CN106218415A - 一种电机扭矩的监控系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电机扭矩的监控系统及方法，所述监控系统包括：扭矩给定模块、扭矩监控模块和电机扭矩输出模块；所述扭矩给定模块接收CAN总线的扭矩指令，然后输出扭矩给定值至所述电机扭矩输出模块；所述扭矩监控模块接收汽车的采集信号，然后输出扭矩监控值至所述电机扭矩输出模块；所述电机扭矩输出模块实现扭矩的最终输出。本发明通过扭矩给定模块实现输出扭矩给定值，并通过扭矩监控模块实时接收汽车的采集信号并输出扭矩监控值，进而使得所述电机扭矩输出模块能够同时接收所述电机的扭矩给定值和扭矩监控值，对输入信号和输出信号均有监控，进而能够满足ISO26262的功能等级C的安全标准，安全可靠。

Description

一种电机扭矩的监控系统及方法
技术领域
本发明涉及一种电机监控系统，尤其涉及一种电机扭矩的监控系统，并涉及应用于该电机扭矩的监控系统的方法。
背景技术
在新能源车辆的电机控制器领域，电机及控制器系统最重要的功能就是准确的输出扭矩，实现对车辆的驱动。至于其他功能，如保护、通讯、诊断等都是为了输出准确扭矩服务的。
在实际控制过程中，扭矩（电流）的控制，理论计算一般都比较准确，但是作为电机及控制器系统的输出对象的扭矩，这个力学参数量，我们一般很少监测和检测。也就是说，在整个系统中，我们只对扭矩（电流）输入的信号量做了对应的控制，但是对输出量并没有任何监测，就更谈不上是否准确了，所以无法做到ISO26262的功能安全标准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种能够满足安全标准的电机扭矩的监控系统，并提供应用于该电机扭矩的监控系统的方法。
对此，本发明提供一种电机扭矩的监控系统，包括：扭矩给定模块、扭矩监控模块和电机扭矩输出模块；所述扭矩给定模块接收CAN总线的扭矩指令，然后输出扭矩给定值至所述电机扭矩输出模块；所述扭矩监控模块接收汽车的采集信号，然后输出扭矩监控值至所述电机扭矩输出模块；所述电机扭矩输出模块实现扭矩的最终输出。
本发明的进一步改进在于，所述扭矩给定模块中，通过电机控制器接收车辆控制单元给定的扭矩指令，然后输出扭矩给定值至所述电机扭矩输出模块。
本发明的进一步改进在于，所述电机控制器中采用了两路CAN冗余电路，每一路冗余电路包括端口防护电路、CAN收发芯片和信号处理电路，所述电机控制器接收车辆控制单元给定的扭矩指令后，依次通过端口防护电路、CAN收发芯片和信号处理电路实现扭矩指令的处理，然后通过CAN收发模块实现数据的收发，并将收发的数据进行信息编解码和信号检验处理，最后通过预先选择的信息算法实现给定扭矩的CAN信号输出。
本发明的进一步改进在于，所述两路CAN电路中的一路冗余电路中，所述CAN收发芯片和信息编解码处理之间设置有控制电源电路。
本发明的进一步改进在于，所述扭矩给定模块输出给定电机扭矩的大小和方向至所述电机扭矩输出模块，所述给定电机扭矩的大小和方向包括给定电机运行方向、给定电机扭矩大小和给定电机制动扭矩大小。
本发明的进一步改进在于，所述给定电机运行方向通过CAN总线监控和控制的档位信号得到其正反转信息，所述给定电机扭矩大小通过CAN总线监控和控制的油门信号得到，所述给定电机制动扭矩大小通过CAN总线监控和控制的刹车信号得到。
本发明的进一步改进在于，所述扭矩监控模块包括通过采集档位信号监控电机运行方向、通过采集油门信号监控电机扭矩大小以及通过采集刹车信号监控电机负扭矩大小，实现对实际输出的电机扭矩的大小和方向的监控，进而将监控的扭矩信息输出至所述电机扭矩输出模块。
本发明的进一步改进在于，所述扭矩监控模块还通过车辆角度得到扭矩需求推断值，并将扭矩需求推断值与实际输出的电机扭矩进行实时扭矩的合理性判定，然后合理性判定结果反馈至所述电机扭矩输出模块。
本发明还提供一种电机扭矩的监控方法，应用于如上所述的电机扭矩的监控系统，并包括以下步骤：
步骤S1，输入信号与参数至输入信号电路；
步骤S2，实现信号采集与处理；
步骤S3，控制电机扭矩，并依次输出至信号输出处理电路和高压主回路；
步骤S4，所述高压主回路输出电流信号至电机系统，所述电机系统返回电机运行参数至步骤S3，并返回转速信号至步骤S2；其中，所述电机运行参数包括监控的电机扭矩信号和/或电流信号。
本发明的进一步改进在于，所述电机运行参数应的获取方法包括试验标定方法或电机仿真计算方法，其中，所述试验标定方法中，采用另外一台大功率参数的电机控制器，把电机的外特性参数采用试验的方法测试或者标定出来，然后整理为表格数据；所述电机仿真计算方法中，把电机的运行参数通过仿真计算出来。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过扭矩给定模块实现输出电机的扭矩给定值，并通过扭矩监控模块实时接收汽车的采集信号并输出扭矩监控值，进而使得所述电机扭矩输出模块能够同时接收所述电机的扭矩给定值和扭矩监控值，也就是对输入信号有监控，对输出信号也有监控，进而能够满足ISO26262的功能等级C的安全标准，是一种安全可靠的电机扭矩的监控系统和监控方法。
附图说明
图1是本发明一种实施例的系统结构示意图；
图2是本发明一种实施例的电机控制器中CAN电路实现扭矩给定模块的功能框图；
图3是本发明一种实施例的扭矩给定和扭矩监控的功能结构示意图；
图4是本发明一种实施例的档位信号采集电路原理示意图；
图5是本发明一种实施例的刹车信号采集电路原理示意图；
图6是本发明一种实施例的油门信号采集电路原理示意图；
图7是本发明另一种实施例的工作流程示意图；
图8是本发明另一种实施例的扭矩参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
实施例1：
如图1所示，本例提供一种电机扭矩的监控系统，包括：扭矩给定模块、扭矩监控模块和电机扭矩输出模块；所述扭矩给定模块接收CAN总线的扭矩指令，然后输出扭矩给定值至所述电机扭矩输出模块；所述扭矩监控模块接收汽车的采集信号，然后输出扭矩监控值至所述电机扭矩输出模块；所述电机扭矩输出模块实现扭矩的最终输出。所述扭矩监控模块接收汽车的采集信号指的是所述扭矩监控模块接收MCU外界的采集信号。
本例所述扭矩给定模块中，通过电机控制器接收车辆控制单元给定的扭矩指令，然后输出扭矩给定值至所述电机扭矩输出模块。如图2所示，所述电机控制器中采用了两路CAN冗余电路，每一路冗余电路包括端口防护电路、CAN收发芯片和信号处理电路，所述电机控制器接收车辆控制单元给定的扭矩指令后，依次通过端口防护电路、CAN收发芯片和信号处理电路实现扭矩指令的处理，然后通过CAN收发模块实现数据的收发，并将收发的数据进行信息编解码和信号检验处理，最后通过预先选择的信息算法实现给定扭矩的CAN信号输出；所述两路CAN冗余电路中的一路冗余电路中，所述CAN收发芯片和信息编解码处理之间设置有控制电源电路。所述冗余电路为CAN信号电路。所述端口防护电路是为了确保信号电平在0~5V之间而采取的限幅电路，确保电机控制器外界的信号不会因为干扰等损坏电机控制器的内部电路；所述信号处理电路是电机控制器的主流芯片和CAN收发芯片之间的信号处理电路，属于滤波和保护电路；所述信息算法是扭矩等信号的CAN定义规则，比如需要发送100Nm就为FE，需要发送200Nm就为FF，这种信息算法就是实际的物理量转为数字量的一个算法或者规定，可以预先定义也可以根据实际需要进行修改。
如图3所示，本例所述扭矩给定模块输出给定电机扭矩的大小和方向至所述电机扭矩输出模块，所述给定电机扭矩的大小和方向包括给定电机运行方向、给定电机扭矩大小和给定电机制动扭矩大小。所述给定电机运行方向通过CAN总线监控和控制的档位信号得到其正反转信息，所述给定电机扭矩大小通过CAN总线监控和控制的油门信号得到，所述给定电机制动扭矩大小通过CAN总线监控和控制的刹车信号得到。
在所述扭矩给定模块中，电机控制器（MCU）接收车辆控制单元（VCU）给定的扭矩指令，具体而言，就是通过CAN电路给定档位、油门（扭矩占空比）和制动这三个CAN信号，这三个CAN信号相互决定扭矩的具体参数需求。
在本例中，为了让电机控制器的扭矩给定值满足ISO26262标准 ASIL C（ISO26262的功能等级C）的要求，我们在本例对应的电机控制器中采用了冗余设计的方法：即如图2所示，采用两路CAN信号和对应的软件算法，一路用于输出扭矩给定值（输出给定扭矩信号），另外一路用于扭矩给定的冗余设计。具体如下描述：每路CAN信号电路的下通道均包含以下硬件电路：端口防护电路、CAN收发芯片和信号处理电路；后续通过软件实现芯片的内部的CAN收发模块、信息编解码（信息解码&编码）、信号校验机制和信息算法等。这里所述芯片其实就是电机监控中的主控芯片，其内部集成了CAN功能的收发功能模块，优选可以采用英飞凌公司的TC275 芯片，当然，在实际应用中，也可以采用其他公司类似的芯片。所述信息编解码（信息解码&编码）其实就是CAN的协议要求，类似与一般信号通讯的编码和解码规则；而信号校验机制就是对编码和解码的信息采用另外一种协议进行校验或者检查。
如图3所示，本例所述扭矩监控模块包括通过采集档位信号监控电机运行方向、通过采集油门信号监控电机扭矩大小以及通过采集刹车信号监控电机负扭矩大小，实现对实际输出的电机扭矩的大小和方向的监控，进而将监控的扭矩信息输出至所述电机扭矩输出模块。
在所述扭矩监控模块中，为了实现对扭矩的有效监控，本例采取了二部分：第一、采用硬件电路再次监测扭矩的几个状态量，如油门、档位和刹车信号，当存在这些信号的时候，判定可以接受车辆控制单元（VCU）的扭矩指令，电机控制器（MCU）可以输出扭矩；否则，电机控制器的MCU拒绝执行扭矩指令；第二、采用软件控制方式，采取实时扭矩的合理性判定方法，对实时扭矩进行合理性判定如图3所示。
为了满足ISO26262的功能安全，在本例中，所述扭矩监控模块对扭矩的实际信号同时采用了硬件电路对外围信号进行采集，包括对档位、油门和制动信号的采集具体如下：
第一、档位信号的硬件采集电路，如图4所示，即外部档位信号的硬件采集电路的拓扑结构，外围的档位信号，如P（驻车档）、R（倒车档）、N（空挡）和D（前进挡）等，经过数字转化电路的数字处理电路转化后，送入到微处理器，让其读出数字信号，进行给定扭矩的信号输入。该档位信号用于实现扭矩方向的硬件监控。
第二、刹车信号的硬件采集电路，如图5所示，所述刹车信号的硬件采集电路和档位信号的硬件采集电路很类似，都是检测外围的输入信号。所述刹车信号用于实现制动扭矩信号的硬件监控。
第三、油门信号的硬件采集电路，如图6所示，所述油门信号的硬件采集电路和电机控制器普通模拟信号电路很类似，都是检测外围的输入模拟信号。所述油门信号用于实现输入扭矩信号的数值大小的硬件监控。
如图4至图6所示，本例通过档位执行机构或车辆控制单元连接至接插件，然后经过第一滤波电路、数字转化电路和第二滤波电路，进而实现档位信号的采集和读出；通过刹车机构连接至接插件，然后经过第一滤波电路、数字转化电路和第二滤波电路，进而实现刹车信号的采集和读出；通过将油门机构的输出信号经过第一滤波电路、跟随器和第二滤波电路，进而实现油门值的采集和转化。所述第一滤波电路和第二滤波电路用于滤除外界输入的干扰信号，理论上采集的应该是直流信号，但是实际的工程应用中，都会叠加有毛刺干扰或者毛刺信号，因此，本例采用一定频率的滤波电路，把干扰信号进行衰减，起到滤波的作用。
如图3所示，本例所述扭矩监控模块还通过车辆角度得到扭矩需求推断值，并将扭矩需求推断值与实际输出的电机扭矩进行实时扭矩的合理性判定，然后合理性判定结果反馈至所述电机扭矩输出模块。所述合理性判定用于检测车辆的角度，根据力学高速计算扭矩值；然后将理论计算的扭矩值和检测到的实际的扭矩值进行对比，如果差值超过预设阈值，比如差值超过2倍，我们就认为是错误的扭矩值。
本例在电机控制器中，通过采集电机控制器输出的三相电流和控制器母线输入电流和母线电压，然后根据三相电流、母线电流和母线电压可以得到计算出电机控制器输出的功率，进而得到电机控制器控制的电机对应的输出扭矩，采用的是电机的矢量控制算法。
在设计电机控制器的时候，需要预先知道被控制对象电机的一些运行参数，特别是：转速n-N扭矩曲线MAP图、转速n-i电流曲线MAP图和转速n-效率曲线MAP图等电机本体的数据参数曲线；然后把这些参数写进控制程序，然后在电机控制器实际运行的时候，电机的实时转速和相电流等参数，采用反查对应扭矩表的方式，推断电机在当时的扭矩输出值，作为控制扭矩输出的上限值，用于判定大致的合理性，即能够实现合理性判定，也就是说，所述合理性判定实际上是通过电机的运行参数和实际参数进行比较，即对扭矩给定值和实际的扭矩监控值进行比较和分析，进而得到其合理性判断，这些参数的具体数值以及合理性的阈值，都是可以针对不同的产品和需求进行变更的。
电机运行参数，特别是实时的扭矩参数，对应的获取方法包括：A）试验标定：采用另外一台大功率参数的电机控制器，把电机的外特性参数采用试验的方法测试或者标定出来，然后整理为表格数据；B）电机仿真计算：把电机的运行参数仿真计算出来。
本例通过扭矩给定模块实现输出电机的扭矩给定值，并通过扭矩监控模块实时接收汽车的采集信号并输出扭矩监控值，进而使得所述电机扭矩输出模块能够同时接收所述电机的扭矩给定值和扭矩监控值，也就是对输入信号有监控，对输出信号也有监控，进而能够满足ISO26262的功能等级C的安全标准，是一种安全可靠的电机扭矩的监控系统和监控方法。
实施例2：
如图7所示，本例还提供一种电机扭矩的监控方法，应用于如实施例1所述的电机扭矩的监控系统，并包括以下步骤：
步骤S1，输入信号与参数至输入信号电路；
步骤S2，实现信号采集与处理；
步骤S3，控制电机扭矩，并依次输出至信号输出处理电路和高压主回路；
步骤S4，所述高压主回路输出电流信号至电机系统，所述电机系统返回电机运行参数至步骤S3，并返回转速信号至步骤S2；其中，所述电机运行参数包括监控的电机扭矩信号和/或电流信号。
值得一提的是，本例所述电机运行参数应的获取方法包括试验标定方法或电机仿真计算方法，其中，所述试验标定方法中，采用另外一台大功率参数的电机控制器，把电机的外特性参数采用试验的方法测试或者标定出来，然后整理为表格数据；所述电机仿真计算方法中，把电机的运行参数通过仿真计算出来。
在新能源车辆的电机与控制器领域，一般都是采用电流（扭矩）控制和转速控制，以扭矩控制为主。
如图7所示，本例在转速控制中，可以采用电路检测电机的位置和转速，这个一般都较好控制，而且一般把转速控制作为电机控制器的外环控制，控制的时间和相应速度直接由电机的相应时间决定，一般在秒级。而扭矩（电流）控制作为电机控制器的内环，对应的相应时间在100个控制周期，一个控制周期约100uS，一般就为10mS，这样能够远远高于速度控制的响应时间和精度。
电机及电机控制器系统的输出扭矩是一个力学矢量，既有数值的大小，也有信号的方向。所以不管扭矩给定值还是扭矩监测值，就都需要从数字大小与方向二个方面去处理。并且这些扭矩参数的给定和监测，都是通过间接的方法给定的，比如扭矩给定值可以根据电机的运行参数要求进行预先给定。
如图8所示，表示的是扭矩这个参数与外接输入信号量的关系图，因此，可以清楚的知道，不管是扭矩给定值还是扭矩键控制，其实都可以从扭矩的方向、扭矩的大小和制动扭矩等这些方面去处理。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电机扭矩的监控系统，其特征在于，包括：扭矩给定模块、扭矩监控模块和电机扭矩输出模块；所述扭矩给定模块接收CAN总线的扭矩指令，然后输出扭矩给定值至所述电机扭矩输出模块；所述扭矩监控模块接收汽车的采集信号，然后输出扭矩监控值至所述电机扭矩输出模块；所述电机扭矩输出模块实现扭矩的最终输出。
2.根据权利要求1所述的电机扭矩的监控系统，其特征在于，所述扭矩给定模块中，通过电机控制器接收车辆控制单元给定的扭矩指令，然后输出扭矩给定值至所述电机扭矩输出模块。
3.根据权利要求2所述的电机扭矩的监控系统，其特征在于，所述电机控制器中采用了两路CAN冗余电路，每一路冗余电路包括端口防护电路、CAN收发芯片和信号处理电路，所述电机控制器接收车辆控制单元给定的扭矩指令后，依次通过端口防护电路、CAN收发芯片和信号处理电路实现扭矩指令的处理，然后通过CAN收发模块实现数据的收发，并将收发的数据进行信息编解码和信号检验处理，最后通过预先选择的信息算法实现给定扭矩的CAN信号输出。
4.根据权利要求3所述的电机扭矩的监控系统，其特征在于，所述两路CAN冗余电路中的一路冗余电路中，所述CAN收发芯片和信息编解码处理之间设置有控制电源电路。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的电机扭矩的监控系统，其特征在于，所述扭矩给定模块输出给定电机扭矩的大小和方向至所述电机扭矩输出模块，所述给定电机扭矩的大小和方向包括给定电机运行方向、给定电机扭矩大小和给定电机制动扭矩大小。
6.根据权利要求5所述的电机扭矩的监控系统，其特征在于，所述给定电机运行方向通过CAN总线监控和控制的档位信号得到其正反转信息，所述给定电机扭矩大小通过CAN总线监控和控制的油门信号得到，所述给定电机制动扭矩大小通过CAN总线监控和控制的刹车信号得到。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的电机扭矩的监控系统，其特征在于，所述扭矩监控模块包括通过采集档位信号监控电机运行方向、通过采集油门信号监控电机扭矩大小以及通过采集刹车信号监控电机负扭矩大小，实现对实际输出的电机扭矩的大小和方向的监控，进而将监控的扭矩信息输出至所述电机扭矩输出模块。
8.根据权利要求7所述的电机扭矩的监控系统，其特征在于，所述扭矩监控模块还通过车辆角度得到扭矩需求推断值，并将扭矩需求推断值与实际输出的电机扭矩进行实时扭矩的合理性判定，然后合理性判定结果反馈至所述电机扭矩输出模块。
9.一种电机扭矩的监控方法，特征在于，应用于如权利要求1至8任意一项所述的电机扭矩的监控系统，并包括以下步骤：
步骤S1，输入信号与参数至输入信号电路；
步骤S2，实现信号采集与处理；
步骤S3，控制电机扭矩，并依次输出至信号输出处理电路和高压主回路；
步骤S4，所述高压主回路输出电流信号至电机系统，所述电机系统返回电机运行参数至步骤S3，并返回转速信号至步骤S2；其中，所述电机运行参数包括监控的电机扭矩信号和/或电流信号。
10.根据权利要求9所述的电机扭矩的监控方法，特征在于，所述电机运行参数应的获取方法包括试验标定方法或电机仿真计算方法，其中，所述试验标定方法中，采用另外一台大功率参数的电机控制器，把电机的外特性参数采用试验的方法测试或者标定出来，然后整理为表格数据；所述电机仿真计算方法中，把电机的运行参数通过仿真计算出来。
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