资料下载|基于英飞凌TC387电机控制器硬件设计介绍

本文档详细介绍了基于英飞凌TC387芯片、35584电源芯片和NXP GD3160驱动芯片的电机控制器硬件设计，特别强调了功能安全的设计。以下是文档的主要内容概览：

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一、系统架构的设计与实现

1.1 整体介绍

• 系统组成：概述了电机控制器的整体系统组成，包括车辆电池、点火系统、CAN总线、变速箱、微处理器、电机控制器模块、电动机单元和SBC（系统基础芯片）。
• 通信接口：描述了系统中的各种通信接口，如CAN总线、电气信号和电力传输路径。
• 安全目标：列出了系统设计时所考虑的安全目标，包括防止电机非预期输出转矩、防止系统过热等，并对每个目标进行了详细解释。

1.2 在带有锁步核的TC387上实现EGas三层架构

• 三层架构：详细介绍了在带有锁步核的Infineon AURIX 2G TC387芯片上实现的EGas三层架构，包括功能层（Level 1）、功能监控层（Level 2）和处理器监控层（Level 3）。
• 功能层（Level 1）：主要实现转矩的控制功能，包含组件监控、输入/输出变量诊断以及故障响应功能。
• 功能监控层（Level 2）：负责监控Level 1的功能，确保转矩输出的准确性，并在检测到故障时触发故障响应。
• 处理器监控层（Level 3）：通过问答形式监控Level 2处理器的状态，由独立的SBC和第三个安全核进行双监控，确保系统的高可靠性。

1.3 安全目标

• 安全目标列表：详细列出了系统的安全目标，包括防止电机无法输出驱动转矩、防止电机非预期输出驱动转矩过大、防止电机转矩输出方向反向等。
• 安全状态：定义了系统在不同安全状态下的行为模式，确保在各种情况下都能安全运行。

1.4 安全机制

• 安全机制：描述了为达到上述安全目标而采取的具体措施，包括硬件和软件层面的安全机制。

1.5 功能安全

• 功能安全概念：讨论了功能安全的概念及其在电机控制器设计中的应用，确保系统符合功能安全标准。

1.6 安全状态

• 安全状态定义：定义了系统在不同安全状态下的行为模式，包括牵引模式、自由轮模式、初始化模式、待机模式、准备模式、主动放电模式和偏移校准模式。

1.7 高压安全-ASC策略

• 高压安全策略：提出了针对高压环境的安全策略，包括防止高压冲击、母线电压低于60V的保护措施等。

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二、硬件整体设计方案与实现

2.1 硬件常用方案的介绍

• 常用硬件方案：介绍了电机控制器常用的硬件方案，包括MCU、SBC、IGBT驱动器等。

2.2 硬件整体设计方案与实现

• 整体设计：详细描述了电机控制器硬件的整体设计原则和实现方法，强调了在保证性能的同时，如何实现高效能和高可靠性。

2.3 L1、L2、L3安全关断路径

• 安全关断路径：介绍了L1、L2、L3三个层次的安全关断路径，确保在发生故障时能够迅速切断电源，保护系统安全。

2.4 电源方案的选型与设计实现

• 电源方案：详细描述了电源方案的选型与设计实现，包括主电源、备用电源和各种电源监控措施。

2.5 SBC电源

• SBC电源设计：介绍了SBC（系统基础芯片）的电源设计，确保SBC在各种工作条件下的稳定运行。

2.6 低压电气设计

• 低压电气设计：详细描述了低压电气部分的设计，包括低压电源、信号传输和电磁兼容性（EMC）设计。

三、硬件高压功率回路设计

① 薄膜电器选型设计

• 薄膜电容器基础知识：介绍了薄膜电容器的基本知识，包括容值、串联电感、串联电阻、并联电阻等。
• 薄膜电容器纹波电流计算：详细描述了薄膜电容器纹波电流的计算方法，包括纹波电流的最大值和纹波电压的要求。
• 薄膜电容器纹波电压计算：介绍了薄膜电容器纹波电压的计算方法，包括容值精度和纹波电压的要求。
• 薄膜电容器纹波仿真：使用Matlab进行了薄膜电容器纹波电压和纹波电流的仿真，验证了设计的合理性。
• 薄膜电容器寿命计算：详细描述了薄膜电容器的寿命计算方法，确保电容器在长时间运行中的可靠性。

② IGBT模块损耗与热仿真

• IGBT损耗模型的搭建：介绍了IGBT损耗模型的搭建方法，包括导通损耗和开关损耗的计算。
• IGBT热仿真：使用热仿真工具对IGBT模块进行了热仿真，确保在高负载条件下的热稳定性。

③ EMC设计-EMC结构设计与高压滤波器设计

• EMC结构设计：介绍了电机控制器的EMC结构设计，确保系统在电磁环境中稳定运行。
• 高压滤波器设计：详细描述了高压滤波器的设计，包括滤波器的选型和布局，确保高压信号的纯净和稳定。

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四、采样电路的设计与实现

4.1 电流采样电路

• 电流传感器选型：介绍了电流传感器的选型原则，包括精度、响应时间、温度特性等。
• 采样电路设计：详细描述了电流采样电路的设计，包括信号调理、滤波和AD转换等环节。
• 电流采样误差分析：分析了电流采样过程中可能产生的误差，并提出了相应的补偿措施。

4.2 母线电压采样电路

• 电压传感器选型：介绍了电压传感器的选型原则，包括精度、响应时间、温度特性等。
• 采样电路设计：详细描述了电压采样电路的设计，包括信号调理、滤波和AD转换等环节。
• 电压采样误差分析：分析了电压采样过程中可能产生的误差，并提出了相应的补偿措施。

4.3 温度采样电路

• 温度传感器选型：介绍了温度传感器的选型原则，包括精度、响应时间、温度范围等。
• 采样电路设计：详细描述了温度采样电路的设计，包括信号调理、滤波和AD转换等环节。
• 温度采样误差分析：分析了温度采样过程中可能产生的误差，并提出了相应的补偿措施。

4.4 旋变电路

• 旋变信号解码：介绍了旋变信号的解码方法，包括正弦波和余弦波的处理。
• 旋变激励电路：详细描述了旋变激励电路的设计，包括SPWM信号的生成和滤波。

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五、IGBT驱动电路设计

5.1 低压互锁电路设计

• 互锁功能：介绍了低压互锁电路的设计，确保上下桥臂的PWM信号互锁，防止直通。
• RC滤波参数：详细描述了RC滤波参数的选择，以提高系统的EMC性能。

5.2 短路保护Desat参数设计

• Desat保护电路：详细描述了Desat保护电路的设计，包括消隐时间、超快恢复二极管的选择等。
• Desat负压产生的机理和改进措施：分析了Desat负压产生的原因，并提出了改进措施，如在DESAT二极管阳极加二极管连接到参考地。

5.3 Miller钳位保护

• Miller效应：介绍了Miller效应的产生机理及其对IGBT的影响。
• Miller钳位电路：详细描述了Miller钳位电路的设计，包括钳位电压、钳位时间等参数。

5.4 软关断或二级关断保护

• 软关断设计：介绍了软关断的设计，确保在短路情况下能够平滑关断IGBT，减少电压尖峰。
• 二级关断保护：详细描述了二级关断保护的设计，包括关断时间和关断电压的控制。

5.5 有源钳位电路

• 有源钳位电路设计：介绍了有源钳位电路的设计，包括基本型、改进型和组合型有源钳位电路。
• TVS管选择：详细描述了TVS管的选择，包括起始动作电压、击穿电压等参数。

5.6 IGBT门极钳位保护

• 门极钳位电路：介绍了门极钳位电路的设计，包括门极电压的监控和钳位措施。
• 肖特基二极管选择：详细描述了肖特基二极管的选择，包括压降、电流等参数。

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六、功能安全相关的硬件电路设计

6.1 功能安全概述

• 功能安全标准：介绍了功能安全的相关标准，如ISO 26262等。
• 功能安全设计：详细描述了功能安全的设计原则和实现方法。

6.2 安全机制

• 硬件冗余设计：介绍了硬件冗余设计的方法，包括双电源、双传感器等。
• 故障检测与诊断：详细描述了故障检测与诊断的方法，包括自检、在线监测等。

6.3 安全状态管理

• 安全状态定义：定义了系统在不同安全状态下的行为模式，确保在各种情况下都能安全运行。
• 安全状态切换：详细描述了安全状态之间的切换逻辑，包括故障响应和恢复机制。

6.4 安全相关的监控电路

• 三相电流监控：对三相电流进行RangeCheck、OffsetCheck、三相电流和为0检测。
• 母线电压监控：对母线电压进行RangeCheck、2路采样冗余比较检测。
• 旋变信号监控：对旋变Exc、Sin、Cos进行AmplitudeCheck、OffsetCheck、SinCos平方和为1检测。
• 三相占空比监控：使用TC387芯片的IOM模块对输出的占空比进行监控。
• CAN通信监控：对扭矩及模式请求的信号帧进行E2E校验，并对扭矩请求及模式请求进行RangeCheck。

6.5 安全相关的保护电路

• 高压互锁监控：将高压互锁线路输入的PWM信号周期和占空比进行范围检测。
• 主动放电超时监控：当发生高压互锁故障，进行主动放电计时，超过x秒后，母线电压>60V，上报主动放电超时故障。
• 电机温度监控：对电机温度传感器进行RangeCheck，对电机温度进行过温检测。
• 扭矩降额：使用电机温度、PCB板、逆变器温度分别进行扭矩查表限制。

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七、故障保护相关的硬件电路设计

7.1 硬件过流保护电路

• 过流保护设计：介绍了硬件过流保护电路的设计，包括过流检测、延时时间和故障响应策略。
• 前级滤波：详细描述了前级滤波的设计，确保能够滤除电流谐波。

7.2 硬件过压保护电路

• 过压保护设计：介绍了硬件过压保护电路的设计，包括过压检测、延时时间和故障响应策略。
• 母线电压采样：详细描述了母线电压采样的设计，确保采样延迟时间小于1ms。

7.3 母线主动放电和被动放电

• 主动放电设计：介绍了母线主动放电的设计，包括放电电阻和冷却措施。
• 被动放电设计：详细描述了母线被动放电的设计，包括高压备份电源和Y电容并联电阻的使用。

7.4 电机初始电角度标定

• 电角度标定方法：介绍了电机初始电角度的标定方法，包括台架测功机反拖电机和MCU捕获电机反电动UV的过零点。

7.5 单双脉冲测试

• 单双脉冲测试：介绍了单双脉冲测试的方法，包括关断电阻和开通电阻的确定。

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总结

本文档全面覆盖了基于英飞凌TC387芯片、35584电源芯片和NXP GD3160驱动芯片的电机控制器硬件设计，特别强调了功能安全的设计。文档详细介绍了旋变软解码、母线电容选型和纹波电流电压计算、采样电路设计、驱动回路设计、功能安全相关的硬件电路设计以及故障保护相关的硬件电路设计等内容，为工程师和技术人员提供了宝贵的参考资料。欢迎下载全文，获取更多详细内容。

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