電動(dòng)汽車(chē)電機控制系統安全監控功能的設計與實(shí)現

　　1 引言

　　電機控制系統是電動(dòng)汽車(chē)的重要組成部分。電機控制系統的可靠性對電動(dòng)汽車(chē)的安全尤為重要。ISO26262定義的汽車(chē)安全完整性等級，把整車(chē)的安全目標由低到高劃分為ASIL A、ASIL B、ASIL C和ASIL D四個(gè)等級。根據整車(chē)安全目標分解的功能安全需求并對應到相關(guān)零部件，可知電機控制系統相關(guān)的功能安全需求至少要滿(mǎn)足ASIL C的安全等級，才能符合整車(chē)的功能安全目標。然而傳統電機控制器是由單個(gè)電機控制芯片做處理器，往往很難達到ASIL C。故本文給出了一種純電動(dòng)汽車(chē)電機控制系統安全監控的設計方案，通過(guò)增加一個(gè)安全監控芯片CIC61508 來(lái)對電機控制芯片進(jìn)行監控，提升了系統的安全等級，使其達到ASIL C的標準，從而滿(mǎn)足汽車(chē)安全方面日益增長(cháng)的要求。

　　2 安全監控功能系統架構

　　本文所述的純電動(dòng)汽車(chē)電機控制系統安全監控功能分為兩級——硬件級和軟件級。

　　硬件級的安全監控功能系統架構包括控制電機運行的電機控制芯片、安全監控芯片、監測電機控制芯片供電電壓的電源監控模塊、監測直流電壓的電壓監控模塊、監測電機相電流的電流監控模塊、監測逆變器溫度的溫度監控模塊以及硬件看門(mén)狗模塊等。

　　軟件級的安全監控功能包括在電機控制芯片中實(shí)現的電壓監控、電流監控、溫度監控、速度監控、扭矩監控、功率監控、模式監控、通訊監控以及在安全監控芯片中實(shí)現的安全監控調用程序。

　　3 軟硬件設計

　　3.1 硬件系統設計

　　3.1.1 電機控制芯片的選型

　　電機控制芯片選擇的是Infineon公司的32位TriCore系列的TC1782高性能微處理器。TC1782在功耗、運算能力、存儲空間、數字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面均有良好的表現，并具有較高的性?xún)r(jià)比，非常適用于電動(dòng)汽車(chē)電機控制系統。

　　3.1.2 安全監控芯片的選型

　　安全監控芯片采用Infineon CIC61508芯片。CIC61508安全監測芯片封裝尺寸很小，使用起來(lái)節省空間，是安全應用領(lǐng)域的高性?xún)r(jià)比之選。安全監測電路通過(guò)檢測電機控制芯片的時(shí)鐘、電源和與溫度相關(guān)的計算誤差等常見(jiàn)故障模式來(lái)監測電機控制芯片的工作狀況。

　　3.1.3 硬件電路設計

　　電機控制芯片TC1782分別通過(guò)兩組SPI與安全監控芯片CIC61508以及旋變解碼芯片AU6803進(jìn)行通訊;通過(guò)GPIO接收或發(fā)送數字量;通過(guò)PWM通道發(fā)送六路PWM信號給門(mén)驅動(dòng)芯片;通過(guò)ADC模塊采樣電流、電壓、溫度等信息;通過(guò)CAN模塊與總線(xiàn)通訊。該硬件電路還包括電源模塊與看門(mén)狗模塊等。硬件電路原理圖如圖3所示。

　　3.2 軟件設計

　　3.2.1 設計原理

　　本文提出的安全監控功能，通過(guò)硬件級與軟件級的兩級監控來(lái)確保電機控制系統正常工作，包括對電機負載的監控以及對電機控制芯片的監控。

　　對電機負載監控功能的原理是通過(guò)采樣的電流、電壓、溫度、位置等信號以及來(lái)自于硬件監控電路的故障信息來(lái)判斷電機負載是否工作在正常狀態(tài)，一旦檢測出異常，電機控制系統即進(jìn)入到故障處理程序。

　　對于電機控制芯片的安全監控功能是以電機控制芯片的自檢和CIC61508安全監控芯片共同完成的。電機控制芯片會(huì )在開(kāi)機上電后自檢，測試各個(gè)模塊的配置是否正常，若異常則進(jìn)入到故障處理程序;在程序正常運行過(guò)程中電機控制芯片會(huì )周期性對各個(gè)模塊的配置、內存及控制任務(wù)進(jìn)行測試，同時(shí)，電機控制芯片會(huì )把特定的測試任務(wù)發(fā)給CIC61508安全監控芯片測試，并將測試結果反饋給電機控制芯片。電機控制芯片將自身運行的結果與反饋結果進(jìn)行比較，以此來(lái)判斷電機控制芯片的工作是否正常。

　　3.2.2 具體實(shí)現

　　電機控制芯片通過(guò)ADC模塊采樣傳感器供電電壓，芯片供電電壓，母線(xiàn)電流，母線(xiàn)電壓，A、C相的相電流，電機溫度，逆變器溫度等信號;通過(guò)GPI接口接收來(lái)自硬件監控電路的故障信息，主要有電機控制芯片供電電壓故障、直流電壓過(guò)壓故障、電機相電流過(guò)流故障、逆變器過(guò)溫故障、逆變器飽和故障、位置傳感器故障等;通過(guò)SPI接收電機位置信息與安全監控芯片的信息。電機控制芯片通過(guò)SPI發(fā)送測試任務(wù)給安全監控芯片，安全監控芯片將測試結果反饋給電機控制芯片用于比對，若測試結果一致，則證明電機控制芯片工作正常，否則進(jìn)入故障處理程序。

　　4 工作過(guò)程

　　電機控制系統安全監控算法主流程圖如圖4所示，當控制器開(kāi)機后：