及其故障检测、保护；
●接收来自于整车控制器的运行控制命令给定；
●向仪表盘(或上位机)发送电机系统运行状态信息，与机械变速箱通信，配合完成自动换档；
如上可看到，电机控制器的功能相当复杂，且由于在新能源汽车上，电机运行速度高，运行工况复杂多变，对电机的控制实时性要求高，若某项功能存在漏洞，将会引起系统崩溃，轻则电机不响应控制，重则失控“飞车”。因此，可靠性和安全性有进一步提高。
发明内容：
本发明的目的是提供一种分层多核结构的电机控制器它按功能定义各核心电路模块，每个电路模块既联系紧密，功能上却相对独立，在极端情况下，不会引起系统崩溃，可靠性高和安全性强，符合汽车业“安全至上”的设计原则。
本发明的分层多核结构的电机控制器是通过下述技术方案予以实现的：
一种分层多核结构的电机控制器，包括驱动电机运转的功率逆变单元，另外它还包括应用接口功能模块、电机控制功能模块和驱动功能保护模块，其中：应用接口功能模块与外部控制系统进行通信，向外部控制系统传送控制器状态信息，接受外部控制系统的控制信号；并向电机控制功能模块发送控制命令；电机控制功能模块与应用接口功能模块进行通信，接收应用接口功能模块发送控制命令，对电机状态进行检测，完成电机控制运算并向驱动功能保护模块发送传控制脉冲；驱动功能保护模块接收电机控制功能模块发送的控制脉冲，并对控制脉冲处理后发送至功率逆变单元，驱动功能保护模块检测逆变器运行状态并控制功率逆变单元。
上述所述的电机状态进行检测包括电机转子位置检测、电机温度检测和电机线圈绕组的电流检测，由电机状态检测单元来实现。
上述所述的驱动功能保护模块是FPGA电路模块。
上述所述的电机控制功能模块、应用接口功能模块是以微处理器为核心的控制电路。
上述所述的电机控制功能模块是以单片机MCU或者DSP处理器为核心的控制电路。
上述所述的应用接口功能模块是以单片机MCU或者DSP处理器为核心的控制电路。
上述所述的FPGA电路模块将电机控制功能模块发送的控制脉冲进行逻辑过滤后，发送至功率逆变单元，FPGA电路模块检测功率逆变单元的运行状态，当出现逆变故障或其它故障时，封锁控制脉冲。
本发明的电机控制器与现有技术相比具有如下优点：1)本专利提出的多核架构电机控制器，按功能定义各核心电路模块，每个电路模块既联系紧密，功能上却相对独立，在极端情况下，不会引起系统崩溃，可靠性高，安全性强，符合汽车业“安全至上”的设计原则；2)应用接口功能模块面向用户控制系统，可根据用户需求或用户控制通信协议编制程序及程序升级，当程序中存在BUG，或出现故障，只会影响应用层，不会造成电机控制错误。使得系统应用升级能力强，灵活性好，可靠性高；3)电机控制功能模块完成最核心，最复杂的电机控制算法，由于功能专注，运算能力强，实时控制性好，最有效发挥电路效能，同时，因其不面向用户，不会因用户层的错误命令造成电机控制策略的错误，理所当然拥有了很好的安全性；4)驱动保护功能模块的实时监控功率逆变单元的运行，不参与电机策略计算，不受其它因素干扰，当发生逆变故障，迅速主动保护，确保故障不引起逆变器内大功率元器件IGBT的失效；5)驱动功能保护模块是FPGA电路模块，电机控制功能模块是以单片机MCU或者DSP处理器为核心的控制电路，应用接口功能模块是以单片机MCU或者DSP处理器为核心的控制电路，各层以微处理器或FPGA等智能芯片为核心，形成独立功能模块，可以独立编程，灵活方便。
本发明的另一个目的是提供一种电机控制器的控制方法，将电机控制器由内至外、自下而上分成独立的三层系统，分别为驱动层系统、控制层系统和应用层系统，每层系统既联系紧密，功能上却相对独立，在极端情况下，不会引起系统崩溃，可靠性高和安全性强，实用灵活方便。
本发明的控制方法是通过下述技术方案予以实现的：
一种对应权利要求1所述的分层多核结构的电机控制器的控制方法，其特征在于：将电机控制器由内至外、自下而上分成独立的三层系统，分别为驱动层系统、控制层系统和应用层系统，其中：驱动层系统由驱动功能保护模块来实现，实时监控功率逆变单元的运行，当功率逆变单元发生逆变故障，迅速主动保护；控制层系统由电机控制功能模块来实现，完成电机控制算法；应用层系统由应用接口功能模块来实现，面向用户控制系统，与用户控制系统进行对接通信。
所述的驱动层系统、控制层系统和应用层系统都是独立编程的智能系统。
所述的驱动层系统以FPGA电路模块为基础以及其编制的控制程序；控制层系统以单片机MCU或者DSP处理器为基础及其编制的控制程序；应用层系统以单片机MCU或者DSP处理器为基础及其编制的控制程序。
本发明的控制方法与现有技术相比具有如下优点：本发明区别于现有电机控制器的集成方式，也区别于现有电机控制器虽然功能有划分，但无智能芯片为核心的独立模块控制方式，本发明将电机控制器由内至外、自下而上分成独立的三层系统，分别为驱动层系统、控制层系统和应用层系统，其中：驱动层系统由驱动功能保护模块来实现，实时监控功率逆变单元的运行，当功率逆变单元发生逆变故障，迅速主动保护；控制层系统由电机控制功能模块来实现，完成电机控制算法；应用层系统由应用接口功能模块来实现，面向用户控制系统，与用户控制系统进行对接通信。每层系统既联系紧密，功能上却相对独立，在极端情况下，不会引起系统崩溃，可靠性高，安全性强，且可独立编写程序，灵活方便。
附图说明：
图1是本发明的电机控制器电路方框图；
图2是对应图1的第一种具体实施方框图；
图3是对应图1的第二种具体实施方框图；
图4是对应图1的第三种具体实施方框图；
图5是本发明的电机控制器的控制方法的原理方框图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示，一种分层多核结构的电机控制器，包括驱动电机运转的功率逆变单元，另外它还包括应用接口功能模块、电机控制功能模块和驱动功能保护模块，其中：应用接口功能模块与外部控制系统进行通信，向外部控制系统传送控制器状态信息，接受外部控制系统的控制信号，并向电机控制功能模块发送控制命令；电机控制功能模块与应用接口功能模块进行通信，接收应用接口功能模块发送控制命令，对电机状态进行检测，完成电机控制运算并向驱动功能保护模块发送传控制脉冲；驱动功能保护模块接收电机控制功能模块发送的控制脉冲，并对控制脉冲处理后发送至功率逆变单元，驱动功能保护模块检测逆变器运行状态并控制功率逆变单元，所述的电机状态进行检测包括电机转子位置检测、电机温度检测和电机线圈绕组的电流检测，由电机状态检测单元来实现，驱动功能保护模块是FPGA电路模块，电机控制功能模块、应用接口功能模块是以微处理器为核心的控制电路。
如图2所示，驱动功能保护模块是FPGA电路模块，即现场可编程门阵列模块，电机控制功能模块、应用接口功能模块是单片机MCU；如图3所示，图中驱动功能保护模块是FPGA电路模块，应用接口功能模块是以单片机MCU为核心的控制电路，电机控制功能模块以DSP处理器为核心的控制电路；如图4所示，驱动功能保护模块是FPGA电路模块，应用接口功能模块是以DSP处理器为核心的控制电路，电机控制功能模块以DSP处理器为核心的控制电路。
下面结合图1和图2详细说明本发明的电机控制器的工作原理：应用接口功能模块的单片机MCU与外部控制系统进行通信，向外部控制系统传送控制器状态信息，并根据外部控制系统的控制信号(如正、反转，力矩给定，转速给定等)向电机控制功能模块的单片机MCU发送控制命令；电机控制功能模块的单片机MCU接收应用接口功能模块的单片机MCU的控制命令，对电机状态(如电机转子位置，电机温度，电机线圈电流等)进行检测，完成最核心，最复杂的电机控制算法，给驱动功能保护模块的FPGA电路模块发传控制脉冲(如SPWM信号)，电机控制功能模块的单片机MCU将当前电机运行信息通过应用接口功能模块的单片机MCU向外传送；FPGA电路模块接收电机控制功能模块的单片机MCU发送的控制脉冲，通过其已设置好的逻辑过滤(如死区时间锁定等)后，发送至功率逆变单元，驱动电机运行。同时，FPGA电路模块检测功率逆变单元运行状态，当出现逆变或其它故障时，封锁脉冲。上述各功能模块以微处理器或现场可编程门阵列FPGA作为核心，形成一种多核的架构。
如图1、图5所示，一种分层多核结构的电机控制器的控制方法，将电机控制器由内至外、自下而上分成独立的三层系统，分别为驱动层系统、控制层系统和应用层系统，其中：驱动层系统由驱动功能保护模块来实现，实时监控功率逆变单元的运行，当功率逆变单元发生逆变故障，迅速主动保护；控制层系统由电机控制功能模块来实现，完成电机控制算法；应用层系统由应用接口功能模块来实现，面向用户控制系统，与用户控制系统进行对接通信，驱动层系统、控制层系统和应用层系统都具有独立编写控制程序，驱动层系统以FPGA电路模块为基础以及其编制的控制程序；控制层系统以单片机MCU或者DSP处理器为基础及其编制的控制程序；应用层系统以单片机MCU或者DSP处理器为基础及其编制的控制程序。

Claims (10)

1.一种分层多核结构的电机控制器，包括驱动电机运转的功率逆变单元，其特征在于它还包括应用接口功能模块、电机控制功能模块和驱动功能保护模块，其中：
应用接口功能模块与外部控制系统进行通信，向外部控制系统传送控制器状态信息，接受外部控制系统的控制信号，并向电机控制功能模块发送控制命令；
电机控制功能模块与应用接口功能模块进行通信，接收应用接口功能模块发送控制命令，对电机状态进行检测，完成电机控制运算并向驱动功能保护模块发送传控制脉冲；
驱动功能保护模块接收电机控制功能模块发送的控制脉冲，并对控制脉冲处理后发送至功率逆变单元，驱动功能保护模块检测逆变器运行状态并控制功率逆变单元。
2.根据权利要求1所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于：所述的电机状态进行检测包括电机转子位置检测、电机温度检测和电机线圈绕组的电流检测，由电机状态检测单元来实现。
3.根据权利要求1或2所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于：驱动功能保护模块是FPGA电路模块。
4.根据权利要求3所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于：电机控制功能模块、应用接口功能模块是以微处理器为核心的控制电路。
5.根据权利要求4所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于：电机控制功能模块是以单片机MCU或者DSP处理器为核心的控制电路。
6.根据权利要求4所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于：应用接口功能模块是以单片机MCU或者DSP处理器为核心的控制电路。
7.根据权利要求3所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于：FPGA电路模块将电机控制功能模块发送的控制脉冲进行逻辑过滤后，发送至功率逆变单元，FPGA电路模块检测功率逆变单元的运行状态，当出现逆变故障或其它故障时，封锁控制脉冲。
8.一种对应权利要求1所述的分层多核结构的电机控制器的控制方法，其特征在于：将电机控制器由内至外、自下而上分成独立的三层系统，分别为驱动层系统、控制层系统和应用层系统，其中：驱动层系统由驱动功能保护模块来实现，实时监控功率逆变单元的运行，当功率逆变单元发生逆变故障，迅速主动保护；控制层系统由电机控制功能模块来实现，完成电机控制算法；应用层系统由应用接口功能模块来实现，面向用户控制系统，与用户控制系统进行对接通信。
9.根据权利要求8所述的电机控制器的控制方法，其特征在于：驱动层系统、控制层系统和应用层系统都是独立编程的智能系统。
10.根据权利要求9所述的电机控制器的控制方法，其特征在于：驱动层系统以FPGA电路模块为基础以及其编制的控制程序；控制层系统以单片机MCU或者DSP处理器为基础及其编制的控制程序；应用层系统以单片机MCU或者DSP处理器为基础及其编制的控制程序。
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