机 电 工 程 技 术
第４９卷 第１１期
ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ ４９ Ｎｏ １１
收稿日期：２０２０－０７－１０
ＤＯＩ：
１０ ３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００９－９４９２ ２０２０ １１ ０７０
ＦＰＧＡ在电动汽车电机控制器中的应用
梁文远，易 晨
（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 ５１１４３４）
摘要：电
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ＭＣＵ软件响应速率较低，需要用ＦＰＧＡ来实现这个功能。重点描述ＦＰＧＡ分别采样高压电池、三相电流、电机温度等关键信号，并发生ＰＷＭ信号驱动ＩＧＢＴ，同时与ＭＣＵ保持高速通信，应用ＦＰＧＡ高
速并行处理数据的能力，当系统故障时ＦＰＧＡ可在１００ｎｓ内控制电驱动系统进入安全状态。实践表明，基于ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ的
系统符合汽车电机控制器功能安全ＡＳＩＬＤ等
级。关键词：ＦＰＧＡ；ＭＣＵ；电
机控制器；功能安全中图分类号：Ｕ４６９ ７２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－９４９２（２０２０）１１－０２３１－０２
ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦＰＧＡｉｎＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅＩｎｖｅｒｔｅｒ
ＬｉａｎｇＷｅｎｙｕａｎ
，ＹｉＣｈｅｎ
（ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＧｒｏｕｐＣｏ ，Ｌｔｄ ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１１４３４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：
长城c30保养费用Ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｃｕｔｏｆｆｔｈｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔｉｎｔｉｍｅａｎｄｅｎｔｅｒｔｈｅｓａｆｅｓｔａｔｅｗｈｅｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｆａｉｌｓ，
ｈｏｗｅｖｅｒ，
ｄｕｅｔｏｔｈｅｌｏｗｒｅｓｐｏｎｓｅｒａｔｅｏｆＭＣＵｓｏｆｔｗａｒｅ，ＦＰＧＡｉｓｎｅｅｄｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｉｓｆｕｎｃｔｉｏｎ ＩｔｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｔｈａｔＦＰＧＡｓａｍｐｌｉｎｇｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｂａｔｔｅｒｙ，ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｃｕｒｒｅｎｔ，
ｍｏｔｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｏｔｈｅｒｋｅｙｓｉｇｎａｌｓ，
ａｎｄｇｅｎｅｒａｔｉｎｇＰＷＭｓｉｇｎａｌｔｏｄｒｉｖｅＩＧＢＴ，
ｋｅｅｐｉｎｇｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｗｉｔｈＭＣＵ，
ａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦＰＧＡｉｎｈｉｇｈｓｐｅｅｄｐａｒａｌｌｅｌｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，
ｗｈｅｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆａｉｌｓ，
ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｄｒｉｖｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｅｎｔｅｒｓａｆｅｓｔａｔｅｗｉｔｈｉｎ１００ｎｓ ＴｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＭＣＵ＋ＦＰＧＡａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈＡＳＩＬＤｌｅｖｅｌ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＰＧＡ；ＭＣＵ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；
ｆｕｎｃｔｉｏｎｓａｆｅｔｙ
０
引言
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［１
］（道路车辆功能安全标
准）在国内的不断普及和
ＧＢ／Ｔ３４５９０［２
］（道路车辆功能安全）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。
传统的单核ＭＣＵ系
统已不能满足功能安全的需求，ＭＣＵ逐渐向双核和多核发展，例如宝马Ｘ１、本
田雅阁混动、特斯拉ｍｏｄｅｌ３等均是多核ＭＣＵ系统，该系统应用额外的核去做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ＡＳＩＣ（集成电路）或者分立器件来弥补。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ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ可根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
电机控制
［３
］、步进电机控制［４
］和永磁同步电机控制［５－６
］中，空间矢量控制［５
］、电流闭环控制［６
］、速度闭环控制［７
］均可用ＦＰＧＡ实现。国外众多汽车厂家逐渐将ＦＰＧＡ移
植到电机控制器中，作为安全冗余监控，分担ＭＣＵ部
分算法，减少了ＭＣＵ
的负载率，增强了系统的安全性，表１所示为４家
汽车企业在电（混）动汽车电机控制器中应用ＦＰＧＡ的情况。由表可见，对于ＦＰＧＡ在
电机控制器中的应用，欧美车企是走在前列的，东风启辰Ｄ６０虽
然是国产电动车，但电机控制器却是欧洲厂家供货，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ＦＰＧＡ的踪影，但ＦＰＧＡ的优势是不言而喻的，本文将详细描述ＦＰＧＡ在电机控制器中的应用情况，包括高压采样、三相电流采样、温度采样、发生ＰＷＭ
信号驱动ＩＧＢＴ以及ＳＰＩ通信等。它与ＭＣＵ协
同工作［８
］，当出现过电流、过电压、过温度等异常情况导致电机失控时，
ＦＰＧＡ会先于ＭＣＵ检测到异常信号，控制电驱动系统进入安全状态，同时通过ＳＰＩ总线通知ＭＣＵ当前的故障状态，ＭＣＵ再把车辆状态上报给ＶＣＵ（
整车控制器）。表１ ４车企在电机控制器中应用ＦＰＧＡ的情况品牌车型应用情况
特斯拉ＭｏｄｅｌＸ双单核ＭＣＵ＋ＦＰＧＡＭｏｄｅｌＳ／Ｐ８５Ｄ单核ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ
宝马ｉ３单核ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ
大众ｅ－Ｇｏｌｆ单核
ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ东风启辰Ｄ６０双核ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ
１
安全冗余监控
安全冗余监控是功能安全常用的方法之一［９
］，以扭矩安
·
１３２·
（下转第２４２页
）
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／ＩＧＢＴ温度、ＩＧＢＴ失效、传感器电压等。这些信号通过外置ＡＤＣ采样后进入ＦＰＧＡ，如图１所示。其中ＩＧＢＴＤｒｉｖｅｒ属于ＳＶＰＷＭ策略，下面将会详细描述，在此先介绍ＡＤＣ采样和ＩＧＢＴ错
误信号处理部分。图１ 安
全冗余监控信号１ １ ＡＤＣ
数据处理如图２所示，ＡＤＣ数据进入ＦＰＧＡ后，先做偏置计算，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。
图２
ＡＤＣ
数据处理流程图
１ ２ ＩＧＢＴ
菲亚特车标错误信号处理
ＩＢＧＴ驱
动电路本身带有较为完善的错误保护机制［１０
］，ＦＰＧＡ收到ＩＧＢＴ返回的错误信号时，需要判断该信号是正常触发还是误触发，通常的做法是设置延时滤波时间，如图３所示
。
图３
ＩＧＢＴ
错误信号延时滤波ＩＧＢＴ
输入信号高电平时表示ＩＧＢＴ异
常，信号经同步化后，在上升沿时启动计数器，高电平期间做累加计数，当计
数值达到
百公里油耗怎么算Ｔ３
时ＩＧＢＴ的错误信号如果还是高电平，则认为是真实的错误信号，执行错误锁存。延时滤波可以滤除脉宽比Ｔ３
小的高脉冲信号（如图中的Ｔ１
和Ｔ２
），防止误触发。 图４ ＦＰＧＡ获
取电流周期１ ３ 电机转速监控
ＦＰＧＡ作为ＭＣＵ的从器件，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ＦＰＧＡ需要避免复杂的浮点运算。因此设计时ＦＰＧＡ
一般不采样旋转变压器信号，电机速度通过ＳＰＩ总
线从ＭＣＵ获得。如果ＳＰＩ总线故障时，ＦＰＧＡ可通过电流周期计算电机转速，如图４所示。为了抑制电流纹波干扰，电流过零点采用小幅度滞
回，滞回值是±Ａｍｐ
，假设极对数为Ｐ，测
许广高速起点和终点到的电流周期为Ｔ（单位是ｓ），则转速Ｎ（单位是ｒ／ｍｉｎ）可根据下式计算：
Ｎ＝（１／ＴＰ）×６０（１）
为了增强电流周期采样的鲁棒性，ＦＰＧＡ需同时采样Ｕ、Ｖ、Ｗ三
相电流的周期，且满足以下关系式：０ ７５ＴＶ
＜ＴＵ
＜１ ２５ＴＶ
（２）０ ７５ＴＷ＜ＴＶ
＜１ ２５ＴＷ（３）０ ７５ＴＵ
＜ＴＷ
＜１ ２５ＴＵ
（４）
只要（２）（３）（４）之一成立，ＦＰＧＡ就会返回正确的电机速度。
２
产生ＩＧＢＴ驱
动信号ＩＧＢＴ
驱动信号包括正常驱动模式和安全模式，正常驱动
模式下，ＭＣＵ与ＦＰＧＡ通过ＳＰＩ总
线协作完成，安全模式下，为了保证时效性，则由ＦＰＧＡ单
独完成。２ １ 正常驱动模式系统的ＦＯＣ运算在ＭＣＵ中实现，计算出占空比通过ＳＰＩ总线发给ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ根据占空比产生ＰＷＭ信号驱动ＩＧＢＴ，如图５所示，ＭＣＵ完成ＦＯＣ运算后，把占空比和
４个组合开关信号的作用时间（７段式ＳＶＰＷＭ）通过ＳＰＩ总
线发给ＦＰＧＡ，ＦＰＧＡ解析出７段ＨＳ和ＬＳ互补的ＰＷＭ方波信号，临时存储起来。
图５ 产生ＩＧＢＴ正
常驱动信号 图６ 插入死区时间源码为了产生带死区
时间ＤＴ的ＨＳ和ＬＳ，ＦＰＧＡ在每个ＨＳ和ＬＳ的上升沿都延时ＤＴ再输出即可插入死区时间［１１
］，ＶＨＤＬ源码如图６所示。调整整型变量ＤＴ的值即可改变死区时间，本系统是
在ＦＰＧＡ里开辟了一个寄存器，ＭＣＵ通过ＳＰＩ
起步要热车吗总线配置死区时间，如果ＳＰＩ总线故障则保持最近一次配置值，断电恢复默认值。
·
２３２·
参考文献：［１］栾好丽．浅谈烟气连续排放监测系统的维护［Ｊ］．仪器仪表
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、颗粒物）排放连
续监测系统技术要求及检测方法
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，２０１９（３）：６８－７０．［６］汪太鹏．烟气排放连续监测系统现状与存在问题分析
［Ｊ］．环境与发展
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［Ｊ］．工程建设与设计
，２０１９（３）：１６４－１６５．［８］丁敏，慕军，郑智．烟气连续排放监测系统的日常维护及故障分析［Ｊ］．中国环保产业，２０１８（２）：４９－５３．作者简介：梁莎莎（１９９０－），女，大学本科，助理工程师，研究领域为火电厂热控维护，设备管理。（编辑：王智圣
）（上接第２３２页）
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
切断动力输出，同时进入安全状态［１２
］。切断动力输出有两种
方式，分别是
ＦｒｅｅＷｈｅｅｌ和ＡＳＣ，改变ＩＧＢＴ的开关状态可在这两种模式之间切换，如表２所
示。表２ 安全模式开关状态
ＨＳＩＧＢＴＬＳＩＧＢＴＦｒｅｅＷｈｅｅｌＯＦＦＯＦＦＨＳＡＳＣＯＮＯＦＦＬＳＡＳＣ
ＯＦＦ
ＯＮ
本文的安全策略是故障瞬间如果电机的速度高于某一阈
值则执行ＡＳＣ，因为ＨＳ端连接到高压电池正极，所以ＬＳ
ＡＳＣ优先执行，当ＬＳ端ＩＧＢＴ故障时才会执行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
切换到
ＦｒｅｅＷｈｅｅｌ［１３
］。３ ＳＰＩ
一汽佳宝面包车报价通信
ＦＰＧＡ
通过ＳＰＩ总线与ＭＣＵ进
行全双工通信，总线速率１０Ｍｂｉｔ／ｓ，帧长度２５６ｂｉｔ，互为主从器件，收发时钟线独立，图７所
示为时序图。图７
ＳＰＩ
时序
ＳＰＩ
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ＣＲＣ算法，拥有完善的防错机制，如果出现通信丢失，ＦＰＧＡ会控制电机系统进入安全模式。
４
结束语
本文简单描述了ＦＰＧＡ相对ＭＣＵ的优势，列举了国内外
汽车厂家在电动汽车电机控制器中应用ＦＰＧＡ的概况，详细
介绍了ＦＰＧＡ在
电机控制中的应用。说明在电机控制器功能安全设计中，应用ＭＣＵ＋ＦＰＧＡ的模式是十分有效的，ＭＣＵ拥有丰富的外设资源和高效的浮点运算能力，ＦＰＧＡ拥有大
量的逻辑资源，在效率、功耗、性能、速度等方面弥补
ＭＣＵ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ＡＳＩＣ也能实现ＦＰＧＡ的功能，但设计臃肿，体积大，ＰＣＢ需要大量布线，灵活性低，功能变更时需要重新设计电
路。ＦＰＧＡ则以高度的灵活性在汽车行业得到广泛的应用。参考文献：［１］ＩＳＯ２６２６２：２０１１．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＯｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＳｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ．Ｒｏａｄ
ｖｅｈｉｃｌｅｓｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＳａｆｅｔｙ［Ｓ］．［２］中国国家标准化管理委员会．道路车辆功能安全
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［１２］段立华，李素文．永磁同步电机控制器电控系统功能安全开发
技术研究［Ｃ］／／中国汽车工程学会年会论文集，２０１６．［１３］黄步甲，于海生，刘野．电动汽车电机系统三相主动短路分析及应用［Ｊ］．汽车电气，２０１８（１２）：
１－３．第一作者简介：梁文远（１９８３－），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）·２４２·
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