電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究

熊　威，杜　峰（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設計與研究

熊威，杜峰
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：介紹了電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的安全監(jiān)控功能系統(tǒng)架構、軟硬件設計及工作過程。

關鍵詞：電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)

0　引言

電機控制系統(tǒng)是電動汽車組成部分。它關乎電動汽車運行的安全性。在ISO26262定義的汽車安全完整性等級下，電動汽車的安全指標主要被分成了四個等級，由低到高即劃分為ASILA、ASIL B、ASIL C和ASIL D。在分解整車安全目標功能安全需求的基礎上，將每個需求具體與每一個的相關零部件進行對應，從而可以得知為了保證其安全運行，達到ASIL C的安全等級是最低的要求，只有達到這個等級才能滿足其功能安全目標。但是從現(xiàn)實的情況來看，很少的產(chǎn)品能夠達到這個等級，主要是因為傳統(tǒng)的電機控制器依靠的處理器是單個電機控制芯片，因此功能比較低，一般達不到ASIL C等級。為了提高電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的性能，必須重新制定出一個設計方案，在原有的基礎上增加一個安全監(jiān)控芯片，可以實時地對電機控制芯片進行監(jiān)控，有效地提升電機控制系統(tǒng)的安全性。

1　安全監(jiān)控功能系統(tǒng)架構

軟件級、硬件級是電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控功能的兩級。

軟件級所含有的安全監(jiān)控功能，主要是通過電機控制芯片的使用，實現(xiàn)對電壓、扭矩、電流、模式、速度、功率、溫度及通訊的監(jiān)控。不僅如此，軟件的安全監(jiān)控功能還包括其可以在安全監(jiān)控芯片中實現(xiàn)的安全監(jiān)控調(diào)用程序。

硬件級的安全監(jiān)控功能與軟件級有很大的不同，它的監(jiān)控系統(tǒng)架構主要是控制安全監(jiān)控芯片、控制電機控制芯片。此外它還要承擔著監(jiān)測的功能，即對硬件看門狗模塊、直流電壓的電壓監(jiān)控模塊、電機控制芯片供電電壓的電源監(jiān)控模塊、電機相電流的電流監(jiān)控模塊等進行監(jiān)測。

2　軟硬件設計

2.1硬件系統(tǒng)設計

2.1.1電機控制芯片的選型

我國國內(nèi)生產(chǎn)的電機，所選用的電機控制芯片，一般都是Infineon公司的32位TriCore系列的TC1782高性能微處理器。TC1782這種處理器之所以說它是高性能的處理器，是因為它的功耗以及損耗很小，運算能力強大，存儲空間大，數(shù)字量模擬量輸入輸出以及CAN通訊等方面也很不錯。就是說，這種處理器具有很高的性價比，十分適合用在要求較高的電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)之中。

2.1.2安全監(jiān)控芯片的選型

一般情況下，使用的都是Inf ineon CIC61508芯片。CIC61508這種安全監(jiān)測芯片具有很多明顯的優(yōu)勢，比如說它具有很小的封裝尺寸，這樣就可以很大程度上節(jié)省空間。通過檢測電機控制芯片的時鐘、電源、溫度等，來掌握其計算誤差，實時監(jiān)測與掌握電機控制芯片的工作狀況。

圖1　電機控制系統(tǒng)硬件級安全監(jiān)控結構圖

2.1.3硬件電路設計

電機控制芯片TC1782在使用以及工作的過程中，它的通訊工作的完成主要是通過兩組SPI、安全監(jiān)控芯片CIC61508，還有旋變解碼芯片AU6803，這是通訊過程中必不可少部分；然后，電機控制芯片主要是在使用GPIO的基礎上對數(shù)字量進行接收或發(fā)送；在此基礎上，通過PWM通道來將六路PWM信號發(fā)送給門驅(qū)動芯片；此后，在ADC模塊的輔助下，對電流、電壓、溫度等信息進行采樣；最后通過CAN模塊與總線通訊。在設計硬件電路的過程中不能忽視電源模塊、看門狗模塊等。圖3即為硬件電路原理圖。

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圖 2 電機控制系統(tǒng)軟件級安全監(jiān)控結構圖

2.2軟件設計

2.2.1設計原理

電機的安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能需要電機的兩級共同來完成，只有在硬件級、軟件級的兩級共同的監(jiān)控下，才能為電機控制系統(tǒng)正常工作提供保證，實現(xiàn)實時監(jiān)控電機負載以及實現(xiàn)對電機控制芯片的監(jiān)控。

圖3　硬件電路原理圖

電機負載監(jiān)控功能是有其特定的原理的，它主要就是在對電流、電壓、溫度、位置等信號采樣的基礎上，通過對硬件監(jiān)控電路的故障信息的分析與判斷，準確地了解與把握電機負載的工作狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)了異常的情況，此時電機控制系統(tǒng)就會開啟工作模式，及時進入到故障并處理相應的程序。電機控制系統(tǒng)中芯片的安全監(jiān)控功能的實現(xiàn)主要依靠兩個方面，首先就是電機控制芯片的自檢，其次就是CIC61508安全監(jiān)控芯片，這種監(jiān)控功能就是在二者的相互配合與合作中才完成的。

電機控制芯片的運行與自檢一般都是在開機上電后開始的，通過自檢來對各個模塊的配置進行測試，通過測試可以發(fā)現(xiàn)一些異常情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常它就會自動進入到故障處理程序；電機控制芯片在正常運行的過程中，會測試每一個模塊的控制任務、配置、以及內(nèi)存，而且這種測試具有周期性；電機控制芯片在測試之后，就會發(fā)給安全監(jiān)控芯片一些特定性的測試任務，這些任務都是測試過的，通過安全監(jiān)控芯片的再次測試，得出相應的結果。在此基礎上，電機控制芯片會將這個結果與自身運行的結果加以比較，并以此為依據(jù)來判斷電機控制芯片的工作狀態(tài)。

2.2.2具體實現(xiàn)

在具體實現(xiàn)的過程中，電機控制芯片通過ADC模塊采樣傳感器提供供電電壓，母線電壓、母線電流、芯片供電電壓、還有逆變器溫度、電機溫度等信息；然后在GPI接口的輔助下，有效地接收故障信息，這些信息均來自硬件監(jiān)控電路，主要有電機相電流過流故障、位置傳感器故障、電機控制芯片供電電壓故障、逆變器過溫故障、直流電壓過壓故障、逆變器飽和故障等；然后在SPI的輔助下，接收安全監(jiān)控芯片的信息以及電機位置信息。最后，電機控制芯片會在SPI的輔助下，將測試任務發(fā)送給安全監(jiān)控芯片，然后它會將所測試的結果重新反饋給電機控制芯片，后者會將兩種結果放在一起進行比對，如果測試結果不一致，那么就說明電機控制芯片沒有正常工作，需要進入故障處理程序；如果結果一致，那么就表明它在正常工作。

3　工作過程

圖4　安全監(jiān)控算法流程圖

首先，要初始配置電機控制芯片中的各個模塊，從而促使每一個模塊配置都處于一種正常工作狀態(tài)。在完成了初始化之后，要對每一個模塊初始化的狀態(tài)進行判斷，如果在這些模塊之中有初始化失敗的，那么就會自動地將模塊故障代碼報出，從而促使其進入故障模式。

其次，就是進行自檢模式，電機控制芯片每一個模塊都要自檢。如圖5所示，通過自檢，可以測試看門狗、內(nèi)存、PWM模塊、AD采樣模塊、IO模塊、通信模塊等模塊。

在測試內(nèi)存的時候，主要測試的就是RAM、ROM、Flash。在正常的檢測流程中，可以清楚地了解與掌握內(nèi)存有沒有處于正常的狀態(tài)，ROM中軟件有沒有發(fā)生變化，數(shù)據(jù)的讀取是否處于正常的狀態(tài)。

對IO模塊的測試，檢查它的狀態(tài)是否正常，此外還要檢查它是否有正確的控制單元配置。

圖5　自檢算法流程圖

測試AD采樣模塊，檢查它是否正常工作，了解其采樣頻率，檢查其通道選擇以及控制單元設置。

通過對通信模塊的檢測，可以了解CAN通信、SPI通信的工作狀況，掌握其模塊配置、波特率設置，檢查通信情況，以及安全監(jiān)控芯片的工作狀態(tài)。

測試PWM模塊，檢查它是否正常工作，時鐘設置有沒有偏差，輸出通道配置有沒有錯誤。

看門狗是最后要測試的環(huán)節(jié)，通過檢查可以了解看門狗模塊的工作情況，了解其定時、配置。

通過上述的眾多測試，可以充分了解系統(tǒng)中的每一個環(huán)節(jié)、每一個細節(jié)的工作狀態(tài)，如果正常通過了每一項測試，就表示每個模塊都在正常的工作；如果在測試時，出現(xiàn)了異常的情況，有一部分沒有通過測試，那么接下來就要把所有沒有通過的模塊產(chǎn)生的錯誤代碼記錄下來，然后在故障模式中發(fā)送錯誤的代碼。只有真正地通過了所有的測試，才能保證系統(tǒng)安全、正常運行。

再次，就是系統(tǒng)周期控制任務。完成電機控制系統(tǒng)中的所有的工作都是在這個環(huán)節(jié)。電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)中對溫度、電流、看門狗、供電電源、電壓、速度等等的監(jiān)控都是在這個環(huán)節(jié)實現(xiàn)的。一旦這個系統(tǒng)發(fā)生了故障，就會影響整個系統(tǒng)的運行。在出現(xiàn)故障之后，它就會報出故障代碼，整個系統(tǒng)就會進入故障模式；如果系統(tǒng)沒有出現(xiàn)故障，那么就會正常進入下一步。

圖6　周期測試算法流程圖

最后，就是系統(tǒng)周期測試任務，這個任務在圖6中有完全的展示。電機控制芯片、安全監(jiān)控芯片在周期測試任務中有很重要的作用。一旦開始了周期測試任務，首先就要檢測電機控制芯片中模塊的配置，通過細致地檢測，來掌握所有模塊的配置狀態(tài)，查看每一個模塊的配置是否處于完整的狀態(tài)，有沒有發(fā)生變化。然后就會發(fā)送特定的測試任務給安全監(jiān)控芯片。它收到任務后，就會在已有的算法上將結果計算出來，并進行反饋，這個環(huán)節(jié)的測試任務沒有硬性的要求，完全可以根據(jù)實際情況以及實際需要來安排。

4　結語

電機控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)對于電子產(chǎn)品來說具有很重要的作用，它關系到電子產(chǎn)品的安全運行和使用，隨著市場對電子產(chǎn)品的需求增加，給電機帶來了很大的機遇與挑戰(zhàn)，特別是對其質(zhì)量以及性能有了更高的要求，因此加強電機控制系統(tǒng)的研發(fā)更具重要性。

參考文獻：

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Design of the Safety Monitoring System for Motor Control System

Xiong Wei，Du Feng
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China）

Abstract:The safety monitoring system framework，hardware and software design and working process of motor control system are introduced

Keywords:motor control system； safety monitoring system； design

中圖分類號：TM301

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）06-0051-04

收稿日期：2016-03-29

作者簡介：熊威（1981-），男，工程師，研究方向：控制理論與控制工程。