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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。 圖1 電機控制系統硬件級安全監控結構圖 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。 圖2 電機控制系統軟件級安全監控結構圖 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。 圖3 硬件電路原理圖 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： 第一步，對電機控制芯片各個(gè)模塊進(jìn)行初始化配置，使各個(gè)模塊配置在正常工作時(shí)的狀態(tài)，初始化結束后判斷各模塊初始化的狀態(tài)，若有初始化失敗的模塊，報出模塊故障代碼，進(jìn)入故障模式。 圖4 安全監控算法流程圖 圖5 自檢算法流程圖 第二步，對電機控制芯片各個(gè)模塊進(jìn)行自檢。如圖5所示，自檢程序會(huì )對內存、IO模塊、AD采樣模塊、通信模塊、PWM模塊、看門(mén)狗等模塊進(jìn)行測試，具體測試如下： 內存測試：主要對程序使用到的RAM、ROM、Flash進(jìn)行測試，校驗RAM是否工作正常，ROM中軟件是否被改動(dòng)，讀取是否正常; IO模塊測試：測試IO模塊工作是否正常，IO控制單元配置是否正確; AD采樣模塊測試：測試AD采樣模塊工作是否正常，采樣頻率，通道選擇是否正確，控制單元設置是否正確; 通信模塊測試：測試CAN通信、SPI通信模塊是否工作正常，波特率設置是否正確，模塊配置是否正確，和安全監控芯片通信是否正常，安全監控芯片工作是否正常; PWM模塊測試：測試PWM模塊工作是否正常，時(shí)鐘設置是否正確，輸出通道配置是否正確; 看門(mén)狗測試：測試看門(mén)狗定時(shí)，時(shí)間配置是否正確，能否正常工作。 如果這些測試通過(guò)，說(shuō)明各模塊工作正常，系統配置正確，滿(mǎn)足系統運行條件，系統可以繼續運行;若測試不通過(guò)，則需要記錄不通過(guò)的模塊錯誤代碼，系統進(jìn)入故障模式，并把這個(gè)錯誤代碼通過(guò)CAN發(fā)送出去。 當這些測試都通過(guò)后，系統進(jìn)入正常周期運行模式;若自檢不通過(guò)，系統報出自檢故障代碼，進(jìn)入故障模式。 第三步，系統周期控制任務(wù)。對電機控制的所有工作都在這部分完成，這部分也是傳統的電機控制部分。供電電源監控、電壓監控、電流監控、溫度監控、速度監控和外部看門(mén)狗等監控都在這部分完成，如果系統有故障，則報出故障代碼，進(jìn)入故障模式;若系統正常進(jìn)入下一步。 圖6 周期測試算法流程圖 第四步，系統周期測試任務(wù)，如圖6所示。周期測試任務(wù)是同時(shí)在電機控制芯片與安全監控芯片中進(jìn)行的。周期測試任務(wù)開(kāi)始后，首先對電機控制芯片各個(gè)模塊的配置文件進(jìn)行檢測，測試各個(gè)模塊的配置是否被非法改動(dòng)，是否與正常配置一致;然后向安全監控芯片發(fā)送特定的測試任務(wù)，安全監控芯片收到任務(wù)后，按照預定的算法計算出測試結果反饋給電機控制芯片，這些測試任務(wù)可以根據實(shí)際的需要增加或者減少。電機控制芯片根據接收到的安全監控芯片的測試結果判斷程序運行是否正常，是否有非預期的運行結果，如果測試結果通過(guò)，則系統進(jìn)入周期運行模式，循環(huán)的運行系統周期控制任務(wù)和周期測試任務(wù);若測試不通過(guò)，則報出故障代碼，同時(shí)系統進(jìn)入故障模式。 5 結論 電機驅動(dòng)系統安全監控功能不但能夠實(shí)時(shí)監控電機負載的運行情況，而且還能對電機控制芯片的運行狀態(tài)進(jìn)行監控，及時(shí)發(fā)現故障并處理，故障診斷全面，覆蓋率高，大大提高了電機驅動(dòng)系統運行的安全性與可靠性。 |
