CN113067528A - 电机控制系统和具有其的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电机控制系统和车辆，该电机控制系统包括电机驱动模块、多核处理模块和安全逻辑模块，多核处理模块包括主功能核和锁步监控核，主功能核用于获取采样数据，并根据采样数据生成电机控制信号，锁步监控核用于主功能核的采样数据、主功能核的运行状态、电机控制信号以及电机的运行状态，当采样数据、主功能核的运行状态、电机控制信号以及电机的运行状态中任意一个发生异常时，进行驱动控制限制，并输出安全触发信号；安全逻辑模块分别与多核处理模块连接，用于在接收到安全触发信号时，输出禁止执行电机控制信号的指令至电机驱动模块。本发明的电机控制系统和车辆，可以实现驱动和诊断的分层独立控制，提高系统安全性。

Description

电机控制系统和具有其的车辆
技术领域
本发明涉及车辆领域，尤其是涉及一种电机控制系统，以及包括该电机控制系统的车辆。
背景技术
新能源车辆发展初期，行业都以实现功能、更优的性能为主要开发目标，架构层次少，功能大范围共存，诊断内容较为简单，覆盖度以各种保护为主。在相关技术中，通过外部低压供电例如如12V/24V通过分立电源电路例，如控制芯片+变压器+滤波，为控制系统提供电源，给主控单元、采样电路、逻辑芯片FPGA/CPLD等供电，通过外部低压供电通过分立的DC/DC电路提供驱动系统的电源供电。主控单元采集三相电流、母线电压、电机位置，结合CAN接收的目标扭矩进行电机控制。CPLD/FPGA监控控制信号，进行过流、过压、过温等快速保护，保障可靠性。
以及，随着ISO 26262的推行与推广，电控方案逐步演变为多层复杂系统，开始考虑各类失效带来的风险，并针对这些风险进行监控、诊断、故障处理，做到功能之间解耦，控制、诊断之间独立等，现有技术已经无法满足行业要求。
目前对于电机控制系统的设计，存在一些缺点，例如，系统采用串行架构，当中间任意步骤发生失效，系统不能及时有效的保证控制状态，整车存在潜在风险；缺乏独立性，即使做了诊断机制，在电源、采样、芯片等共用资源发生失效时，机制将无效；以及，无法适应ISO 26262标准功能安全的要求。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种电机控制系统，该电机控制系统可以实现分层独立控制，提高安全性。
本发明另一个目的在于提出一种车辆。
为了达到上述目的，本发明第一方面实施例的电机控制系统，包括：电机驱动模块；多核处理模块，包括主功能核和锁步监控核，所述主功能核用于获取采样数据，并根据所述采样数据生成电机控制信号，所述锁步监控核用于监控主功能核的采样数据、主功能核的运行状态、电机控制信号以及电机的运行状态，当采样数据、主功能核的运行状态、电机控制信号以及电机的运行状态中任意一个发生异常时进行驱动控制限制，并输出安全触发信号；安全逻辑模块，分别与所述多核处理模块连接，用于在接收到所述安全触发信号时，输出禁止执行所述电机控制信号的指令至电机驱动模块。
根据本发明实施例的电机控制系统，通过采用多核处理模块，将安全监控功能设置在锁步监控核中，以实现安全诊断，在主功能核故障时，可以限制主功能核的控制权限，驱动和诊断相互独立，以及在电机控制信号异常时，触发安全逻辑模块执行安全控制，实现驱动和诊断机制的独立控制，符合相关标准的要求，在电机控制中间步骤发生失效时，可以及时有效地保证控制状态，提高安全性。
根据本发明实施例的电机控制系统，通过对主功能核和电机运行状态的多层监控，实现了对主功能核的输入、处理、输出的各层级监控，以及对电机运行状态的监控，有效地提高了响应性能和安全性。
为了达到上述目的，本发明第二方面实施例的车辆，包括电机和所述的电机控制系统，所述电机控制系统用于对所述电机进行控制。
根据本发明实施例的车辆，通过采用上面实施例的电机控制系统，可以实现驱动和诊断机制的独立控制，从而，在电机控制中间步骤发生失效时，可以及时有效地保证控制状态，提高安全性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的电机控制系统的框图；
图2是根据本发明的一个实施例的多核处理模块的框图；
图3是根据本发明的一个实施例的电机控制系统的框图；
图4是根据本发明的一个实施例的第二DC/DC单元的框图；
图5是根据本发明的一个实施例的车辆的框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，下面详细描述本发明的实施例。
下面参考图1-图4描述根据本发明实施例的电机控制系统。
图1是根据本发明的一个实施例的电机控制系统的框图，如图1所示，本发明实施例的电机控制系统1包括电机驱动模块10、多核处理模块20和安全逻辑模块30。
其中，电机驱动模块10，可以包括驱动控制单元11和功率模块电路12，功率模块电路12可以为IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)或MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)电路等，根据电机控制信号例如PWM信号来对电机进行控制。具体地，驱动控制单元11传递多核处理模块20的PWM信号从而驱动功率半导体IGBT或Mosfet，以驱动电机。以及，可以执行驱动高边High side和低边Low side系统诊断。
如图2所示，多核处理模块20包括主功能核21和锁步监控核22，多核处理模块20与电机驱动模块10之间进行信息例如信息2交互，主功能核21用于获取采样数据例如包括电流、电压、角度等数据，并根据采样数据生成电机控制信号，以及将电机控制信号例如PWM信号传输给电机的驱动控制单元11，进而驱动控制单元11根据电机控制信号可以驱动电机。锁步监控核22用于主功能核21的采样数据、主功能核21的运行状态、电机控制信号以及电机的运行状态，当采样数据、主功能核21的运行状态、电机控制信号以及电机的运行状态中任意一个发生异常时，锁步监控核22进行驱动功能限制，并输出安全触发信号。
通过对主功能核和电机运行状态的多层监控，实现了对主功能核的输入、处理、输出的各层级监控，以及对电机运行状态的监控，有效地提高了响应性能和安全性。在本发明的一个实施例中，主功能核21的输入信息为采样数据信息，主功能核21的处理信息为主功能核21自身的运行状态，主功能核21的输出信息为电机控制信号。
在本发明实施例中，如图2所示，多核处理模块20包括多个处理核，主功能核21例如Core_F(锁步功能LC可选)，通过采集外部信号例如sampling1信号可以包括电流、电压、角度等，并发出控制信号以控制电机；以及带有锁步功能的锁步监控核22，执行功能安全监控，即将安全监控功能设置在锁步监控核22中，监控主功能核21的运行状态，在主功能核21发生故障时，可以限制主功能核21的控制权限，输出安全触发信号，以进入安全状态。多核处理模块20的其它内核可以执行其它功能，并且对应的锁步功能LC(LOCK)可选，在此不作具体限制。
安全逻辑模块30分别与多核处理模块20连接，用于在接收到安全触发信号时，输出禁止执行电机控制信号的指令至电机驱动模块10，以进入安全状态，提高安全性。例如图1所示，多核处理模块20在主功能核21故障时，通过signal1信号触发安全逻辑模块30，从而触发低边(Low side)的PWM_En/disable和高边(High side)Gate_En/disable信号，用更高的优先级去控制电机驱动模块10，实现分层独立控制，使得系统进入安全状态。
根据本发明实施例的电机控制系统1，通过采用多核处理模块20，将安全监控功能设置在锁步监控核22中，以实现安全诊断，在主功能核21故障时，可以限制主功能核21的控制权限，驱动和诊断相互独立，以及在电机控制信号异常时，触发安全逻辑模块30执行安全控制，实现驱动和诊断机制的独立控制，符合相关标准的要求，在电机控制中间步骤发生失效时，可以及时有效地保证控制状态，提高安全性。
进一步地，如图3所示，本发明实施例的电机控制系统1还包括辅助控制模块40，辅助控制模块40分别连接多核处理模块20和电机驱动模块10，用于获取采样数据，并在主功能核21故障时，根据采样数据生成电机控制信号，并将电机控制信号发送给电机驱动模块10，以继续驱动电机。
具体地，辅助控制模块40可以包括FPGA/CPLD，辅助控制模块40与多核处理模块20进行信息交互，在主功能核21正常运行时，辅助控制模块40接收主功能核21发送的关键信号例如图中的6路PWM信号，并对PWM信号进行处理，将处理后的PWM信号传输给电机驱动模块10，以驱动电机。
在本发明实施例中，采样模块采集电机的电流、电压、角度等信息，并分别输出采样数据sampling11和采样数据sampling12，分别传输给多核处理模块20和辅助控制模块40。在主功能核21故障时，辅助控制模块40采集外部冗余信号例如采样数据2，根据采样数据生成电机控制信号，辅助控制模块40与电机驱动模块10进行信息交互，从而电机控制模块10可以继续根据辅助控制模块40发送的电机控制信号驱动电机，也就是说，在主功能核21发生故障时，由辅助控制模块40接管驱动控制功能。
进一步地，锁步监控核22还用于在辅助控制模块40故障时，确定电机控制信号是否异常，当电机控制信号异常时，锁步监控核22进行驱动控制限制，并输出安全触发信号；安全逻辑模块30分别与多核处理模块20连接，用于在接收到安全触发信号时，输出禁止执行电机控制信号的指令至电机驱动模块10。即在主功能核21正常运行时，由主功能核21发出电机控制信号，在主功能核21故障时，由辅助控制模块40暂管驱动控制，在辅助控制模块40也发生故障时，锁步监控核22认为电机控制信号异常，则执行安全控制，发出安全触发信号给安全逻辑模块30，控制系统进入安全状态。
具体地，锁步监控核22进行安全监控，例如包括输入诊断、输出诊断、主功能核21死机监控、辅助控制模块40例如CPLD/FPGA死机监控。当锁步监控核22诊断到异常，通过独立的通道，控制驱动单元，并由安全逻辑模块30在驱动低压边PWM_En/disable信号执行PWM通道的切换，移除主功能核21和CPLD/FPGA功能层的控制权限，同时安全逻辑模块30通过高压边的第二个信号Gate_En/disable保证IGBT/MOSFET处于关断状态/三相短路状态，即实现系统进入安全状态。
在实施例中，如图1或图3所示，本发明实施例的电机控制系统1还包括电源管理模块50，电源管理模块50与多核处理器20进行信息例如图1中通过信息1进行交互，电源管理模块50用于提供电源信号例如Vs给多核处理模块20，并监控多核处理模块20的运行状态，以及在多核处理模块20故障时，输出安全控制信号；安全逻辑模块30与电源管理模块50连接，在接收安全控制信号时，输出禁止执行电机控制信号的指令至电机驱动模块10，以移除电机驱动功能，并使得电机驱动模块10的开关管关闭或电机三相短路状态，即进入安全状态。即言，当多核处理模块20运行异常时，电源管理模块50可以触发安全逻辑模块30，将系统切入安全状态。
如图3所述，电源管理模块50监控多核处理模块20的状态，若多核处理模块20出现异常，电源管理模块50通过信息触发安全逻辑模块30，安全逻辑模块30PWM_En/disable和Gate_En/disable信号，用更高的优先级去控制电机驱动模块10，实现分层独立控制。
本发明实施例的电机控制系统1，在多核处理模块20的主功能核21出现故障，FPGA/CPLD可以进行短时接管，当FPGA/CPLD(Field Programmable Gate Array/ComplexProgrammable Logic Device，现场可编程门阵列/复杂可编程逻辑器件)也出现故障，锁步监控核22执行安全控制，可以增强系统可用性，以及通过安全逻辑模块30进行安全控制，实现多层独立控制，更加适用于控制更加复杂、多层次要求的整车条件，例如无人驾驶系统。
如图1或图3所示，本发明实施例的电机控制系统1还包括低压供电模块60，低压供电模块60分别与电源管理模块50和电机驱动模块10连接，用于在接收到第一停止供电信号时，停止为电机驱动模块10供电。其中，多核处理模块20与低压供电模块60连接，响应于锁步监控核22输出安全触发信号，当电机驱动模块10未能按预期响应锁步监控核22的安全触发信号，锁步监控核22输出该第一停止供电信号，低压供电模块60停止为电机驱动模块10供电，从而可以在系统期望进入安全状态，而实际系统并未按预期进入安全状态，可以通过切断低压供电模块60的供电，来保证系统自身进入无输出状态。
进一步地，如图1或3所示，低压供电模块60包括第一DC/DC单元61例如DC/DC2和低压电源62，其中，低压电源62通过第一防反二极管D1分别与第一DC/DC单元61、电源管理模块50连接，用于为电源管理模块50供电；第一DC/DC单元61与电机驱动模块10和多核处理模块20连接，用于为电机驱动模块10供电，并在接收到多核处理模块20发送的第一停止供电信号时停止输出，以保证系统自身进入安全状态，提高安全性。
如图1或图3所示，本发明实施例的电机控制系统1还包括备用供电模块70，备用供电模块70分别与电源管理模块50和电机驱动模块10连接，用于在接收到第一供电信号时，输出供电信号以为电源管理模块50和电机驱动模块10供电。多核处理模块20与备用供电模块70连接，用于在低压电源62输出异常时，输出第一供电信号给备用供电模块70。
通过加入备用供电模块70，并可以控制其输出供电的接入与切断，可以在低压供电异常时，及时有效地保证系统的继续运行。
进一步地，如图1或图3所示，本发明实施例的备用供电模块70包括高压电源71和第二DC/DC单元72例如DC/DC1，高压电源71通过第二DC/DC单元72分别与电源管理模块50和第一DC/DC单元61连接。多核处理模块20与第二DC/DC单元72连接，例如多核处理模块20可以通过En/disable控制第二DC/DC单元72的接入与断开，具体地，用于在低压电源62输出异常时，控制第二DC/DC单元72接通，或者，在第二DC/DC单元72输出异常时，控制第二DC/DC单元72断开，从而实现电源供电的双重保证。
如图4所示，本发明实施例的第二DC/DC单元72包括DC/DC控制单元721和开关单元722，DC/DC控制单元721的第一端与高压电源71连接；开关单元722的第一端与DC/DC控制单元721的第二端连接，开关单元722的第二端通过第二防反二极管D2与电源管理模块50和第一DC/DC单元61连接，开关单元722的控制端与多核处理模块20连接。多核处理模块20在低压供电异常时，控制开关单元722闭合，由备用供电模块70进行供电，进一步地在备用电源输出异常时，控制开关单元722断开。从而，可以防止备用电源自身异常而危害系统，例如备用电源提供了过高的电压，会造成系统器件击穿，直接在备用电源的供电回路上设置开关单元722，在备用电源异常时可进行切断，从而提高系统安全性。
在一些实施例中，如图3所示，安全逻辑模块30包括第一使能端和第二使能端，第一使能端与电机驱动系统10的低压侧连接，第二使能端与电机驱动模块10的高压侧连接；多核处理模块20还用于，在电机驱动信号异常时，例如对应没有设置辅助控制模块40的系统，主功能核21故障时即认为电机驱动信号异常，而对于设置辅助控制模块40的系统，则主功能核21和辅助控制模块40都异常时认为电机驱动信号异常，则输出第一安全触发信号或第二安全触发信号；安全逻辑模块30用于根据第一安全触发信号通过第一使能端使能电机驱动模块的低压侧，或者，根据第二安全触发信号通过第二使能端使能电机驱动模块的高压侧，以停止电机驱动。例如，例如安全逻辑模块30接收到signal1，则通过第一使能端输出使能信号PWM_EN/disable信号，在电机驱动模块10的驱动低压边执行PWM通道的切换，移除主功能核21以及CPLD/FPGA功能层的控制权限，同时通过高压边的Gate_EN/disable信号保证IGBT/MOSFET处于关断状态/三相短路状态。其中，在驱动控制恢复正常后，可以使能电机驱动模块10切换回正常模式。在实施例中，多核处理模块20可以通过Signal1和Signal2的或逻辑，去控制安全逻辑模块30的两个输出，从而进入安全状态，也可以分别去控制。
在实施例中，安全逻辑模块30通过驱动电机驱动模块10的高压侧进行安全控制，可以规避中间电路失效导致系统无法正常进入或者保持安全状态，提高安全性。
总的来说，本发明实施例的电机控制系统1，采用多核处理器20，并设置锁步监控核22进行安全监控，在主功能核21故障，辅助控制模块40可以接管驱动控制，进而在辅助控制模块40也故障时，锁步监控核22可以触发安全控制，使得系统进入安全状态，以及在多核处理模块20故障时，电源管理模块50可以触发安全控制，使得系统进入安全状态，以及设置备用电源，在低压供电故障时，可以由备用电源供电，进而备用电源也是可控的，在备用电源供电异常时，也可以切断。本发明实施例的电机控制系统1，采用多层地独立控制，控制核诊断相互独立，在电源、采样、芯片等共用资源发生失效时，诊断机制也可以有效，可以降低失效发生的概率或提升系统忍受各类失效的可用性，更加适用于复杂、多层次控制的要求，例如无人驾驶等。
基于上面实施例的电机控制系统，下面参照附图5描述根据本发明第二方面实施例的车辆。
图5是根据本发明的一个实施例的车辆的框图，如图5所示，本发明实施例的车辆100包括电机2和上面实施例的电机控制系统1，电机控制系统1用于对电机进行控制，电机控制系统1的构成和工作过程可以参照上面实施例的说明。
根据本发明实施例的车辆100，通过采用上面实施例的电机控制系统1，可以实现驱动和诊断机制的独立控制，从而，在电机控制中间步骤发生失效时，可以及时有效地保证控制状态，提高安全性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电机控制系统，其特征在于，包括：
电机驱动模块；
多核处理模块，包括主功能核和锁步监控核，所述主功能核用于获取采样数据，并根据所述采样数据生成电机控制信号，所述锁步监控核用于监控主功能核的采样数据、主功能核的运行状态、电机控制信号以及电机的运行状态，当采样数据、主功能核的运行状态、电机控制信号以及电机的运行状态中任意一个发生异常时，锁步监控核进行驱动控制限制，并输出安全触发信号；
安全逻辑模块，分别与所述多核处理模块连接，用于在接收到所述安全触发信号时，输出禁止执行所述电机控制信号的指令至电机驱动模块。
2.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统还包括：
辅助控制模块，分别连接所述多核处理模块和所述电机驱动模块，用于获取所述采样数据，并在所述主功能核故障时，根据所述采样数据生成所述电机控制信号；
所述锁步监控核，还用于在所述辅助控制模块故障时，确定所述电机控制信号是否异常；
当所述电机控制信号异常时，锁步监控核进行驱动控制限制，并输出安全触发信号；
安全逻辑模块，分别与所述多核处理模块连接，用于在接收到所述安全触发信号时，输出禁止执行所述电机控制信号的指令至电机驱动模块。
3.根据权利要求1或2所述的电机控制系统，其特征在于，
所述电机控制系统还包括电源管理模块，所述电源管理模块用于提供电源信号给所述多核处理模块，并监控所述多核处理模块的运行状态，以及在所述多核处理模块故障时，输出安全控制信号；
所述安全逻辑模块与电源管理模块连接，在接收安全控制信号时，输出禁止执行电机控制信号的指令至电机驱动模块。
4.根据权利要求3所述的电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统还包括：
低压供电模块，分别与所述电源管理模块和所述电机驱动模块连接，用于在接收到第一停止供电信号时，停止为所述电机驱动模块供电；
所述多核处理模块，与所述低压供电模块连接，还用于响应于所述锁步监控核输出所述安全触发信号，当所述电机驱动模块未能按预期响应锁步监控核的安全触发信号，锁步监控核输出所述第一停止供电信号。
5.根据权利要求4所述的电机控制系统，其特征在于，所述低压供电模块包括：
第一DC/DC单元，所述第一DC/DC单元与所述电机驱动模块和所述多核处理模块连接，用于为所述电机驱动模块供电，并在接收到所述第一停止供电信号时停止输出；
低压电源，通过第一防反二极管分别与所述第一DC/DC单元、所述电源管理模块连接，用于为所述电源管理模块供电。
6.根据权利要求4所述的电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统还包括：
备用供电模块，分别与所述电源管理模块和所述电机驱动模块连接，用于在接收到第一供电信号时，输出供电信号以为所述电源管理模块和所述电机驱动模块供电；
所述多核处理模块，与所述备用供电模块连接，用于在所述低压电源输出异常时，输出所述第一供电信号给所述备用供电模块。
7.根据权利要求6所述的电机控制系统，其特征在于，所述备用供电模块包括：
高压电源和第二DC/DC单元，所述高压电源通过所述第二DC/DC单元分别与所述电源管理模块和所述第一DC/DC单元连接；
所述多核处理模块，与所述第二DC/DC单元连接，用于在所述低压电源输出异常时，控制所述第二DC/DC单元接通，或者，在所述第二DC/DC输出异常时，控制所述第二DC/DC单元断开。
8.根据权利要求7所述的电机控制系统，其特征在于，所述第二DC/DC单元包括：
DC/DC控制单元，所述DC/DC控制单元的第一端与所述高压电源连接；
开关单元，所述开关单元的第一端与所述DC/DC控制单元的第二端连接，所述开关单元的第二端通过第二防反二极管与所述电源管理模块和所述第一DC/DC单元连接，所述开关单元的控制端与所述多核处理模块连接。
9.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于，
所述安全逻辑模块包括第一使能端和第二使能端，所述第一使能端与所述电机驱动系统的低压侧连接，所述第二使能端与所述电机驱动模块的高压侧连接；
所述多核处理模块还用于，在所述电机驱动信号异常时，输出第一安全触发信号或第二安全触发信号；
所述安全逻辑模块用于根据所述第一安全触发信号通过所述第一使能端使能所述电机驱动模块的低压侧，或者，根据所述第二安全触发信号通过所述第二使能端使能所述电机驱动模块的高压侧，以停止电机驱动。
10.一种车辆，其特征在于，包括电机和权利要求1-9任一项所述的电机控制系统，所述电机控制系统用于对所述电机进行控制。
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