FPGA在电动汽车电机控制器中的应用

2024年1月17日发(作者：东风风行7座suv图片)

第４９卷　第１１期　　　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　机　电　工　程　技　术　Ｖｏｌ?４９　Ｎｏ?１１　ＤＯＩ１０?３９６９／ｊ?ｉｓｓｎ?１００９－９４９２?２０２０?１１?０７０：．ＦＰＧＡ在１１）梁文远，易晨电动汽车电机控制器中的应用［Ｊ］．机电工程技术，２０２０，４９（：２３１－２３２?ＦＰＧＡ在电动汽车电机控制器中的应用（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州　５１１４３４）动汽车电驱动系统故障时需要及时切断动力输出并进入安全状态，但由于件响应速率较低，需要用实现这个功能。重点ＭＣＵ软ＦＰＧＡ来摘要：电描述别采样高压电池、三相电流、电机温度等关键信号，并发生号驱动时与持高速通信，应用速并行处ＦＰＧＡ分ＰＷＭ信ＩＧＢＴ，同ＭＣＵ保ＦＰＧＡ高在控制电驱动系统进入安全状态。实践表明，基于系统符合汽车电机控制器功能安理数据的能力，当系统故障时ＦＰＧＡ可１００ｎｓ内ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ的全级。ＡＳＩＬＤ等机控制器；功能安全关键词：ＦＰＧＡ；ＭＣＵ；电中图分类号：Ｕ４６９?７２　　　　文献标志码：Ａ　　　　文章编号：１００９－９４９２（２０２０）１１－０２３１－０２ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦＰＧＡｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＩｎｖｅｒｔｅｒＬｉａｎｇＷｅｎｙｕａｎ梁文远，易　晨ＡｂｓｔｒａｃｔＩｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃｕｔｏｆｆｔｈｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｉｎｔｉｍｅａｎｄｅｎｔｅｒｔｈｅｓａｆｅｓｔａｔｅｗｈｅｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｆａｉｌｓｈｏｗｅｖｅｒｄｕｅｔｏｔｈｅｌｏｗｒｅｓｐｏｎｓｅｒａｔｅｏｆＭＣＵｓｏｆｔｗａｒｅＦＰＧＡｉｓｎｅｅｄｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎ?ＩｔｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈａｔＦＰＧＡｓａｍｐｌｉｎｇｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｂａｔｔｅｒｙｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔｍｏｔｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｏｔｈｅｒｋｅｙｓｉｇｎａｌｓａｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｎｇＰＷＭｓｉｇｎａｌｔｏｄｒｉｖｅＩＧＢＴｋｅｅｐｉｎｇｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈＭＣＵａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦＰＧＡｉｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｐａｒａｌｌｅｌｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｗｈｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆａｉｌｓｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｎｔｅｒｓａｆｅｓｔａｔｅｗｉｔｈｉｎ１００ｎｓ?ＴｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＭＣＵ＋ＦＰＧＡａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈＡＳＩＬＤｌｅｖｅｌ．ＫｅｙｗｏｒｄｓＦＰＧＡＭＣＵｉｎｖｅｒｔｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙ：（ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＧｒｏｕｐＣｏ?，Ｌｔｄ?，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１１４３４，Ｃｈｉｎａ），，，，，，，，，ＹｉＣｈｅｎ，，：；；；０　为了保护环境，为了符合汽车尾气的排放要求，近年来国家大力扶持新能源汽车产业，在国家政策的刺激下，电动汽车得到了蓬勃发展，其安全性也越来越被重视。电驱动系统作为电动汽车的核心部件，集高电压、大电流、高转速于一体，如何降低故障概率和故障后如何保障人车安全是功能安全的核心课题。随着ＩＳＯ２６２６２［］（道路车辆功能安全标［］（道路车辆功能安ＧＢ／Ｔ３４５９０准）在国内的不断普及和全）的实施，越来越多的国际主流车厂和零部件厂商强制要求电机控制器按照功能安全的标准来开发。统已不能满足功能安全的需求，ＭＣＵ传统的单核ＭＣＵ系逐渐向双核和多核发展，例如宝马田雅阁混动、特斯Ｘ１、本均是多核统，该系统应用额外的核去做ｍｏｄｅｌ３等ＭＣＵ系拉功能安全冗余校验计算，但软件响应速度慢的缺点依然存在，故障响应时间会偏长，需要用额外的集成电路）或者ＡＳＩＣ（分立器件来弥补。相比ＭＣＵ，ＦＰＧＡ并行计算效率更高，计算速度更快，功耗和延时更低。相比被固化不能修改的根ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ可据不同场景重新编程，灵活性高、开发周期短、小批量成本低，能更快地应对市场需求变化。已被广泛应用于无刷直流［］、步［］和［］中进电机控制永磁同步电机控制，电机控制［］、电［］、速［］均空间矢量控制流闭环控制度闭环控制可用现。国外众多汽车厂家逐渐将植到电机控制ＦＰＧＡ实ＦＰＧＡ移分算法，减少了器中，作为安全冗余监控，分担ＭＣＵ部１２３４５－６５６７引言的负载率，增强了系统的安全性，表示为汽车１所４家企业在电（混）动汽车电机控制器中应用情况。由ＦＰＧＡ的表可见，对于电机控制器中的应用，欧美车企是走ＦＰＧＡ在然是国产电动车，但电机控制器在前列的，东风启辰Ｄ６０虽却是欧洲厂家供货，国内的电机控制器厂家，包括主机厂和零部件供应商，均鲜见踪影，但优势是不ＦＰＧＡ的ＦＰＧＡ的言而喻的，本文将详细描述电机控制器中的应用情ＦＰＧＡ在况，包括高压采样、三相电流采样、温度采样、发生ＰＷＭ［］，当信号驱动及信等。它与同工作ＩＧＢＴ以ＳＰＩ通ＭＣＵ协出现过电流、过电压、过温度等异常情况导致电机失控时，先于测到异常信号，控制电驱动系统进入安ＦＰＧＡ会ＭＣＵ检全状态，同时通过线通知前的故障状态，ＭＣＵＳＰＩ总ＭＣＵ当再把车辆状态上报给整车控制器）。ＶＣＵ（ＭＣＵ８表企在电机控制器中应用情况１　４车ＦＰＧＡ的品牌车型应用情况ＭｏｄｅｌＸＭＣＵ＋ＦＰＧＡ双单核特斯拉ＭｏｄｅｌＳ／Ｐ８５Ｄ单核ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ宝马单核ｉ３ＭＣＵ＋ＦＰＧＡｅ－ＧｏｌｆＭＣＵ＋ＦＰＧＡ大众单核东风启辰双核Ｄ６０ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ１　安全冗余监控　收稿日期：２０２０－０７－１０［］，以安全冗余监控是功能安全常用的方法之一扭矩安９·２３１·

２０２０年１１月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机电工程技术　　ＦＰＧＡ　　　　　　　　　　　　　　　　　　第４９卷　第１１期全为例，需要做冗余监控的信号包括三相电流、母线电压、电机度、ＩＧＢＴ失效、传感器电压等。这些信号通过／ＩＧＢＴ温外置样后进入图示。其中ＡＤＣ采ＦＰＧＡ，如１所ＩＧＢＴＤｒｉｖｅｒ属于略，下面将会详细描述，在此先介绍ＳＶＰＷＭ策ＡＤＣ采样和误信号处理部分。ＩＧＢＴ错图全冗余监控信号１　安１?１　ＡＤＣ数据处理如图示，ＡＤＣ数据进入，先做偏置计算，２所ＦＰＧＡ后还原信号的真实值，然后与参考值做比较，判断有没有异常，超出范围则控制电机进入安全模式（主动短路或者关闭ＩＧＢＴ驱动，根据电机转速而定），没异常则执行正常操作。一般不采样旋转变压器信号，电机速度通过线从ＳＰＩ总得。如果线故障时，ＦＰＧＡ可通过电流周期计ＭＣＵ获ＳＰＩ总算电机转速，如图示。４所为了抑制电流纹波干扰，电流过零点采用小幅度滞设极对数为到的电流周期为回，滞回值是±Ａ，假Ｐ，测单位是，则转速单位是根据下式Ｔ（ｓ）Ｎ（ｒ／ｍｉｎ）可计算：（Ｎ＝（１／ＴＰ）×６０１）为了增强电流周期采样的鲁棒性，ＦＰＧＡ需同时采样Ｕ、相电流的周期，且满足以下关系式：Ｖ、Ｗ三（０?７５Ｔ＜Ｔ＜１?２５Ｔ２）（０?７５Ｔ＜Ｔ＜１?２５Ｔ３）（０?７５Ｔ＜Ｔ＜１?２５Ｔ４）只要（一成立，ＦＰＧＡ就会返回正确的２）（３）（４）之电机速度。ｍｐＶＵＶＷＵＶＷＵＷ２　图２　１?２　ＩＧＢＴＡＤＣ数据处理流程图１０错误信号处理［］，动电路本身带有较为完善的错误保护机制ＩＢＧＴ驱到回的错误信号时，需要判断该信号是正常ＦＰＧＡ收ＩＧＢＴ返触发还是误触发，通常的做法是设置延时滤波时间，如图３所示。驱动信号包括正常驱动模式和安全模式，正常驱动过线协作完成，安全模式下，模式下，ＭＣＵ与ＦＰＧＡ通ＳＰＩ总为了保证时效性，则由独完成。ＦＰＧＡ单常驱动模式２?１　正系统的算在实现，计算出占空比通过ＦＯＣ运ＭＣＵ中ＳＰＩ总线发给据占空比产生号驱动ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ根ＰＷＭ信ＩＧＢＴ，如５所ＦＯＣ运４个图示，ＭＣＵ完成算后，把占空比和式过线发组合开关信号的作用时间（７段ＳＶＰＷＭ）通ＳＰＩ总给析出补的波信号，ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ解７段ＨＳ和ＬＳ互ＰＷＭ方临时存储起来。ＩＧＢＴ产生动信号ＩＧＢＴ驱图３　ＩＧＢＴＩＧＢＴ错误信号延时滤波图生常驱动信号５　产ＩＧＢＴ正输入信号高电平时表示常，信号经同步化ＩＧＢＴ异后，在上升沿时启动计数器，高电平期间做累加计数，当计错误信号如果还是高电平，则认为是Ｔ时ＩＧＢＴ的数值达到真实的错误信号，执行错误锁存。延时滤波可以滤除脉宽比Ｔ小Ｔ和Ｔ）的高脉冲信号（如图中的，防止误触发。１?３　电机转速监控为从ＦＰＧＡ作ＭＣＵ的器件，主要功能是实现安全监控和快速关断，考虑到器件成本，一般选择中低密度逻辑门的器件，所以要避免复杂的ＦＰＧＡ需浮点运算。因此设计时　图取电流周期４　ＦＰＧＡ获３３１２为了产生带死区时间ＤＴ的ＨＳ和ＬＳ，ＦＰＧＡ在ＨＳ和ＬＳ每个的上升沿都延时ＤＴ再输出即可插入死区时［］，ＶＨＤＬ源间码如图示。调整整型６所变量值即可改变ＤＴ的死区时间，本系统是开辟了一个　　图在ＦＰＧＡ里６　插入死区时间源码过寄存器，ＭＣＵ通ＳＰＩ总线配置死区时间，如果线故障则保持最近一次配置ＳＰＩ总值，断电恢复默认值。１１·２３２·（下转第）２４２页

２０２０１１月　　年　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　机电工程技术　　　　　　　　　　　　　　　　　　４９卷　第１１期第参考文献：［［１］．浅Ｊ］．仪栾好丽谈烟气连续排放监测系统的维护器仪表，：２０１６（４）３３－３５．用户［［２］．烟Ｊ］．江唐健民气连续排放监测系统日常维护的探讨苏，：２０１７（１９）４６－４８．科技信息［［Ｊ］３］罗．浅．自琰谈烟气连续排放监测系统的维护动化应用，：２０１８（４）３３－３５．［（ＳＯ、）排４］ＨＪＴ７６－２０１７．固ＮＯ、定污染源烟气颗粒物放连［Ｓ］．续监测系统技术要求及检测方法［［Ｊ］５］．提ＣＥＭＳ烟．能徐洵高气分析系统稳定性的建议源与２ｘ，：２０１９（３）６８－７０．环境［［６］．烟Ｊ］．汪太鹏气排放连续监测系统现状与存在问题分析，：２０１９（１２）１２５－１２８．环境与发展［［７］．固Ｊ］．梅昌利定污染源烟气排放连续监测系统问题探讨，：２０１９（３）１６４－１６５．工程建设与设计［，，８］．烟丁敏慕军郑智群气连续排放监测系统的日常维护及故障分析国环保产业［，：Ｊ］．中２０１８（２）４９－５３．莎莎（，女，大学本科，助理工程师，１９９０－）作者简介：梁研究领域为火电厂热控维护，设备管理。（编辑：王智圣）安全设计中，应用模式是十分有效的，ＭＣＵＭＣＵ＋ＦＰＧＡ的拥有丰富的外设资源和高效的浮点运算能力，ＦＰＧＡ拥有大ＭＣＵ量的逻辑资源，在效率、功耗、性能、速度等方面弥补的短处，在功能安全设计中发挥了重要的作用。虽然分立器件和能实现功能，但设计臃肿，体积大，ＡＳＩＣ也ＦＰＧＡ的ＰＣＢ需要大量布线，灵活性低，功能变更时需要重新设计电以高度的灵活性在汽车行业得到广泛的应用。路。ＦＰＧＡ则参考文献：［１］ＩＳＯ２６２６２：２０１１．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ．ＲｏａｄｖｅｈｉｃｌｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＳａｆｅｔｙ［Ｓ］．２］．道［：ＧＢ／中国国家标准化管理委员会路车辆功能安全：，Ｔ３４５９０－２０１７［Ｓ］．北２０１７．京中国标准出版社［，徐林聪今强于无刷直流电机控制器设计３］．基ＦＰＧＡ的［，：Ｊ］．现２０１７，４０（１９）１５０－１５２．代电子技术４］．基ＦＰＧＡ的刘涛张大鹏于微控制器和高可靠步进电机控［，［，：制器设计Ｊ］．计２０１４，２２（４）１１４５－１１４７．算机测量与控制［５］．基ＦＰＧＡ的吴俊于永磁同步电机矢量控制系统的研究Ｄ］．杭２０１２．［：，州浙江大学苏玲宏于高性能永磁同步电机电流控制器研６］．基ＦＰＧＡ的［Ｄ］．武２０１４．［：，汉华中科技大学究７］．基ＦＰＧＡ的［，，齐晶晶黄彩霞黄利斌于电机控制器的设计［，：Ｊ］．信２０１６（８）５６－５８．息技术［张昊于核架构的电动机控制系统设计８］．基ＤＳＰ和ＦＰＧＡ双［，：Ｊ］．电２０１４，３３（２２）１０４－１０７．气应用９］．基［王炜于功能安全的电动汽车整车控制器开发与实现［：，Ｄ］．长２０１８．沙湖南大学［［Ｄ］：华姚文海动技术研究汉中科技大１０］．ＩＧＢＴ驱．武，２０１４．学［，１１］．基ＣＰＬＤ精ＰＷＭ死孟雍祥吴清收于确控制区时间的实现［ＥＢ／ＯＬ］．２０１７．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｏｃ８８．ｃｏｍ／ｐ－４８７３５６４１３７［，１２］．永段立华李素文磁同步电机控制器电控系统功能安全开发［，Ｃ］／／中２０１６．技术研究国汽车工程学会年会论文集黄步甲于海生刘野动汽车电机系统三相主动短路１３］．电［，，分析及应用车电气Ｊ］．汽２０１８（１２）１－３．［，：１９８３－）第一作者简介：梁文远（，男，硕士，研究领域为新能源汽车功率电子硬件设计。（编辑：王智圣）０９７．ｈｔｍｌ２３２页（上接第）２?２　安全模式根据电机控制器系统功能安全需求，发生严重故障时应［］。切切断动力输出，同时进入安全状态断动力输出有两种ＦｒｅｅＷｈｅｅｌ和ＡＳＣ，改ＩＧＢＴ的变开关状态可在方式，分别是这两种模式之间切换，如表示。２所１２２　安表全模式开关状态ＨＳＩＧＢＴＯＦＦＯＮＯＦＦＬＳＩＧＢＴＯＦＦＯＦＦＯＮＦｒｅｅＷｈｅｅｌＨＳＡＳＣＬＳＡＳＣ本文的安全策略是故障瞬间如果电机的速度高于某一阈为连接到高压电池正极，所以值则执行ＡＳＣ，因ＨＳ端ＬＳ先执行，当障时才会执行ＡＳＣ优ＬＳ端ＩＧＢＴ故ＨＳＡＳＣ，当ＡＳＣ执行了预定的最小时间且电机转速降到设定的速率后再［］ＦｒｅｅＷｈｅｅｌ。切换到１３３　ＳＰＩ通过线与行全双工通信，总线速率ＳＰＩ总ＭＣＵ进１０Ｍｂｉｔ／ｓ，帧２５６ｂｉｔ，互长度为主从器件，收发时钟线独立，图示为时序图。７所ＦＰＧＡ通信图７　ＳＰＩＳＰＩ时序传输的数据包括三相电流、母线电压、ＰＷＭ驱动、电机速度、温度等信息，总线校验用法，拥有完善的ＣＲＣ算防错机制，如果出现通信丢失，ＦＰＧＡ会控制电机系统进入安全模式。４　ＦＰＧＡ相ＭＣＵ的本文简单描述了对优势，列举了国内外ＦＰＧＡ的汽车厂家在电动汽车电机控制器中应用概况，详细介绍了电机控制中的应用。说明在电机控制器功能ＦＰＧＡ在结束语２４２··