電機(jī)控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

熊　威，杜　峰（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

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電機(jī)控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

熊威，杜峰
（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

摘要：介紹了電機(jī)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(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)及工作過(guò)程。

關(guān)鍵詞：電機(jī)控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)

0　引言

電機(jī)控制系統(tǒng)是電動(dòng)汽車組成部分。它關(guān)乎電動(dòng)汽車運(yùn)行的安全性。在ISO26262定義的汽車安全完整性等級(jí)下，電動(dòng)汽車的安全指標(biāo)主要被分成了四個(gè)等級(jí)，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(biāo)功能安全需求的基礎(chǔ)上，將每個(gè)需求具體與每一個(gè)的相關(guān)零部件進(jìn)行對(duì)應(yīng)，從而可以得知為了保證其安全運(yùn)行，達(dá)到ASIL C的安全等級(jí)是最低的要求，只有達(dá)到這個(gè)等級(jí)才能滿足其功能安全目標(biāo)。但是從現(xiàn)實(shí)的情況來(lái)看，很少的產(chǎn)品能夠達(dá)到這個(gè)等級(jí)，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的電機(jī)控制器依靠的處理器是單個(gè)電機(jī)控制芯片，因此功能比較低，一般達(dá)不到ASIL C等級(jí)。為了提高電機(jī)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(gè)設(shè)計(jì)方案，在原有的基礎(chǔ)上增加一個(gè)安全監(jiān)控芯片，可以實(shí)時(shí)地對(duì)電機(jī)控制芯片進(jìn)行監(jiān)控，有效地提升電機(jī)控制系統(tǒng)的安全性。

1　安全監(jiān)控功能系統(tǒng)架構(gòu)

軟件級(jí)、硬件級(jí)是電機(jī)控制系統(tǒng)安全監(jiān)控功能的兩級(jí)。

軟件級(jí)所含有的安全監(jiān)控功能，主要是通過(guò)電機(jī)控制芯片的使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)的安全監(jiān)控調(diào)用程序。

硬件級(jí)的安全監(jiān)控功能與軟件級(jí)有很大的不同，它的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)主要是控制安全監(jiān)控芯片、控制電機(jī)控制芯片。此外它還要承擔(dān)著監(jiān)測(cè)的功能，即對(duì)硬件看門(mén)狗模塊、直流電壓的電壓監(jiān)控模塊、電機(jī)控制芯片供電電壓的電源監(jiān)控模塊、電機(jī)相電流的電流監(jiān)控模塊等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2　軟硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1電機(jī)控制芯片的選型

我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電機(jī)，所選用的電機(jī)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(shuō)它是高性能的處理器，是因?yàn)樗墓囊约皳p耗很小，運(yùn)算能力強(qiáng)大，存儲(chǔ)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(cuò)。就是說(shuō)，這種處理器具有很高的性價(jià)比，十分適合用在要求較高的電機(jī)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(cè)芯片具有很多明顯的優(yōu)勢(shì)，比如說(shuō)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(guò)檢測(cè)電機(jī)控制芯片的時(shí)鐘、電源、溫度等，來(lái)掌握其計(jì)算誤差，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與掌握電機(jī)控制芯片的工作狀況。

圖1　電機(jī)控制系統(tǒng)硬件級(jí)安全監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

2.1.3硬件電路設(shè)計(jì)

電機(jī)控制芯片TC1782在使用以及工作的過(guò)程中，它的通訊工作的完成主要是通過(guò)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(guò)程中必不可少部分；然后，電機(jī)控制芯片主要是在使用GPIO的基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)字量進(jìn)行接收或發(fā)送；在此基礎(chǔ)上，通過(guò)PWM通道來(lái)將六路PWM信號(hào)發(fā)送給門(mén)驅(qū)動(dòng)芯片；此后，在ADC模塊的輔助下，對(duì)電流、電壓、溫度等信息進(jìn)行采樣；最后通過(guò)CAN模塊與總線通訊。在設(shè)計(jì)硬件電路的過(guò)程中不能忽視電源模塊、看門(mén)狗模塊等。圖3即為硬件電路原理圖。

“提高果品質(zhì)量，打造過(guò)硬品牌，是促進(jìn)林果產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要支撐，也是幫助果農(nóng)增產(chǎn)增收、實(shí)現(xiàn)共同富裕的重要保障?！鄙汤栌⒈硎荆敬未筚悶閺V大果農(nóng)搭建了一個(gè)相互了解、相互交流、相互學(xué)習(xí)的平臺(tái)，希望廣大果農(nóng)能以此為契機(jī)，牢固樹(shù)立科技興農(nóng)、品牌興農(nóng)的意識(shí)，提高果品質(zhì)量、打造過(guò)硬品牌，堅(jiān)持標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、品質(zhì)化管理、品牌化運(yùn)作，依靠科技創(chuàng)新提質(zhì)增效，瞄準(zhǔn)市場(chǎng)需求做精做強(qiáng)，努力打造全國(guó)知名的威縣特色農(nóng)產(chǎn)品品牌。

圖 2 電機(jī)控制系統(tǒng)軟件級(jí)安全監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

2.2軟件設(shè)計(jì)

2.2.1設(shè)計(jì)原理

電機(jī)的安全監(jiān)控系統(tǒng)的功能需要電機(jī)的兩級(jí)共同來(lái)完成，只有在硬件級(jí)、軟件級(jí)的兩級(jí)共同的監(jiān)控下，才能為電機(jī)控制系統(tǒng)正常工作提供保證，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)負(fù)載以及實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制芯片的監(jiān)控。

圖3　硬件電路原理圖

電機(jī)負(fù)載監(jiān)控功能是有其特定的原理的，它主要就是在對(duì)電流、電壓、溫度、位置等信號(hào)采樣的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)硬件監(jiān)控電路的故障信息的分析與判斷，準(zhǔn)確地了解與把握電機(jī)負(fù)載的工作狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)了異常的情況，此時(shí)電機(jī)控制系統(tǒng)就會(huì)開(kāi)啟工作模式，及時(shí)進(jìn)入到故障并處理相應(yīng)的程序。電機(jī)控制系統(tǒng)中芯片的安全監(jiān)控功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠?jī)蓚€(gè)方面，首先就是電機(jī)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(jī)控制芯片的運(yùn)行與自檢一般都是在開(kāi)機(jī)上電后開(kāi)始的，通過(guò)自檢來(lái)對(duì)各個(gè)模塊的配置進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)一些異常情況，一旦發(fā)現(xiàn)異常它就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到故障處理程序；電機(jī)控制芯片在正常運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)測(cè)試每一個(gè)模塊的控制任務(wù)、配置、以及內(nèi)存，而且這種測(cè)試具有周期性；電機(jī)控制芯片在測(cè)試之后，就會(huì)發(fā)給安全監(jiān)控芯片一些特定性的測(cè)試任務(wù)，這些任務(wù)都是測(cè)試過(guò)的，通過(guò)安全監(jiān)控芯片的再次測(cè)試，得出相應(yīng)的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，電機(jī)控制芯片會(huì)將這個(gè)結(jié)果與自身運(yùn)行的結(jié)果加以比較，并以此為依據(jù)來(lái)判斷電機(jī)控制芯片的工作狀態(tài)。

2.2.2具體實(shí)現(xiàn)

在具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，電機(jī)控制芯片通過(guò)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(jī)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(lái)自硬件監(jiān)控電路，主要有電機(jī)相電流過(guò)流故障、位置傳感器故障、電機(jī)控制芯片供電電壓故障、逆變器過(guò)溫故障、直流電壓過(guò)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(jī)位置信息。最后，電機(jī)控制芯片會(huì)在SPI的輔助下，將測(cè)試任務(wù)發(fā)送給安全監(jiān)控芯片，然后它會(huì)將所測(cè)試的結(jié)果重新反饋給電機(jī)控制芯片，后者會(huì)將兩種結(jié)果放在一起進(jìn)行比對(duì)，如果測(cè)試結(jié)果不一致，那么就說(shuō)明電機(jī)控制芯片沒(méi)有正常工作，需要進(jìn)入故障處理程序；如果結(jié)果一致，那么就表明它在正常工作。

3　工作過(guò)程

圖4　安全監(jiān)控算法流程圖

首先，要初始配置電機(jī)控制芯片中的各個(gè)模塊，從而促使每一個(gè)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(duì)每一個(gè)模塊初始化的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果在這些模塊之中有初始化失敗的，那么就會(huì)自動(dòng)地將模塊故障代碼報(bào)出，從而促使其進(jìn)入故障模式。

其次，就是進(jìn)行自檢模式，電機(jī)控制芯片每一個(gè)模塊都要自檢。如圖5所示，通過(guò)自檢，可以測(cè)試看門(mén)狗、內(nèi)存、PWM模塊、AD采樣模塊、IO模塊、通信模塊等模塊。

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

對(duì)IO模塊的測(cè)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(cè)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(shè)置。

通過(guò)對(duì)通信模塊的檢測(cè)，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(shè)置，檢查通信情況，以及安全監(jiān)控芯片的工作狀態(tài)。

測(cè)試PWM模塊，檢查它是否正常工作，時(shí)鐘設(shè)置有沒(méi)有偏差，輸出通道配置有沒(méi)有錯(cuò)誤。

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

通過(guò)上述的眾多測(cè)試，可以充分了解系統(tǒng)中的每一個(gè)環(huán)節(jié)、每一個(gè)細(xì)節(jié)的工作狀態(tài)，如果正常通過(guò)了每一項(xiàng)測(cè)試，就表示每個(gè)模塊都在正常的工作；如果在測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)了異常的情況，有一部分沒(méi)有通過(guò)測(cè)試，那么接下來(lái)就要把所有沒(méi)有通過(guò)的模塊產(chǎn)生的錯(cuò)誤代碼記錄下來(lái)，然后在故障模式中發(fā)送錯(cuò)誤的代碼。只有真正地通過(guò)了所有的測(cè)試，才能保證系統(tǒng)安全、正常運(yùn)行。

再次，就是系統(tǒng)周期控制任務(wù)。完成電機(jī)控制系統(tǒng)中的所有的工作都是在這個(gè)環(huán)節(jié)。電機(jī)控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)中對(duì)溫度、電流、看門(mén)狗、供電電源、電壓、速度等等的監(jiān)控都是在這個(gè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)的。一旦這個(gè)系統(tǒng)發(fā)生了故障，就會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。在出現(xiàn)故障之后，它就會(huì)報(bào)出故障代碼，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入故障模式；如果系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)故障，那么就會(huì)正常進(jìn)入下一步。

圖6　周期測(cè)試算法流程圖

最后，就是系統(tǒng)周期測(cè)試任務(wù)，這個(gè)任務(wù)在圖6中有完全的展示。電機(jī)控制芯片、安全監(jiān)控芯片在周期測(cè)試任務(wù)中有很重要的作用。一旦開(kāi)始了周期測(cè)試任務(wù)，首先就要檢測(cè)電機(jī)控制芯片中模塊的配置，通過(guò)細(xì)致地檢測(cè)，來(lái)掌握所有模塊的配置狀態(tài)，查看每一個(gè)模塊的配置是否處于完整的狀態(tài)，有沒(méi)有發(fā)生變化。然后就會(huì)發(fā)送特定的測(cè)試任務(wù)給安全監(jiān)控芯片。它收到任務(wù)后，就會(huì)在已有的算法上將結(jié)果計(jì)算出來(lái)，并進(jìn)行反饋，這個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試任務(wù)沒(méi)有硬性的要求，完全可以根據(jù)實(shí)際情況以及實(shí)際需要來(lái)安排。

4　結(jié)語(yǔ)

電機(jī)控制系統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)具有很重要的作用，它關(guān)系到電子產(chǎn)品的安全運(yùn)行和使用，隨著市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的需求增加，給電機(jī)帶來(lái)了很大的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，特別是對(duì)其質(zhì)量以及性能有了更高的要求，因此加強(qiáng)電機(jī)控制系統(tǒng)的研發(fā)更具重要性。

參考文獻(xiàn)：

［1］吳楠.電機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控軟硬件研究［D］.吉林大學(xué)，2011.

［2］陳濤.基于DSP的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.桂林電子科技大學(xué)，2010.

［3］陳風(fēng)凱.無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［D］.廣東工業(yè)大學(xué)，2014.

［4］張壘.無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.南華大學(xué)，2012.

［5］李輝.直流充電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.電子科技大學(xué)，2012.

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(hào)：TM301

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）06-0051-04

收稿日期：2016-03-29

作者簡(jiǎn)介：熊威（1981-），男，工程師，研究方向：控制理論與控制工程。