基于FPGA的車載電機(jī)控制器故障保護(hù)機(jī)制的研究

秦輝

合肥工業(yè)大學(xué)微電子學(xué)院，安徽合肥，230002

0 引言

汽車行業(yè)是碳排放的主要源頭之一，近幾年，國(guó)家在政策上積極推進(jìn)新能源汽車尤其是電動(dòng)汽車的發(fā)展，目的是減少燃油車的數(shù)量，進(jìn)而減少對(duì)化石燃料的使用，減少碳排放[1]。新能源汽車的主要核心部件為電池、電機(jī)和電機(jī)控制器。電機(jī)控制器是連接電池和電機(jī)的關(guān)鍵部件，高安全性的電機(jī)控制器對(duì)新能源汽車的安全性至關(guān)重要。傳統(tǒng)新能源電機(jī)控制器采用數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）作為控制核心，隨著對(duì)電機(jī)控制要求的提高，控制算法越加復(fù)雜，尤其是功能安全需求的提出，使得采用DSP為核心的電機(jī)控制出現(xiàn)負(fù)載率過(guò)高和部分保護(hù)功能處理時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。針對(duì)類似情況，許多電機(jī)控制器廠家漸漸將現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）引入電機(jī)控制系統(tǒng)，以提升電機(jī)控制器系統(tǒng)的運(yùn)算速度和提高系統(tǒng)安全性能[2-3]。

運(yùn)行中的電機(jī)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，需要根據(jù)故障的不同類型，采取不同故障保護(hù)方式，實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器在出現(xiàn)故障的情況下整車運(yùn)行進(jìn)入安全模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)安全停車。新能源電動(dòng)汽車的安全模式分為兩大類：一類為驅(qū)動(dòng)封波模式（Freewheeling模式），即驅(qū)動(dòng)逆變單元的六個(gè)橋臂全部關(guān)閉，防止在出現(xiàn)故障時(shí)產(chǎn)生未知大扭矩，加重整車損害；另一類為主動(dòng)短路模式（Active Short Circuit，ASC），主動(dòng)短路模式分為上主動(dòng)短路和下主動(dòng)短路，上主動(dòng)短路模式指三相上半橋臂的IGBT全開(kāi)通，三相下半橋臂的IGBT全關(guān)斷，下主動(dòng)短路模式指三相下半橋臂的IGBT全開(kāi)通，三相上半橋臂的IGBT全關(guān)斷[4]。

本文主要研究基于DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)在電機(jī)控制器出現(xiàn)故障的情況下，整車進(jìn)入安全模式的實(shí)現(xiàn)方法，最后利用臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證了基于FPGA開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制系統(tǒng)故障保護(hù)的性能。

1 系統(tǒng)框圖及功能實(shí)現(xiàn)流程

基于FPGA構(gòu)成的電機(jī)控制器故障處理單元，如圖1所示。FPGA故障處理單元通過(guò)SPI通信實(shí)現(xiàn)與控制單元進(jìn)行信息交互?？刂茊卧ㄟ^(guò)SPI通信向FPGA故障處理單元配置驅(qū)動(dòng)PWM波形死區(qū)時(shí)間，用于設(shè)置逆變驅(qū)動(dòng)單元死區(qū)時(shí)間，在確保逆變驅(qū)動(dòng)單元在正常工作的同時(shí)，避免出現(xiàn)上下橋臂直通的概率，提供系統(tǒng)穩(wěn)定性；FPGA故障處理單元通過(guò)SPI通信向控制單元上傳FPGA軟件版本號(hào)、故障信息和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)等信息，便于控制單元了解FPGA故障處理單元的工作狀態(tài)及系統(tǒng)整體的故障類型及處理機(jī)制。FPGA故障處理單元接收來(lái)自控制單元的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并根據(jù)SPI通信接收的死區(qū)時(shí)間，對(duì)收到的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，并將調(diào)理后的六路驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸?shù)侥孀凃?qū)動(dòng)單元，控制IGBT模塊工作。信號(hào)濾波模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)和故障復(fù)位信號(hào)的接收和處理功能，其處理后的故障信號(hào)（故障信號(hào)標(biāo)注位）用于控制六路驅(qū)動(dòng)波形輸出狀態(tài)。時(shí)鐘監(jiān)控模塊用于接收外部時(shí)鐘和判斷外部時(shí)鐘是否滿足要求。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1.1 時(shí)鐘監(jiān)控模塊

時(shí)鐘監(jiān)控模塊用于生成內(nèi)部時(shí)鐘和監(jiān)控外部輸入時(shí)鐘。檢測(cè)外部輸入時(shí)鐘的頻率是否滿足設(shè)計(jì)要求，當(dāng)外部輸入時(shí)鐘符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，以外部輸入時(shí)鐘為FPGA故障處理單元的參考時(shí)鐘，否則切換為FPGA內(nèi)部時(shí)鐘。FPGA內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)頻率為3.9～5.3MHz參考時(shí)鐘信號(hào)，用于監(jiān)控外部輸入時(shí)鐘，當(dāng)外部時(shí)鐘信號(hào)處于合理范圍內(nèi)（4.5～5.5MHz，可配置）時(shí)，使用外部時(shí)鐘信號(hào)；當(dāng)外部時(shí)鐘信號(hào)不處于合理范圍內(nèi)時(shí)，則使用FPGA內(nèi)部時(shí)鐘頻率作為FPGA故障處理單元的運(yùn)行時(shí)鐘，同時(shí)鎖存時(shí)鐘故障指示信號(hào)。即FPGA內(nèi)部時(shí)鐘使能信號(hào)oscen高電平時(shí)，系統(tǒng)使用FPGA內(nèi)部時(shí)鐘；FPGA內(nèi)部時(shí)鐘使能信號(hào)oscen低電平時(shí)，系統(tǒng)使用輸出外部時(shí)鐘。

時(shí)鐘監(jiān)控模塊功能流程如圖2所示。當(dāng)握手信號(hào)有效后，進(jìn)入時(shí)鐘監(jiān)控功能。先對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻處理，通過(guò)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)的邊沿跳變方式，檢測(cè)分頻后PWM信號(hào)的高電平（低電平）長(zhǎng)度，當(dāng)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)邊沿跳變的次數(shù)在設(shè)定閾值范圍內(nèi)時(shí)，則認(rèn)為外部時(shí)鐘滿足使用要求，采用外部時(shí)鐘作為FPGA故障處理單元運(yùn)作時(shí)鐘；反之，采用內(nèi)部時(shí)鐘作為FPGA故障處理單元的運(yùn)作時(shí)鐘。

圖2 時(shí)鐘監(jiān)控模塊功能流程圖

1.2 SPI通信模塊

首先對(duì)SPI通信片選信號(hào)CS進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)CS為低電平時(shí)，標(biāo)志位CS_N_Flag置1，CS為高電平時(shí)，標(biāo)志位CS_P_Flag置1；當(dāng)CS_A_Flag為1后開(kāi)始檢測(cè)通信，CLK高電平后第二個(gè)全局時(shí)鐘開(kāi)始發(fā)送MRST，由高位至低位發(fā)送數(shù)據(jù)，CLK低電平后第二個(gè)全局時(shí)鐘開(kāi)始接收MTSR。SPI通信為32位、500kHz。在片選信號(hào)CS邊沿跳變判斷通信故障，若通信數(shù)據(jù)≥1且＜32位，則SPI通信故障信號(hào)SPI_Err輸出低電平，反之輸出高電平，并在下一次片選信號(hào)有效且第一個(gè)通信時(shí)鐘有效時(shí)清除故障，重新進(jìn)行判斷，如圖3所示。

圖3 SPI 通信模塊功能流程圖

1.3 信號(hào)濾波處理模塊

信號(hào)濾波處理模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行防抖濾波處理。當(dāng)檢測(cè)到類似過(guò)流故障信號(hào)和過(guò)壓故障信號(hào)之類的故障信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA軟件會(huì)執(zhí)行“故障信號(hào)處理”流程，如圖4所示，在時(shí)鐘下降沿時(shí)刻，判斷所接收到的信號(hào)電平，當(dāng)電平為故障電平時(shí)，對(duì)故障電平進(jìn)行延遲濾波處理，若延遲濾波處理期間，檢測(cè)到的信號(hào)的電平均為故障電平，則判斷為真實(shí)故障，將故障標(biāo)志位置位，并鎖存故障信息；僅當(dāng)檢測(cè)到故障復(fù)位信號(hào)或故障清零信號(hào)后，解除故障信息的鎖存，對(duì)應(yīng)的故障標(biāo)志位置低。

圖4 故障信號(hào)檢測(cè)流程圖

在信號(hào)濾波處理模塊檢測(cè)到為非故障信號(hào)時(shí)，執(zhí)行“其他信號(hào)處理流程”，如圖5所示。信號(hào)濾波處理模塊對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行有效電平判斷，當(dāng)檢測(cè)到的為有效電平后，對(duì)有效電平進(jìn)行延遲濾波處理，若在延遲濾波處理期間，信號(hào)電平均為有效電平，位置對(duì)應(yīng)信號(hào)標(biāo)志位，反之，則標(biāo)志信號(hào)無(wú)效，信號(hào)標(biāo)志位置低。

圖5 其他信號(hào)檢測(cè)流程圖

1.4 驅(qū)動(dòng)調(diào)制模塊

驅(qū)動(dòng)調(diào)制模塊用于對(duì)控制單元發(fā)出的IGBT模塊的六路驅(qū)動(dòng)波形增加相匹配的死區(qū)時(shí)間，防止IGBT模塊在工作過(guò)程中出現(xiàn)上下橋臂直通，此模塊主要執(zhí)行死區(qū)保護(hù)功能，如圖6所示。當(dāng)標(biāo)志位CS_A_Flag和CS_P_Flag同時(shí)為1時(shí)，啟動(dòng)死區(qū)時(shí)間處理，F(xiàn)PGA程序默認(rèn)最小死區(qū)時(shí)間為1.5us，控制單元通過(guò)SPI通信設(shè)定系統(tǒng)執(zhí)行的死區(qū)時(shí)間，若控制單元設(shè)定的死區(qū)時(shí)間小于1.5us，則系統(tǒng)實(shí)際執(zhí)行的死區(qū)時(shí)間為1.5us；若控制單元設(shè)定的死區(qū)時(shí)間大于1.5us，則系統(tǒng)實(shí)際執(zhí)行的死區(qū)時(shí)間為控制單元設(shè)定的死區(qū)時(shí)間。

圖6 U 相PWM 調(diào)整流程圖

1.5 基于FPGA的安全保護(hù)機(jī)制

驅(qū)動(dòng)逆變單元的六路PWM控制信號(hào)為經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)調(diào)理模塊進(jìn)行死區(qū)限制的驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)。M0、M1用來(lái)表示驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)SPI通信傳輸給控制單元。定義三相電流過(guò)流故障、上橋臂短路故障、下橋臂短路故障、上橋臂欠壓故障、下橋臂欠壓故障低電平有效，母線過(guò)壓故障高電平有效，用于信號(hào)濾波處理模塊對(duì)故障信號(hào)電平的判斷。握手信號(hào)有效之前FPGA進(jìn)入全關(guān)斷；即，F(xiàn)PGA在握手信號(hào)有效之前，不響應(yīng)控制單元的指令，不執(zhí)行故障處理機(jī)制。當(dāng)握手信號(hào)由低電平跳變?yōu)楦唠娖角页掷m(xù)一定時(shí)間有效。FPGA故障處理單元開(kāi)始檢測(cè)故障信號(hào)電平，在檢測(cè)到有效的故障信號(hào)電平后，對(duì)檢測(cè)到的故障信號(hào)的有效電平進(jìn)行濾波處理，并將相應(yīng)的故障標(biāo)志信號(hào)置位，然后驅(qū)動(dòng)調(diào)理模塊根據(jù)故障標(biāo)志位信號(hào)的不同輸出不同的PWM波形，使電機(jī)控制器系統(tǒng)進(jìn)入不同的安全模式，如圖7所示。

圖7 FPGA 故障保護(hù)流程圖

2 功能驗(yàn)證測(cè)試

基于系統(tǒng)的功能需求，針對(duì)FPGA單元功能特性開(kāi)展故障注入測(cè)試，驗(yàn)證在控制器單體和整機(jī)臺(tái)架測(cè)試兩種測(cè)試環(huán)境下故障保護(hù)機(jī)制設(shè)置的合理性及故障保護(hù)的時(shí)效性。

2.1 控制器單板功能驗(yàn)證

基于開(kāi)發(fā)功能驗(yàn)證流程，在單控制板狀態(tài)下對(duì)FPGA故障處理單元的保護(hù)功能特性進(jìn)行故障注入測(cè)試。驗(yàn)證在不同故障發(fā)生時(shí)，F(xiàn)PGA處理單元輸出的六路驅(qū)動(dòng)波形情況，進(jìn)而判斷系統(tǒng)進(jìn)入何種故障安全保護(hù)模式，檢驗(yàn)FPGA故障處理單元功能狀態(tài)的同時(shí)，關(guān)注不同模塊的處理時(shí)間以及整個(gè)FPGA故障處理單元的動(dòng)作之間是否符合設(shè)計(jì)需求。為了盡可能地模擬正常運(yùn)行狀態(tài)下電機(jī)控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，確?？刂破飨到y(tǒng)處于強(qiáng)制開(kāi)關(guān)管狀態(tài)，即逆變驅(qū)動(dòng)單元在軟件的控制下處于工作狀態(tài)。通過(guò)向FPGA故障處理單元故障檢測(cè)引腳施加不同的電平，模擬FPGA故障處理單元接收故障信號(hào)，同時(shí)通過(guò)示波器監(jiān)控FPGA故障處理單元任意一種驅(qū)動(dòng)波形的狀態(tài)，觀察故障注入后驅(qū)動(dòng)波形的輸出情況，如圖8和圖9所示。

圖8 高速狀態(tài)下故障模式測(cè)試圖

圖9 低速狀態(tài)下故障模式測(cè)試圖

不同故障注入，系統(tǒng)的保護(hù)機(jī)制如表1所示。

表1 單板系統(tǒng)故障注入測(cè)試統(tǒng)計(jì)

通過(guò)電機(jī)控制器單體故障注入測(cè)試結(jié)果可知，在不同類型的故障注入時(shí)，逆變驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)入相應(yīng)故障安全狀態(tài)，且故障保護(hù)邏輯滿足FPGA故障處理單元設(shè)計(jì)要求。

2.2 控制器整機(jī)臺(tái)架性能驗(yàn)證

在測(cè)功機(jī)臺(tái)架上進(jìn)入故障注入測(cè)試。根據(jù)項(xiàng)目電機(jī)功率，要求測(cè)功機(jī)功率大于250kW，驗(yàn)證電機(jī)控制器系統(tǒng)在滿功率運(yùn)行工況下，分別出現(xiàn)三相過(guò)流、母線過(guò)壓、上橋驅(qū)動(dòng)類故障和下橋驅(qū)動(dòng)類故障時(shí)，系統(tǒng)對(duì)應(yīng)采取的保護(hù)工作狀態(tài)。依據(jù)測(cè)試結(jié)果，判斷FPGA故障處理單元的故障處理機(jī)制是否滿足安全保護(hù)要求。

依據(jù)不同故障類型的產(chǎn)生的機(jī)理，在測(cè)功機(jī)臺(tái)架模擬不同故障觸發(fā)情況，通過(guò)示波器監(jiān)控對(duì)應(yīng)信號(hào)情況和軟件上位機(jī)監(jiān)控上報(bào)的故障類型，如圖10和圖11所示，分別表示在低速和高速工況下系統(tǒng)對(duì)過(guò)流故障采取的保護(hù)策略。

圖10 2000rpm 轉(zhuǎn)速下，觸發(fā)過(guò)流故障，逆變驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)入Freewheeling 模式

圖11 4000rpm 轉(zhuǎn)速下，觸發(fā)過(guò)流故障，逆變驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)入下橋ASC 狀態(tài)

臺(tái)架故障模擬測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)功機(jī)臺(tái)架系統(tǒng)故障注入測(cè)試統(tǒng)計(jì)

根據(jù)測(cè)功機(jī)臺(tái)架測(cè)試結(jié)果可知，系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠進(jìn)入相應(yīng)的安全保護(hù)模式，滿足FPGA功能設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

目前新能源電動(dòng)汽車處于發(fā)展高速期，汽車的安全保護(hù)問(wèn)題是當(dāng)今新能源汽車發(fā)展的重點(diǎn)研究課題。采用DSP+FPGA模式電機(jī)控制器系統(tǒng)保護(hù)方案逐漸成為主流，此方案不僅解決了DSP運(yùn)行空間不足問(wèn)題，而且使用FPGA構(gòu)成的故障處理單元也提高了控制器系統(tǒng)的集成程度，減少分立元器件使用，優(yōu)化BOM清單。同時(shí)，基于FPGA構(gòu)建的故障保護(hù)機(jī)制在實(shí)現(xiàn)各類故障保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可配置的同時(shí)，也有效地規(guī)避系統(tǒng)保護(hù)測(cè)試對(duì)DSP的依賴程度，防止DSP“跑飛”時(shí)保護(hù)策略無(wú)法正常執(zhí)行，也為后期構(gòu)建電機(jī)控制器整體功能安全方案做準(zhǔn)備。當(dāng)然如何能夠更好地發(fā)揮FPGA在電機(jī)控制器系統(tǒng)中的重要作用，需要匹配不同電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試以及搭載整車運(yùn)行工況制定合理的控制保護(hù)策略。