CN113671930B - 一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统及方法，包括驱动故障检测单元、复位逻辑单元、驱动故障判断单元和前馈补偿策略单元。方法：驱动故障检测单元进行第一级硬件驱动故障检测和第二级总故障检测；复位逻辑单元根据故障检测结果进行复位工作；驱动故障判断单元工作实现故障判断；前馈补偿策略单元进行电流环前馈补偿控制及扭矩前馈补偿控制。上述技术方案提升硬件驱动故障检测可靠性,通过容错复位的策略，避免因误检故障导致的电驱系统故障，致使车辆动力丢失问题，解决了故障容错复位后，永磁同步电机在较高转速下驱动控制器直接打开功率管，电压阶跃导致的瞬时过流问题，并且提高了故障容错复位过程中的动力平顺性。

Description

一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统及方法

技术领域

本发明涉及驱动故障检测技术领域，尤其涉及一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统及方法。

背景技术

随着新能源汽车的技术上的快速发展，新能源汽车的驾驶安全日益受到关注。电驱系统作为新能源汽车提供动力的核心零部件，电机控制单元MCU的故障检测系统实时监控着电机、驱动电路、温度检测等不同单元的工作状态。

有资料显示，驱动电路控制的功率管作为逆变控制器的核心零部件，需要及时检测到其是否出现故障，避免在有故障的情况下继续控制打开功率管，造成二次损坏。同时，可靠的故障检测方式是故障诊断中重要的组成部分，在驱动控制器的硬件故障诊断中，驱动故障作为严重故障关系到驾驶安全的重要技术问题，为达到错误检测防范和错误影响弱化的效果,,本发明即旨在解决行车中驱动故障误检的容错复位控制策略。

中国专利文献CN102539893B公开了一种“整车控制器输出驱动负载的故障检测方法及整车控制器”。采用了方法包括：诊断接口电路接收CPU发送的控制指令，所述控制指令包括目标驱动电路的标识以及通断指示；按照所接收到的控制指令控制所述标识对应的目标驱动电路；检测目标驱动电路对应的输出脚的当前电压值；当所检测到的当前电压值符合预设的故障条件时，对目标驱动电路进行保护处理且保存当前故障对应的故障码，同时拉低与CPU连接的错误指示端口，以指示CPU进行相应的异常处理。上述技术方案未考虑驱动故障检测误检的技术问题。

发明内容

本发明主要解决原有的技术方案未考虑驱动故障检测误检的技术问题，提供一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统及方法，提升硬件驱动故障检测可靠性,通过容错复位的策略，避免因误检故障导致的电驱系统故障，致使车辆动力丢失问题，解决了故障容错复位后，永磁同步电机在较高转速下驱动控制器直接打开功率管，电压阶跃导致的瞬时过流问题，并且提高了故障容错复位过程中的动力平顺性。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统，包括

驱动故障检测单元，用于实现第一级硬件驱动故障检测、第二级驱动故障和过流故障取并集合成的总故障检测以及第二级总故障复位的硬件电路；

复位逻辑单元，用于基于驱动故障检测单元实现两级故障检测和复位逻辑；驱动故障判断单元，用于判断确认是否为误检驱动故障，通过驱动故障误检容错复位策略避免误检驱动故障；

前馈补偿策略单元，用于进行电流环前馈补偿控制及扭矩前馈补偿控制。

作为优选，所述的驱动故障检测单元包括第一级硬件驱动故障检测电路、第二级驱动故障和过流故障取并集合成的总故障检测电路以及第二级总故障复位电路，所述第一级硬件驱动故障检测电路包括：输出信号连接MCU主芯片引脚，电路输入端硬件驱动故障引脚连接IGBT驱动芯片的故障输出引脚，电路输入端硬件驱动故障引脚与过流故障输入引脚一同接入电平转换芯片U11的B2脚和B1脚，电平转换芯片U11输出端A1脚和A2脚接收稳压在3.3V的两个故障信号，故障输出引脚与MCU主芯片相连，作为第一级硬件故障检测信号。

作为优选，所述的第二级驱动故障和过流故障取并集合成的总故障检测电路包括故障并集合成电路和故障锁存电路，所述故障并集合成电路包括：驱动故障信号和过流故障信号接入与非门逻辑电路U12C输入引脚，所述U12C两个输入引脚至少一个为0，则输出逻辑为1，输出信号经过RC滤波后，接入三极管Q5的栅极，控制三极管通断，Q5的3脚与U12B的输入端相连，连接锁存电路。

作为优选，所述的第二级总故障复位电路包括：输入信号由MCU主芯片发出，连接U12D与非门逻辑电路，控制三极管Q8的通断，当Q8开通，U12A输入端2脚为0，则输出端3拉高并输入U12B输入端5脚，5脚拉高解除锁存。

一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统工作方法，包括以下步骤：

S1驱动故障检测单元进行第一级硬件驱动故障检测和第二级总故障检测；

S2复位逻辑单元根据故障检测结果进行复位工作；

S3驱动故障判断单元工作实现故障判断；

S4前馈补偿策略单元进行电流环前馈补偿控制及扭矩前馈补偿控制。

作为优选，所述的步骤S2复位逻辑单元工作步骤包括：

S2.1输入驱动故障输入信号，MCU主芯片经过1电路检测到驱动故障输出信号，经过2电路检测到总故障信号；

S2.2先进行总故障检测，判断总故障发生后，检测是否为硬件驱动故障；

S2.3 MCU主芯片发出驱动故障复位指令进行驱动芯片复位，同时发送总故障复位指令，作用于3电路输入，进行总故障复位；

S2.4驱动故障复位和总故障复位同时进行，驱动故障复位完成后，总故障再结束复位。

作为优选，所述的步骤S3驱动故障判断单元工作步骤包括：

S3.1设定复位周期时段；

S3.2驱动故障信号有效后，总故障信号拉高MCU芯片检测到故障，MCU芯片按照复位逻辑进行两级故障同时复位；

S3.3进行驱动复位后进行驱动故障检测；

S3.4若检测到驱动故障和总故障信号均复位成功，总故障复位信号拉高结束复位；

S3.5若检测到驱动故障和总故障两级故障复位不成功，则再次进行复位，若连续经过三个驱动故障复位周期，故障仍未复位成功，判定为驱动故障，总故障复位信号拉高结束复位动作。

作为优选，所述的步骤S3.1复位周期时段包括：ΔT1:驱动故障复位信号保持时间；ΔT2:驱动故障复位完成后,故障信号检测时间；ΔT3:总故障复位信号保持时间。

作为优选，所述的步骤S4前馈补偿策略单元工作步骤包括：

S4.1驱动故障误检前实时获取记录扭矩斜率指令T_ref和电流环输出变量vd、vq；

S4.2发现驱动故障误检后，关闭功率管，并将电流环控制变量全部清零；

S4.3打开功率管，并将电流环前馈值vd_fwd、vq_fwd馈入电流环输出变量作为电流环输出的初始值，使电流环快速恢复至故障前状态。

作为优选，所述的步骤S4.1在前馈时引入前馈系数K，对前馈比例进行调节，使整个系统快速达到稳态，缩短瞬态过程时间，且避免出现超调或者瞬态过流情况。

本发明的有益效果是：提升硬件驱动故障检测可靠性,通过容错复位的策略，避免因误检故障导致的电驱系统故障，致使车辆动力丢失问题，解决了故障容错复位后，永磁同步电机在较高转速下驱动控制器直接打开功率管，电压阶跃导致的瞬时过流问题，并且提高了故障容错复位过程中的动力平顺性。

附图说明

图1是本发明的一种驱动故障检测单元电路图。

图2是本发明的一种流程图。

图3是本发明的一种复位逻辑单元复位时序图。

图4是本发明的一种驱动故障判断单元复位时序图。

图5是本发明的一种驱动故障误检容错复位测试复位成功结果图。

图6是本发明的一种驱动故障误检容错复位测试复位未成功结果图。

图7是本发明的一种前馈补偿策略单元工作步骤图。

图8是本发明的一种电机电流环控制系统框图。

图9是本发明的一种未增加前馈补偿时车辆行驶中驱动故障误检复位测试图。

图10是本发明的一种增加前馈补偿时车辆行驶中驱动故障误检复位测试图。

图11是本发明的一种总体流程框图。

图中1第一级硬件驱动故障检测电路，2第二级驱动故障和过流故障取并集合成的总故障检测电路。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统及方法，总体流程图如图11所示.

具体的层次构成模块如下：

1.驱动故障检测单元：该部分基于意法半导体的STGAP1AS驱动芯片和恩智浦的MPC5744PRM主芯片两个芯片，进行硬件驱动故障检测电路及故障复位电路的电路设计。

2.复位逻辑单元：此模块基于硬件电路，设计一种包括驱动故障和硬件总故障两级故障的检测和复位逻辑。

3.驱动故障判断单元：此模块旨在判断确认是否为误检驱动故障，通过驱动故障误检容错复位策略避免误检驱动故障。

4.前馈补偿策略单元：该部分实现在中高速打开功率管后，通过迅速补偿电流环前馈，从而避免出现打开功率管瞬时过流问题。快速恢复动力输出，增强了动力平顺性能。

针对各层次模块，做如下的具体技术阐述：

本发明硬件电路结构特点在于驱动故障和硬件总故障两级故障检测和复位逻辑电路，硬件驱动故障检测电路和复位电路设计如图1所示，具体描述如下：

1)第一级硬件故障检测电路：用于对故障信号进行电平转换处理，输出信号连接MCU主芯片引脚作为故障检测输入信号。该部分电路输入端硬件驱动故障引脚连接IGBT驱动芯片的故障输出引脚，与过流故障输入引脚一同接入电平转换芯片U11的7和6脚，输出端2和3脚得到稳压在3.3V的两个故障信号。故障输出引脚连接MCU主芯片，作为第一级硬件故障检测信号。

2)第二级硬件故障检测电路：用于对驱动故障和过流故障取并集合成总故障，并对总故障进行锁存。该部分主要包括：

故障并集合成电路：驱动故障和过流故障信号接入与非门逻辑电路U12C输入引脚，两个引脚有至少一个为0(电平拉低)，则输出逻辑为1(电平拉高)。输出信号经过RC滤波后，接入三极管Q5的栅极，控制三极管通断，Q5的3脚连接U12B的输入，连接锁存电路。

故障锁存电路：由U12B和U12A两个与非门逻辑电路组成，U12B的输出作为U12A的输入，U12A的输出作为U12B的输入，形成互锁。当出现总故障时U12B的输入端4脚拉低，5脚默认拉高，所以输出6脚拉高并输入U12A输入端1脚，U12A输入端2脚默认拉高，所以输出端3脚拉低并输入U12B输入端5脚，5脚拉低故障锁存。

3)第二级总故障复位电路：用于总故障复位，由MCU主芯片发出指令信号，驱动总故障锁存电路进行故障复位。该部分电路输入信号有MCU主芯片发出，连接U12D与非门逻辑电路，控制三极管Q8的通断，当Q8开通，U12A输入端2脚为0，则输出端3拉高并输入U12B输入端5脚，5脚拉高解除锁存，

复位逻辑单元：

该部分基于模块1的硬件电路设计,实现两级故障检测和复位逻辑.

故障检测逻辑:在所述驱动故障输入信号输入后,MCU主芯片经过1电路检测到驱动故障输出信号。经过2电路，检测到总故障信号。

复位逻辑:在所述硬件电路中，驱动故障复位指令由MCU主芯片发出，直接作用到驱动芯片上，进行驱动芯片复位。MCU主芯片发送总故障复位指令，作用于3电路输入，进行总故障复位。

本模块的两级故障检测逻辑，先进行总故障检测，判断总故障发生后，检测是否为硬件驱动故障。

本模块的两级复位逻辑，驱动故障复位和总故障复位同时进行，驱动故障复位完成后，总故障再结束复位。时序图如图3所示。

故障检测及复位信号时序图描述如下：

1)驱动芯片检测到驱动故障，驱动故障信号拉低。

2)经过硬件故障检测电路延时，总故障信号拉高。

3)驱动故障复位信号拉高，进行复位。

4)同时总故障复位信号拉低，进行总故障复位。

5)驱动故障复位信号拉低，完成驱动故障复位。

6)驱动故障复位成功。驱动故障为误检故障。

7)总故障复位成功。

总故障复位信号拉高，结束复位。

3.驱动故障判断单元

驱动故障判断模块为本发明主要实现的逻辑功能,在此模块中实现了在故障期间对第一级故障进行复位是否成功,判断故障是否为真实故障的故障检测模式。

即本发明所述的1模块的具体功能，复位时序如图4所示：

ΔT1:驱动故障复位信号保持时间。

ΔT2:驱动故障复位完成后,故障信号检测时间。

ΔT3:总故障复位信号保持时间。

驱动故障的一个复位周期为ΔT1+ΔT2，一次没有复位成功则进行第二次复位，最大复位次数为3次。硬件总故障复位保持时间ΔT3随驱动故障容错复位次数变化，最大时间为3*(ΔT1+ΔT2)，超出最大时间，确认为驱动故障。

驱动故障误检容错复位测试结果如图5、图6所示，示波器采集3个信号：

图5为驱动故障误检容错复位，在驱动故障信号有效后，总故障信号拉高MCU芯片检测到故障，MCU芯片按照复位逻辑进行两级故障同时复位，驱动芯片复位时间ΔT1结束后，延时ΔT2时间进行驱动故障检测，检测到驱动故障和总故障信号均复位成功，总故障复位信号拉高结束复位。

图6为驱动故障误检容错复位，在驱动故障信号有效后，总故障信号拉高MCU芯片检测到故障，MCU芯片按照复位逻辑进行两级故障同时复位，经过三个驱动故障复位周期，故障仍未复位成功，认为驱动故障，总故障复位信号拉高结束复位动作。

4.前馈补偿策略单元

本发明实现在以上模块实施的基础上，进行电流环前馈补偿控制及扭矩前馈补偿控制，其特征在于对整个控制系统在驱动故障误检容错复位过程中的运行状态，分为驱动故障误检前、驱动故障误检复位、驱动故障误检恢复三个阶段状态，以三个阶段状态分步骤控制实现层次模块4的功能。针对模块4，其工作步骤解释如图7所示。

驱动故障误检前：实时获取记录扭矩斜率指令T_ref和电流环输出变量vd、vq，作为故障后的前馈输入。

驱动故障误检复位：发现驱动故障误检，关闭功率管，并将电流环控制变量全部清零。进行驱动故障误检容错复位。

驱动故障误检恢复：打开功率管，并电流环前馈值vd_fwd、vq_fwd馈入电流环输出变量作为电流环输出的初始值，使电流环快速恢复至故障前状态。

在前馈时引入前馈系数K，对前馈比例进行适当调节，整个系统可以快速达到稳态，瞬态过程时间较短，且避免出现超调或者瞬态过流等问题。如图8所示，驱动故障恢复时永磁电机电流环控制系统框图。

该模块实现结果具体为：

无前馈时，复位完成后，电流经过5个周期缓慢恢复，电流恢复较慢。

增加前馈补偿，复位结束后电流迅速恢复。

该模块的扭矩前馈补偿部分,为解决行车过程中，由于驱动故障检测复位导致的动力不平顺问题。

车辆行驶中驱动故障误检复位测试如图9、图10所示：

1)图9为无前馈时，行车过程进行驱动故障误检复位，电流、转速和扭矩出现较大波动。

2)图10为增加前馈补偿时，行车过程进行驱动故障误检容错复位，电流、转速和扭矩未出现明显波动。

一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统工作方法，如图2所示，包括以下步骤：

S1驱动故障检测单元进行第一级硬件驱动故障检测和第二级总故障检测；

S2复位逻辑单元根据故障检测结果进行复位工作；

S2.1输入驱动故障输入信号，MCU主芯片经过1电路检测到驱动故障输出信号，经过2电路检测到总故障信号；

S2.2先进行总故障检测，判断总故障发生后，检测是否为硬件驱动故障；

S2.3 MCU主芯片发出驱动故障复位指令进行驱动芯片复位，同时发送总故障复位指令，作用于3电路输入，进行总故障复位；

S2.4驱动故障复位和总故障复位同时进行，驱动故障复位完成后，总故障再结束复位。

S3驱动故障判断单元工作实现故障判断；

S3.1设定复位周期时段；复位周期时段包括：ΔT1:驱动故障复位信号保持时间；ΔT2:驱动故障复位完成后,故障信号检测时间；ΔT3:总故障复位信号保持时间。

S3.2驱动故障信号有效后，总故障信号拉高MCU芯片检测到故障，MCU芯片按照复位逻辑进行两级故障同时复位；

S3.3进行驱动复位后进行驱动故障检测；

S3.4若检测到驱动故障和总故障信号均复位成功，总故障复位信号拉高结束复位；

S3.5若检测到驱动故障和总故障两级故障复位不成功，则再次进行复位，若连续经过三个驱动故障复位周期，故障仍未复位成功，判定为驱动故障，总故障复位信号拉高结束复位动作。

S4前馈补偿策略单元进行电流环前馈补偿控制及扭矩前馈补偿控制。

S4.1驱动故障误检前实时获取记录扭矩斜率指令T_ref和电流环输出变量vd、vq；在前馈时引入前馈系数K，对前馈比例进行调节，使整个系统快速达到稳态，缩短瞬态过程时间，且避免出现超调或者瞬态过流情况。

S4.2发现驱动故障误检后，关闭功率管，并将电流环控制变量全部清零；

S4.3打开功率管，并将电流环前馈值vd_fwd、vq_fwd馈入电流环输出变量作为电流环输出的初始值，使电流环快速恢复至故障前状态。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了驱动故障检测单元、复位逻辑单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (9)

1.一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统，其特征在于，包括

驱动故障检测单元，用于实现第一级硬件驱动故障检测、第二级驱动故障和过流故障取并集合成的总故障检测以及第二级总故障复位的硬件电路，驱动故障检测单元包括第一级硬件驱动故障检测电路、第二级驱动故障和过流故障取并集合成的总故障检测电路以及第二级总故障复位电路，所述第一级硬件驱动故障检测电路包括：输出信号连接MCU主芯片引脚，电路输入端硬件驱动故障引脚连接IGBT驱动芯片的故障输出引脚，电路输入端硬件驱动故障引脚与过流故障输入引脚一同接入电平转换芯片U11的B2脚和B1脚，电平转换芯片U11输出端A1脚和A2脚接收稳压在3.3V的两个故障信号，故障输出引脚与MCU主芯片相连，作为第一级硬件故障检测信号；

复位逻辑单元，用于基于驱动故障检测单元实现两级故障检测和复位逻辑；

驱动故障判断单元，用于判断确认是否为误检驱动故障，通过驱动故障误检容错复位策略避免误检驱动故障；

前馈补偿策略单元，用于进行电流环前馈补偿控制及扭矩前馈补偿控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统，其特征在于，所述第二级驱动故障和过流故障取并集合成的总故障检测电路包括故障并集合成电路和故障锁存电路，所述故障并集合成电路包括：驱动故障信号和过流故障信号接入与非门逻辑电路U12C输入引脚，所述U12C两个输入引脚至少一个为0，则输出逻辑为1，输出信号经过RC滤波后，接入三极管Q5的栅极，控制三极管通断，Q5的3脚与U12B的输入端相连，连接锁存电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统，其特征在于，所述第二级总故障复位电路包括：输入信号由MCU主芯片发出，连接U12D与非门逻辑电路，控制三极管Q8的通断，当Q8开通，U12A输入端2脚为0，则输出端3拉高并输入U12B输入端5脚，5脚拉高解除锁存。

4.一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1驱动故障检测单元进行第一级硬件驱动故障检测和第二级总故障检测；

S2复位逻辑单元根据故障检测结果进行复位工作；

S3驱动故障判断单元工作实现故障判断；

S4前馈补偿策略单元进行电流环前馈补偿控制及扭矩前馈补偿控制。

5.根据权利要求4所述的一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统工作方法，其特征在于，所述步骤S2复位逻辑单元工作步骤包括：

S2.1输入驱动故障输入信号，MCU主芯片经过1电路检测到驱动故障输出信号，经过2电路检测到总故障信号；

S2.2先进行总故障检测，判断总故障发生后，检测是否为硬件驱动故障；

S2.3 MCU主芯片发出驱动故障复位指令进行驱动芯片复位，同时发送总故障复位指令，作用于3电路输入，进行总故障复位；

S2.4驱动故障复位和总故障复位同时进行，驱动故障复位完成后，总故障再结束复位。

6.根据权利要求4所述的一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统工作方法，其特征在于，所述步骤S3驱动故障判断单元工作步骤包括：

S3.1设定复位周期时段；

S3.2驱动故障信号有效后，总故障信号拉高MCU芯片检测到故障，MCU芯片按照复位逻辑进行两级故障同时复位；

S3.3进行驱动复位后进行驱动故障检测；

S3.4若检测到驱动故障和总故障信号均复位成功，总故障复位信号拉高结束复位；

S3.5若检测到驱动故障和总故障两级故障复位不成功，则再次进行复位，若连续经过三个驱动故障复位周期，故障仍未复位成功，判定为驱动故障，总故障复位信号拉高结束复位动作。

7.根据权利要求6所述的一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统工作方法，其特征在于，所述步骤S3.1复位周期时段包括：ΔT1:驱动故障复位信号保持时间；ΔT2:驱动故障复位完成后,故障信号检测时间；ΔT3:总故障复位信号保持时间。

8.根据权利要求4所述的一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统工作方法，其特征在于，所述步骤S4前馈补偿策略单元工作步骤包括：

S4.1驱动故障误检前实时获取记录扭矩斜率指令T_ref和电流环输出变量vd、vq；

S4.2发现驱动故障误检后，关闭功率管，并将电流环控制变量全部清零；

S4.3打开功率管，并将电流环前馈值vd_fwd、vq_fwd馈入电流环输出变量作为电流环输出的初始值，使电流环快速恢复至故障前状态。

9.根据权利要求8所述的一种基于前馈补偿的行车中驱动故障误检复位系统工作方法，其特征在于，所述步骤S4.1在前馈时引入前馈系数K，对前馈比例进行调节，使整个系统快速达到稳态，缩短瞬态过程时间，且避免出现超调或者瞬态过流情况。

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