CN108696226A - 一种电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机控制器，通过微处理器结合转速采集模块得到电机的转速判断信号，然后由第一逻辑运算模块根据电机转速的快慢，输出第一控制信号，进而使驱动电路通过脉冲宽度调制控制主电路正常工作或者进入相应的安全状态；并且，还通过监控芯片根据微处理器的工作状态或者输出指令生成并输出第二关断信号，然后由第二逻辑运算模块根据该第二关断信号及主电路的直流母线电压是否过压的情况，输出第二控制信号，进而使驱动电路控制主电路停止接受脉冲宽度调制并进入相应的安全状态；也即本申请设计了两条独立的关断路径，使得两条关断路径可以进行安全等级分解，降低了对每条关断路径的安全等级要求，从而降低了器件的设计难度。

Description

一种电机控制器

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机控制器。

背景技术

纯电动和混动汽车内的电机控制器的主要功能是把高压电池提供的直流电转化为电机所需的三相交流电，在整车控制器的控制下驱动电机，为车辆提供驱动或者制动转矩。

目前国内整车厂开始对应用于纯电动或混动乘用车的电机控制器提出了功能安全的要求，一般要求具备功能安全的电机控制器需要在检测到违背安全目标的故障时，通过关断路径进入安全状态，进而避免对驾驶员和乘客造成危险。电机控制器的安全状态一般指控制器所控制电机的输出转矩近似为零，不会引起车辆不可控的加速或减速；目前主流安全状态主要有两类：主动短路和桥臂全关断；而这两种安全状态在低速和高速各有优缺点，较为合理的方案是在低速下设定安全状态为桥臂全关断，而在高速下设定安全状态为主动短路。这种方案中，电机控制器进入安全状态的关断路径是：通过采集电机转速信号来判断目前电机转速处在低速区还是高速区，进而根据其判断结果产生关断状态控制信号，以执行桥臂全关断或主动短路的控制操作。

现有技术的方案中，由于关断路径有较高的安全等级要求，所以对电机控制器中上述关断路径所涉及的器件(微处理器，逻辑运算模块)的失效率要求较高，导致该关断路径所涉及的器件设计难度高。

发明内容

本发明提供一种电机控制器，以解决现有技术中器件设计难度高的问题。

为实现上述目的，本申请提供的技术方案如下：

一种电机控制器，包括：主电路、转速采集模块、微处理器、监控芯片、第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块、过压检测电路及驱动电路；其中：

所述微处理器用于输出初始PWM信号和第一关断信号，并根据所述转速采集模块输出的电机转速信号，生成转速判断信号；

所述第一逻辑运算模块用于根据所述初始PWM信号、所述第一关断信号和所述转速判断信号，生成第一控制信号；

所述监控芯片用于监控所述微处理器的工作状态，并根据所述微处理器的工作状态或者输出指令生成并输出第二关断信号；

所述第二逻辑运算模块用于根据所述第二关断信号及所述过压检测电路输出的所述主电路的直流母线过压信号，生成第二控制信号；

所述驱动电路用于：根据所述第一控制信号，通过脉冲宽度调制，控制所述主电路正常工作或者进入相应的安全状态；或者根据所述第二控制信号，控制所述主电路停止接受脉冲宽度调制，并进入相应的安全状态。

优选的，所述第二控制信号包括：使能信号和状态选择信号；其中：

所述使能信号用于控制所述主电路停止接受脉冲宽度调制；

所述状态选择信号用于控制所述主电路进入相应的安全状态。

优选的，所述第二逻辑运算模块用于根据所述第二关断信号及接收到的所述主电路的直流母线过压信号，生成第二控制信号时，具体用于：

根据所述第二关断信号，生成所述使能信号；

根据所述直流母线过压信号，生成所述状态选择信号；其中，若所述直流母线过压信号表征所述主电路的直流母线过压，则所述状态选择信号用于控制所述主电路进入主动短路的安全状态；若所述直流母线过压信号表征所述主电路的直流母线未过压，则所述状态选择信号用于控制所述主电路进入桥臂全关断的安全状态。

优选的，所述驱动电路包括三个驱动单元；所述驱动单元包括：上管选择开关、下管选择开关、上管驱动子电路及下管驱动子电路；其中：

所述上管选择开关的控制端及所述下管选择开关的控制端均接收所述使能信号；

所述上管选择开关的固定触点与所述上管驱动子电路的输入端相连；

所述下管选择开关的固定触点与所述下管驱动子电路的输入端相连；

所述上管选择开关的常闭触点接收所述第一控制信号中对应的上管调制信号；

所述下管选择开关的常闭触点接收所述第一控制信号中对应的下管调制信号；

所述上管选择开关的常开触点接收接地信号；

所述下管选择开关的常开触点接收所述状态选择信号；

所述上管驱动子电路的输出端与所述主电路中对应的上管控制端相连；

所述下管驱动子电路的输出端与所述主电路中对应的下管控制端相连。

优选的，所述上管驱动子电路包括：上管驱动隔离放大器、第一电阻及第二电阻；其中：

所述上管驱动隔离放大器的输入端为所述上管驱动子电路的输入端；

所述上管驱动隔离放大器的输出端分别与所述第一电阻的一端及所述第二电阻的一端相连；

所述第一电阻的另一端及所述第二电阻的另一端相连，连接点为所述上管驱动子电路的输出端。

优选的，所述下管驱动子电路包括：下管驱动隔离放大器、第三电阻及第四电阻；其中：

所述下管驱动隔离放大器的输入端为所述下管驱动子电路的输入端；

所述下管驱动隔离放大器的输出端分别与所述第三电阻的一端及所述第四电阻的一端相连；

所述第三电阻的另一端及所述第四电阻的另一端相连，连接点为所述下管驱动子电路的输出端。

优选的，所述接地信号来源于第五电阻的一端；所述第五电阻的另一端接地。

优选的，所述监控芯片用于根据所述微处理器的工作状态或者输出指令生成并输出第二关断信号时，具体用于：

所述监控芯片在所述微处理器的工作状态为故障时，或者，在所述微处理器的输出指令为关断指令时，生成并输出所述第二关断信号。

优选的，所述转速采集模块的输入端与电机转速传感器的输出端相连。

优选的，所述过压检测电路包括：电压采集模块、隔离运放模块及采样电压比较模块；其中：

所述电压采集模块的输入端与所述主电路中直流母线电容的两端相连；

所述电压采集模块的输出端与所述隔离运放模块的输入端相连；

所述隔离运放模块的输出端与所述采样电压比较模块的同相输入端相连；

所述采样电压比较模块的反相输入端接收基准电压；

所述采样电压比较模块的输出端输出所述直流母线过压信号。

本发明提供的电机控制器，通过微处理器结合转速采集模块得到电机的转速判断信号，然后由第一逻辑运算模块根据电机转速的快慢，输出第一控制信号，进而使驱动电路通过脉冲宽度调制，控制主电路正常工作或者进入相应的安全状态，实现一条关断路径；并且，还通过监控芯片根据微处理器的工作状态或者输出指令生成并输出第二关断信号，然后由第二逻辑运算模块根据该第二关断信号及主电路的直流母线电压是否过压的情况，输出第二控制信号，进而使驱动电路控制主电路停止接受脉冲宽度调制并进入相应的安全状态，实现另外一条关断路径；也即本申请设计了两条独立的关断路径，使得两条关断路径可以进行安全等级分解，降低了对每条关断路径的安全等级要求，从而降低了器件的设计难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的电机控制器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的过压检测电路的电路示意图；

图3是本发明实施例提供的驱动单元及其输入输出连接关系的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种电机控制器，以解决现有技术中器件设计难度高的问题。

参见图1，该电机控制器包括：主电路(包括图1中所示的上管S1、S3、S5，下管S2、S4、S6，直流母线电容C)、转速采集模块101、微处理器102、监控芯片104、第一逻辑运算模块103、第二逻辑运算模块105、驱动电路106及过压检测电路107；其中：

微处理器102用于输出初始PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号和第一关断信号，并根据转速采集模块101输出的电机转速信号，生成转速判断信号；

第一逻辑运算模块103用于根据初始PWM信号、第一关断信号和转速判断信号，生成第一控制信号；

监控芯片104用于监控微处理器102的工作状态，并根据微处理器102的工作状态或者输出指令生成并输出第二关断信号；

第二逻辑运算模块105用于根据第二关断信号及过压检测电路107输出的主电路的直流母线过压信号，生成第二控制信号；

驱动电路106用于：根据第一控制信号，通过脉冲宽度调制，控制主电路正常工作或者进入相应的安全状态；或者根据第二控制信号，控制主电路停止接受脉冲宽度调制，并进入相应的安全状态。

正常情况下，微处理器102根据转速采集模块101输出的电机转速信号，得到电机的转速判断信号，然后由第一逻辑运算模块103根据该转速判断信号所表征的电机转速的快慢，结合微处理器102输出的初始PWM信号和第一关断信号，生成并输出第一控制信号，进而使驱动电路106通过脉冲宽度调制，控制主电路正常工作或者进入相应的安全状态，实现第一条关断路径。

具体的，当转速判断信号所表征的电机转速为低速时，其反向电动势低于直流母线电压Udc，桥臂全关断，即主电路中的六个开关管S1～S6均关断，可以保证电机中电流为零，是理想的安全状态，因此，此时该第一控制信号控制主电路进入桥臂全关断的安全状态即可。然而，当转速判断信号所表征的电机转速为高速时，其反向电动势将会高于直流母线电压Udc，电机工作在发电状态，电流通过开关管的反并联二极管倒灌入直流母线电容C和高压电池，如果此时系统无法确保断开高压电池，电机将会产生不可控的反向制动扭矩，违反安全目标；因此，此时该第一控制信号将会控制主电路进入主动短路的安全状态。主动短路时，主电路中的上管S1、S3、S5(或者下管S2、S4、S6)均关断，而下管S2、S4、S6(或者上管S1、S3、S5)将会全部开通，从而将电机三相定子绕组短路。此时，电机旋转产生的感应电动势会在电机绕组中产生电流，该电流通过开通的三个下管流通，但是该电流与高压电池以及直流母线电容C之间没有能量交换，只会产生很小的制动转矩，因此能够确保安全。

实际应用中，该第一控制信号为：对初始PWM信号进行安全状态添加后得到的PWM调整信号，其本质是通过脉冲宽度调制实现对于主电路中开关管的控制。

另外，当微处理器102出现故障或者其对于监控芯片104的输出指令为关断指令时，监控芯片104将及时输出第二关断信号，然后由第二逻辑运算模块105根据该第二关断信号及主电路的直流母线电压Udc是否过压的情况，输出第二控制信号，进而使驱动电路106控制主电路停止接受脉冲宽度调制并进入相应的安全状态，实现第二条关断路径。

具体的，该第二控制信号包括：使能信号和状态选择信号；对应的，第二逻辑运算模块105中，需要根据第二关断信号，生成使能信号，以控制主电路停止接受脉冲宽度调制；并且，还需要根据直流母线过压信号，生成状态选择信号，以控制主电路进入相应的安全状态；其中，若直流母线过压信号表征主电路的直流母线过压，则状态选择信号将控制主电路进入主动短路的安全状态；若直流母线过压信号表征主电路的直流母线未过压，则状态选择信号将控制主电路进入桥臂全关断的安全状态。

本实施例提供的该电机控制器，通过设计上述两条独立的关断路径实现安全状态的进入，使得两条关断路径可以进行安全等级分解，降低了对每条关断路径的安全等级要求，从而降低了器件的设计难度。

值得说明的是，本实施例中的监控芯片104可使用和现有技术方案相同的系统监控芯片，比如英飞凌的TLF35584SBC芯片或者TI,NXP等厂家的相应芯片，此处不做具体限定，视其应用环境而定，均在本申请的保护范围内。上述芯片通过硬线和SPI(SerialPeripheral Interface，串行外设接口)看门狗对微处理器102进行监控，发现微处理102故障或者接收到关断指令即发出第二关断信号。

实际应用中，过压检测电路107一般由电压采集模块、隔离运放模块和采样电压比较模块三个部分构成，如图2所示。电压采集模块通过电阻分压采集直流母线电压Udc，隔离并和硬件设置的基准电压Vref作比较，如果采集得到的电压值高于该基准电压Vref，则采样电压比较模块发出的直流母线过压信号表征主电路的直流母线过压(即直流母线电压Udc过高)；如果采集得到的电压值低于该基准电压Vref，则采样电压比较模块发出的直流母线过压信号表征主电路的直流母线未过压(即直流母线电压Udc正常)。

由于现有技术中即使是没有功能安全要求的电机控制器，都基本配备有该过压检测电路，本实施例只是利用了原本就存在的过压检测电路，并没有带来额外的成本增加。

优选的，转速采集模块101的输入端与电机转速传感器201的输出端相连。

电机转速传感器201为现有技术中纯电动和混动汽车内的原有设备，并不涉及硬件成本的增加。

综上所述，本实施例并没有增加额外的硬件电路，同时，由于通过两条独立的关断路径实现安全状态的进入，使得两条关断路径可以进行安全等级分解，降低了对每条关断路径的安全等级要求，从而也降低了相应的器件成本。

本发明另一实施例还提供了一种具体的电机控制器，在上述实施例及图1和图2的基础之上，优选的，驱动电路106包括三个驱动单元；参见图3，该驱动单元包括：上管选择开关301、下管选择开关302、上管驱动子电路及下管驱动子电路；其中：

上管选择开关301的控制端及下管选择开关302的控制端均接收使能信号；

上管选择开关301的固定触点与上管驱动子电路的输入端相连；

下管选择开关302的固定触点与下管驱动子电路的输入端相连；

上管选择开关301的常闭触点接收第一控制信号中对应的上管调制信号；

下管选择开关302的常闭触点接收第一控制信号中对应的下管调制信号；

上管选择开关301的常开触点接收接地信号；

下管选择开关302的常开触点接收状态选择信号；

上管驱动子电路的输出端与主电路中对应的上管控制端相连；

下管驱动子电路的输出端与主电路中对应的下管控制端相连。

具体的，参见图3，该上管驱动子电路包括：上管驱动隔离放大器401、第一电阻R1及第二电阻R2；其中：

上管驱动隔离放大器401的输入端为上管驱动子电路的输入端；

上管驱动隔离放大器401的输出端分别与第一电阻R1的一端及第二电阻R2的一端相连；

第一电阻R1的另一端及第二电阻R2的另一端相连，连接点为上管驱动子电路的输出端。

参见图3，该下管驱动子电路包括：下管驱动隔离放大器402、第三电阻R3及第四电阻R4；其中：

下管驱动隔离放大器402的输入端为下管驱动子电路的输入端；

下管驱动隔离放大器402的输出端分别与第三电阻R3的一端及第四电阻R4的一端相连；

第三电阻R3的另一端及第四电阻R4的另一端相连，连接点为下管驱动子电路的输出端。

优选的，参见图3，该接地信号来源于第五电阻R5的一端；第五电阻R5的另一端接地。

参见图3，由于三相驱动结构相同，下面以一相(S1和S2组成的桥臂对应相驱动)为例进行原理说明：

参见图3，上管选择开关301和下管选择开关302均是二选一开关；当第二逻辑运算模块105输出的使能信号(具体可以为高电平)代表第二条关断路径无需执行关断时，上管选择开关301和下管选择开关302均偏向左侧、保持与常闭触点的连接，上管驱动隔离放大器401及下管驱动隔离放大器402的输入均为相应的PWM调整信号，这两个信号经过隔离放大后控制相应的开关管(S1或者S2)开通关断；另外两相原理相同，此处不再赘述，最终能够使主电路进行正常的工作或者进入相应的安全状态。

第二逻辑运算模块105输出的使能信号(具体可以为低电平)代表第二条关断路径需要执行关断时，上管选择开关301和下管选择开关302均偏向右侧、连接各自的常开触点；此时，上管驱动隔离放大器401的输入为接地信号，经过隔离放大后，上管驱动隔离放大器401的输出(具体可以为低电平)控制三个上管(S1、S3、S5)全部关断；下管驱动隔离放大器402的输入为状态选择信号，当直流母线过压信号表征主电路的直流母线过压时，该状态选择信号(具体可以为高电平)经过隔离放大后将控制三个下管(S2、S4、S6)全部导通，进而使主电路进入主动短路的安全状态；而当直流母线过压信号表征主电路的直流母线未过压时，该状态选择信号(具体可以为低电平)经过隔离放大后将控制三个下管(S2、S4、S6)全部关断，进而使主电路进入桥臂全关断的安全状态。

其余原理与上述实施例相同，此处不再一一赘述。

本发明中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种电机控制器，其特征在于，包括：主电路、转速采集模块、微处理器、监控芯片、第一逻辑运算模块、第二逻辑运算模块、过压检测电路及驱动电路；其中：

所述微处理器用于输出初始PWM信号和第一关断信号，并根据所述转速采集模块输出的电机转速信号，生成转速判断信号；

所述第一逻辑运算模块用于根据所述初始PWM信号、所述第一关断信号和所述转速判断信号，生成第一控制信号；

所述监控芯片用于监控所述微处理器的工作状态，并根据所述微处理器的工作状态或者输出指令生成并输出第二关断信号；

所述第二逻辑运算模块用于根据所述第二关断信号及所述过压检测电路输出的所述主电路的直流母线过压信号，生成第二控制信号；

所述驱动电路用于：根据所述第一控制信号，通过脉冲宽度调制，控制所述主电路正常工作或者进入相应的安全状态；或者根据所述第二控制信号，控制所述主电路停止接受脉冲宽度调制，并进入相应的安全状态。

2.根据权利要求1所述的电机控制器，其特征在于，所述第二控制信号包括：使能信号和状态选择信号；其中：

所述使能信号用于控制所述主电路停止接受脉冲宽度调制；

所述状态选择信号用于控制所述主电路进入相应的安全状态。

3.根据权利要求2所述的电机控制器，其特征在于，所述第二逻辑运算模块用于根据所述第二关断信号及接收到的所述主电路的直流母线过压信号，生成第二控制信号时，具体用于：

根据所述第二关断信号，生成所述使能信号；

根据所述直流母线过压信号，生成所述状态选择信号；其中，若所述直流母线过压信号表征所述主电路的直流母线过压，则所述状态选择信号用于控制所述主电路进入主动短路的安全状态；若所述直流母线过压信号表征所述主电路的直流母线未过压，则所述状态选择信号用于控制所述主电路进入桥臂全关断的安全状态。

4.根据权利要求2所述的电机控制器，其特征在于，所述驱动电路包括三个驱动单元；所述驱动单元包括：上管选择开关、下管选择开关、上管驱动子电路及下管驱动子电路；其中：

所述上管选择开关的控制端及所述下管选择开关的控制端均接收所述使能信号；

所述上管选择开关的固定触点与所述上管驱动子电路的输入端相连；

所述下管选择开关的固定触点与所述下管驱动子电路的输入端相连；

所述上管选择开关的常闭触点接收所述第一控制信号中对应的上管调制信号；

所述下管选择开关的常闭触点接收所述第一控制信号中对应的下管调制信号；

所述上管选择开关的常开触点接收接地信号；

所述下管选择开关的常开触点接收所述状态选择信号；

所述上管驱动子电路的输出端与所述主电路中对应的上管控制端相连；

所述下管驱动子电路的输出端与所述主电路中对应的下管控制端相连。

5.根据权利要求4所述的电机控制器，其特征在于，所述上管驱动子电路包括：上管驱动隔离放大器、第一电阻及第二电阻；其中：

所述上管驱动隔离放大器的输入端为所述上管驱动子电路的输入端；

所述上管驱动隔离放大器的输出端分别与所述第一电阻的一端及所述第二电阻的一端相连；

所述第一电阻的另一端及所述第二电阻的另一端相连，连接点为所述上管驱动子电路的输出端。

6.根据权利要求4所述的电机控制器，其特征在于，所述下管驱动子电路包括：下管驱动隔离放大器、第三电阻及第四电阻；其中：

所述下管驱动隔离放大器的输入端为所述下管驱动子电路的输入端；

所述下管驱动隔离放大器的输出端分别与所述第三电阻的一端及所述第四电阻的一端相连；

所述第三电阻的另一端及所述第四电阻的另一端相连，连接点为所述下管驱动子电路的输出端。

7.根据权利要求4所述的电机控制器，其特征在于，所述接地信号来源于第五电阻的一端；所述第五电阻的另一端接地。

8.根据权利要求1-7任一所述的电机控制器，其特征在于，所述监控芯片用于根据所述微处理器的工作状态或者输出指令生成并输出第二关断信号时，具体用于：

所述监控芯片在所述微处理器的工作状态为故障时，或者，在所述微处理器的输出指令为关断指令时，生成并输出所述第二关断信号。

9.根据权利要求1-7任一所述的电机控制器，其特征在于，所述转速采集模块的输入端与电机转速传感器的输出端相连。

10.根据权利要求1-7任一所述的电机控制器，其特征在于，所述过压检测电路包括：电压采集模块、隔离运放模块及采样电压比较模块；其中：

所述电压采集模块的输入端与所述主电路中直流母线电容的两端相连；

所述电压采集模块的输出端与所述隔离运放模块的输入端相连；

所述隔离运放模块的输出端与所述采样电压比较模块的同相输入端相连；

所述采样电压比较模块的反相输入端接收基准电压；

所述采样电压比较模块的输出端输出所述直流母线过压信号。