WO2013029384A1 - 一种分层多核结构的电机控制器及其控制方法 - Google Patents

一种分层多核结构的电机控制器及其控制方法 Download PDF

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兰江
黄光盛
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/08—Arrangements for controlling the speed or torque of a single motor

Definitions

  • the invention relates to a motor controller and a control method thereof.
  • the function of the motor controller is quite complicated, and because the motor runs at a high speed, the operating conditions are complex and variable, and the real-time control of the motor is high. If a function has a loophole, It will cause the system to crash, but the motor will not respond to the control, but the "speed" will be out of control. Therefore, reliability and safety are further improved.
  • Each circuit module is closely related and relatively independent in function, and in an extreme case, does not cause a system crash. High reliability and safety, in line with the "safety first" design of the automotive industry Then.
  • the motor controller of the layered multi-core structure of the present invention is realized by the following technical solution: a motor controller of a layered multi-core structure, including a power inverter unit for driving a motor, and an application interface function module The motor control function module and the drive function protection module, wherein: the application interface function module communicates with the external control system, transmits the controller status information to the external control system, accepts the control signal of the external control system; and sends control to the motor control function module.
  • the motor control function module communicates with the application interface function module, receives the application interface function module to send a control command, detects the motor state, completes the motor control calculation and sends a transmission control pulse to the drive function protection module; the drive function protection module receives the motor
  • the control pulse sent by the control function module is sent to the power inverter unit after the control pulse is processed, and the drive function protection module detects the inverter running state and controls the power inverter unit.
  • the motor state detection described above includes motor rotor position detection, motor temperature detection, and current detection of the motor coil winding, which is implemented by the motor state detecting unit.
  • the driving function protection module described above is an FPGA circuit module.
  • the motor control function module and the application interface function module described above are control circuits with a microprocessor as the core.
  • the motor control function module described above is a control circuit with a single-chip MCU or a DSP processor as a core.
  • the application interface function module described above is a control circuit with a single-chip MCU or a DSP processor as a core.
  • the FPGA circuit module described above logically filters the control pulse sent by the motor control function module, and sends it to the power inverter unit, and the FPGA circuit module detects the running state of the power inverter unit. When an inverter fault or other fault occurs, Block the control pulse.
  • the motor controller of the present invention has the following advantages: 1)
  • the multi-core architecture motor controller proposed in this patent defines each core circuit module according to functions, and each circuit module is closely related and relatively independent in function. In extreme cases, it will not cause system crash, high reliability, strong security, and meet the "safety first" design principle of the automotive industry; 2) Application interface function module for user control system, according to user requirements or user control communication protocol Programming and program upgrades, when the program exists
  • the system has strong application upgrade ability, good flexibility and high reliability.
  • the motor control function module completes the core and most complicated motor control algorithm. Due to its functional focus, strong computing power, good real-time control, and most effective circuit performance. At the same time, because it is not user-oriented, it will not cause the motor control strategy error due to the wrong command of the user layer, and of course has good security; 4)
  • the real-time monitoring of the drive protection function module operates the power inverter unit, Participate in the calculation of the motor strategy, without interference from other factors. When an inverter fault occurs, it is quickly and actively protected to ensure that the fault does not cause failure of the high-power component IGBT in the inverter.
  • the drive function protection module is the FPGA circuit module, motor control
  • the function module is a control circuit with MCU or DSP processor as the core.
  • the application interface function module is a control circuit with MCU or DSP processor as the core.
  • Each layer is based on a smart chip such as a microprocessor or FPGA. Function module, can be programmed independently, flexible and convenient
  • Another object of the present invention is to provide a control method for a motor controller, which divides the motor controller from the inside to the outside and from the bottom to the top into a separate three-layer system, which is a drive layer system, a control layer system, and an application layer system.
  • a control layer system which divides the motor controller from the inside to the outside and from the bottom to the top into a separate three-layer system, which is a drive layer system, a control layer system, and an application layer system.
  • Each layer of the system is closely connected and relatively independent in function. In extreme cases, it will not cause system collapse, high reliability and security, practical and flexible.
  • the drive layer system, the control layer system and the application layer system are all intelligent systems that are independently programmed.
  • the driving layer system is based on an FPGA circuit module and a control program thereof;
  • the control layer system is based on a single-chip MCU or a DSP processor and a control program is prepared;
  • the application layer system is based on a single-chip MCU or a DSP processor; And the control procedures it has developed.
  • the control method of the present invention has the following advantages: the invention is different from the integration mode of the existing motor controller, and is also different from the existing motor controller, although the functions are divided, but the smart module is the core independent module.
  • Control mode the invention divides the motor controller from the inside to the outside and from the bottom to the top into a separate three-layer system, which is a driving layer system, a control layer system and an application layer system, wherein: the driving layer system is driven by the driving function protection module.
  • the control layer system is realized by the motor control function module, and the motor control algorithm is completed;
  • the application layer system is provided by the application interface function module Implementation, user-oriented control system, and communication with the user control system.
  • Each layer of the system is closely connected and relatively independent in function. In extreme cases, it does not cause system collapse, high reliability, high security, and can be programmed independently, flexible and convenient.
  • Figure 1 is a block diagram of a motor controller circuit of the present invention
  • Figure 2 is a block diagram of a first embodiment corresponding to Figure 1;
  • Figure 3 is a block diagram corresponding to the second embodiment of Figure 1;
  • Figure 4 is a block diagram showing a third embodiment corresponding to Figure 1;
  • Fig. 5 is a schematic block diagram showing a control method of the motor controller of the present invention.
  • a motor controller of a layered multi-core structure includes a power inverter unit for driving a motor, and an application interface thereof
  • the function module, the motor control function module and the drive function protection module wherein: the application interface function module communicates with the external control system, transmits the controller status information to the external control system, accepts the control signal of the external control system, and sends the control signal to the motor control function module Sending a control command; the motor control function module communicates with the application interface function module, receives the application interface function module to send a control command, detects the motor state, completes the motor control operation, and transmits a transmission control pulse to the drive function protection module; the drive function protection module Receiving a control pulse sent by the motor control function module, and transmitting the control pulse to the power inverter unit, the drive function protection module detects the inverter running state and controls the power inverter unit, and the motor state is checked.
  • the measurement includes motor rotor position detection, motor temperature detection and current detection of the motor coil winding, which is realized by the motor state detecting unit.
  • the driving function protection module is an FPGA circuit module, and the motor control function module and the application interface function module are microprocessors.
  • the core control circuit is an FPGA circuit module, and the motor control function module and the application interface function module are microprocessors.
  • the driving function protection module is an FPGA circuit module, that is, a field programmable gate array module, a motor control function module, and an application interface function module are single-chip MCUs; as shown in FIG. 3, the driving function protection module is an FPGA.
  • the circuit module, the application interface function module is the control circuit with the MCU as the core, and the motor control function module takes the DSP processor as the core control circuit; as shown in Fig. 4, the drive function protection module is the FPGA circuit module, the application interface function module The control circuit is based on the DSP processor, and the motor control function module takes the DSP processor as the core control circuit.
  • the MCU of the function module communicates with the external control system, and transmits the controller status information to the external control system, and according to the control signals of the external control system (such as positive, reverse, torque reference, speed reference, etc.) to the motor control function
  • the MCU of the module sends a control command;
  • the MCU of the motor control function module receives the control command of the MCU of the application interface function module, and detects the motor state (such as motor rotor position, motor temperature, motor coil current, etc.), completes the core
  • the most complicated motor control algorithm sends a control pulse (such as SPWM signal) to the FPGA circuit module of the drive function protection module.
  • the MCU of the motor control function module transmits the current motor operation information to the MCU of the application interface function module.
  • the FPGA circuit module receives the control pulse sent by the MCU of the MCU of the motor control function module, and sends it to the power inverter unit through the reset filter (such as dead time lock), and drives the motor to run.
  • Circuit module detection power Varying unit operating state when there is an inverter or other failure, block pulses each functional module microprocessor or a field programmable gate array (FPGA) as a core, to form a multi-core architecture.
  • a control method of a motor controller with a layered multi-core structure divides the motor controller from the inside to the outside and from the bottom to the top into a separate three-layer system, which is respectively a driving layer system and control Layer system and application layer system, wherein:
  • the driver layer system is realized by the drive function protection module, real-time monitoring of the operation of the power inverter unit, when the power inverter unit generates an inverter fault, and quickly and actively protects;
  • the control layer system is controlled by the motor
  • the module is implemented to complete the motor control algorithm;
  • the application layer system is implemented by the application interface function module, facing the user control system, and communicating with the user control system, and the driver layer system, the control layer system and the application layer system all have independent writing control programs.
  • the driver layer system is based on the FPGA circuit module and the control program is programmed; the control layer system is based on the MCU or the DSP processor and the control program is prepared; the application layer system is based on the MCU or the DSP processor and The control program is compiled.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Electric Motors In General (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

提供了一种分层多核结构的电机控制器及其控制方法。该电机控制器包括驱动电机运转的功率逆变单元、应用接口功能模块、电机控制功能模块和驱动功能保护模块。应用接口功能模块向外部控制系统传送控制器状态信息，接受外部控制系统的控制信号，并向电机控制功能模块发送控制命令；电机控制功能模块接收应用接口功能模块发送的控制命令，对电机状态进行检测，完成电机控制运算并向驱动功能保护模块发送控制脉冲；驱动功能保护模块接收控制脉冲，并对控制脉冲处理后发送至功率逆变单元，驱动功能保护模块检测逆变器运行状态并控制功率逆变单元。将电机控制器由内至外、自下而上分成独立的三层系统，分别为驱动层系统、控制层系统和应用层系统，每个电路模块联系紧密，功能上相对独立。该控制器具有可靠性高和安全性强的优点。

Description

一种分层多核结构的电机控制器及其控制方法 技术领域 ：
本发明涉一种电机控制器及其控制方法。
背景技术 ：
随着全球性能源危机的加剧， 节能减排， 摆脱对石油的依赖成为全球科技 热点， 也成为一个国家的战略需要。 于是区别于传统燃油汽车的新能源汽车技 术得到了长足发展， 并巳开始在全球范围内应用。
新能源汽车多数釆用电动机作为动力。 整个动力系统运行是否可靠， 操控 是否优良， 取决了电机控制器。 一个完整的新能源汽车电机控制器， 需要完成 以下功能：
• 电机状态检测及其控制；
• 逆变器驱动信号给定及其故障检测、 保护；
• 接收来自于整车控制器的运行控制命令给定；
• 向仪表盘 （或上位机） 发送电机系统运行状态信息，与机械变速箱通 信， 配合完成自动换档；
如上可看到， 电机控制器的功能相当复杂， 且由于在新能源汽车上， 电机 运行速度高， 运行工况复杂多变， 对电机的控制实时性要求高， 若某项功能存 在漏洞， 将会引起系统崩溃， 轻则电机不响应控制， 重则失控 "飞车"。 因此， 可靠性和安全性有进一步提高。
发明内容 ：
本发明的目的是提供一种分层多核结构的电机控制器它按功能定义各核 心电路模块， 每个电路模块既联系紧密， 功能上却相对独立， 在极端情况下， 不会引起系统崩溃， 可靠性高和安全性强， 符合汽车业 "安全至上" 的设计原 则。
本发明的分层多核结构的电机控制器是通过下述技术方案予以实现的： 一种分层多核结构的电机控制器， 包括驱动电机运转的功率逆变单元， 另 外它还包括应用接口功能模块、电机控制功能模块和驱动功能保护模块,其中： 应用接口功能模块与外部控制系统进行通信，向外部控制系统传送控制器状态 信息， 接受外部控制系统的控制信号； 并向电机控制功能模块发送控制命令； 电机控制功能模块与应用接口功能模块进行通信，接收应用接口功能模块发送 控制命令， 对电机状态进行检测， 完成电机控制运算并向驱动功能保护模块发 送传控制脉冲； 驱动功能保护模块接收电机控制功能模块发送的控制脉冲， 并 对控制脉冲处理后发送至功率逆变单元，驱动功能保护模块检测逆变器运行状 态并控制功率逆变单元。
上述所述的电机状态进行检测包括电机转子位置检测、 电机温度检测和 电机线圈绕组的电流检测， 由电机状态检测单元来实现。
上述所述的驱动功能保护模块是 FPGA电路模块。
上述所述的电机控制功能模块、应用接口功能模块是以微处理器为核心的 控制电路。
上述所述的电机控制功能模块是以单片机 MCU或者 DSP处理器为核心的控 制电路。
上述所述的应用接口功能模块是以单片机 MCU或者 DSP处理器为核心的控 制电路。
上述所述的 FPGA电路模块将电机控制功能模块发送的控制脉冲进行逻辑 过滤后， 发送至功率逆变单元， FPGA电路模块检测功率逆变单元的运行状态， 当出现逆变故障或其它故障时， 封锁控制脉冲。 本发明的电机控制器与现有技术相比具有如下优点： 1 )本专利提出的多核 架构电机控制器， 按功能定义各核心电路模块， 每个电路模块既联系紧密， 功 能上却相对独立， 在极端情况下， 不会引起系统崩溃， 可靠性高， 安全性强， 符合汽车业 "安全至上" 的设计原则； 2 ) 应用接口功能模块面向用户控制系 统， 可根据用户需求或用户控制通信协议编制程序及程序升级， 当程序中存在
BUG , 或出现故障， 只会影响应用层， 不会造成电机控制错误。 使得系统应用 升级能力强， 灵活性好， 可靠性高； 3 ) 电机控制功能模块完成最核心， 最复 杂的电机控制算法， 由于功能专注， 运算能力强， 实时控制性好， 最有效发挥 电路效能， 同时， 因其不面向用户， 不会因用户层的错误命令造成电机控制策 略的错误， 理所当然拥有了很好的安全性； 4 ) 驱动保护功能模块的实时监控 功率逆变单元的运行， 不参与电机策略计算， 不受其它因素干扰， 当发生逆变 故障，迅速主动保护，确保故障不引起逆变器内大功率元器件 IGBT的失效； 5 ) 驱动功能保护模块是 FPGA电路模块， 电机控制功能模块是以单片机 MCU或者 DSP处理器为核心的控制电路， 应用接口功能模块是以单片机 MCU或者 DSP处 理器为核心的控制电路， 各层以微处理器或 FPGA等智能芯片为核心， 形成独 立功能模块， 可以独立编程， 灵活方便。
本发明的另一个目的是提供一种电机控制器的控制方法，将电机控制器由 内至外、 自下而上分成独立的三层系统， 分别为驱动层系统、 控制层系统和应 用层系统， 每层系统既联系紧密， 功能上却相对独立， 在极端情况下， 不会引 起系统崩溃， 可靠性高和安全性强， 实用灵活方便。
本发明的控制方法是通过下述技术方案予以实现的：
一种对应权利要求 1所述的分层多核结构的电机控制器的控制方法，其特 征在于： 将电机控制器由内至外、 自下而上分成独立的三层系统， 分别为驱动 层系统、 控制层系统和应用层系统， 其中： 驱动层系统由驱动功能保护模块来 实现， 实时监控功率逆变单元的运行， 当功率逆变单元发生逆变故障， 迅速主 动保护； 控制层系统由电机控制功能模块来实现， 完成电机控制算法； 应用 层系统由应用接口功能模块来实现， 面向用户控制系统， 与用户控制系统进行 对接通信。
所述的驱动层系统、 控制层系统和应用层系统都是独立编程的智能系统。 所述的驱动层系统以 FPGA电路模块为基础以及其编制的控制程序； 控制 层系统以单片机 MCU或者 DSP处理器为基础及其编制的控制程序；应用层系统 以单片机 MCU或者 DSP处理器为基础及其编制的控制程序。
本发明的控制方法与现有技术相比具有如下优点：本发明区别于现有电机 控制器的集成方式， 也区别于现有电机控制器虽然功能有划分， 但无智能芯片 为核心的独立模块控制方式， 本发明将电机控制器由内至外、 自下而上分成独 立的三层系统， 分别为驱动层系统、 控制层系统和应用层系统， 其中： 驱动层 系统由驱动功能保护模块来实现， 实时监控功率逆变单元的运行， 当功率逆变 单元发生逆变故障， 迅速主动保护； 控制层系统由电机控制功能模块来实现， 完成电机控制算法； 应用层系统由应用接口功能模块来实现， 面向用户控制 系统， 与用户控制系统进行对接通信。 每层系统既联系紧密， 功能上却相对独 立， 在极端情况下， 不会引起系统崩溃， 可靠性高， 安全性强， 且可独立编写 程序， 灵活方便。
附图说明：
图 1是本发明的电机控制器电路方框图；
图 2是对应图 1的第一种具体实施方框图；
图 3是对应图 1的第二种具体实施方框图； 图 4是对应图 1的第三种具体实施方框图；
图 5是本发明的电机控制器的控制方法的原理方框图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述： 如图 1所示， 一种分层多核结构的电机控制器，包括驱动电机运转的功率 逆变单元， 另外它还包括应用接口功能模块、 电机控制功能模块和驱动功能保 护模块， 其中： 应用接口功能模块与外部控制系统进行通信， 向外部控制系统 传送控制器状态信息， 接受外部控制系统的控制信号， 并向电机控制功能模块 发送控制命令； 电机控制功能模块与应用接口功能模块进行通信， 接收应用接 口功能模块发送控制命令， 对电机状态进行检测， 完成电机控制运算并向驱动 功能保护模块发送传控制脉冲；驱动功能保护模块接收电机控制功能模块发送 的控制脉冲， 并对控制脉冲处理后发送至功率逆变单元， 驱动功能保护模块检 测逆变器运行状态并控制功率逆变单元，所述的电机状态进行检测包括电机转 子位置检测、 电机温度检测和电机线圈绕组的电流检测， 由电机状态检测单元 来实现， 驱动功能保护模块是 FPGA电路模块， 电机控制功能模块、 应用接口 功能模块是以微处理器为核心的控制电路。
如图 2所示， 驱动功能保护模块是 FPGA电路模块， 即现场可编程门阵列 模块， 电机控制功能模块、 应用接口功能模块是单片机 MCU; 如图 3所示， 图 中驱动功能保护模块是 FPGA电路模块， 应用接口功能模块是以单片机 MCU为 核心的控制电路， 电机控制功能模块以 DSP处理器为核心的控制电路； 如图 4 所示， 驱动功能保护模块是 FPGA电路模块， 应用接口功能模块是以 DSP处理 器为核心的控制电路， 电机控制功能模块以 DSP处理器为核心的控制电路。
下面结合图 1和图 2详细说明本发明的电机控制器的工作原理： 应用接口 功能模块的单片机 MCU与外部控制系统进行通信，向外部控制系统传送控制器 状态信息， 并根据外部控制系统的控制信号 （如正、 反转， 力矩给定， 转速给 定等〕向电机控制功能模块的单片机 MCU发送控制命令； 电机控制功能模块的 单片机 MCU接收应用接口功能模块的单片机 MCU的控制命令， 对电机状态（如 电机转子位置， 电机温度， 电机线圈电流等）进行检测， 完成最核心， 最复杂 的电机控制算法，给驱动功能保护模块的 FPGA电路模块发传控制脉冲（如 SPWM 信号）， 电机控制功能模块的单片机 MCU将当前电机运行信息通过应用接口功 能模块的单片机 MCU向外传送； FPGA 电路模块接收电机控制功能模块的单片 机 MCU发送的控制脉冲，通过其已设置好的遷辑过滤（如死区时间锁定等）后， 发送至功率逆变单元， 驱动电机运行。 同时， FPGA 电路模块检测功率逆变单 元运行状态， 当出现逆变或其它故障时， 封锁脉冲。 上述各功能模块以微处理 器或现场可编程门阵列 FPGA作为核心， 形成一种多核的架构。
如图 1、 图 5所示， 一种分层多核结构的电机控制器的控制方法， 将电机 控制器由内至外、 自下而上分成独立的三层系统， 分别为驱动层系统、 控制层 系统和应用层系统， 其中： 驱动层系统由驱动功能保护模块来实现， 实时监控 功率逆变单元的运行， 当功率逆变单元发生逆变故障， 迅速主动保护； 控制层 系统由电机控制功能模块来实现， 完成电机控制算法； 应用层系统由应用接 口功能模块来实现， 面向用户控制系统， 与用户控制系统进行对接通信， 驱动 层系统、 控制层系统和应用层系统都具有独立编写控制程序， 驱动层系统以 FPGA电路模块为基础以及其编制的控制程序； 控制层系统以单片机 MCU或者 DSP处理器为基础及其编制的控制程序； 应用层系统以单片机 MCU或者 DSP处 理器为基础及其编制的控制程序。

Claims

权利要求
1、 一种分层多核结构的电机控制器， 包括驱动电机运转的功率逆变单元， 其特征在于它还包括应用接口功能模块、电机控制功能模块和驱动功能保护模 块， 其中：
应用接口功能模块与外部控制系统进行通信，向外部控制系统传送控制器 状态信息，接受外部控制系统的控制信号， 并向电机控制功能模块发送控制命 令；
电机控制功能模块与应用接口功能模块进行通信，接收应用接口功能模块 发送控制命令， 对电机状态进行检测， 完成电机控制运算并向驱动功能保护模 块发送传控制脉冲；
驱动功能保护模块接收电机控制功能模块发送的控制脉冲，并对控制脉冲 处理后发送至功率逆变单元，驱动功能保护模块检测逆变器运行状态并控制功 率逆变单元。
2、根据权利要求 1所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于： 所述的电机状态进行检测包括电机转子位置检测、电机温度检测和电机线圈绕 组的电流检测， 由电机状态检测单元来实现。
3、 根据权利要求 1或 2所述的一种分层多核结构的电机控制器， 其特征 在于： 驱动功能保护模块是 FPGA电路模块。
4、根据权利要求 3所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于： 电机控制功能模块、 应用接口功能模块是以微处理器为核心的控制电路。
5、根据权利要求 4所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于: 电机控制功能模块是以单片机 MCU或者 DSP处理器为核心的控制电路。
6、根据权利要求 4所述的一种分层多核结构的电机控制器，其特征在于： 应用接口功能模块是以单片机 MCU或者 DSP处理器为核心的控制电路。
7、根据权利要求 3所述的一种分层多核结构的电机控制器， 其特征在于： FPGA电路模块将电机控制功能模块发送的控制脉冲进行逻辑过滤后， 发送至 功率逆变单元， FPGA电路模块检测功率逆变单元的运行状态， 当出现逆变故 障或其它故障时， 封锁控制脉冲。
8、 一种对应杈利要求 1所述的分层多核结构的电机控制器的控制方法， 其特征在于： 将电机控制器由内至外、 自下而上分成独立的三层系统， 分别为 驱动层系统、 控制层系统和应用层系统， 其中： 驱动层系统由驱动功能保护模 块来实现， 实时监控功率逆变单元的运行， 当功率逆变单元发生逆变故障， 迅 速主动保护；控制层系统由电机控制功能模块来实现，完成电机控制算法； 应 用层系统由应用接口功能模块来实现， 面向用户控制系统， 与用户控制系统进 行对接通信。
9、 根据权利要求 8所述的电机控制器的控制方法， 其特征在于： 驱动层 系统、 控制层系统和应用层系统都是独立编程的智能系统。
10、 根据权利要求 9所述的电机控制器的控制方法， 其特征在于： 驱动层 系统以 FPGA电路模块为基础以及其编制的控制程序；控制层系统以单片机 MCU 或者 DSP处理器为基础及其编制的控制程序； 应用层系统以单片机 MCU或者 DSP处理器为基础及其编制的控制程序。
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