CN109167553A - 一种基于mcu+cpld架构的电机控制系统安全机制实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于MCU+CPLD架构的电机控制系统安全机制实现方法，电机三相定子绕组的三相电流、三相桥式电路各IGBT的故障FO信号、直流电源Udc的母线电压信号都连接输入到控制电路上，由控制电路处理后把信号输出给MCU和CPLD/FPGA处理器上，由MCU和CPLD/FPGA共同处理这些信号并进行相应故障处理和进入安全机制。使用本方案实现安全机制，由于MCU+CPLD/FPGA的联合冗余检测处理机制，在某一方出现硬件失效的时候，电机系统还是能够保证进入到安全机制保证整车和人身安全。由于CPLD/FPAG处理器的并行处理机制，保证故障检测到故障处理的响应时间在us级别的时间，而MCU的故障处理响应时间在ms级别，进入安全机制的时间大大缩短，使得电机系统在最短的时间内确保整车和人身安全。

Description

一种基于MCU+CPLD架构的电机控制系统安全机制实现方法
技术领域
本发明涉及电机控制系统，特别涉及一种基于MCU+CPLD架构的电机控制系统安全机制实现方法。
背景技术
电动汽车行驶过程中，如果突发整车上任何部分发生突发故障需要整车进入安全机制，安全机制的实现必须要非常的可靠，否则会威胁到整车和人身安全。在系统架构中，采用MCU+CPLD/FPGA联合运行的方式双重保证安全机制的实现，MCU通过检测外部信号进行故障检测，并输出6路PWM到CPLD上，并且MCU有相关严重错误信号直接到驱动电路上保证安全机制的运行；CPLD接收外部输入故障信号快速处理并根据故障的严重性判断是否进入安全机制，即进入主动短路状态或者关闭PWM状态，而且CPLD从接收到故障输入信号到进入安全机制处理在us级别的时间内，时间非常短，保证了安全机制运行的实时性和可靠性。另外在MCU出现硬件失效不工作时，CPLD还可以持续工作，保证系统进入安全机制运行。
现有技术关于主动短路保护的专利一般都是在三相桥式电路外围添加硬件逻辑电路来实现主动短路保护方式。专利文献1（CN 105262059 A）公开了一种电动汽车的主动短路保护电路。这篇专利采用添加外置的逻辑电路实现主动短路保护，如图1所示，从硬件电路上进入主动短路状态，而且只是安全机制当中的一种，安全机制包含不全面，并且逻辑简单不能实现复杂的检测和处理安全机制的能力。
发明内容
本发明目的是：提供一种基于MCU+CPLD架构的电机控制系统安全机制实现方法。本方案是在MCU+CPLD/FPGA新架构联合作用保证下，双重保证了安全机制实现的可靠性，安全机制根绝故障的种类和严重性进行不同的操作：主动短路状态，关闭PWM以及断开母线电压等操作。
本发明的技术方案是：
一种基于MCU+CPLD架构的电机控制系统安全机制实现方法，所述电机控制系统包括依次级联的直流电源Udc、三相桥式电路和电机三相定子绕组，所述三相桥式电路包括三相上桥T1、T3、T5和三相下桥T2、T4、T6一共六个功率开关IGBT，其中T1、T2连接A相绕组上称为U相桥式电路；T3、T4连接B相绕组上称为V相桥式电路；T5、T6连接C相绕组上称为W相桥式电路；六个功率开关IGBT的控制端分别连接控制电路，其特征在于：
所述电机三相定子绕组的三相电流、三相桥式电路各IGBT的故障FO信号、直流电源Udc的母线电压信号都连接输入到控制电路上，由控制电路处理后把信号输出给MCU和CPLD/FPGA处理器上，由MCU和CPLD/FPGA共同处理这些信号并进行相应故障处理和进入安全机制。
优选的，所述直流电源Udc的母线电压信号经过MCU电压采样转化为实际电压值，然后做范围检测，如果出现过压故障则PWM输出信号进入安全机制中一种工况：控制PWM进入主动短路；
同时CPLD/FPGA处理器在接收到控制电路输出的Udc母线电压是否过压的硬件电平信号做出滤波并判断是否输出PWM信号使得三相桥式电路进入安全机制中一种工况：控制PWM进入主动短路并断开Udc母线电压。
优选的，所述三相电流经过MCU电压采样转化为实际电流值，然后做范围检测，如果出现过流故障则MCU输出PWM信号进入安全机制：主动短路；
同时CPLD/FPGA处理器在接收到控制电路输出的三相过流信电平信号做滤波并判断是否输出PWM信号使得三相桥式电路进入安全机制：主动短路；
如果MCU或者CPLD/FPGA当中有一个期间失效，则另一个会正常工作并使得电机系统进入安全机制。
优选的，三相桥式电路各IGBT的故障FO信号输入到CPLD/FPGA处理器，如果FO信号故障发生，则CPLD/FPGA直接控制PWM输出进入安全机制：关闭状态；并且通过通讯接口把错误信号上传给MCU，MCU处理器控制PWM输出立即进入安全机制：关闭状态。
优选的，所述CPLD/FPGA处理器由另外的MCU进行替代。
本发明的优点是：
1．使用本方案实现安全机制，由于MCU+CPLD/FPGA的联合冗余检测处理机制，在某一方出现硬件失效的时候，电机系统还是能够保证进入到安全机制保证整车和人身安全。
2．使用本方案实现安全机制，由于CPLD/FPAG处理器的并行处理机制，保证故障检测到故障处理的响应时间在us级别的时间，而MCU的故障处理响应时间在ms级别，进入安全机制的时间大大缩短，使得电机系统在最短的时间内确保整车和人身安全。
3．使用本方案实现安全机制，安全机制不再是单一的某一种处理机制，安全机制可以由CPLD/FPGA快速的根据故障类别和严重性分为：主动短路状态，关闭PWM状态，断开母线电压Udc的操作等方法。
4．使用本方案实现安全机制，不用再外加多个外置电路，可以节约成本。
5．使用本方案实现安全机制，在母线电压过高的情况下，断开母线电压，保护电池不会过压充电，提高的电动汽车的安全性和使用寿命。
6．使用本方案实现安全机制，由于冗余性添加和故障快速处理能力，使得系统功能安全得到实现，符合ISO26262的相关实现方法，可以实现电机系统功能安全达到ASIL-C的基本要求。
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为现有技术中外置硬件逻辑控制电路的主动短路保护方案图；
图2本发明基于MCU+CPLD架构的电机控制系统安全机制实现原理图；
图3本发明安全机制实现的流程图。
具体实施方式
如图2所示，为基于MCU+CPLD架构的电机控制系统安全机制实现原理图，包括依次级联的直流电源Udc、三相桥式电路和电机三相定子绕组，三相上桥T1，T3，T5和三相下桥T2，T4，T6一共六个功率开关器件组成三相桥式电路，在图右边模拟电机的三相钉子绕组，分别连接到三相桥式电路的串联开关功率器件中间，这样就形成了三相桥式回路电路。T1，T2连接电机A相绕组上称为U相桥式电路，实际中为U相IGBT；T3，T4连接电机B相绕组上称为V相桥式电路，实际中为V相IGBT；T5，T6连接电机C相绕组上称为W相桥式电路，实际中为W相IGBT。
所述电机三相定子绕组的三相电流、三相桥式电路各IGBT的故障FO信号、直流电源Udc的母线电压信号都连接输入到控制电路上，由控制电路处理后把信号输出给MCU和CPLD/FPGA处理器上，由MCU和CPLD/FPGA共同处理这些信号并进行相应故障处理和进入安全机制。
直流电源Udc的母线电压通过控制电路后输出给MCU和CPLD/FPGA，Udc母线电压经过MCU电压采样转化为实际电压值，然后做范围检测，如果出现过压故障则PWM输出信号进入安全机制中一种工况：控制PWM进入主动短路。同时CPLD/FPGA处理器在接收到控制电路输出的Udc是否过压的硬件电平信号做出滤波并判断是否输出PWM信号使得三相桥式电路进入安全机制中一种工况：控制PWM进入主动短路并断开Udc母线电压，而且百微秒级别内从输入判断到进入安全机制完成整个过程检测和控制。
三相电流也是由MCU和CPLD/FPGA共同进行冗余信号故障判断是否进入安全机制，三相电流经过MCU电压采样转化为实际电流值，然后做范围检测，如果出现过流故障则MCU输出PWM信号进入安全机制：主动短路。通过CPLD/FPGA处理器在接收到控制电路输出的三相过流信电平信号做滤波并判断是否输出PWM信号使得三相桥式电路进入安全机制：主动短路。如果MCU或者CPLD/FPGA当中有一个期间失效，则另一个会正常工作并使得电机系统进入安全机制，保证整车和人身的安全。
同上所述，U相，V相，W相IGBT的错误输出FO信号，输入到CPLD/FPGA处理器，如果FO信号故障发生，则CPLD/FPGA直接控制PWM输出为关闭状态（安全机制），并且通过通讯接口把错误信号上传给MCU，MCU处理器立即关闭PWM输出（安全机制）。因为FO信号表示IGBT出现故障，有可能是短路或者短路等情况，不能再让IGBT导通，因此FO工况下的安全机制为关闭PWM，确保IGBT不会出现二次损坏而导致电机短路出现更严重的整车安全事故。
如图3所示，为安全机制实现过程中MCU+CPLD/FPGA架构运行的流程图，MCU和CPLD/FPGA分别为独立处理器，在上电后分别运行自己内部的程序，并且MCU与CPLD/FPGA之间也实时通讯确保故障机制的联合实现。
其他实施方式中，CPLD/FPGA处理器也可以由其他的MCU进行替代，这样虽然其他的MCU处理器没有CPLD/FPGA处理器并行处理速度快，但是也可以实现冗余检测和故障处理，以及出现一个MCU失效后，另一个MCU也可以确保电机系统进入安全机制。
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 (5)

1.一种基于MCU+CPLD架构的电机控制系统安全机制实现方法，所述电机控制系统包括依次级联的直流电源Udc、三相桥式电路和电机三相定子绕组，所述三相桥式电路包括三相上桥T1、T3、T5和三相下桥T2、T4、T6一共六个功率开关IGBT，其中T1、T2连接A相绕组上称为U相桥式电路；T3、T4连接B相绕组上称为V相桥式电路；T5、T6连接C相绕组上称为W相桥式电路；六个功率开关IGBT的控制端分别连接控制电路，其特征在于：
所述电机三相定子绕组的三相电流、三相桥式电路各IGBT的故障FO信号、直流电源Udc的母线电压信号都连接输入到控制电路上，由控制电路处理后把信号输出给MCU和CPLD/FPGA处理器上，由MCU和CPLD/FPGA共同处理这些信号并进行相应故障处理和进入安全机制。
2.根据权利要求1所述的电机控制系统安全机制实现方法，其特征在于：所述直流电源Udc的母线电压信号经过MCU电压采样转化为实际电压值，然后做范围检测，如果出现过压故障则PWM输出信号进入安全机制中一种工况：控制PWM进入主动短路；
同时CPLD/FPGA处理器在接收到控制电路输出的Udc母线电压是否过压的硬件电平信号做出滤波并判断是否输出PWM信号使得三相桥式电路进入安全机制中一种工况：控制PWM进入主动短路并断开Udc母线电压。
3.根据权利要求2所述的电机控制系统安全机制实现方法，其特征在于：所述三相电流经过MCU电压采样转化为实际电流值，然后做范围检测，如果出现过流故障则MCU输出PWM信号进入安全机制：主动短路；
同时CPLD/FPGA处理器在接收到控制电路输出的三相过流信电平信号做滤波并判断是否输出PWM信号使得三相桥式电路进入安全机制：主动短路；
如果MCU或者CPLD/FPGA当中有一个期间失效，则另一个会正常工作并使得电机系统进入安全机制。
4.根据权利要求3所述的电机控制系统安全机制实现方法，其特征在于：三相桥式电路各IGBT的故障FO信号输入到CPLD/FPGA处理器，如果FO信号故障发生，则CPLD/FPGA直接控制PWM输出进入安全机制：关闭状态；并且通过通讯接口把错误信号上传给MCU，MCU处理器控制PWM输出立即进入安全机制：关闭状态。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的电机控制系统安全机制实现方法，其特征在于：所述CPLD/FPGA处理器由另外的MCU进行替代。
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