CN114851859A - 一种电驱动系统输出扭矩安全监控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于电动汽车电驱动系统安全技术领域,提供了一种电驱动系统输出扭矩安全监控系统及方法,包括信号采集、信号校验、旋变解码模块、扭矩估算、扭矩监控与反馈、安全状态控制及故障上报、CAN报文校验及E2E处理及CAN通讯接收与发送模块。根据计算的电机实际输出扭矩和来自CAN总线的扭矩请求指令的比较,当实际输出扭矩与扭矩请求指令的偏差超过非预期扭矩阈值时,控制电驱动系统进入主动短路或关闭状态。避免由于电机实际输出扭矩比扭矩请求指令不一致,而导致车辆出现非预期加减速、非预期行驶或非预期反向行驶等危害事件,实现ASIL C等级及更高等级的安全目标开发,工程应用价值较好。
Description
技术领域
本发明属于电动汽车电驱动系统安全技术领域,特别涉及一种电驱动系统输出扭矩安全监控系统及方法。
背景技术
电动汽车使用电池中存储的电能作为唯一的能源供给,具有高效、节能、低噪音及零排放等特点,在节能和环保方面有着不可比拟的优势,因此逐渐成为汽车行业的重要发展趋势之一。电驱动系统作为电动汽车的重要组成部分,包含电机控制器、电机和减速器,是实现电能与机械能相互转化的关键,其工作的可靠性和安全性显得尤为重要。随着功能安全国际标准ISO26262和国家标准GB/T 34590的发布实施,防止由于电驱动系统输出非预期扭矩而导致车辆非预期加减速、非预期行驶或非预期反向行驶等危害是电驱动系统至关重要的安全目标。功能安全标准中将ASIL等级(Automotive Safety Integration Level,汽车安全完整性等级)划分为四个等级,分别为ASILA、ASILB、ASIL C、ASIL D,其中ASILA是最低等级,ASILD是最高等级。ASIL等级决定了整个系统安全性的要求,ASIL等级越高,开发流程越严格,相应的开发成本增加、开发周期延长。
目前,电驱动行业通常从整车层面以动力系统为基础做HARA(Hazard analysisand risk assessment危害分析和风险评估)分析,根据现有电动汽车控制策略得出电机控制器的扭矩安全目标为ASIL C等级或ASIL D等级。那么,电驱动厂商如何在控制开发成本的前提下设计一种电驱动系统输出扭矩安全监控系统及方法,并按照监控系统去开发符合功能安全要求的产品将会是提升企业核心竞争力的关键。
在现有中国专利申请(公开号:CN109130885A)中公开了一种降低电动汽车电机控制器ASIL等级的系统与方法,该专利可在保证整车层面满足相同ASIL等级扭矩功能安全的前提下,降低电机控制器的ASIL等级,使得电机控制器的复杂度和技术难点得到降低、整车成本和项目风险得到有效降低。但是需增加一组电流传感器和旋转变压器及在VCU中增加相应的软硬件设计,在成本要求极为苛刻的行业现状下实现难度非常大。在中国专利申请(授权公告号:CN104590243B)中公开了整车功能安全监控系统,该专利提出一种具有扭矩监控和加速度监控的集中式整车功能安全监控系统,电机控制器作为终端动力源控制器,其ASIL等级得到降解,从而降低了监控系统复杂度和成本。但是该现有技术未对电机控制器ASIL等级降解后如何进行监控系统的设计进行描述。
发明内容
针对上述问题,一方面,本发明公开了一种电驱动系统输出扭矩安全监控系统,所述系统包括:
信号采集模块,用于采集电驱动系统的运行参数;
扭矩估算模块,用于根据信号采集模块采集的电驱动系统运行参数,得到电机实际输出扭矩;
扭矩监控与反馈模块,用于比较扭矩请求指令和电机实际输出扭矩,判断电驱动系统是否输出非预期扭矩,若产生非预期扭矩,向安全状态控制及故障上报模块发送非预期扭矩故障;
安全状态控制及故障上报模块,用于根据扭矩监控与反馈模块输出的非预期扭矩故障控制电驱动系统进入安全状态。
进一步地,所述运行参数包括旋转变压器Sin/Cos信号、三相电流信号、母线电压信号、三相PWM波反馈信号、旋转变压器零位角及电机参数;
所述电机参数包括电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链。
进一步地,所述系统还包括:
信号校验模块,用于对信号采集模块输出的运行参数分别进行校验,在运行参数异常时输出信号校验故障,并将信号校验故障发送给扭矩估算模块和安全状态控制及故障上报模块;
旋变解码模块,根据旋转变压器Sin/Cos信号和旋转变压器零位角计算得到转子位置信号和电机转速信号。
进一步地,所述系统还包括:
CAN报文校验及E2E处理模块,用于对接收到的CAN报文进行E2E校验,生成CAN通讯校验故障,并将CAN通讯校验故障传输至安全状态控制及故障上报模块,并对扭矩监控与反馈模块输出的电机实际输出扭矩和安全状态控制及故障上报模块输出的功能安全故障信号进行E2E处理;
CAN通讯接收与发送模块,用于CAN通讯报文的接收和发送,所述CAN通讯报文包括扭矩请求指令和控制模式指令;
所述安全状态控制及故障上报模块,还用于根据信号校验模块输出的信号校验故障、扭矩监控与反馈模块输出的非预期扭矩故障或CAN报文校验及E2E处理模块输出的CAN通讯校验故障控制电驱动系统进入安全状态,并将各类故障合并为功能安全故障信号发送至CAN报文校验及E2E处理模块。
进一步地,所述E2E处理包括对电机实际输出扭矩和功能安全故障信号进行信号冗余信息计算和增加循环计数器。
进一步地,所述信号采集模块对母线电压进行双路冗余采样,输出母线电压Vbus1信号和母线电压Vbus2信号。
进一步地,所述CAN报文校验及E2E处理模块对接收到的CAN报文进行E2E校验具体包括:信号冗余信息校验、循环计数器校验和Alive校验;校验运行周期设置为与CAN报文周期相等。
进一步地,为所述信号冗余信息校验、循环计数器校验和Alive校验分别设置故障计数器;每校验出现一次故障,故障计数器加Count1;每校验出一次正常,故障计算器减Count2;Count1>Count2且故障计算器最小值为0;
当三个故障计数器中的任意一个故障计数器内数值大于等于故障阈值时,CAN报文校验及E2E处理模块确认出现E2E故障,输出CAN通讯校验故障至安全状态控制及故障上报模块。
进一步地,所述信号校验模块对旋变变压器Sin/Cos信号进行幅值范围校验和合理性校验;所述Sin/Cos信号为差分信号,包括Sin正极信号、Sin负极信号、Cos正极信号和Cos负极信号,Sin信号=Sin正极信号-Sin负极信号,Cos信号=Cos正极信号-Cos负极信号;
所述幅值范围校验包括判断Sin正极信号、Sin负极信号、Cos正极信号或Cos负极信号是否大于旋变幅值上限阈值或小于旋变幅值下限阈值,若判断结果为是,则判断出现Sin/Cos幅值范围故障;
合理性校验包括判断标幺后的Sin信号和Cos信号的平方和是否在旋变变压器合理性阈值之内,若判断结果为否,则判断出现Sin/Cos合理性故障。
进一步地,所述信号校验模块对三相电流信号进行幅值范围校验和合理性校验;
幅值范围校验包括判断三相电路中的任一相电流是否大于相电流上限或小于相电流下限,若判断结果为是,则判断出现三相电流信号幅值范围故障;
合理性校验包括判断三相电流之和的绝对值是否小于电流合理性阈值,若判断结果为是,则判断出现三相电流合理性故障。
进一步地,所述信号校验模块对母线电压信号进行比较校验;
所述比较校验包括:若母线电压Vbus1小于电压阈值,判断母线电压Vbus1减去母线电压Vbus2的绝对值是否超过电压故障阈值1;若母线电压Vbus1大于等于电压阈值,判断母线电压Vbus1减去母线电压Vbus2的绝对值除以Vbus1是否超过电压故障阈值2;若任一判断结果为是,则判断出现母线电压比较校验故障。
进一步地,所述信号校验模块对旋转变压器零位角进行范围校验;
所述范围校验包括判断旋转变压器零位角是否大于零位角上限或小于零位角下限,若判断结果为是,则判断出现旋变零位角范围校验故障。
进一步地,所述旋变解码模块根据旋转变压器Sin/Cos信号进行反正切运算,得到旋变位置角,旋变位置角加上旋转变压器零位角得到转子位置信号;并根据旋变位置角的微分计算得到电机转速信号。
进一步地,所述扭矩估算模块包含功率模型估算单元、电流模型估算单元和扭矩合并单元;
所述电流模型估算单元根据三相电流信号、转子位置信号、电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链,得到估算扭矩1;
所述功率模型估算单元根据母线电压Vbus1、三相PWM波反馈信号、三相电流信号、电机转速信号,得到估算扭矩2;
所述扭矩合并单元根据电机转速判断输出估算扭矩1或估算扭矩2;若电机转速低于转速阈值1输出估算扭矩1,若电机转速高于转速阈值2输出估算扭矩2,转速阈值1和转速阈值2之间做滞环处理;
当所述信号校验模块输出信号校验故障时,扭矩合并单元输出无效扭矩值。
进一步地,所述扭矩监控与反馈模块判断是否进行扭矩请求指令和电机实际输出扭矩的比较校验;若接收来自CAN报文校验及E2E处理模块的控制模式指令为扭矩模式时进行比较检验,其他模式不进行比较检验。
进一步地,所述进行扭矩请求指令和电机实际输出扭矩的比较校验具体包括:
当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向均为正向时,若电机实际输出扭矩与扭矩请求指令的差值大于等于非预期扭矩阈值1,则判定非预期扭矩故障;
当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向均为负向时,若电机实际输出扭矩与扭矩请求指令的差值小于等于负的非预期扭矩阈值1,则判定非预期扭矩故障;
当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向不一致时,若电机实际输出扭矩的绝对值大于等于非预期扭矩阈值2时,则判定非预期扭矩故障。
进一步地,所述安全状态控制及故障上报模块接收到CAN通讯校验故障、信号校验故障或非预期扭矩故障时,控制电驱动系统进入主动短路或关闭状态。
另一方面,本发明还公开了一种电驱动系统输出扭矩安全监控方法,所述方法包括:
采集电驱动系统的运行参数;
根据信号采集模块采集的电驱动系统运行参数,得到电机实际输出扭矩;
比较扭矩请求指令和电机实际输出扭矩,判断电驱动系统是否输出非预期扭矩,若产生非预期扭矩,生成非预期扭矩故障;
根据非预期扭矩故障控制电驱动系统进入安全状态;
所述运行参数包括旋转变压器Sin/Cos信号、三相电流信号、母线电压信号、三相PWM波反馈信号、旋转变压器零位角及电机参数;
所述电机参数包括电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链。
进一步地,所述采集电驱动系统的运行参数之后,所述方法还包括:
对母线电压进行双路冗余采样,获得母线电压Vbus1信号和母线电压Vbus2信号。
进一步地,所述方法还包括:
对运行参数分别进行校验,在运行参数异常时生成信号校验故障;
根据旋转变压器Sin/Cos信号和旋转变压器零位角计算得到转子位置和电机转速;
对接收到的CAN报文进行E2E校验,生成CAN通讯校验故障,并对电机实际输出扭矩和功能安全故障信号进行E2E处理;所述CAN通讯报文包括扭矩请求指令和控制模式指令;
根据信号校验故障、非预期扭矩故障和CAN通讯校验故障控制电驱动系统进入安全状态,并将各类故障合并为功能安全故障信号。
进一步地,所述根据信号采集模块采集的电驱动系统运行参数,得到电机实际输出扭矩具体包括:
根据三相电流信号、转子位置信号、电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链,得到估算扭矩1;
根据母线电压Vbus1、三相PWM波反馈信号、三相电流信号、电机转速信号,得到估算扭矩2;
根据电机转速判断输出估算扭矩1或估算扭矩2;若电机转速低于转速阈值1输出估算扭矩1,若电机转速高于转速阈值2输出估算扭矩2,转速阈值1和转速阈值2之间做滞环处理;
当运行参数异常生成信号校验故障时,输出无效扭矩值
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明提供的一种电驱动系统输出扭矩安全监控系统及方法,包括信号采集、信号校验、旋变解码模块、扭矩估算、扭矩监控与反馈、安全状态控制及故障上报、CAN报文校验及E2E处理及CAN通讯接收与发送模块。通过监控与功能安全相关的电驱动系统运行参数和CAN通讯信号、扭矩估算和非预期的扭矩输出监控和检测到故障后控制系统进入安全状态及上报故障,实现ASIL C等级及更高等级的安全目标开发,成本可控,工程应用价值较好。
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以及附图中所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使用的附图作一简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图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示出了本发明实施例的电驱动系统输出扭矩安全监控系统结构示意图;
图2示出了本发明实施例的信号校验模块内校验种类示意图;
图3示出了本发明实施例的扭矩合并模块输出扭矩时序控制示意图;
图4示出了本发明实施例的扭矩方向说明示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为解决上述问题,图1示出了本发明实施例的电驱动系统输出扭矩安全监控系统结构示意图,其中所述安全监控系统包括:
信号采集模块,采集用于功能安全监控的电驱动系统运行参数,输出旋转变压器Sin/Cos信号、三相电流信号、母线电压信号、三相PWM波反馈信号、旋转变压器零位角及电机参数;并且信号采集模块还对母线电压进行双路冗余采样,输出母线电压Vbus1信号和母线电压Vbus2信号。
信号校验模块,用于对信号采集模块输出的信号分别进行校验,在运行参数异常时输出信号校验故障,并将信号校验故障发送给扭矩估算模块和安全状态控制及故障上报模块。
旋变解码模块,根据旋转变压器Sin/Cos信号和旋转变压器零位角计算得到转子位置信号和电机转速信号。
扭矩估算模块,用于根据信号采集模块采集后输出的电驱动系统运行参数,估算电机实际输出扭矩。
扭矩监控与反馈模块,用于比较来自CAN(控制器局域网络)通讯接收与发送模块的扭矩请求指令和电机实际输出扭矩,判断电驱动系统是否产生非预期的扭矩输出,若产生非预期的扭矩,向安全状态控制及故障上报模块发送非预期扭矩故障,并将电机实际输出扭矩输出至CAN报文校验及E2E处理模块。
CAN报文校验及E2E处理模块,用于对接收到的CAN报文进行E2E(End to End,端对端)校验,对扭矩监控与反馈模块输出的电机实际输出扭矩和安全状态控制及故障上报模块输出的功能安全故障信号进行E2E处理,并将CAN通讯校验故障传输至安全状态控制及故障上报模块。
CAN通讯接收与发送模块,用于CAN通讯报文的接收和发送。CAN通讯接收与发送模块从CAN总线接收的CAN报文包含扭矩请求指令和控制模式指令。
安全状态控制及故障上报模块,用于根据信号校验模块输出的信号校验故障、扭矩监控与反馈模块输出的非预期扭矩故障和CAN报文校验及E2E处理模块输出的CAN通讯校验故障控制电驱动系统进入安全状态,并将各类故障合并为功能安全故障信号发送至CAN报文校验及E2E处理模块。
对于信号采集模块需要说明的是,信号采集模块采集电机控制器中的驱动模块的实际输出开关PWM信号作为三相PWM波反馈信号;而非电机控制算法输出至驱动模块的PWM输入信号。
信号采集模块从电机控制器中的控制芯片的NvM(Non-Volatile Memory,非易失性存储器)读取旋转变压器零位角。
信号采集模块从电驱动系统中控制芯片的NvM(Non-Volatile Memory,非易失性存储器)读取电机参数,电机参数包括电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链。
扭矩请求指令和控制模式指令可以在同一个CAN报文,也可以分布在两个CAN报文。
在本发明的一种实施例中,CAN报文校验及E2E处理模块应对接收的包含扭矩请求指令和控制模式指令的CAN报文进行E2E校验,判断CAN报文是否完整;
其中所述E2E校验包含信号冗余信息校验、循环计数器校验和Alive校验,校验运行周期设置为与CAN报文周期相等,所述信号冗余信息校验优选Checksum校验、循环计数器校验优选Rollingcount校验。
例如包含扭矩请求指令和控制模式指令的同一个CAN报文的通讯周期为10ms,则每10ms进行一次E2E校验,即Checksum、Rollingcount和Alive校验各进行一次;如果扭矩请求指令和控制模式指令在不同的CAN报文,且两个CAN报文的通讯周期不同,则各自按照其报文周期设置E2E校验周期。
Checksum检验包含判断扭矩请求指令和控制模式指令的CAN报文中的Checksum位是否与期望值一致,若不一致则认为出现Checksum故障;Rolling count检验包含判断扭矩请求指令和控制模式指令的CAN报文中的Rolling count位是否与期望值一致,若不一致则认为出现Rollingcount故障;Alive校验包括判断超过时间阈值Time_threshold未收到包含扭矩请求指令和控制模式指令的CAN报文,则认为出现Alive故障。
分别设置Checksum、Rollingcount和Alive故障计数器,每校验出现一次故障,故障计数器加Count1,每校验出一次正常,故障计算器减Count2,Count1>Count2且故障计算器最小值为0,当三个故障计数器的任意一个故障计数器大于等于阈值Count3时,CAN报文校验及E2E处理模块确认出现E2E故障,输出CAN通讯校验故障至安全状态控制及故障上报模块。
所述CAN报文校验及E2E处理模块应对扭矩监控与反馈模块输出的电机实际输出扭矩和安全状态控制及故障上报模块输出的功能安全故障信号进行E2E处理,所述E2E处理包括进行信号冗余信息计算和增加Rollingcount计数器或循环计数器,信号冗余信息计算优选为Checksum运算或CRC8(循环冗余校验计算)计算,CRC8为8bit数据,Rollingcount为4bit数据。
例如:电机实际输出扭矩为Act_Torque,功能安全故障信号为FuSa_Fault,则根据Act_Torque和FuSa_Fault进行CRC8运算,得到CRC_Value;同时定义Rollingcount计数器Rcount,其起始值为0,每10ms加1,0-15循环计数,则CAN报文校验及E2E处理模块发送给CAN通讯接收与发送模块的完整数据格式为Act_Torque、FuSa_Fault、CRC_Value、Rcount。
因此,CAN通讯接收与发送模块应将CAN报文校验及E2E处理模块发送至本模块的完整数据格式发送至CAN总线。
图2示出了本发明实施例的信号校验模块内校验种类示意图,信号校验模块应对旋变变压器Sin/Cos信号进行幅值范围校验和合理性校验;由于旋转变压器输出的Sin/Cos信号为差分信号,即输入信号校验模块的信号为Sin正极信号、Sin负极信号、Cos正极信号和Cos负极信号,Sin信号=Sin正极信号-Sin负极信号,Cos信号=Cos正极信号-Cos负极信号。
幅值范围校验方式为判断Sin正极信号、Sin负极信号、Cos正极信号或Cos负极信号是否大于旋变幅值上限阈值或小于旋变幅值下限阈值,即4个信号各自做两个判断,若8个判断中任意一个判断结果为是,则判断出现Sin/Cos幅值范围故障。
合理性校验为判断标幺后的Sin信号和Cos信号的平方和是否在旋变变压器合理性阈值之内,不在范围内则判断出现Sin/Cos合理性故障。优选的旋变变压器合理性阈值为1±10%。所述标幺为Sin信号和Cos信号同时除于一个参考值,使得Sin信号和Cos信号均在0~1之间。
其次,信号校验模块应对三相电流信号进行幅值范围校验和合理性校验;
幅值范围校验方式为三相电路中的任一相电流是否大于相电流上限或小于相电流下限,若判断结果为是,则判断出现三相电流信号幅值范围故障;
合理性校验为判断三相电流之和的绝对值是否小于电流合理性阈值,优选电流合理性阈值为30A,可根据实际电驱动系统进行标定,若判断结果为是,则判断出现三相电流合理性故障。
然后,信号校验模块还应对母线电压信号进行比较校验,比较校验方式为:若母线电压Vbus1小于电压阈值,判断母线电压Vbus1减去母线电压Vbus2的绝对值是否超过电压故障阈值1;若母线电压Vbus1大于等于电压阈值,判断母线电压Vbus1减去母线电压Vbus2的绝对值除以Vbus1是否超过电压故障阈值2;若任一判断结果为是,则判断出现母线电压比较校验故障。优选电压阈值为100V,电压故障阈值1为10V,电压故障阈值2为10%。
最后,信号校验模块应对旋转变压器零位角进行范围校验,检测旋转变压器零位角是否大于零位角上限或小于零位角下限,若判断结果为是,则判断出现旋变零位角范围校验故障。
在本发明的一种实施例中,所述旋变解码模块,根据旋转变压器Sin/Cos信号通过反正切运算arctan(Sin信号/Cos信号)得到旋变位置角,旋变位置角加上旋转变压器零位角得到转子位置信号;根据旋变位置角的微分计算得到电机转速信号。
图1示出了本发明实施例的电驱动系统输出扭矩安全监控系统结构示意图,其中,扭矩估算模块,包含三个单元,分别为功率模型估算单元、电流模型估算单元和扭矩合并单元。
所述电流模型估算单元利用三相电流信号、转子位置信号、电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链计算得到估算扭矩1;
所述功率模型估算单元利用母线电压Vbus1、三相PWM波反馈信号、三相电流信号、电机转速信号计算得到估算扭矩2;
所述扭矩合并单元根据电机转速判断输出估算扭矩1或估算扭矩2,若电机转速低于转速阈值1输出估算扭矩1,若电机转速高于转速阈值2输出估算扭矩2,转速阈值1和转速阈值2之间做滞环处理,如图3所示。
若信号校验模块检测到任何一种故障,则扭矩合并单元输出无效扭矩值,例如32767。
另外,需要说明的是,扭矩监控与反馈模块要首先判断是否需要开启扭矩请求指令和电机实际输出扭矩的比较校验,若来自CAN报文校验及E2E处理模块的控制模式指令为扭矩模式时开启比较,其他模式不开启。扭矩请求指令来自于整车CAN总线,通过CAN通讯接收与发送模块和CAN报文校验及E2E处理模块后输入扭矩监控与反馈模块。扭矩请求指令代表整车期望电机输出的扭矩;扭矩请求指令与电机实际输出扭矩的比较校验,可以检测出电机实际输出的扭矩是不是与整车所期望的扭矩一致,如果误差超出一定范围则认为出现非预期的扭矩输出,通过安全状态控制及故障上报模块控制电驱动系统进入主动短路或关闭状态。主动短路或关闭状态根据行业经验认为对于整车来说是安全的,因为此时电机输出扭矩很小。
上述扭矩请求指令和电机实际输出扭矩的比较校验具体包括:
(1)当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向均为正向(见图4)时,若电机实际输出扭矩与扭矩请求指令的差值大于等于非预期扭矩阈值1,则判定非预期扭矩故障;
(2)当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向均为负向(见图4)时,若电机实际输出扭矩与扭矩请求指令的差值小于等于负的非预期扭矩阈值1,则判定非预期扭矩故障;
(3)当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向不一致时,若电机实际输出扭矩的绝对值大于等于非预期扭矩阈值2时,则判定非预期扭矩故障。
综上,在安全状态控制及故障上报模块接收到CAN通讯校验故障、Sin/Cos幅值范围故障、Sin/Cos合理性故障、三相电流信号幅值范围故障、三相电流合理性故障、母线电压比较校验故障、旋变零位角范围校验故障或非预期扭矩故障时,控制电驱动系统进入主动短路或关闭状态。
安全状态控制及故障上报模块应汇总CAN通讯E2E校验故障、Sin/Cos幅值范围故障、Sin/Cos合理性故障、三相电流信号幅值范围故障、三相电流合理性故障、母线电压比较校验故障、旋变零位角范围校验故障、非预期扭矩故障,输出功能安全故障信号为FuSa_Fault至CAN报文校验及E2E处理模块。
通过信号校验模块对信号采集模块输出的信号分别进行校验,保证用于扭矩监控与反馈模块计算电机实际输出扭矩的信号输入是符合功能安全要求的;通过CAN报文校验及E2E处理对接收的包含扭矩请求指令和控制模式指令的CAN报文进行E2E校验,保证输入扭矩监控与反馈模块的计算扭矩请求指令和控制模式指令是符合功能安全要求的;根据计算的电机实际输出扭矩和来自CAN总线的扭矩请求指令的比较,当实际输出扭矩与扭矩请求指令的偏差超过非预期扭矩阈值时,控制电驱动系统进入主动短路或关闭状态。避免由于电机实际输出扭矩比扭矩请求指令不一致,而导致车辆出现非预期加减速、非预期行驶或非预期反向行驶等危害事件,实现ASIL C等级及更高等级的安全目标开发。
本发明提供的一种电驱动系统输出扭矩安全监控系统及方法,包括信号采集、信号校验、旋变解码模块、扭矩估算、扭矩监控与反馈、安全状态控制及故障上报、CAN报文校验及E2E处理及CAN通讯接收与发送模块。通过监控与功能安全相关的电驱动系统运行参数和CAN通讯信号、扭矩估算和非预期的扭矩输出监控和检测到故障后控制系统进入安全状态及上报故障,实现ASIL C等级及更高等级的安全目标开发,工程应用价值较好。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (21)
1.一种电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述系统包括:
信号采集模块,用于采集电驱动系统的运行参数;
扭矩估算模块,用于根据信号采集模块采集的电驱动系统运行参数,得到电机实际输出扭矩;
扭矩监控与反馈模块,用于比较扭矩请求指令和电机实际输出扭矩,判断电驱动系统是否输出非预期扭矩,若产生非预期扭矩,向安全状态控制及故障上报模块发送非预期扭矩故障;
安全状态控制及故障上报模块,用于根据扭矩监控与反馈模块输出的非预期扭矩故障控制电驱动系统进入安全状态。
2.根据权利要求1所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述运行参数包括旋转变压器Sin/Cos信号、三相电流信号、母线电压信号、三相PWM波反馈信号、旋转变压器零位角及电机参数;
所述电机参数包括电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链。
3.根据权利要求2所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述系统还包括:
信号校验模块,用于对信号采集模块输出的运行参数分别进行校验,在运行参数异常时输出信号校验故障,并将信号校验故障发送给扭矩估算模块和安全状态控制及故障上报模块;
旋变解码模块,根据旋转变压器Sin/Cos信号和旋转变压器零位角计算得到转子位置信号和电机转速信号。
4.根据权利要求3所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述系统还包括:
CAN报文校验及E2E处理模块,用于对接收到的CAN报文进行E2E校验,生成CAN通讯校验故障,并将CAN通讯校验故障传输至安全状态控制及故障上报模块,并对扭矩监控与反馈模块输出的电机实际输出扭矩和安全状态控制及故障上报模块输出的功能安全故障信号进行E2E处理;
CAN通讯接收与发送模块,用于CAN通讯报文的接收和发送,所述CAN通讯报文包括扭矩请求指令和控制模式指令;
所述安全状态控制及故障上报模块,还用于根据信号校验模块输出的信号校验故障、扭矩监控与反馈模块输出的非预期扭矩故障或CAN报文校验及E2E处理模块输出的CAN通讯校验故障控制电驱动系统进入安全状态,并将各类故障合并为功能安全故障信号发送至CAN报文校验及E2E处理模块。
5.根据权利要求4所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述E2E处理包括对电机实际输出扭矩和功能安全故障信号进行信号冗余信息计算和增加循环计数器。
6.根据权利要求3所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述信号采集模块对母线电压进行双路冗余采样,输出母线电压Vbus1信号和母线电压Vbus2信号。
7.根据权利要求4所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述CAN报文校验及E2E处理模块对接收到的CAN报文进行E2E校验具体包括:信号冗余信息校验、循环计数器校验和Alive校验;校验运行周期设置为与CAN报文周期相等。
8.根据权利要求7所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,为所述信号冗余信息校验、循环计数器校验和Alive校验分别设置故障计数器;每校验出现一次故障,故障计数器加Count1;每校验出一次正常,故障计算器减Count2;Count1>Count2且故障计算器最小值为0;
当三个故障计数器中的任意一个故障计数器内数值大于等于故障阈值时,CAN报文校验及E2E处理模块确认出现E2E故障,输出CAN通讯校验故障至安全状态控制及故障上报模块。
9.根据权利要求2所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述信号校验模块对旋变变压器Sin/Cos信号进行幅值范围校验和合理性校验;所述Sin/Cos信号为差分信号,包括Sin正极信号、Sin负极信号、Cos正极信号和Cos负极信号,Sin信号=Sin正极信号-Sin负极信号,Cos信号=Cos正极信号-Cos负极信号;
所述幅值范围校验包括判断Sin正极信号、Sin负极信号、Cos正极信号或Cos负极信号是否大于旋变幅值上限阈值或小于旋变幅值下限阈值,若判断结果为是,则判断出现Sin/Cos幅值范围故障;
合理性校验包括判断标幺后的Sin信号和Cos信号的平方和是否在旋变变压器合理性阈值之内,若判断结果为否,则判断出现Sin/Cos合理性故障。
10.根据权利要求2所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述信号校验模块对三相电流信号进行幅值范围校验和合理性校验;
幅值范围校验包括判断三相电路中的任一相电流是否大于相电流上限或小于相电流下限,若判断结果为是,则判断出现三相电流信号幅值范围故障;
合理性校验包括判断三相电流之和的绝对值是否小于电流合理性阈值,若判断结果为是,则判断出现三相电流合理性故障。
11.根据权利要求6所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述信号校验模块对母线电压信号进行比较校验;
所述比较校验包括:若母线电压Vbus1小于电压阈值,判断母线电压Vbus1减去母线电压Vbus2的绝对值是否超过电压故障阈值1;若母线电压Vbus1大于等于电压阈值,判断母线电压Vbus1减去母线电压Vbus2的绝对值除以Vbus1是否超过电压故障阈值2;若任一判断结果为是,则判断出现母线电压比较校验故障。
12.根据权利要求2所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述信号校验模块对旋转变压器零位角进行范围校验;
所述范围校验包括判断旋转变压器零位角是否大于零位角上限或小于零位角下限,若判断结果为是,则判断出现旋变零位角范围校验故障。
13.根据权利要求6所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述旋变解码模块根据旋转变压器Sin/Cos信号进行反正切运算,得到旋变位置角,旋变位置角加上旋转变压器零位角得到转子位置信号;并根据旋变位置角的微分计算得到电机转速信号。
14.根据权利要求6所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述扭矩估算模块包含功率模型估算单元、电流模型估算单元和扭矩合并单元;
所述电流模型估算单元根据三相电流信号、转子位置信号、电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链,得到估算扭矩1;
所述功率模型估算单元根据母线电压Vbus1、三相PWM波反馈信号、三相电流信号、电机转速信号,得到估算扭矩2;
所述扭矩合并单元根据电机转速判断输出估算扭矩1或估算扭矩2;若电机转速低于转速阈值1输出估算扭矩1,若电机转速高于转速阈值2输出估算扭矩2,转速阈值1和转速阈值2之间做滞环处理;
当所述信号校验模块输出信号校验故障时,扭矩合并单元输出无效扭矩值。
15.根据权利要求1所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述扭矩监控与反馈模块判断是否进行扭矩请求指令和电机实际输出扭矩的比较校验;若接收来自CAN报文校验及E2E处理模块的控制模式指令为扭矩模式时进行比较检验,其他模式不进行比较检验。
16.根据权利要求15所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述进行扭矩请求指令和电机实际输出扭矩的比较校验具体包括:
当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向均为正向时,若电机实际输出扭矩与扭矩请求指令的差值大于等于非预期扭矩阈值1,则判定非预期扭矩故障;
当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向均为负向时,若电机实际输出扭矩与扭矩请求指令的差值小于等于负的非预期扭矩阈值1,则判定非预期扭矩故障;
当扭矩请求指令的方向和电机实际输出扭矩的方向不一致时,若电机实际输出扭矩的绝对值大于等于非预期扭矩阈值2时,则判定非预期扭矩故障。
17.根据权利要求1-16任一所述的电驱动系统输出扭矩安全监控系统,其特征在于,所述安全状态控制及故障上报模块接收到CAN通讯校验故障、信号校验故障或非预期扭矩故障时,控制电驱动系统进入主动短路或关闭状态。
18.一种电驱动系统输出扭矩安全监控方法,其特征在于,所述方法包括:
采集电驱动系统的运行参数;
根据信号采集模块采集的电驱动系统运行参数,得到电机实际输出扭矩;
比较扭矩请求指令和电机实际输出扭矩,判断电驱动系统是否输出非预期扭矩,若产生非预期扭矩,生成非预期扭矩故障;
根据非预期扭矩故障控制电驱动系统进入安全状态;
所述运行参数包括旋转变压器Sin/Cos信号、三相电流信号、母线电压信号、三相PWM波反馈信号、旋转变压器零位角及电机参数;
所述电机参数包括电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链。
19.根据权利要求18所述的电驱动系统输出扭矩安全监控方法,其特征在于,所述采集电驱动系统的运行参数之后,所述方法还包括:
对母线电压进行双路冗余采样,获得母线电压Vbus1信号和母线电压Vbus2信号。
20.根据权利要求18所述的电驱动系统输出扭矩安全监控方法,其特征在于,所述方法还包括:
对运行参数分别进行校验,在运行参数异常时生成信号校验故障;
根据旋转变压器Sin/Cos信号和旋转变压器零位角计算得到转子位置和电机转速;
对接收到的CAN报文进行E2E校验,生成CAN通讯校验故障,并对电机实际输出扭矩和功能安全故障信号进行E2E处理;所述CAN通讯报文包括扭矩请求指令和控制模式指令;
根据信号校验故障、非预期扭矩故障和CAN通讯校验故障控制电驱动系统进入安全状态,并将各类故障合并为功能安全故障信号。
21.根据权利要求20所述的电驱动系统输出扭矩安全监控方法,其特征在于,所述根据信号采集模块采集的电驱动系统运行参数,得到电机实际输出扭矩具体包括:
根据三相电流信号、转子位置信号、电机极对数、电机dq轴电感的差值和转子磁链,得到估算扭矩1;
根据母线电压Vbus1、三相PWM波反馈信号、三相电流信号、电机转速信号,得到估算扭矩2;
根据电机转速判断输出估算扭矩1或估算扭矩2;若电机转速低于转速阈值1输出估算扭矩1,若电机转速高于转速阈值2输出估算扭矩2,转速阈值1和转速阈值2之间做滞环处理;
当运行参数异常生成信号校验故障时,输出无效扭矩值。
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