引言

电机转速是牵引逆变器系统中确保安全运行和精确控制的关键参数，可通过位置或电流传感器获取并由微控制器单元 (MCU) 计算得出。为了满足功能安全要求，通常需要使用永磁同步电机 (PMSM) 的冗余电机转速检测电路来决定电机进入哪种安全状态，以防检测到故障。例如，当 MCU 发生故障时，系统会进入安全状态，栅极驱动器被阻断。不过，有两种安全状态可供电机进入。一种安全状态是在电机转速较高情况下的主动短路 (ASC)。在 ASC 中，上或下 SiC/IGBT 将导通，从而将电机短路并保护牵引逆变器免受过压影响。如果电机转速较低，进入 ASC 则会导致不必要的高制动扭矩。因此，电机将进入第二个安全状态，即续流。在该模式下，所有 SiC/IGBT 均关断，以降低汽车速度。在不使用 MCU 的情况下，从其他速度检测电路获取安全状态信号至关重要。

TPLD1201-Q1 用于电机转速检测

一种常见的频率检测电路是采用多个分立式逻辑器件和模拟器件，这种电路占用较大的印刷电路板电路 (PCB) 面积且 BOM 数量不断增加。德州仪器 (TI) 提出了采用 TPLD1201-Q1（TPLD 系列中的一款可编程逻辑器件）的全新电机转速检测解决方案。图 1 展示了 TPLD1201-Q1 的功能方框图，其中包含多个集成的可编程宏单元：

• 2 位、3 位和 4 位查询表 (LUT)
• 具有和不具有复位或置位选项的 D 型触发器或锁存器
• 8 级 2 输出管道延迟
• 可选计数器或延迟发生器
• 可编程抗尖峰脉冲滤波器或边沿检测器
• 具有可选 VREF 和输入增益的模拟比较器
• 内部电压基准固定或比例式
• 具有内部分频器级的 25kHz、2MHz RC 振荡器

采用 TPLD1201-Q1 的电机转速检测方法具有诸多特性和系统优势：

• 3.3V ASC 数字输出和 0V 续流数字输出
• 可编程器件，可通过 GUI 实现灵活设计
• 只需非常小的尺寸和 PCB 面积，BOM 数量为 1
• 设计非常简单，德州仪器 (TI) 提供了高性能设计示例，对于特定应用只需对参数进行少量修改
• 无需 MCU 或外部电压基准

图 1 TPLD1201-Q1 的功能方框图

冗余电机转速检测仅使用 TPLD1201-Q1 的一部分功能，这意味着可以集成许多其他 FUSA 功能，以便移除更多其他数字器件。德州仪器 (TI) 提供了 InterConnect Studio (ICS)，可用于配置 TPLD1201-Q1。ICS 提供了一个图形拖放界面，用于生成必要的二进制字符串。

使用 TPLD1201-Q1 和 ICS 进行电机转速检测的设计示例

本节介绍的电机转速检测设计示例由德州仪器 (TI) 开发。只需修改示例文件中的一些参数，即可轻松设置阈值频率。图 2 展示了电机转速检测的电路图。检测信号来自电流或位置传感器，并与内部基准电压进行比较以生成脉冲波。然后，后续数字电路会产生一个与输入频率相关的安全状态输出。如果输入频率高于阈值，则安全状态为高电平；如果输入频率低于阈值，则安全状态为低电平。为了提供硬件保护，请将安全状态信号连接到栅极驱动器（例如 UCC5880-Q1）的 ASC 引脚。设置迟滞以避免阈值频率处的反弹。

图 2 使用 TPLD1201-Q 进行电机转速检测的电路图

ICS 中的电机转速检测编程电路如TPLD1201-Q1 用于电机转速检测的 ICS 编程电路 所示。首先，将输入信号与内部电压基准进行比较以生成脉冲波，然后检测上升沿，以消除幅度和占空比造成的影响。上升沿信号在阈值频率设置计数器的复位端和 D 触发器 1 中路由。如果输入频率高于计数频率，D 触发器的输出为高电平。如果输入频率低于计数频率，则 D 触发器的输出为脉冲波。然后，将信号连接到由比较计数器、“与”电路和 D 触发器 2 组成的一系列电路，从而将脉冲波转换为低电压。实施两个阈值频率计数器来设置迟滞。

图 3 TPLD1201-Q1 用于电机转速检测的 ICS 编程电路

根据图 3，可以通过指定三个计数器的计数器数据，使用方程式 1 来轻松设置阈值频率。

此处展示了 100Hz 阈值频率设计示例中的参数设置说明。将三个阈值频率设置为 100Hz 左右。按照以下几点来选择参数：

• OSC0 = 25kHz，计数器数据 1 = 250。计算得出的阈值频率 1 = 100Hz
• OSCext = 25kHz，计数器数据 2 = 220。计算得出的阈值频率 2 = 113.6Hz
• OSC1 = 12.5kHz，计数器数据 CC= 132。计算得出的阈值频率 1 = 94.7Hz

使用上述参数，当输入频率高于阈值频率（具有一定迟滞）时，输出安全状态为高电平；当输入频率低于阈值频率（具有一定迟滞）时，输出安全状态为低电平。图 4 展示了输入和输出信号的波形。

图 4 正弦输入和安全状态输出的结果

TPLD1201-Q1链接

德州仪器 (TI)，具有八个通用输入或输出 (GPIO) 的可编程逻辑器件 产品页面

德州仪器 (TI)，TPLD1201 具有 DGS 封装插座的评估模块 产品页面

德州仪器 (TI)，与 TI 可编程逻辑器件 (TPLD) 评估模块兼容的编程器套件 产品页面