阅读说明：本技术 一种电机控制装置及电机控制方法 (Motor control device and motor control method ) 是由 陶洪 于 2020-06-03 设计创作，主要内容包括：本申请提供一种电机控制装置及控制方法,其中,该电机控制装置与外接的高压电池和低压电池连接,包括：控制单元、功率模块驱动电源、驱动电路、逆变器,其中,低压电池分别与控制单元和功率模块驱动电源连接,控制单元与驱动电路连接、驱动电路连接逆变器,功率模块驱动电源与驱动电路连接,电机控制装置还包括母线取电单元和安全控制电路,其中,母线取电单元的一侧连接高压电池,另一侧分别连接控制单元、功率模块驱动电源和安全控制电路,控制单元与安全控制电路连接、安全控制电路与驱动电路连接。本申请提供的电机控制装置及控制方法,能够减少单点故障所导致的ASC功能失效,降低了硬件设计难度和成本。(The application provides a motor control device and a control method, wherein, the motor control device is connected with an external high-voltage battery and a low-voltage battery, and the motor control device comprises: the motor control device comprises a bus electricity taking unit and a safety control circuit, wherein one side of the bus electricity taking unit is connected with the high-voltage battery, the other side of the bus electricity taking unit is connected with the control unit, the power module driving power supply and the safety control circuit, the control unit is connected with the safety control circuit, and the safety control circuit is connected with the driving circuit. The motor control device and the motor control method can reduce ASC function failure caused by single-point faults, and reduce hardware design difficulty and cost.)

一种电机控制装置及电机控制方法

技术领域

本申请涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机控制器及电机控制方法。

背景技术

随着电动汽车行业发展，车载电气设备日益增多。电机控制器作为电动汽车动力系统的核心部件，在电动汽车正常行驶时，通过直流/交流变换模块把动力电池的直流电逆变为交流电来驱动电机，控制电机输出扭矩驱动车辆行驶。在电动汽车滑行或制动时，电机运行于发电模式，将动能转换成电能给动力电池充电，有效地通过节约效能来提升电动汽车的续航里程。

电机控制系统作为电动汽车的主要动力来源，在发生故障时，需要使其进入安全状态，以保证车辆处于受控状态或者不会对司乘人员造成伤害。而当电机控制器出现硬件或软件故障，电机输出异常时，此时无论是输出制动转矩或者是驱动转矩，都是非常危险的。所以目前针对电动汽车出现上述故障时，通常要求电机在进入安全状态之后，关闭电机的转矩输出，使车辆处于惯性滑行状态，便于驾驶员将车驶离车道以寻求帮助。目前，业内要求电机控制器的安全等级不低于车辆安全完整性等级(Automotive Safety IntegrityLevel，简称ASIL)C级，电机控制器的安全状态包括2种：安全关管(Safety Pulse Off，简称SPO)和主动短路(Active Short Circuit，简称ASC)。在具体实现安全状态时，电机控制器通过对逆变电路所有桥臂全关断(IGBT全部断开)实现SPO；电机控制器可以通过对逆变电路上桥臂全导通下桥臂全关断或上桥臂全关断下桥臂全导通两种方式来实现ASC。

当电机控制器进入ASC模式时，因桥臂之间均不形成导通，直流端与交流端电路不再形成回路，同时驱动电机产生反向制动转矩。基于这些特性合理运用ASC模式，在电动汽车行驶过程中能够起到以下几方面作用：a.整车失控时，实施ASC可产生反向转矩，使车辆缓慢制动，实现安全停车；b.动力电池故障时，实施ASC可使电机、电机控制器与动力电池侧隔离，保证整车高压安全；c.整车行驶过程中驱动电机转速过高或异常时，实施ASC可避免过高的反电势对动力电池、母线电容及其它高压器件的损坏；d.电机控制器逆变电路中某个开关管故障时，实施ASC可避免不可控整流对其它器件或动力电池的损坏。

现有的ASC解决方案存在实现复杂、多个单点故障无法可靠性实现等问题。本申请旨在提供一种具有实施ASC具有更高可靠性、降低方案复杂性的电机控制装置及控制方法。

发明内容

本申请提供一种高可靠性的电机控制装置及控制方法，保证在低压电池或者主从处理器任一故障时，仍能保障主动短路的安全控制。

上述目标和其它目标将通过独立权利要求中的特征来达成。进一步的实现方式在从属权利要求、说明书和附图中体现。

第一方面，提供一种电机控制装置，其与外接的高压电池和低压电池连接，电机控制装置包括：控制单元、功率模块驱动电源、驱动电路、逆变器，低压电池分别与控制单元和功率模块驱动电源连接，控制单元与驱动电路连接、驱动电路连接逆变器，功率模块驱动电源与驱动电路连接，电机控制装置还包括母线取电单元和安全控制电路，其中，母线取电单元的一侧连接高压电池，另一侧分别连接控制单元、功率模块驱动电源和安全控制电路，控制单元与安全控制电路连接、安全控制电路与驱动电路连接。

根据第一方面，在所述电机控制装置的第一种可能的实现方式中，控制单元包括主处理器和从处理器，主处理器和从处理器分别连接安全控制电路。

根据第一方面的第一种可能的实现方式，在所述电机控制装置的第二种可能的实现方式中，低压电池连接主处理器，母线取电单元连接从处理器。

根据第一方面的第二种可能的实现方式，在所述电机控制装置的第三种可能的实现方式中，低压电池还与从处理器连接，其中，低压电池和母线取电单元通过二极管组与从处理器连接。

根据第一方面，或以上第一方面的任意一种实现方式，在所述电机控制装置的第四种可能的实现方式中，功率模块驱动电源包括上桥臂驱动电源和下桥臂驱动电源，其中，母线取电单元的输出端连接下桥臂驱动电源，低压电池和母线取电单元通过二极管组向下桥臂驱动电源供电。

根据第一方面，或以上第一方面的任意一种实现方式，在所述电机控制装置的第五种可能的实现方式中，低压电池还与安全控制电路连接，其中，低压电池和母线取电单元通过二极管组向安全控制电路供电。

根据以上第一方面的任意一种实现方式，在所述电机控制装置的第六种可能的实现方式中，还包括电机转速获取单元，该电机转速获取单元分别连接逆变器和从处理器。

根据第一方面的第六种可能的实现方式，在所述电机控制装置的第七种可能的实现方式中，电机转速获取单元包括线电压过零检测电路和隔离芯片。

根据第一方面的第六种可能的实现方式，在所述电机控制装置的第八种可能的实现方式中，电机转速获取单元包括相电流过零检测电路和相电流传感器。

第二方面，提供一种车辆，其包括第一方面，或以上第一方面的任意一种实现方式的电机控制装置。

第三方面，提供一种电机控制方法，包括：电机的从处理器接收电机的主处理器发出的安全信号；从处理器获得电机的转速信息；从处理器根据转速信息，控制电机实现主动短路或者实现安全关管。

根据第三方面，在所述电机控制方法的第一种可能的实现方式中，安全信号用于指示主处理器失去供电或运行故障。

根据第三方面或或以上第三方面的第一种可能的实现方式，在所述电机控制方法的第二种可能的实现方式中，从处理器根据电机的转速信息，控制电机实现主动短路或者实现安全关管，具体包括：如果电机的转速高于或等于设定阈值，则从处理器控制电机进行主动短路，如果电机的转速低于设定阈值，则从处理器控制电机进行安全关管。

根据第三方面或或以上第三方面的任意一种可能的实现方式，在所述电机控制方法的第三种可能的实现方式中，从处理器获得电机的转速信息包括：从处理器根据主处理器最后一次传递来的电机转速信号获得电机的转速信息；或者，从处理器通过采集逆变器的相电流或线电压值，从而获取电机的转速信息。

根据第三方面的第二种可能的实现方式，在所述电机控制方法的第四种可能的实现方式中，当从处理器控制电机进行主动短路后，获取电机转速信息，当电机转速低于设定阈值时，控制电机进行安全关管。

根据第三方面的第四种可能的实现方式，在所述电机控制方法的第五种可能的实现方式中，从处理器通过采集逆变器的相电流或线电压值，从而获取电机转速信息。

附图说明

为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。

图1为现有技术提供的一种电机控制装置的电路结构示意图；

图2为现有技术提供的另一种电机控制装置的电路结构示意图

图3为本申请实施例提供的转矩和母线电压及转速关系示意图；

图4为本申请实施例提供的一种电机控制装置的电路结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种电机控制方法的逻辑流程图；

图6为本申请实施例提供的另一种电机控制装置的电路结构示意图。

附图标记：

(现有技术)11-高压电池，12-隔离电源，13-低压电池，14-电机控制器，15-上桥臂驱动电源，16-下桥臂驱动电源，21-高压电池，22-备份电源电路，23-低压电池，24-电机控制器，25-上/下桥臂驱动电源，26-驱动电路，27-逆变器

(本发明)01-高压电池，02-低压电池，03-电源管理模块，04-控制单元，05-功率模块驱动电源，06-驱动电路，07-逆变器，08-母线取电单元，09-ASC控制逻辑电路，010-主处理器，011-直流变换电路，012-从处理器，013-直流变换电路，014-二极管，015-二极管，016-上桥臂驱动电源，017-下桥臂驱动电源，018-上桥臂驱动电路，019-下桥臂驱动电路，020-上桥臂功率变换模块，021-下桥臂功率变换模块，022-线电压过零点检测电路，023-隔离芯片，024-母线电压信号调理电路，025-线性隔离器，026-相电流检测模块

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书实施例和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元。产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它步骤或单元。

本申请实施例提供一种电机控制装置及电机控制方法，该电机控制装置，即电机控制器，用于对车辆、尤其是电动车辆中的驱动电机进行控制。

在对车辆电机的控制过程中，现有ASC解决方案主要有两种实现方式。

现有技术一如图1所示，在图1所提供的电机控制装置硬件结构示意图中，其通过备份低压侧低压蓄电池12V电源，备份电源给整个电机控制器供低压电，主动短路控制逻辑受控于主处理器。具体的，现有技术一提供了一种备份电源电路，为保证电机控制的低压供电，通过增加额外的隔离电源12从高压电池11取电，作为整个系统的备份电源。该隔离电源12的输出电压比低压电池13略低。在低压电池13正常工作时，二极管D反向截止，电机控制器14、上桥臂驱动电源15及下桥臂驱动电源16由低压电池13供电；当低压电池13供电出现故障时，二极管D导通，由作为备份电源的隔离电源12为低压系统(包括电机控制器14、上桥臂驱动电源15及下桥臂驱动电源16)供电，同时电机控制器14发出主动短路信号，控制电机实现主动短路。

上述主动短路方案采用额外的隔离电源12来保证控制用电，并通过电机控制器14实现主动短路功能。隔离电源12存在使用器件数量多、成本高、体积大等缺陷，并且在车载工况下存在较大振动风险。同时，如果电机控制器14或电源管理系统或上/下桥臂驱动电源15、16出现单点故障失效，将导致主动短路功能失效。

现有技术二提供了另一种电机驱动电路，其通过备份高压侧驱动电路电源，备份电源给这个电机控制器供低压电，主动短路控制逻辑受控于高压侧从处理器。具体的，参见图2，高压电池21为电机运行提供电能，大功率直流变换电路将高压电池21提供的高压直流电转换为低压直流电并为低压电池23充电，电机控制器24、上桥臂驱动电源和下桥臂驱动电源25由低压电池23供电，电机控制器24根据电机反馈电路从逆变器27获取的反馈电压和反馈电流生成驱动控制信号，驱动电路26根据上述驱动控制信号以及上桥臂驱动电源和下桥臂驱动电源25输出的驱动电压生成驱动脉冲，控制逆变器27将高压电池21输出的高压直流电转换为交流电，以驱动电机运行。当电动汽车出现故障时，由高压侧的从处理器实现主动短路控制，控制备份电源电路22直接输出高电平到逆变器27中的开关管的控制端，使逆变器27的上桥或下桥的开关管置于常开的状态；此外，备份电源电路22的输出也可以提供给驱动电路26，由驱动电路26控制逆变器27的上桥或下桥的开关管处于常开的状态。

现有技术二提供的该技术方案，由于高压侧的从处理器需要较高的抗干扰性，因此对电磁抗干扰性有较高要求；另外，从高压侧的从处理器发出主动短路信号，高压侧和低压侧之间需要通过隔离模块实时传递主动短路逻辑入口相关信息，因此，对通讯可靠性要求较高，系统实现比较复杂，并且成本比较高。

因此，如何提供一种电机控制装置或电机控制方法，在进行ASC控制时能够更可靠，成为亟待解决的技术问题。

本申请基于转矩和母线电压及转速的关系，提供了一种电机控制装置及方法，在进行主动短路保护时，具有控制简单、可靠性高、成本低的特点。

关于电机转矩和母线电压及转速的关系，具体是指，当电机控制器在高转速的状态下进行安全保护时，随着电机转速降低、电机所输出的转矩值会随之变化。对于SPO和ASC两种模式，随着电机转速降低、电机输出转矩值的变化呈现出不同的变化曲线。如图3所示，当启动SPO模式时，在启动的一瞬间(对应图中高转速的位置)，反向转矩很大、超过了安全转矩范围，之后反向转矩迅速下降为零。当启动ASC模式时，在启动的一瞬间，反向转矩很小、近似为零，随着转速的下降，反向转矩会不断增大，在转速降低到一定范围时，反向转矩达到最高值、该最高值远超出安全转矩的范围。根据该电机转速和转矩的关系，因此，在电机出现低压掉电或者处理器/电源模块无法工作、并且电机高速运行的状态下需要执行安全保护操作时，如果直接SPO或者ASC则会导致不可预期的过大反向扭矩。这就需要，在转速高时通过ASC模式进行主动短路、在转速降下来之后再切入SPO模式。另一方面，当电机控制器在电机低转速的状态下进行安全保护时，则不需要进行切换、可以直接进入SPO模式。

基于上述特点，在执行安全保护时，电机控制器需要获取电机转速信息，从而判断直接进入SPO模式，或者是先通过ASC模式进行主动短路、并获取电机的实时转速信息、在转速降低至一定范围时再切入SPO模式。

本申请实施例一提供了一种电机控制装置，参见图4。其中，电机控制装置包括：电源管理模块03、控制单元04、功率模块驱动电源05、驱动电路06、逆变器07。向电机控制装置供电的供电系统包括高压电池01和低压电池02，高压电池01通过大功率直流变换电路向低压电池02蓄电。其中，电源管理模块03可以采用电源管理系统基础芯片(SystemBasis.Chip,SBC)。

上述控制单元04包括主处理器010和从处理器012，低压电池02通过电源管理模块03向主处理器010供电，同时，低压电池02经过直流变换电路013和直流变换电路011向从处理器012进行供电。其中，直流变换电路013具体可以采用降压-升压变换器(buck–boostconverter)、单端初级电感式转换器(single ended primary inductor converter，简称SEPIC)或返驰式变换器(Flyback converters)等类型的变换器。直流变换电路11具体可以采用降压-升压变换器(buck–boost converter)、降压变换器(Buck Converter，又称为Buck变换器)或低压差稳压器(Low-dropout regulator，LDO，又称为低压差线性稳压器)。为保障电机控制装置的安全等级，上述主处理器010满足ASILC或ASILD功能，上述从处理器012满足ASILA等级。

上述功率模块驱动电源05包括上桥臂驱动电源016和下桥臂驱动电源017，低压电池02经过直流变换电路013向上桥臂驱动电源016和下桥臂驱动电源017供电，其中在直流变换电路013和下桥臂驱动电源017之间设置有二极管014。二极管014与下桥臂驱动电源017之间设有节点A，节点A连接直流变换电路011，用于向从处理器012供电。上桥臂驱动电源016和下桥臂驱动电源017分别向上桥臂驱动电路018和下桥臂驱动电路019进行供电。上/下桥臂驱动电源模块016/017是分离的，并且上桥臂驱动电源016的供电仅仅来自直流变换电路013，如果上桥臂驱动电源016负载短路，则直流变换电路013进入保护状态、无输出。

电机控制装置还具有母线取电单元08，母线取电单元08分别与高压电池01和上述节点A连接，用于提供备份电源。母线取电单元08与节点A之间设置有二极管015。

电机控制装置中包括一个ASC控制逻辑电路09，该ASC控制逻辑电路09用于在车辆需要进行安全保护时，进行主动短路的控制。ASC控制逻辑电路09连接节点A。

母线取电单元08从高压电池01取电，将高压电变换变为低于36VDC的低压直流电；直流变换电路013将低压电池02输出的可变的6V～16V电变换为低于36VDC低压直流电；两者再通过由二极管014和二极管015组成的ORING二极管组014/015给下桥臂驱动电源017和ASC控制逻辑电路09供电，同时给从处理器012的直流变换电路011供电；ORING二极管组014/015输出的电源仅仅给下桥臂驱动电源017供电，从而保证备份电源的供电最小环路，以及供电输出功率尽量小。其中，母线取电单元08输出端的电压略低于直流变换电路013输出端的电压，因此，通过ORING二极管组014/015，在正常状态下，由低压电池02经过直流变换电路013对ASC控制逻辑电路09和从处理器012进行供电；当低压掉电或低压电池02或直流变换电路013发生故障时，由高压电池01经过母线取电单元08对ASC控制逻辑电路09和从处理器012进行供电。

控制单元04实时获取高压电池01的电压信号；具体的，母线电压信号调理电路024将从高压电池01所获取的母线电压调理到线性隔离器025的输入阈值电压，通过线性隔离器025将高压母线电压隔离后送至主处理器010和从处理器012，这样主处理器010和从处理器012可实时获取母线电压值；作为主动短路的进入条件。其中，线性隔离器025可以采用隔离运放或者线性光耦隔离电路。

电机控制装置还包括线电压过零点检测电路022，电压过零点检测电路022连接下桥臂功率变换模块021，线电压过零点检测电路022用于将从下桥臂功率变换模块021获取的线电压过零信号通过隔离芯片023隔离后传递给从处理器010，从而在主处理器010失效等主动短路工况时，从处理器012能够实时检测电机的转速信息。其中，隔离芯片023可以采用例如光耦合器来实现。

主处理器010和从处理器012分别与ASC控制逻辑电路09信号连接。ASC控制逻辑电路09接收主处理器010或从处理器012发送的安全相关的信号，并作出主动短路控制。

可以理解的是，图4中只是标注了电机控制装置的主要组成部分及电路连接关系，电机控制装置还包括有其它必要的元器件模块，以及目前图中所示的元器件模块也包括有图中未示出的信号连接关系。图4用于更清楚的表达本申请实施例所要保护的技术方案，因此，对于与本申请实施例无关的元器件模块及信号连接关系，在图4中省略未示出。

如图5所示，为本申请实施例所提供的电机控制装置在对电机控制时的逻辑流程框图。

步骤一、车辆在正常行驶过程中，主处理器010处于正常工作状态；此时，从处理器012作为备份处理器，为车辆的安全控制提供保障。

步骤二、从处理器010通过实时或者以一定的频率监测安全信号，判断安全信号是否为低电平(例如出现主处理器010工作异常、或者低压电池02掉电的情况)。如果安全信号为高电平，则判断为主处理器010正常工作；如果安全信号降为低电平，则进入下一步骤，触发从处理器012进入工作。

步骤三、从处理器012根据主处理器010最后一次传递过来的电机转速，来判断当前转速是否高于第一阈值转速。如果当前转速低于第一阈值转速，则从处理器012控制上下桥臂开关管全关断(即，控制上、下桥臂驱动电路018、019均断开)，进入安全关管(SPO)状态。如果当前转速等于或者高于第一阈值，则从处理器012通过检电机控制器故障，判断故障类型。

步骤四、首先判断是否为下桥臂驱动电路019出现故障。如果下桥臂驱动电路019未出现故障，则通过对下桥臂驱动电路019进行短路的方式，实现主动短路(ASC)；如果下桥臂驱动电路019出现了故障，则继续判断上桥臂驱动电路018是否出现故障；如果上桥臂驱动电路018未出现故障，则通过对上桥臂驱动电路018进行短路的方式，实现主动短路(ASC)；如果上桥臂驱动电路018同时出现了故障，则直接进入安全关管(SPO)状态，因为此时上、下桥臂驱动电路018、019均已出现故障，即全部断开。

步骤五、基于上述步骤四，当进入主动短路(ASC)状态后，从处理器012通过转速检测电路判断电机转速是否降低至第二阈值转速。如果电机转速未降低至第二阈值转速，则保持当前的安全状态。当电机转速当电机转速低于第二阈值时，则进入控制上、下桥臂驱动电路018、019均断开，进入安全关管SPO状态。

步骤六、电机控制器进入安全关管SPO状态，实现电机和控制器的脱离。

本申请实施例二提供了另一种电机控制装置，参见图6。与实施例一所提供的电机控制装置的不同之处在于：

(1)为从处理器012的直流变换电路011供电的电源来自三个电源输入端：SBC电源模块03、直流变换电路013以及母线取电单元08。

(2)从处理器012通过相电流检测模块026获取电机转速信息。

具体的，通过将SBC电源模块03、直流变换电路013以及母线取电单元08同时作为从处理器012的直流变换电路011的供电输入端，能提高从处理器012工作时的稳定电源输入。当车辆工作出现异常时，即使该三个电源输入端有一个甚至两个出现故障，也不影响从处理器012的供电，提高了系统的鲁棒性。

从处理器012通过相电流检测模块026获取电机转速信息，其中，相电流检测模块026即为转速获取单元，包括相电流传感器和相电流过零检测电路。从处理器012通过采集逆变器07的相电流，从而获取电机转速信息。

以上描述的各个实施例之间相同或相似的部分可相互参考。本申请中的“多个”若无特殊说明，指两个或两个以上，或“至少两个”。本申请中的“A/B”包括三种情况：“A”、“B”和“A和B”。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本申请提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本申请的一些具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此。