CN111245302A - 一种功能安全电机控制系统及用于新能源汽车的电机系统 - Google Patents

Abstract

一种功能安全电机控制系统及用于新能源汽车的电机系统，该功能安全电机控制系统包括：MCU控制装置，其采用符合预设标准的ASIL‑D级的双核芯片，用于根据所接收到的各功能单元所传输来的信号生成电机控制信号；电机驱动装置，其用于根据电机控制信号生成相应的电机驱动信号，电机驱动装置根据待驱动电机的功率的不同配置为第一电机驱动装置和/或第二电机驱动装置，其中，第一电机驱动装置的驱动功率大于第二电机驱动装置的驱动功率。本系统在硬件基础上进行了功能安全ASIL‑D等级的构建，同时在保证系统功能和功能安全的前提下，针对系统的不同应用，可以最大程度地进行设计移植，在提升产品质量和安全的同时，简化了系统架构，降低了设计和后期维护成本。

Description

一种功能安全电机控制系统及用于新能源汽车的电机系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体地说，涉及一种功能安全电机控制系统及一种用于新能源汽车的电机系统。

背景技术

新能源汽车具有节能、环保等一系列优点，从而在汽车行业得到了愈来愈广泛的应用。功能安全电机控制系统作为新能源汽车的核心控制单元，直接影响到整个新能源汽车的可靠性、安全性和舒适性等性能指标，其内部各功能电路的正常运行与否，又直接关系到新能源汽车的正常行驶和驾乘人员的人身安全。传统的电机控制器虽然也关注安全方面的因素，但并未从ISO 2626标准的专业角度，对硬件架构和软件控制进行功能安全设计。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种功能安全电机控制系统，所述系统包括：

MCU控制装置，其采用符合预设标准的ASIL-D级的双核芯片，用于根据所接收到的各功能单元所传输来的信号生成电机控制信号；

电机驱动装置，其与所述MCU控制装置连接，用于根据所述电机控制信号生成相应的电机驱动信号，其中，所述电机驱动装置根据待驱动电机的功率的不同配置为第一电机驱动装置和/或第二电机驱动装置，其中，所述第一电机驱动装置的驱动功率大于所述第二电机驱动装置的驱动功率。

根据本发明的一个实施例，所述第一电机驱动装置包括：

第一门极驱动模块，其用于根据所述电机控制信号生成第一门极驱动信号；

IGBT模块，其与所述第一门极驱动模块连接，用于根据所述第一门极驱动信号生成第一电机驱动信号，以控制待驱动电机的运行。

根据本发明的一个实施例，所述第二电机驱动装置包括：

第二门极驱动模块，其用于根据所述电机控制信号生成第二门极驱动信号；

MOS管模块，其与所述第二门极驱动模块连接，用于根据所述第二门极驱动信号生成第二电机驱动信号，以控制待驱动电机的运行。

根据本发明的一个实施例，所述第一门极驱动模块和第二门极驱动模块集成有电流采样单元和/或温度采样单元，其中，所述电流采样单元用于对母线电流进行采样。

根据本发明的一个实施例，所述电机驱动装置包括第一电机驱动装置和第二电机驱动装置，所述系统还包括：

信号切换装置，其第一端与所述MCU控制装置连接，第二端与所述第一电机驱动装置连接，第三端与所述第二电机驱动装置连接，用于根据需要将所述第一端与第二端或第三端之间的连接导通。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：

相电流采样装置，其与所述MCU控制装置连接，用于将采样得到的相电流传输至所述MCU控制装置；

其中，所述相电流采样装置包括互为冗余的第一相电流采样模块和第二相电流采样模块，所述第一相电流采样模块和第二相电流采样模块用于采集三相电流中任意两相的电流，从而得到所述相电流。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：

电机状态检测装置，其与所述待驱动电机连接，用于对所述待驱动电机的运行状态进行检测，得到电机状态信号；

电机信号解码装置，其与所述电机状态检测装置和MCU控制装置连接，用于对所述电机状态信号进行解码，并将解码得到的信号传输至所述MCU控制装置。

根据本发明的一个实施例，所述电机状态检测装置包括旋转变压器传感器和/或霍尔传感器。

根据本发明的一个实施例，所述系统还包括：

电源管理装置，其配置为符合所述预设标准，用于为所述MCU控制装置和电机驱动装置提供电能。

本发明还提供了一种用于新能源汽车的电机系统，所述系统包括：

待驱动电机；和，如上任一项所述的功能安全电机控制系统，其与所述待驱动电机连接，用于控制待驱动电机的运行状态。

本发明所提供的功能安全电机控制系统在硬件基础上进行了功能安全ASIL-D等级的构建，同时在保证系统功能和功能安全的前提下，针对系统的不同应用，可以最大程度地进行设计移植，在提升产品质量和安全的同时，简化了系统架构，降低了设计和后期维护成本。

符合功能安全要求的硬件选型是构建功能安全系统的基础。本系统一方面根据ASIL严重度Severity、暴露度Exposure及可控性Controllability三个影响因素对系统功能安全等级进行了评估和确定。另一方面根据FEMA、硬件架构、FTA故障树分析进行再次评估，并为软件控制中的故障诊断做铺垫。

本系统的软件架构则从控制层(电机控制策略等、安全状态判断)、逻辑检测层(车速、转速、电机电流、冗余关系等)和硬件监视层(各硬件组成)进行分层控制，注重可用性、可靠性和可维护性三方面的兼顾。

本系统的硬件架构几乎无冗余设计(仅仅在相电流采样部分进行了冗余设计)，因此也就可以实现系统结构的最大程度地集成和简化，避免了不必要的冗余设计，在节约成本的基础上更便于后期的维护。

同时，本系统完全采用符合预设标准的零部件，而且符合功能安全ASIL-D级的要求，其不仅能够达到更高的故障诊断覆盖率，而且能够降低整个系统的安全隐患和复杂度，同时简化了系统的维护陈本，使得成本控制更优化。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的用于新能源汽车的电机系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的相电流采样装置的结构示意图；

图3是根据本发明另一个实施例的用于新能源汽车的电机系统的结构示意图；

图4是根据本发明又一个实施例的用于新能源汽车的电机系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

随着电子电气产品在汽车工业领域日益广泛的应用，汽车的功能也进一步丰富化，新的功能不仅在辅助驾驶、推进、车辆动态控制等领域，也涉及到主动和被动安全等领域，但是随之而来的安全风险和车辆召回率也在迅速增加，故障所带来的风险越大，一旦发生故障将会使车辆产生巨大的损失，甚至危及人身安全。由此可见汽车功能的开发和集成凸显了对安全方面的需求，汽车安全已成为汽车发展的关键因素之一。设计符合《ISO26262道路车辆--功能安全》标准，同时具有最高汽车安全完整性功能等级(目前为ASIL-D级)的汽车电子产品，已成为目前汽车电子产品发展的必然趋势。

现有技术中存在一种基于功能安全的电动助力转向控制系统(即EPS)，该系统主要采取双核的MCU主控单元，但在硬件选型方面并未严格按照功能安全的标准选择符合ISO26262的元器件，而且硬件电路也未体现功能安全的冗余设计。从硬件架构来说，该系统虽然硬件电路采用了简化方式，但软件控制算法必然会非常复杂。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种新的功能安全电机控制系统以及用于新能源汽车的电机系统，该功能安全电机控制系统尤其是一种配置可选的ASIL-D级功能安全功能安全电机控制系统，本系统虽然也可以应用在小功率的EPS(相对新能源汽车电机控制器功率而言)，但本系统首先从功能安全方面对硬件电路进行了简化，这样也就使得在软件控制方面也会简单很多。

图1示出了本实施例所提供的用于新能源汽车的电机系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的用于新能源汽车的电机系统优选地包括：功能安全电机控制系统100、第一待驱动电机105a和第二待驱动电机105b。其中，功能安全电机控制系统100优选地包括：MCU控制装置101、信号切换装置102、第一电机驱动装置103以及第二电机驱动装置104。

其中，MCU控制装置101优选地采用符合预设标准的ASIL-D级的双核芯片，用于根据所接收到的各功能单元所传输来的信号生成电机控制信号。具体地，本实施例中，对于新能源汽车来说，MCU控制装置101能够根据各功能单元所传输来的相电流、相电压、母线电压、母线电流、驱动管温度、电机转速信号、电机位置信号等信息，来通过分析比较、安全状态判断等数据处理过程，从而进一步调节所生成的PWM信号的变换，进而控制待驱动电机的安全运行。通过这种方式，该系统能够及时控制可能产生的安全隐患，从而保障车辆的正常、安全运行。

本实施例中，MCU控制装置101所采用的ASIL-D级的双核芯片优选地配置为符合SIO 26262标准，该芯片的内部进行了关键部件冗余。相较于现有技术中所采用两个MCU进行冗余设计的方式，本实施例所提供的MCU控制装置由于是在芯片内部进行关键部件冗余，因此其在功能安全和设计成本(尤其是软件架构)方面更占优势。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，MCU控制装置101所采用的ASIL-D级的双核芯片所满足的标准还可以为其他合理标准，本发明并不对上述标准进行具体限定。

如图1所示，本实施例中，信号切换装置102优选地包括有至少三个通信端口。其中，第一端与MCU控制装置101连接，第二端与第一电机驱动装置103连接，第三端与所述第二电机驱动装置104连接，其能够根据需要将第一端与第二端或第三端之间的连接导通。

具体地，当信号切换装置102的第一端与第二端之间的连接导通时，此时MCU控制装置101也就与第一电机驱动装置103连接，这样第一电机驱动装置103也就可以根据MCU控制装置101所传输来的电机控制信号来生成相应的电机驱动信号。第一电机驱动装置103能够将自身所生成的电机驱动信号传输至与之连接的第一待驱动电机105a，从而控制第一待驱动电机105a的运行状态。

同样的，当信号切换装置102的第一端与第三端之间的连接导通时，此时MCU控制装置101也就与第二电机驱动装置104连接，这样第二电机驱动装置104也就可以根据MCU控制装置101所传输来的电机控制信号来生成相应的电机驱动信号。第二电机驱动装置104能够将自身所生成的电机驱动信号传输至与之连接的第二待驱动电机105b，从而控制第二待驱动电机105b的运行状态。

本实施例中，第一电机驱动装置103的驱动功率大于第二电机驱动装置104的驱动功率。具体地，第一电机驱动装置103所驱动的电机可以是大功率的新能源汽车行业，而第二电机驱动装置104所驱动的电机则可以是小功率汽车电子产品领域(例如EPS等)。

第一电机驱动装置103优选地包括第一门极驱动模块以及IGBT模块。其中，第一门极驱动模块用于根据所接收到的电机控制信号来生成第一门极驱动信号，并将上述第一门极驱动信号传输至与之连接的IGBT模块。IGBT模块则可以根据上述第一门极驱动信号来生成第一电机驱动信号，以控制第一待驱动电机105a的运行。

第二电机驱动装置104则优选地包括第二门极驱动模块和MOS管模块。其中，第二门极驱动模块用于根据所接收到的电机控制信号生成第二门极驱动信号，并将上述第二门极驱动信号传输至与之连接的MOS管模块MOS管模块则可以根据所述第二门极驱动信号生成第二电机驱动信号，以控制第二待驱动电机105b的运行。

本实施例中，第一门极驱动模块以及第二门极驱动模块优选地满足功能安全ASIL-D的要求。同时，可选地，第一门极驱动模块和第二门极驱动模块集成有电流采样单元和/或温度采样单元。其中，电流采样单元优选地用于对母线电流进行采样。

如图1所示，本实施例中，可选地，该电机控制传统100还包括相电流采样装置106。其中，相电流采样装置106与MCU控制装置101连接，其能够将采样得到的相电流传输至MCU控制装置。

如图2所示，本实施例中，相电流采样装置106优选地包括互为冗余的第一相电流采样模块106a和第二相电流采样模块106b。第一相电流采样模块106a和第二相电流采样模块106b能够对三相电流中任意两相的电流进行采样，从而得到所需要的相电流。

再次如图1所示本，本实施例中，可选地，该电机控制传统100还包括电机状态检测装置107和电机信号解码装置108。其中，电机状态检测装置107与待驱动电机连接，其能够对待驱动电机的运行状态进行检测，得到电机状态信号。电机信号解码装置108与电机状态检测装置107和MCU控制装置101连接，其能够对电机状态检测装置107所传输来的电机状态信号进行解码，并将解码得到的信号传输至MCU控制装置101。

本实施例中，电机状态检测装置107所检测得到的电机状态信号优选地包括电机位置信息和/或电机速度信息。具体地，电机状态检测装置107可以采用旋转变压器传感器和/或霍尔传感器来实现。而由于霍尔解码和旋转解码原理的差异，电机信号解码装置108所选用的解码芯片也相应地不同。

电机信号解码装置108优选地采用符合功能安全标准ASIL-D级的硬件配置，其内部各模块集成有故障诊断和保护功能。

当然，在本发明的其他实施例中，根据实际情况，电机状态检测装置107和/或电机信号解码装置108还可以采用其他合理器件来实现，本发明不限于此。

本实施例中，该系统还包括电源管理装置(图中未示出)。电源管理装置中的电源芯片同样配置为符合上述预设标准(例如SIO 26262标准)。电源管理装置能够为功能安全电机控制系统中的各个用电器件(例如MCU控制装置、电机驱动装置等)提供电能。本实施例中，电源管理装置优选地具有多种诊断和监控功能，其能够监控MCU错误信号的输出，根据该MCU错误信号来断开相应用电器件的电源，从而实现对用电器件的保护。

需要指出的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，如图3或图4所示，该功能安全电机控制系统还可以仅包含第一电机驱动装置103或第二电机驱动装置104，这样第一电机驱动装置103或第二电机驱动装置104也就可以直接与MCU控制装置101连接，从而也就不再需要配置信号切换装置102。而配置第一电机驱动装置103还是第二电机驱动装置104则可以根据实际需要确定，第一电机驱动装置103与第二电机驱动装置104的选配过程并不会影响到本系统其他部分的结构。

本发明所提供的功能安全电机控制系统在硬件基础上进行了功能安全ASIL-D等级的构建，同时在保证系统功能和功能安全的前提下，针对系统的不同应用，可以最大程度地进行设计移植，在提升产品质量和安全的同时，简化了系统架构，降低了设计和后期维护成本。

符合功能安全要求的硬件选型是构建功能安全系统的基础。本系统一方面根据ASIL严重度Severity、暴露度Exposure及可控性Controllability三个影响因素对系统功能安全等级进行了评估和确定。另一方面根据FEMA、硬件架构、FTA故障树分析进行再次评估，并为软件控制中的故障诊断做铺垫。

本系统的软件架构则从控制层(电机控制策略等、安全状态判断)、逻辑检测层(车速、转速、电机电流、冗余关系等)和硬件监视层(各硬件组成)进行分层控制，注重可用性、可靠性和可维护性三方面的兼顾。

本系统的硬件架构几乎无冗余设计(仅仅在相电流采样部分进行了冗余设计)，因此也就可以实现系统结构的最大程度地集成和简化，避免了不必要的冗余设计，在节约成本的基础上更便于后期的维护。

同时，本系统完全采用符合预设标准的零部件，而且符合功能安全ASIL-D级的要求，其不仅能够达到更高的故障诊断覆盖率，而且能够降低整个系统的安全隐患和复杂度，同时简化了系统的维护陈本，使得成本控制更优化。

此外，本系统可以进行不同配置。在保证产品基本功能和功能安全等级不变的前提下，可以针对不同的应用领域进行选择性配置(例如第一电机驱动装置和第二电机驱动装置二选一)，在硬件架构和软件设计方面可以最大限度地减少重复性的工作，实行系统模块化移植，缩短整个系统的开发周期和开发成本。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种功能安全电机控制系统，其特征在于，所述系统包括：

MCU控制装置，其采用符合预设标准的ASIL-D级的双核芯片，用于根据所接收到的各功能单元所传输来的信号生成电机控制信号；

电机驱动装置，其与所述MCU控制装置连接，用于根据所述电机控制信号生成相应的电机驱动信号，其中，所述电机驱动装置根据待驱动电机的功率的不同配置为第一电机驱动装置和/或第二电机驱动装置，其中，所述第一电机驱动装置的驱动功率大于所述第二电机驱动装置的驱动功率。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一电机驱动装置包括：

第一门极驱动模块，其用于根据所述电机控制信号生成第一门极驱动信号；

IGBT模块，其与所述第一门极驱动模块连接，用于根据所述第一门极驱动信号生成第一电机驱动信号，以控制待驱动电机的运行。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述第二电机驱动装置包括：

第二门极驱动模块，其用于根据所述电机控制信号生成第二门极驱动信号；

MOS管模块，其与所述第二门极驱动模块连接，用于根据所述第二门极驱动信号生成第二电机驱动信号，以控制待驱动电机的运行。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一门极驱动模块和第二门极驱动模块集成有电流采样单元和/或温度采样单元，其中，所述电流采样单元用于对母线电流进行采样。

5.如权利要求1～4中任一项所述的系统，其特征在于，所述电机驱动装置包括第一电机驱动装置和第二电机驱动装置，所述系统还包括：

信号切换装置，其第一端与所述MCU控制装置连接，第二端与所述第一电机驱动装置连接，第三端与所述第二电机驱动装置连接，用于根据需要将所述第一端与第二端或第三端之间的连接导通。

6.如权利要求1～5中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

相电流采样装置，其与所述MCU控制装置连接，用于将采样得到的相电流传输至所述MCU控制装置；

其中，所述相电流采样装置包括互为冗余的第一相电流采样模块和第二相电流采样模块，所述第一相电流采样模块和第二相电流采样模块用于采集三相电流中任意两相的电流，从而得到所述相电流。

7.如权利要求1～6中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

电机状态检测装置，其与所述待驱动电机连接，用于对所述待驱动电机的运行状态进行检测，得到电机状态信号；

电机信号解码装置，其与所述电机状态检测装置和MCU控制装置连接，用于对所述电机状态信号进行解码，并将解码得到的信号传输至所述MCU控制装置。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述电机状态检测装置包括旋转变压器传感器和/或霍尔传感器。

9.如权利要求1～8中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

电源管理装置，其配置为符合所述预设标准，用于为所述MCU控制装置和电机驱动装置提供电能。

10.一种用于新能源汽车的电机系统，其特征在于，所述系统包括：

待驱动电机；和，

如权利要求1～9中任一项所述的功能安全电机控制系统，其与所述待驱动电机连接，用于控制待驱动电机的运行状态。

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