技术领域
[0001] 本
发明实施例涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种汽车电机控制器、控制系统及汽车。
背景技术
[0002] 随着国家对新
能源汽车以及新能源技术的逐渐重视和推广，越来越多的整车厂开始研发并生产新能源汽车。电机作为新能源汽车的动
力源，是动力系统的核心部件，它的控制效果对于整车的性能有着十分重要的影响。
[0003] 永磁同步电机具有转矩动态响应快、功率因素高、体积小、重量轻、可靠性强等诸多优势，在我国己成为新能源汽车的主流。传统的基于DSP的电机控制器因成本高，可扩展性差；基于STM32F系列的电机控制器，因处理器的可靠性和安全性做的不够好，无法大规模应用在汽车电机控制器产品上。
发明内容
[0004] 本发明提供一种汽车电机控制器、控制系统及汽车，以实现对输入
信号进行采集诊断，提高控制器的安全性和可靠性。
[0005] 第一方面，本发明实施例提供了一种汽车电机控制器，包括：
微处理器和电源模
块，其中，所述电源模块包括集成电源芯片、内部主继电器、分立电源芯片以及智能高端驱动芯片；其中，
[0006] 所述微处理器通过第一输入输出IO引脚对所述集成电源芯片进行使能控制，通过第一串行外设
接口SPI引脚对所述集成电源芯片进行状态控制和状态诊断；
[0007] 所述内部主继电器的第一
输出电压通过第一
模数转换器ADC引脚输入至所述微处理器的第一ADC通道，所述微处理器根据所述第一输出电压通过第二IO引脚对所述内部主继电器进行使能控制以及状态诊断；
[0008] 所述分立电源芯片的第二输出电压通过第二ADC引脚输入至所述微处理器的第二ADC通道，所述微处理器根据所述第二输出电压通过第三IO引脚对所述分立电源芯片进行使能控制以及状态诊断；
[0009] 智能高端驱动芯片的第三输出电压通过第三ADC引脚输入至所述微处理器的第三ADC通道，智能高端驱动芯片的输出
电流转变为第四电压之后输入至所述微处理器的第三ADC通道，所述微处理器根据第三输出电压以及所述第四电压通过第四IO引脚对所述智能高端驱动芯片进行使能控制以及状态诊断。
[0010] 第二方面，本发明实施例还提供了一种汽车控制系统，所述汽车控制系统包括：整车控制器、IGBT单元、
驱动电机、旋转
变压器、安全气囊控制器、电机
温度传感器、霍尔电流传感器以及如上述第一方面中所述的汽车电机控制器；其中，
[0011] 所述整车控制器分别通过所述整车
控制器局域网络CAN和所述标定CAN与所述汽车电机控制器中的微处理器连接；
[0012] 所述IGBT单元分别与所述汽车电机控制器中的CPLD和微处理器连接；
[0013] 所述驱动电机分别与IGBT单元、微处理器以及
旋转变压器连接；
[0014] 所述旋转变压器与所述旋变解码芯片进行连接；
[0015] 所述安全气囊控制器与所述微处理器连接；
[0016] 所述电机温度传感器与所述微处理器连接；
[0017] 所述霍尔电流传感器与所述微处理器和CPLD连接。
[0018] 第三方面，本发明实施例还提供了一种汽车，所述汽车包括如上述第二方面中所述的汽车控制系统。
[0019] 本发明实施例，微处理器通过第一IO引脚对集成电源芯片进行使能控制，通过第一SPI引脚对集成电源芯片进行状态控制和状态诊断；内部主继电器的第一输出电压通过第一ADC引脚输入至微处理器的第一ADC通道，微处理器根据第一输出电压通过第二IO引脚对内部主继电器进行使能控制以及状态诊断；分立电源芯片的第二输出电压通过第二ADC引脚输入至微处理器的第二ADC通道，微处理器根据第二输出电压通过第三IO引脚对分立电源芯片进行使能控制以及状态诊断；智能高端驱动芯片的第三输出电压通过第二ADC引脚输入至微处理器的第三ADC通道，智能高端驱动芯片的输出电流转变为第四电压之后输入至微处理器的第三ADC通道，微处理器根据第三输出电压以及第四电压通过第四IO引脚对智能高端驱动芯片进行使能控制以及状态诊断。实现了所有供电
电路均可以通过微处理器进行使能和采集诊断，当出现过压和欠压的情况下，微处理器可以关闭该路电源，保证
硬件不受损坏，提高控制器的安全性和可靠性。
附图说明
[0020] 图1为本发明实施例一提供的汽车电机控制器中微处理器与电源模块的结构示意图；
[0021] 图2是本发明实施例一提供的电源模块的结构示意图；
[0022] 图3是本发明实施例二提供的电机控制器中的复杂
可编程逻辑器件的结构示意图；
[0023] 图4是本发明实施例提供的第二滤波电路和诊断电路的结构示意图；
[0024] 图5是本发明实施例二提供的
三相电流信号输入微处理器的结构示意图；
[0025] 图6是本发明实施例二提供的旋变解码芯片的结构示意图；
[0026] 图7是本发明实施例二提供的跟随电路的结构示意图；
[0027] 图8是本发明实施例二提供的CPLD的结构示意图；
[0028] 图9是本发明实施例二提供的PWM信号流向的示意图；
[0029] 图10是本发明实施例提供的汽车控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0031] 实施例一
[0032] 图1为本发明实施例一提供的汽车电机控制器中微处理器与电源模块的结构示意图，本实施例可适用于新能源汽车中电机控制的情况，
[0033] 如图1所示，本发明实施例提供的汽车电机控制器主要包括:微处理器11和电源模块12，其中，电源模块12包括集成电源芯片121、内部主继电器122、分立电源芯片123以及智能高端驱动芯片124。
[0034] 在本实施例中，电源模块12包括TLF35584集成电源芯片121、内部主继电器122、分立电源芯片123以及智能高端驱动芯片124等。电源模块12负责给整个电机控制器系统进行供电，包括给逻辑电源供电、给传感器供电以及给IGBT单元供电。其中，逻辑电源供电和传感器供电由集成电源芯片121和分立电源芯片123提供。IGBT单元使用的功率电源由微处理器控制内部主继电器122提供，并且由智能高端驱动芯片124进行控制和诊断。
[0035] 微处理器11采用TC277多核处理芯片，该芯片有丰富的硬件资源接口，引脚复用能力强。丰富的外设资源供通信，信号输入输出管理，系统管理和安全管理等使用。200MHz主频，3核处理器提供了强大的计算能力，提供了精准的GTM控制和DSADC功能。
[0036] 其中，微处理器11的第一输入输出(Input Output，IO)引脚IO1与集成电源芯片121的使能引脚连接，第一串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)引脚SPI1与集成电源芯片121的诊断引脚连接。微处理器11的第二IO引脚IO2与内部主继电器122的使能引脚连接，第一模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)引脚ADC1与内部主继电器122的诊断引脚连接。微处理器11的第三IO引脚IO3与分立电源芯片123的使能引脚连接，第二ADC引脚ADC2与分立电源芯片123的诊断引脚连接。微处理器11的第四IO引脚IO4与智能高端驱动芯片124的使能引脚连接，微处理器11的第三ADC引脚ADC3与智能高端驱动芯片124的诊断引脚连接。
[0037] 进一步的，微处理器11通过第一IO引脚IO1对集成电源芯片121进行使能控制，通过第一SPI引脚SPI对集成电源芯片121进行状态控制和状态诊断。
[0038] 微处理器11与控制器内的芯片的通信主要通过SPI来实现，通过第一SPI引脚SPI与集成电源芯片121进行通信，完成集成电源芯片121寄存器数据读取及状态控制等功能。
[0039] 内部主继电器122的第一输出电压通过第一ADC引脚ADC1输入至微处理器11的第一ADC通道，微处理器根据第一输出电压通过第二IO引脚IO2对内部主继电器122进行使能控制以及状态诊断。
[0040] 分立电源芯片123的第二输出电压通过第二ADC引脚ADC2输入至微处理器11的第二ADC通道，微处理器11根据第二输出电压通过第三IO引脚IO3对分立电源芯片123进行使能控制以及状态诊断；
[0041] 智能高端驱动芯片124的第三输出电压通过第三ADC引脚ADC3输入至微处理器11的第三ADC通道，智能高端驱动芯片124的输出电流转变为第四电压之后输入至微处理器11的第三ADC通道，微处理器11根据第三输出电压以及第四电压通过第四IO引脚IO4对智能高端驱动芯片124进行使能控制以及状态诊断。
[0042] 在本实施例中，状态诊断可以理解为未处理判断各个电源芯片以及继电器的输出电压是否存在过电压或者欠电压的情况，当出现过电压或者欠电压的情况，微处理器控制该路电源关闭，保证系统硬件不受损坏。
[0043] 本发明实施例中，微处理器通过第一IO引脚对集成电源芯片进行使能控制，通过第一SPI引脚对集成电源芯片进行状态控制和状态诊断；内部主继电器的第一输出电压通过第一ADC引脚输入至微处理器的第一ADC通道，微处理器根据第一输出电压通过第二IO引脚对内部主继电器进行使能控制以及状态诊断；分立电源芯片的第二输出电压通过第二ADC引脚输入至微处理器的第二ADC通道，微处理器根据第二输出电压通过第三IO引脚对分立电源芯片进行使能控制以及状态诊断；智能高端驱动芯片的第三输出电压通过第二ADC引脚输入至微处理器的第三ADC通道，智能高端驱动芯片的输出电流转变为第四电压之后输入至微处理器的第三ADC通道，微处理器根据第三输出电压以及第四电压通过第四IO引脚对智能高端驱动芯片进行使能控制以及状态诊断。实现了所有供电电路均可以通过微处理器进行使能和采集诊断，当出现过压和欠压的情况下，微处理器可以关闭该路电源，保证硬件不受损坏，提高控制器的安全性和可靠性。
[0044] 图2是本发明实施例提供的电源模块的结构示意图，在上述实施例的
基础上，电源模块11还包括：防护电路125和第一滤波电路126。
[0045] 如图2所示，防护电路125的一端外接低压
电池，另一端通过第一滤波电路后126分别连接集成电源芯片121的一端以及内部主继电器122的第一端，内部主继电器122的第二端连接分立电源芯片123，内部主继电器122的第三端连接智能高端驱动芯片124。
[0046] 低压电池提供的
电能，经过防护电路125和第一滤波电路126后分别供给集成电源芯片121和内部主继电器122，集成电源芯片121为复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)以及传感器供电，内部主继电器122根据微处理器11的
控制信号，为分立电源芯片123以及智能高端驱动芯片124供电。智能高端驱动芯片124用于根据控制信号给IGBT驱动单元的驱动板供电，分立电源芯片123用于根据控制信号给旋变电路供电。
[0047] 在本实施例中，防护电路125外接低压电池，接收低压电池输入的电能。防护电路125用于防止电池正负极反接，以及进行静电防护。本实施例中，不对防护电路进行限定，可以根据实际设计需要选择或者设计合适的防护电路。
[0048] 实施例二
[0049] 图3是本发明实施例二提供的电机控制器中的复杂可编程逻辑器件的结构示意图，在上述实施例的基础上，本发明实施例进一步优化了汽车电机控制器。如图3所示，本发明实施例二提供的电机控制器还包括：CPLD13。
[0050] 其中，集成电源芯片121的第一复位引脚分别与微处理器11的第一复位引脚和CPLD13的第一复位引脚连接。微处理器11上电时，或者，集成电源芯片121出现第一异常状态时，集成电源芯片121通过第一复位引脚分别向微处理器11和CPLD13发送第一复位信号。
[0051] 其中，集成电源芯片121的中断引脚分别与微处理器11的中断引脚和CPLD13的中断引脚连接。集成电源芯片121出现第二异常状态时，集成电源芯片121通过中断引脚分别向微处理器11和CPLD13发送中断
请求；微处理器11和CPLD13根据中断请求进行相应的处理。
[0052] 集成电源芯片121的第一安全输出引脚分别与微处理器11的第一使能驱动引脚和CPLD13的第一使能驱动引脚连接，集成电源芯片121的第二安全输出引脚分别与微处理器11的第二使能驱动引脚和CPLD13的第二使能驱动引脚连接。集成电源芯片121出现第三异常状态时，集成电源芯片121通过第一安全输出引脚以及第二安全输出引脚分别向微处理器11和CPLD13发送第三异常信息，以使微处理器11和CPLD13根据第三异常信息进行相应的保护动作。
[0053] 微处理器11的第二复位引脚与CPLD13的第二复位引脚连接，CPLD13出现第四异常状态时，微处理器11向CPLD13的第二复位引脚发送第二复位信号，以使CPLD13根据第二复位信号进行复位处理。
[0054] 进一步的，本实施例中，钥匙
门信号和CAN唤醒信号进行或逻辑的结果可以使能集成电源芯片121。其中钥匙门信号由整车控制器输出。CAN唤醒信号由微处理器11提供。
[0055] 进一步的，图4是本发明实施例提供的第二滤波电路和诊断电路的结构示意图。如图4所示，汽车电机控制器还包括：第二滤波电路14以及诊断电路15。
[0056] 其中，传感器
采样的第一
模拟信号通过第二滤波电路14之后，输入至微处理器11；传感器采样的第二模拟信号通过第二滤波电路14和诊断电路15之后，输入至CPLD13。
[0057] 其中，第一模拟信号为一般模拟信号，通过第二电路滤波后进入到微处理器11的ADC模块采样。
[0058] 第二模拟信号为重要模拟信号，包括：三相电流信号、
母线电压信号、电机温度信号等。除经过第二滤波电路14进入微处理器11进行采样外，还需要经过可调门限的诊断电路15进行检测，诊断电路15检测出结果直接进入CPLD13参与逻辑控制。诊断电路15优选为硬件搭建的诊断电路。
[0059] 其中，诊断电路15可以但不限于通过比较器搭建，用于比较的门限值可以通过
电阻分压的方式设置。为避免诊断电路15对原有模拟信号造成影响，造成采样失真，在诊断电路15入口处，使用电压跟随电路进行隔离。
[0060] 进一步的，图5是本发明实施例二提供的三相电流信号输入微处理器的结构示意图，如图5所示，三相电流信号中的U相电流信号分别输入至微处理器11的第四ADC引脚ADC4和第五ADC引脚ADC5，三相电流信号中的V相电流信号分别输入至微处理器11的第四ADC引脚ADC4和第五ADC引脚ADC5，三相电流信号中的W相电流信号分别输入至微处理器11的第四ADC引脚ADC4和第五ADC引脚ADC5。
[0061] 对于UVW三相电流信号，在进行采样时，每一相信号分别进入微处理器11的两个ADC通道同步采样通道，保证三相电流同步采样的同时，两个通道的采样结果可以互相校验，提高采样的
精度和准确性。
[0062] 进一步的，针对
数字信号或者
频率量，除进入到微处理器11或者CPLD13进行识别外。还通过在输入电路上接上拉或者下拉电阻，以便在
输入信号未接入时，系统及时诊断并作出相应的动作。
[0063] 进一步的，如果信号是低电平有效，一般会在输入电路上接上拉电阻指示错误状态，这样，如果信号由于接
插件松动等原因没有接入电路时，微处理器11或者CPLD13识别到上拉电阻产生的高电平，会判断为故障，并作出相应的动作。
[0064] 进一步的，所述控制器还包括：旋变解码芯片17，其中，旋变解码芯片17，外接旋转变压器，用于获取旋转变压器的正余弦信号并进行解码，将解码后的正余弦信号分别通过并口、SPI串口、ABZ三种方式输入至微处理器11中。
[0065] 图6是本发明实施例二提供的旋变解码芯片的结构示意图。如图6所示，旋变解码芯片17
自诊断功能会输出故障信息到CPLD13，当出现错误时，CPLD13可以直接关断IGBT单元的驱动信号。
[0066] 旋变解码芯片17的解码信号设计成冗余采集，解码信号通过并口，SPI串口和ABZ三种方式输入到微处理器11，可供微处理器11进行灵活使用，三种方式并用，达到冗余校验的目的，能够确保
角度数据的准确性。
[0067] 图7是本发明实施例二提供的跟随电路的结构示意图，如图7所示，旋变励磁信号通过电压跟随器隔离并经过电阻分压至微处理器可以识别的电压范围之后，进入到微处理器的DSADC接口进行快速模拟采样，读取模拟信号的峰峰值和频率，与设计进行比较，即可得知励磁信号是否正常。
[0068] 图8是本发明实施例二提供的CPLD的结构示意图，如图8所示，CPLD根据输入信号以及内部控制逻辑确定控制器是否存在系统故障信号；其中，输入信号包括三相电流诊断结果，母线电压过压诊断结果，电机过温诊断结果，驱动单元就绪信号和驱动单元故障信号；如果确定控制器存在系统故障信号，则停止将
脉宽调制PWM驱动信号发送至晶体管IGBT单元。
[0069] 进一步的，CPLD，还用于将故障系统信号发送至微处理器，以使微处理器停止发送PWM驱动信号；输出禁能信号至
开关芯片，以关断CPLD与IGBT单元之间的PWM驱动
信号传输通道。
[0070] IGBT单元上报的故障信号，指示着驱动芯片检测到的IGBT过流，过饱和，热关断等故障，IGBT驱动单元的自诊断和自保护功能在关断驱动信号的同时，也会将故障信号上报给CPLD。
[0071] IGBT单元上报的就绪信号，指示着副边供电是否欠压，当出现故障时，IGBT驱动单元在关断驱动信号的同时，会将此故障信号上报给CPLD
[0072] 三相电流过流信号,相电流过流会导致电机
扭矩不受控，汽车非受控
加速，IGBT
过热甚至烧毁等严重故障。相电流信号除进入微处理器进行ADC采集外，还会进入诊断电路，产生过流信号进入CPLD参与逻辑控制。
[0073] 母线过压信号，母线过压会导致IGBT损坏，母线电容损坏等严重后果。母线电压除进入到微处理器采样外，也会经过诊断电路产生过压信号直接进入CPLD参与逻辑控制。
[0074] IGBT驱动欠压信号，由智能高端芯片开关发出，同时进入微处理器和CPLD参与逻辑控制。
[0075] 旋变故障信号，由旋变解码芯片在旋变解码异常时发出，同时进入微处理器和CPLD参与逻辑控制。
[0076] 微处理器发出的驱动芯片复位信号，急停信号和主动
短路信号也会进入到CPLD参与逻辑控制。
[0077] 图9是本发明实施例提供的PWM信号流向的示意图。基于上述触发驱动信号PWM关断的事件，CPLD作为硬件处理的核心，可以识别并
锁存故障信号。实现快速可靠的关断IGBT驱动信号的功能，此功能不依赖于微处理器实现，简单有效。而且在故障发生时，微处理器可以通过SPI总线
访问CPLD内部寄存器，确认驱动信号关断的原因，有利于故障的诊断和解除。
[0078] CPLD在关断驱动信号PWM时采取多级关断的措施，确保系统的安全性。发送关断信号给微处理器，使微处理器不继续发送PWM驱动信号。CPLD内部关断驱动信号PWM的传输通道，不继续输出驱动信号。CPLD输出禁能信号给
缓冲器，使之关断信号传输。经过以上三级关断，可有效
预防系统在故障状态下输出驱动信号，保证电机驱动处于受控状态。
[0079] 实施例三
[0080] 在上述实施例的基础上，本发明实施例三还提供了一种汽车控制系统，图10是本发明实施例提供的汽车控制系统的结构示意图，如图10所示，汽车控制系统包括：整车控制器101、IGBT单元102、驱动电机103、旋转变压器104、安全气囊控制器105以及如上述实施例中所述的汽车电机控制器106。
[0081] 整车控制器101分别通过整车控制器局域网络CAN和标定CAN与汽车电机控制器106中的微处理器连接；IGBT单元102分别与汽车电机控制器106中的CPLD和微处理器连接；
驱动电机103分别与IGBT单元102、微处理器106以及旋转变压器104连接；旋转变压器104与旋变解码芯片进行连接；安全气囊控制器105与微处理器106连接。
[0082] 微处理器106中的集成电源芯片由钥匙门信号，整车CAN唤醒信号和微处理器发出的唤醒信号通过或逻辑进行使能控制。
[0083] 微处理器通过WDI(喂狗输入信号)或SPI串行信号对集成电源芯片进行喂狗，当喂狗失败或集成电源芯片发生其他错误时，集成电源芯片会通过发送复位，中断等信号通知微处理器和控制CPLD进行关断驱动信号等处理。
[0084] CAN通信包含整车CAN和标定CAN两路，均与整车控制器相连，完成不同的控制及标定功能。其中，整车CAN使用带有唤醒功能的芯片，能够通过唤醒集成电源芯片将系统在休眠状态下唤醒。
[0085] 微处理器与板内芯片的通信主要通过SPI来实现：通过SPI与电源芯片进行通信，完成电源芯片寄存器读取及状态控制等功能；通过SPI与EEPROM存储芯片相连接，实现故障信息的写入和读取；通过SPI(串行外设接口)与CPLD进行通信，完成故障代码的读取；通过SPI与驱动单元进行通信，完成驱动板的上电初始化配置；通过SPI与旋变解码芯片相连接，进行旋变信息的读取或者解码芯片的配置功能。
[0086] 微处理器的ADC采集经过电路处理过的电流传感器的UVW三相电流信号，驱动单元反馈的驱动板温度信号，电机温度传感器返回的温度信号，驱动单元反馈的母线电压信号；定时输入模块处理资源采集IGBT驱动单元反馈的IGBT温度信号，安全气囊控制器发出的碰撞信号；旋变解码芯片经由SPI/并口/ABZ发送给微处理器的角度信号，微处理器结合以上输入信号的信息，依据微处理器内存储的控制
软件和逻辑，通过GPTA模块发出合适占空比的IGBT驱动信号PWM给CPLD。
[0087] CPLD接收到微处理器发出的IGBT驱动PWM信号同时，会综合板上诊断逻辑输入的UVW三相电流诊断结果，母线电压过压诊断结果，电机过温诊断结果，驱动单元就绪信号和故障信号等，根据内部的控制逻辑，选择是否将IGBT驱动信号PWM输出给IGBT驱动单元。
[0088] CPLD同时接受电源模块和微处理器的复位控制。
[0089] 旋变解码芯片使用AU6805芯片，该芯片具有SPI，并口，ABZ信号三种形式的解码输出形式，多种选择，灵活多变。本实施例中三种形式均采用，达到冗余校验的目的。ABZ信号是指
编码器的A相、B相、Z相信号，其中，A、B两个通道的信号一般是
正交(即互差90度)脉冲信号，而Z相是零脉冲信号。
[0090] 励磁信号采用NJW77903高功率运放进行电压型增益放大，可以实现简化电路的作用，同时，励磁电路的电压型增益放大电路保证了设计的
稳定性和可控性。可以针对不同型号的旋转变压器进行较为简单快捷的适配。
[0091] 实现控制板与整车进行信号对接和CAN通信，传感器模拟信号的采样及诊断，数字信号的采集与诊断，频率信号的采集与诊断，电机角度的采集与解码等功能，控制输出PWM信号给IGBT单元驱动IGBT。对永磁同步电机的转角、转速信号，驱动电流信号采集，控制IGBT驱动单元对IGBT的驱动，进行电机的转速的闭环控制。
[0092] 在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种汽车，所述汽车包括如上述实施例中所述的汽车控制系统。
[0093] 本发明实施例所提供的汽车控制系统包括本发明任意实施例所提供的汽车电机控制器，具备汽车电机控制器的功能模块和有益效果。
[0094] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的
权利要求范围决定。
