电机控制系统安全监控系统的设计与研究

2016-07-04武汉船用电力推进装置研究所武汉430064

船电技术 2016年6期

关键词：芯片电机监控

熊　威，杜　峰（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

电机控制系统安全监控系统的设计与研究

熊威，杜峰
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘要：介绍了电机控制系统安全监控系统的安全监控功能系统架构、软硬件设计及工作过程。

关键词：电机控制系统安全监控系统

0　引言

电机控制系统是电动汽车组成部分。它关乎电动汽车运行的安全性。在ISO26262定义的汽车安全完整性等级下，电动汽车的安全指标主要被分成了四个等级，由低到高即划分为ASILA、ASIL B、ASIL C和ASIL D。在分解整车安全目标功能安全需求的基础上，将每个需求具体与每一个的相关零部件进行对应，从而可以得知为了保证其安全运行，达到ASIL C的安全等级是最低的要求，只有达到这个等级才能满足其功能安全目标。但是从现实的情况来看，很少的产品能够达到这个等级，主要是因为传统的电机控制器依靠的处理器是单个电机控制芯片，因此功能比较低，一般达不到ASIL C等级。为了提高电机控制系统安全监控系统的性能，必须重新制定出一个设计方案，在原有的基础上增加一个安全监控芯片，可以实时地对电机控制芯片进行监控，有效地提升电机控制系统的安全性。

1　安全监控功能系统架构

软件级、硬件级是电机控制系统安全监控功能的两级。

软件级所含有的安全监控功能，主要是通过电机控制芯片的使用，实现对电压、扭矩、电流、模式、速度、功率、温度及通讯的监控。不仅如此，软件的安全监控功能还包括其可以在安全监控芯片中实现的安全监控调用程序。

硬件级的安全监控功能与软件级有很大的不同，它的监控系统架构主要是控制安全监控芯片、控制电机控制芯片。此外它还要承担着监测的功能，即对硬件看门狗模块、直流电压的电压监控模块、电机控制芯片供电电压的电源监控模块、电机相电流的电流监控模块等进行监测。

2　软硬件设计

2.1硬件系统设计

2.1.1电机控制芯片的选型

我国国内生产的电机，所选用的电机控制芯片，一般都是Infineon公司的32位TriCore系列的TC1782高性能微处理器。TC1782这种处理器之所以说它是高性能的处理器，是因为它的功耗以及损耗很小，运算能力强大，存储空间大，数字量模拟量输入输出以及CAN通讯等方面也很不错。就是说，这种处理器具有很高的性价比，十分适合用在要求较高的电机控制系统安全监控系统之中。

2.1.2安全监控芯片的选型

一般情况下，使用的都是Inf ineon CIC61508芯片。CIC61508这种安全监测芯片具有很多明显的优势，比如说它具有很小的封装尺寸，这样就可以很大程度上节省空间。通过检测电机控制芯片的时钟、电源、温度等，来掌握其计算误差，实时监测与掌握电机控制芯片的工作状况。

图1　电机控制系统硬件级安全监控结构图

2.1.3硬件电路设计

电机控制芯片TC1782在使用以及工作的过程中，它的通讯工作的完成主要是通过两组SPI、安全监控芯片CIC61508，还有旋变解码芯片AU6803，这是通讯过程中必不可少部分；然后，电机控制芯片主要是在使用GPIO的基础上对数字量进行接收或发送；在此基础上，通过PWM通道来将六路PWM信号发送给门驱动芯片；此后，在ADC模块的辅助下，对电流、电压、温度等信息进行采样；最后通过CAN模块与总线通讯。在设计硬件电路的过程中不能忽视电源模块、看门狗模块等。图3即为硬件电路原理图。

“提高果品质量，打造过硬品牌，是促进林果产业高质量发展的重要支撑，也是帮助果农增产增收、实现共同富裕的重要保障。”商黎英表示，本次大赛为广大果农搭建了一个相互了解、相互交流、相互学习的平台，希望广大果农能以此为契机，牢固树立科技兴农、品牌兴农的意识，提高果品质量、打造过硬品牌，坚持标准化生产、品质化管理、品牌化运作，依靠科技创新提质增效，瞄准市场需求做精做强，努力打造全国知名的威县特色农产品品牌。

图 2 电机控制系统软件级安全监控结构图

2.2软件设计

2.2.1设计原理

电机的安全监控系统的功能需要电机的两级共同来完成，只有在硬件级、软件级的两级共同的监控下，才能为电机控制系统正常工作提供保证，实现实时监控电机负载以及实现对电机控制芯片的监控。

图3　硬件电路原理图

电机负载监控功能是有其特定的原理的，它主要就是在对电流、电压、温度、位置等信号采样的基础上，通过对硬件监控电路的故障信息的分析与判断，准确地了解与把握电机负载的工作状态。如果发现了异常的情况，此时电机控制系统就会开启工作模式，及时进入到故障并处理相应的程序。电机控制系统中芯片的安全监控功能的实现主要依靠两个方面，首先就是电机控制芯片的自检，其次就是CIC61508安全监控芯片，这种监控功能就是在二者的相互配合与合作中才完成的。

电机控制芯片的运行与自检一般都是在开机上电后开始的，通过自检来对各个模块的配置进行测试，通过测试可以发现一些异常情况，一旦发现异常它就会自动进入到故障处理程序；电机控制芯片在正常运行的过程中，会测试每一个模块的控制任务、配置、以及内存，而且这种测试具有周期性；电机控制芯片在测试之后，就会发给安全监控芯片一些特定性的测试任务，这些任务都是测试过的，通过安全监控芯片的再次测试，得出相应的结果。在此基础上，电机控制芯片会将这个结果与自身运行的结果加以比较，并以此为依据来判断电机控制芯片的工作状态。

2.2.2具体实现

在具体实现的过程中，电机控制芯片通过ADC模块采样传感器提供供电电压，母线电压、母线电流、芯片供电电压、还有逆变器温度、电机温度等信息；然后在GPI接口的辅助下，有效地接收故障信息，这些信息均来自硬件监控电路，主要有电机相电流过流故障、位置传感器故障、电机控制芯片供电电压故障、逆变器过温故障、直流电压过压故障、逆变器饱和故障等；然后在SPI的辅助下，接收安全监控芯片的信息以及电机位置信息。最后，电机控制芯片会在SPI的辅助下，将测试任务发送给安全监控芯片，然后它会将所测试的结果重新反馈给电机控制芯片，后者会将两种结果放在一起进行比对，如果测试结果不一致，那么就说明电机控制芯片没有正常工作，需要进入故障处理程序；如果结果一致，那么就表明它在正常工作。

3　工作过程

图4　安全监控算法流程图

首先，要初始配置电机控制芯片中的各个模块，从而促使每一个模块配置都处于一种正常工作状态。在完成了初始化之后，要对每一个模块初始化的状态进行判断，如果在这些模块之中有初始化失败的，那么就会自动地将模块故障代码报出，从而促使其进入故障模式。

其次，就是进行自检模式，电机控制芯片每一个模块都要自检。如图5所示，通过自检，可以测试看门狗、内存、PWM模块、AD采样模块、IO模块、通信模块等模块。

在测试内存的时候，主要测试的就是RAM、ROM、Flash。在正常的检测流程中，可以清楚地了解与掌握内存有没有处于正常的状态，ROM中软件有没有发生变化，数据的读取是否处于正常的状态。

对IO模块的测试，检查它的状态是否正常，此外还要检查它是否有正确的控制单元配置。

图5　自检算法流程图

测试AD采样模块，检查它是否正常工作，了解其采样频率，检查其通道选择以及控制单元设置。

通过对通信模块的检测，可以了解CAN通信、SPI通信的工作状况，掌握其模块配置、波特率设置，检查通信情况，以及安全监控芯片的工作状态。

测试PWM模块，检查它是否正常工作，时钟设置有没有偏差，输出通道配置有没有错误。

看门狗是最后要测试的环节，通过检查可以了解看门狗模块的工作情况，了解其定时、配置。

通过上述的众多测试，可以充分了解系统中的每一个环节、每一个细节的工作状态，如果正常通过了每一项测试，就表示每个模块都在正常的工作；如果在测试时，出现了异常的情况，有一部分没有通过测试，那么接下来就要把所有没有通过的模块产生的错误代码记录下来，然后在故障模式中发送错误的代码。只有真正地通过了所有的测试，才能保证系统安全、正常运行。

再次，就是系统周期控制任务。完成电机控制系统中的所有的工作都是在这个环节。电机控制系统安全监控系统中对温度、电流、看门狗、供电电源、电压、速度等等的监控都是在这个环节实现的。一旦这个系统发生了故障，就会影响整个系统的运行。在出现故障之后，它就会报出故障代码，整个系统就会进入故障模式；如果系统没有出现故障，那么就会正常进入下一步。

图6　周期测试算法流程图

最后，就是系统周期测试任务，这个任务在图6中有完全的展示。电机控制芯片、安全监控芯片在周期测试任务中有很重要的作用。一旦开始了周期测试任务，首先就要检测电机控制芯片中模块的配置，通过细致地检测，来掌握所有模块的配置状态，查看每一个模块的配置是否处于完整的状态，有没有发生变化。然后就会发送特定的测试任务给安全监控芯片。它收到任务后，就会在已有的算法上将结果计算出来，并进行反馈，这个环节的测试任务没有硬性的要求，完全可以根据实际情况以及实际需要来安排。