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CN115700993A - 电机/控制器认证系统 - Google Patents

电机/控制器认证系统 Download PDF

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CN115700993A
CN115700993A CN202210867881.1A CN202210867881A CN115700993A CN 115700993 A CN115700993 A CN 115700993A CN 202210867881 A CN202210867881 A CN 202210867881A CN 115700993 A CN115700993 A CN 115700993A
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microcontroller
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power
power phase
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S·V·舒克拉
S·索纳
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STMicroelectronics International NV Switzerland
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Abstract

本公开的实施例涉及电机/控制器认证系统。在此描述了一种电动机驱动系统，该电动机驱动系统包括至少一个功率相线，被配置为用于生成驱动信号并且将该驱动信号提供给该至少一个功率相线的外部控制器，以及电动机电子器件。电动机电子器件包括耦合在至少一个功率相线和至少一个电动机端子之间的至少一个开关，以及被内部控制器，内部控制器配置为与外部控制器协作以在外部控制器与内部控制器之间执行认证过程。所述外部控制器还被配置为响应于所述认证过程的成功而使所述至少一个开关将所述至少一个功率相线电耦合到所述至少一个电动机端子。

Description

电机/控制器认证系统
技术领域
本公开涉及电动机的认证领域，并且可以在车辆应用中找到用 途，但也可以在其他应用中使用。
背景技术
车辆和其它产品越来越依赖于电动机作为运行期间的扭矩源。例 如，电动机可以向车辆的车轮提供旋转扭矩，和/或可以向车辆的其他 部件提供旋转扭矩，例如车门锁定机构，车门打开机构，转向辅助机 构，窗户打开机构，天窗打开机构等。典型地，这种电动机与向电动 机提供控制信号的外部控制器配对，所述控制信号例如为从车辆的油 门踏板传递到电动机的扭矩请求。
当这种电动机或其外部控制器发生故障时，期望车辆的制造商具 有一种方式来确保用合适的替换部件(而不是不合适的或伪造的部 件)替换发生故障的部件，以便确保车辆的正确和安全的操作。还希 望防止采用电动机作为转矩源的车辆被盗，例如，防止盗窃者在其控 制下将控制器连接到电动机，该电动机向车辆的车轮提供旋转转矩， 从而获得对这些电动机的控制和驱动车辆的能力，或者，作为另一示 例，防止盗窃者在其控制下将控制器连接到电动机，该电动机向车辆 的栅极锁定机构的电动机提供旋转转矩，从而获得对该电动机的控制 和解锁栅极的能力。
因此，需要电动机和它们的外部控制器之间的安全认证系统，以 便帮助确保适当的电动机与适当的外部控制器一起使用。
发明内容
本文公开了一种电动机驱动系统，包括至少一个功率相线和外部 控制器。所述外部控制器可以包括：DC电功率源；微控制器；以及 逆变器，其被配置为在所述微控制器的控制下将所述DC电功率转换 为驱动信号并将所述驱动信号提供给所述至少一个功率相线。外部控 制器包括电动机单元。所述电动机单元包括：电动机；微控制器，该 微控制器被配置为用于与该外部控制器的该微控制器通信；以及耦合 在所述至少一个功率相线与所述电动机之间的至少一个开关，所述至 少一个开关在所述微控制器的控制下。外部控制器的微控制器和电动 机单元的微控制器被配置为在它们之间执行认证过程。该外部控制器 的微控制器被配置为响应于该认证过程的成功而指示该电动机单元 的微控制器使该至少一个开关将该至少一个功率相线电耦合至该电 动机。
至少一个开关可以是晶体管，所述晶体管具有耦合到所述至少一 个功率相线的第一传导端子，耦合到所述电动机的第二传导端子，以 及耦合成由所述电动机单元的微控制器控制的控制端子。
电动机单元还可以包括栅极驱动器，该栅极驱动器被配置为在电 动机单元的微控制器的控制下生成用于接通或关断该晶体管的栅极 驱动信号。
栅极驱动器可以包括：发光二极管(LED)，其响应于电动机单 元的微控制器而生成光；以及光伏电池，其定位在LED附近，响应 于由LED生成的光而生成栅极驱动信号。
外部控制器的微控制器和电动机单元的微控制器可以通过不同 于该至少一个功率相线之外的至少一个导线来连接，以便在它们之间 提供用于执行该认证过程的通信。
该外部控制器的微控制器可以被配置为通过调制该至少一个功 率相线上的电压来将通信传输至该电动机单元的微控制器。该电动机 单元的微控制器可以被配置为通过调制该至少一个功率相线上的电 压来将通信传输至该外部控制器的微控制器。
电动机单元还可以包括认证电路，该认证电路被配置为当执行该 认证过程时与该电动机单元的微控制器协作。
所述至少一个功率相线可以包括第一、第二和第三功率相线。逆 变器可以将DC电功率转换为三相电功率，其中第一相在第一电功率 相线上输出，第二相在第二电功率相线上输出，并且第三相在第三电 功率相线上输出。至少一个开关可以是耦合在所述第一功率相线与所 述电动机的第一相绕组之间的第一开关，耦合在所述第二功率相线与 所述电动机的第二相绕组之间的第二开关，以及耦合在所述第三功率 相线与所述电动机的第三相绕组之间的第三开关。响应于通过外部控 制器的微控制器的指令和认证过程的成功，电动机单元的微控制器可 以使第一开关将第一功率相线耦合到第一相绕组，使第二开关将第二 功率相线耦合到第二相绕组，以及使第三开关将第三功率相线耦合到 第三相绕组。
第一开关可以是第一n沟道晶体管，其具有耦合到第一功率相线 的漏极，耦合到电动机的第一相绕组的源极，以及耦合成由电动机单 元的微控制器控制的栅极。第二开关可以是第二n沟道晶体管，其具 有耦合到第二功率相线的漏极，耦合到电动机的第二相绕组的源极， 以及耦合成由电动机单元的微控制器控制的栅极。第三开关可以是第 三n沟道晶体管，其具有耦合到第三功率相线的漏极，耦合到电动机 的第三相绕组的源极，以及耦合成由电动机单元的微控制器控制的栅 极。
电动机单元还包括栅极驱动器，该栅极驱动器被配置为在该电动 机单元的微控制器的控制下生成用于接通或关断该第一、第二和第三 n沟道晶体管的第一、第二和第三栅极驱动信号。
所述栅极驱动器可以包括：第一发光二极管(LED)，其响应于 所述微控制器而生成光；以及第一光伏电池，其定位成邻近所述第一 LED，所述第一光伏电池响应于由所述第一LED生成的光而生成所 述第一栅极驱动信号；第二LED，该第二LED响应于该微控制器而生成光，以及第二光伏电池，该第二光伏电池被定位成邻近该第二 LED，该第二光伏电池响应于由该第二LED生成的光而生成该第二 栅极驱动信号；以及第三LED，第三LED响应于所述微控制器而生 成光，以及邻近所述第三LED定位的第三光伏电池，所述第三光伏 电池响应于由所述第三LED生成的光而生成所述第三栅极驱动信号。
本文公开了一种电动机驱动系统，其包括第一、第二和第三功率 相线以及外部控制器。所述外部控制器包括：DC电功率源；微控制 器；以及三相逆变器，所述三相逆变器被配置为在所述微控制器的控 制下将所述DC电功率转换为三相电功率以及跨所述第一、第二和第 三功率相线提供所述三相电功率。电动机单元，包括：三相电动机； 通信电路，其耦合到所述第一，第二和第三功率相线；微控制器，该 微控制器被配置为用于与该外部控制器的该微控制器通信；以及耦合 在所述第一、第二和第三功率相线与所述三相电动机之间的第一、第 二和第三开关，所述第一、第二和第三开关在所述微控制器的控制下。
外部控制器的微控制器和电动机单元的微控制器被配置为通过 在第一、第二和第三功率相线上通信来执行它们之间的认证过程。通 过以下方式执行第一、第二和第三功率相线上的通信：外部控制器的 微控制器使用三相逆变器调制第一、第二和第三功率相线中的至少一 个上的电压；以及电动机单元的通信电路使用通信电路调制第一、第 二和第三功率相线中的至少一个上的电压，同时保持第一、第二和第 三开关闭合。
电动机单元的微控制器被配置为响应于认证过程的成功和外部 控制器的微控制器的指令，使第一、第二和第三开关将第一、第二和 第三功率相线电耦合到三相电动机。
所述三相逆变器可以包括：耦合在第一节点和DC电源之间的第 一高侧晶体管；耦合在所述第一节点与接地之间的第一低侧晶体管； 耦合在第二节点和DC电源之间的第二高侧晶体管；耦合在所述第二 节点与接地之间的第二低侧晶体管；耦合在第三节点和DC电源之间 的第三高侧晶体管；以及耦合在所述第三节点与接地之间的第三低侧 晶体管。第一节点耦合到第一功率相线。第二节点可以耦合到第二功 率相线，并且第三节点耦合到第三功率相线。
电动机单元可以包括被配置为从第一、第二和第三功率相线生成 数字功率电压的电源装置。
所述电动机单元的通信传输电路可以包括：耦合在所述第一和第 二功率相线之间的第一电阻器；第一LED，其耦合在由所述电动机单 元的所述微控制器生成的发射信号与数字电源电压之间；耦合在所述 第二和第三功率相线之间的第一光电晶体管，所述第一光电晶体管接 近所述第一LED，使得当所述第一LED发光时，所述第一光电晶体 管接通；耦合在所述第一和第二功率相线之间的第二LED；以及第二 光电晶体管，其具有耦合到所述数字电源电压和所述电动机单元的所 述微控制器的接收信号输入的第一传导端子，以及耦合到接地的第二 传导端子，所述第二光电晶体管接近所述第二LED，使得当所述第二LED发光时，所述第二光电晶体管接通。
外部控制器的微控制器可以通过保持第一高侧晶体管和第三低 侧晶体管接通，调制第二低侧晶体管以及保持三相逆变器的其它晶体 管关断来调制第二功率相线上的电压。
该电动机单元的微控制器可以通过以下方式来调制该第二相线 上的电压：当外部控制器的微控制器保持第一高端晶体管和第三低端 晶体管接通，并且保持三相逆变器的其它晶体管关断时，电动机单元 的微控制器调制发送信号。
本文还公开了一种电动机驱动系统。所述电动机驱动系统包括： 至少一个功率相线；外部控制器，该外部控制器被配置为用于生成一 个驱动信号并且将该驱动信号提供给该至少一个功率相线；以及电机 电子器件。所述电机电子设备包括：至少一个开关，其耦合在所述至 少一个功率相线与至少一个电动机端子之间；以及内部控制器，其被 配置为与所述外部控制器协作以在其间执行认证过程。所述外部控制 器还被配置为响应于所述认证过程的成功而使所述至少一个开关将 所述至少一个功率相线电耦合到所述至少一个电动机端子。
内部控制器可以包括：栅极驱动器，其被配置为生成用于接通或 关断所述开关的栅极驱动信号；以及微控制器，其被配置为与所述外 部控制器协作以执行所述认证过程，并且使所述栅极驱动器响应于所 述认证过程的成功和所述外部控制器的指令而生成所述栅极驱动信 号。
栅极驱动器可以包括：发光二极管(LED)，其响应于微控制器 而生成光；以及光伏电池，其定位在LED附近，响应于由LED生成 的光而生成栅极驱动信号。
内部控制器和外部控制器可以通过不同于至少一个功率相线的 至少一个导线连接，以提供用于执行认证过程的它们之间的通信。
所述内部控制器可以被配置为通过调制所述至少一个功率相线 上的电压来向所述外部控制器发送通信。外部控制器可以被配置为通 过调制至少一个功率相线上的电压来向内部控制器发送通信。
至少一个电动机端子可以包括第一、第二和第三电动机端子。所 述至少一个功率相线可以包括第一、第二和第三功率相线。所述至少 一个开关可以包括耦合在第一功率相线和第一电动机端子之间的第 一开关，耦合在第二功率相线和第二电动机端子之间的第二开关，以 及耦合在第三功率相线和第三电动机端子之间的第三开关。响应于认 证过程的成功，外部控制器可以使第一开关将第一功率相线耦合到第 一电动机端子。响应于认证过程的成功，外部控制器可以使第二开关 将第二功率相线耦合到第二电动机端子。响应于认证过程的成功，外 部控制器可以使第三开关将第三功率相线耦合到第三电动机端子。
本文还公开了一种使用外部控制器操作电动机的方法。该方法可 以包括在该外部控制器与该电动机之间执行认证过程；响应于所述认 证过程的成功而生成电动机相功率信号；以及响应于所述认证过程的 成功，将所述电动机相功率信号施加到所述外部电动机。
响应于认证过程的成功，通过闭合耦合在电动机相功率信号和电 动机之间的开关，可以将电动机相功率信号施加到外部电动机。
附图说明
图1是在电动机和驱动电动机的外部控制器之间具有认证功能的 第一电动机驱动系统的框图。
图2是在电动机和驱动电动机的外部控制器之间具有认证功能的 第二电动机驱动系统的框图。
图3是在电动机和驱动电动机的外部控制器之间具有认证功能的 第三电动机驱动系统的框图。
图4是在电动机和驱动电动机的外部控制器之间具有认证功能的 第四电动机驱动系统的框图。
具体实施方式
以下公开使得本领域技术人员能够制造和使用本文公开的主题。 在不脱离本公开的精神和范围的情况下，本文描述的一般原理可以应 用于除以上详述的那些之外的实施例和应用。本公开不旨在限于所示 的实施例，而是与符合本文公开或建议的原理和特征的最宽范围一 致。
现在参照图1描述电动机驱动系统10，其包括电动机单元30和 用于电动机单元30的外部控制器20。电动机单元30可以被定位在车 辆(例如，两轮车辆，三轮车辆，四轮车辆等)的车轮处，以向车轮 提供旋转扭矩，从而引起车辆的加速或速度的维持，并且外部控制器 20可以被定位在车辆的底盘处，电动机单元与外部控制器之间的电连 接由电线或其他导体形成。
外部控制器20包括电源电路21，其从由电池电压(未示出)提 供的电功率生成电功率信号PWR，电功率信号PWR旨在由电动机单 元30使用以生成旋转扭矩。电源电路21还生成数字功率信号Vdd， 用于为外部控制器20内的微控制器22和数据接口23供电。
电动机单元30包括承载电动机37的电动机壳体和用于基于功率 信号PWR以及基于从外部控制器20的数据接口23接收的加密通信 来为电动机37供电和控制电动机37的电动机电子器件31。电动机 37可以是三相无刷直流电动机。
电动机电子器件31包括功率管理电路32，功率管理电路32包括 DC/DC转换器，DC/DC转换器将功率信号PWR转换为总线电压，总 线电压又由功率级36的逆变器转换以生成用于驱动电动机37的三相 驱动信号。电动机电子器件31还包括用于与外部控制器20的数据接 口23接口的数据接口33。电动机电子器件31内的控制单元34包括 微控制器，用于经由数据接口33与外部控制器20通信，并且用于基 于这些通信生成用于功率级36的一个或多个控制信号Ctrl。电动机 37生成供控制单元34使用的反馈信号Fbk，例如供控制单元34使用 以确定电动机速度。
由外部控制器20发送到电动机单元30的通信由外部控制器20 加密并且由电动机电子器件31的控制单元34解密，并且由电动机单 元30发送到外部控制器20的通信由电动机电子器件31的控制单元 34加密并且由外部控制器20的微控制器22解密。
为了提供安全性，当结合有电动机驱动系统10的车辆启动时(例 如，持有与车辆配对的钥匙链的驾驶员进入车辆并指示车辆启动)， 外部控制器20的微控制器22通过专用通信线启动并建立与其数据接 口33的电动机壳体30内的控制单元34的安全加密通信。一旦建立 了微控制器22和控制单元34之间的安全加密通信，微控制器22就 试图通过向控制单元34发送认证请求来认证电动机37。如果由微控 制器22发送到控制单元34的认证请求是期望的认证请求，并且如果 控制单元34返回期望的认证响应，则认为电动机37被认证并因此被 认证为授权部件。此时，外部控制器20可以开始控制电动机37，例 如用于使车辆变得可驱动。
通过电动机驱动系统10以两种方式提供安全性。首先，直到在 控制器20和控制单元34之间建立安全加密通信为止才执行认证，因 为未授权部分可能不能建立安全加密通信(例如，由于缺乏能够使用 期望的加密协议等)，该第一步骤消除了某些未授权电动机单元30 和某些未授权控制器20能够彼此通信的可能性，这意味着电动机37 不能操作。该认证增加了第二安全级别，因为除非由外部控制器20 的微控制器22发送到电动机单元30的控制单元34的认证请求是预 期的认证请求，并且除非控制单元34将预期的认证响应返回到微控 制器22，否则认证未实现。
现在参见图2描述电动机驱动系统10'的下一个实施例。这里， 外部控制器20'的电源电路21'包括调节器电路49，该调节器电路49 生成数字功率信号Vdd，用于向微控制器22、数据接口23以及电动 机电子器件31'的控制单元34'、数据接口33和认证电路35供电。调 节器电路49从电池接收输入电压Vbatt，并将输入电压提供给电源电 路21'内的三相逆变器50(而不是位于电动机单元30内)。三相逆变 器50生成三个功率相信号，相U、相V和相W。
在此，电动机单元30'包括承载电动机37(在此是三相电动机) 的电动机壳和电动机电子器件31'，该电动机电子器件31'用于使用三 个功率相信号相U，相V和相W并且基于从外部控制器20'的数据接 口23接收的加密通信来对电动机37供电和控制。注意，电动机电子 器件31'包括电连接在功率相信号相U，相V和相W与电动机37的 相应相绕组之间的开关46，开关46由来自栅极驱动器48的控制信号 控制(下面解释)。即，开关S1选择性地将电功率相信号相U电连 接到电动机37的相应相绕组，开关S2选择性地将电功率相信号相V 电连接到电动机37的相应相绕组，开关S3选择性地将电功率相信号 相W电连接到电动机37的相应相绕组。
仍在这里，控制单元34'包括微控制器47，微控制器47经由数据 接口33接收加密通信，并经由数据接口33发送加密通信。微控制器 37为控制单元34'内的栅极驱动器48生成控制信号。栅极驱动器48 生成用于开关S1的控制信号Ctrl1(其使得开关S1充当开路或短路)， 用于开关S2的控制信号Ctrl2(其使得开关S2充当开路或短路)， 以及用于开关S3的控制信号Ctrl3(其使得开关S3充当开路或短路)。
如以下将解释的，如果电动机单元30'和外部控制器20'已经成功 地执行了如上所述的认证过程，则控制单元34'的微控制器47仅使栅 极驱动器48生成控制信号Crl1，Ctrl2，Ctrl3，这些控制信号使开关 S1，S2和S3充当短路以响应于经由数据接口33接收的加密通信将 功率相信号相U，相V和相W连接到电动机37的相绕组。
为了提供安全性，在结合有电动机驱动系统10'的车辆启动时(例 如，持有与车辆配对的钥匙链的驾驶员进入车辆并指示车辆启动)， 外部控制器20'的微控制器22经由其数据接口33在专用通信线上启 动并建立与电动机壳30'内的控制单元34'的微控制器47的安全加密 通信。一旦微控制器22与控制单元34'的微控制器47之间的安全加 密通信被建立，微控制器22就试图通过向微控制器47发送认证请求 来认证电动机37。如果由微控制器22发送到微控制器47的认证请求 是期望的认证请求，并且如果微控制器47返回期望的认证响应，则 认为电动机37被认证，并因此被认证为授权部件。
在成功执行认证的情况下，外部控制器20'的微控制器22使用通 过专用通信线建立的安全加密通信信道将开关启用命令发送到控制 单元34'的微控制器47。微控制器47又使栅极驱动器48生成控制信 号Ctrl1，Ctrl2和Ctrl3，以便使开关S1，S2和S3闭合(例如，作为 短路)。
此后，微控制器22开始利用对开关S1，S2和S3的状态的请求 在加密通信信道上轮询微控制器47。一旦微控制器22通过加密通信 信道从微控制器47接收到指示开关S1，S3和S3已经闭合的响应， 使得功率相信号相U，相V和相W可以被提供给电动机37，微控制 器22就开始操作逆变器50和电动机37，以便使用户能够驾驶车辆。 如果微控制器22在给定时间段(例如，微控制器47超时)之后没有 响应于其轮询通过加密通信信道从微控制器47接收到响应，则微控 制器22禁用逆变器50，并且可以将其报告给车辆内的另一部件。
当车辆被停用时(例如，持有与车辆配对的钥匙链的驾驶员离开 车辆并指示车辆停用)，微控制器22停用逆变器50以停止电动机37。 一旦电动机37已经停止，微控制器22就通过加密通信信道发送命令 以禁用开关S1、S2和S3，并且关闭加密通信信道。在车辆重新激活 时，如上所述，重新建立加密通信信道并重新执行认证过程。因此， 在每次电机启动时，必须建立加密的通信信道，并且必须成功地执行 认证过程。
电动机电子器件31'被描绘为包含耦合到控制单元34'的微控制器 47的认证电路35。该认证电路35是分立的专用硬件元件，其可以在 上述电动机驱动系统10'处执行加密/解密和认证。例如，认证电路50 可以是由STMicroelectronics生产和销售的STSAFE－A110设备。
该认证电路35是可选的，并且替代地，上述电动机驱动系统10' 处的加密/解密和认证可以由微控制器47使用密码库来执行，例如由 STMicroelectronics生产和销售的X－CUBE－CRYPTOLIB库。
通过该电动机驱动系统10'以两种方式提供安全性。首先，直到 在控制器20'和控制单元34'之间建立安全加密通信为止才执行认证， 因为未授权部分可能不能建立安全加密通信(例如，由于缺乏能够使 用期望的加密协议等)，该第一步骤消除了某些未授权电动机单元30' 和某些未授权控制器20'能够彼此通信的可能性，意味着电动机37不 能操作。该认证增加了第二安全级别，因为除非由外部控制器20'的 微控制器22发送到电动机单元30'的控制单元34'的认证请求是预期 的认证请求，并且除非控制单元34'将预期的认证响应返回到微控制 器22，否则认证未实现。
现在参考图3描述电动机驱动系统10'的更详细的版本10"。特别 地，这里，开关46'是n沟道晶体管。特别是：开关S1是n沟道晶体 管，其漏极被连接以接收功率相信号U，源极被连接到电动机37的 第一相绕组，并且栅极被连接到栅极驱动器48'的第一输出；开关S2 是n沟道晶体管，其漏极被连接以接收功率相信号V，源极被连接到 电动机37的第二相绕组，并且栅极被连接到栅极驱动器48'的第二输 出；开关S3是n沟道晶体管，其漏极被连接以接收功率相信号W， 源极被连接到电动机37的第三相绕组，并且栅极被连接到栅极驱动 器48'的第三输出。此外，这里，栅极驱动器48'由微控制器47控制， 使得开关S1，S2和S3在接通时在它们各自的功率相信号U，V和W 的正和负部分期间接通。当断开时，开关S1，S2和S3的体二极管仅 可以从源极传导到漏极，但是由于必须首先从逆变器50'提供电流， 因此没有电流流动。
控制单元34"的栅极驱动器48'利用光电致动来生成控制信号 Ctrl1，Ctrl2和Ctrl3。特别地，栅极驱动器48'包括：第一LED LED1 和光伏电池PV1对，LED1的阴极通过电阻器R1耦合到来自微控制 器47的控制信号PA1，并且LED1的阳极耦合到数字功率信号Vdd，并且光伏电池PV1在LED1被激活时针对开关S1的源Source1生成 电压控制信号Ctrl1，使得开关S1在LED1被激活时接通；第二LED LED2和光伏电池PV2对，LED2的阴极通过电阻器R2耦合到来自微 控制器47的控制信号PA2，并且LED2的阳极耦合到数字功率信号 Vdd，并且光伏电池PV2在LED2被激活时针对开关S2的源Source2 生成电压控制信号Ctr2，使得开关S2在LED2被激活时接通；以及 第三LED LED3和光伏电池PV3对，其中LED3的阴极通过电阻器R3耦合到来自微控制器47的控制信号PA3，并且其阳极耦合到数字 功率信号Vdd，并且光伏电池PV3在LED3被激活时针对开关S3的 源Source3生成控制电压信号Ctrl3，使得在LED3被激活时开关S3 接通。
此处与图2的电动机驱动系统10'的另一区别在于此处示出了三 相逆变器50'的细节。特别地，逆变器50'包括：N沟道晶体管T1，其 漏极连接到电池电压Vbatt，其源极连接到节点U，其栅极连接到U 相高侧控制信号Uh；N沟道晶体管T2，其漏极连接到节点U，其源极连接到地，其栅极连接到U相低侧控制信号U1；n沟道晶体管T3， 其漏极连接到电池电压Vbatt，其源极连接到节点V，其栅极连接到V 相高侧控制信号Vh；n沟道晶体管T4，其漏极连接到节点V，其源 极连接到地，其栅极连接到V相低侧控制信号V1；N沟道晶体管T5， 其漏极连接到电池电压Vbatt，其源极连接到节点W，其栅极连接到 W相高侧控制信号Vh；以及n沟道晶体管T6，其漏极连接到节点W， 其源极连接到地，其栅极连接到W相低侧控制信号W1。
外部控制器20'的微控制器22负责生成控制信号Uh、Ul、Vh、 Vl、Wh和Wl，以便以期望的方式控制逆变器50'的晶体管T1－T6， 从而生成三个功率相信号，相U、相V和相W。
电动机驱动系统10"与电动机驱动系统10'一样工作，用于建立加 密通信信道和执行认证，除了微控制器47通过断言控制信号PA1、 PA2和PA3来引起用于开关S1、S2和S3的控制信号Ctrl1、Ctrl2和 Ctrl3的断言，这又引起LED1、LED2和LED3接通，进而引起PV1 断言Ctrl1，PV2断言Ctrl2，以及PV3断言Ctrl3。注意，相对于开关 S1、S2和S3的源电压Source1、Source2和Source3的浮动控制电压 Ctrl1、Ctrl2和Ctrl3确保当Ctrl1，Ctrl2和Ctrl3被断言时接通这些开 关。
现在参考图4描述电动机单元30”’的另一个实施例，例如可以与 图2－3的外部控制器20'一起使用。这里，电动机单元30”’另外包括 整流器60，电源61和通信电路62。如下面将解释的，通信电路62 使得能够与外部控制器进行通信，而不使用用于加密通信的一个或多 个导线，而是利用承载用于通信以及接收功率的功率相信号U，V和 W的导线。
整流器60包括：第一二极管D01，其阳极连接到节点N1处的功 率相信号U，其阴极连接到节点N4；第二二极管D02，其阳极接地， 其阴极连接节点N1；第三二极管D03，其阳极在节点N2处连接到功 率相信号V，其阴极连接到节点N4；第四二极管D04，其阳极接地， 其阴极连接节点N2；第五二极管D05，其阳极连接到节点N3处的功 率相信号W，其阴极连接到节点N4；以及第六二极管D06，其阳极 连接到地，其阴极连接到节点N3。
电源61包括：齐纳二极管D07，其阳极接地且其阴极连接以生 成经调节的数字功率信号Vdd；连接在数字功率信号Vdd和地之间的 电容器C2；电阻器R02，其具有连接到二极管D07的阴极的第一端 子和连接到电容器C1的第一端子的第二端子；电容器C1，其第一端子连接到电阻器R02的第二端子，其第二端子接地；以及连接在电容 器C1的第一端子和节点N4之间的电阻器R01。
开关46'是n沟道晶体管。特别是：开关S1是n沟道晶体管，其 漏极被连接以接收功率相信号U，源极被连接到电动机37的第一相 绕组，并且栅极被连接以接收来自MCU/栅极驱动器34”’的控制信号 U_EN；开关S2是n沟道晶体管，其漏极被连接以接收功率相信号V，源极被连接到电动机37的第二相绕组，并且栅极被连接以从MCU/ 栅极驱动器34”’接收控制信号V_EN；开关S3是n沟道晶体管，其 漏极被连接以接收功率相信号W，源极被连接到电动机37的第三相 绕组，并且栅极被连接以接收来自MCU/栅极驱动器34”’的控制信号 W_EN。
通信电路62包括：连接在节点N1和节点N2之间的电阻器R06， 连接在节点N2和N3之间的第一光电晶体管PT1，以及第一LED LED01，第一LED LED01具有通过电阻器R07连接到数字电源信号 Vdd的阳极和连接到MCU/栅极驱动器34”’的阴极，MCU/栅极驱动 器34”’通过来自第一LED LED01的发送信号MCU_Tx被激活；以及 第二光电晶体管PT2，其具有通过电阻器R05连接到数字电源信号 Vdd的第一导电端子和接地的第二导电端子，以及第二LEDLED02， 其具有通过电阻器R03连接到节点N1的阳极和通过电阻器R04连接 到节点N2的阴极。注意，光电晶体管PT2的第一导电端子也连接到 MCU/栅极驱动器34”’以向其提供接收信号MCU_Rx。
最初(例如，当电动机单元30”’被激活进入的车辆时)，逆变器 (其在外部控制器内，例如图3的逆变器50')关断而不切换，并且 开关S1，S2和S3被MCU/栅极驱动器34”’设置为断开(充当开路)。 然后，反相器的晶体管T1和晶体管T6通过控制信号Uh和Wl的断 言而接通。这导致电流从整流器60流入电源61的电容器C1和C2， 对这些电容器充电，并生成数字电源电压Vdd。
然后，由外部控制器建立半双工通信，首先保持反相器的晶体管 T1和T6接通，并调制反相器的晶体管T4以发送数据，同时保持反 相器的其它晶体管关断。这发送数据是因为，当晶体管T4接通时(同 时晶体管T1接通)，建立了从节点N1，通过电阻器R03，进入LEDLED02的阳极，流出LED02的阴极，并通过电阻器R04，通过晶体 管T4接地的电流路径。因此，当晶体管T4接通时，LED LED02接 通，使得光电晶体管PT2接通并将接收信号MCU_Rx拉到地。因此， 通过在调制晶体管T4的同时保持晶体管T1和T6接通，外部控制器 可以一次发送一位到MCU/栅极驱动器34”’。
为了从电动机单元30”’返回到外部控制器的通信，外部控制器可 以保持逆变器的晶体管T1和T6接通，并且保持逆变器的其它晶体管 关断。然后，MCU/栅极驱动器34”’可以调制发送信号MCU_Tx。当 LED LED01接通时(同时晶体管T1和T6接通)，建立了从节点N1，通过电阻器R06，通过光电晶体管PT1，通过晶体管T6到地的电流 路径。因此，当发射信号MCU_Tx被断言时，使LED01接通并且依 次使光电晶体管PT1接通，并且将节点N2处的电压(并且因此将逆 变器的节点V处的电压)下拉至零伏。因此，如果外部控制器的反相 器的晶体管T1和T6保持接通，而反相器的其它晶体管保持关断，则 MCU/栅极驱动器34”’可以通过调制发送信号MCU_Tx一次向外部控 制器发送一位。
通过已经说明的外部控制器和电动机单元30”’可以通信的方式， 现在描述电动机单元30”’的操作以提供安全性。从外部控制器到 MCU/栅极驱动器34”’的初始通信是建立外部控制器和MCU/栅极驱 动器34”’之间的安全加密通信信道。
一旦建立了外部控制器和MCU/栅极驱动器34”’之间的安全加密 通信，外部控制器就试图通过向MCU/栅极驱动器34”’发送认证请求 来认证电动机37。如果由外部控制器发送到MCU/栅极驱动器34”’ 的认证请求是期望的认证请求，并且如果MCU/栅极驱动器34”’返回 期望的认证响应，则认为电动机37被认证，并因此被认证为授权部 件。
在成功执行认证的情况下，外部控制器使用在承载电源相信号， 相U，相V和相W的导线上建立的安全加密通信信道向MCU/栅极 驱动器34”’发送开关启用命令。此后，外部控制器开始在加密通信信 道上用对切换使能确认的请求轮询MCU/栅极驱动器34”’。在确认开 关启用命令的成功接收之后，MCU/栅极驱动器34”’又生成控制信号U_En，V_En和W_En，以致使晶体管S1，S2和S3闭合(例如，充 当短路)。
一旦外部控制器通过加密通信信道从MCU/栅极驱动器34”’接收 到指示开关S1，S3和S3正闭合的响应，使得功率相信号相U，相V 和相W可被提供给电动机37'，则外部控制器激活到电动机37的逆 变器输出，以使用户能够驾驶车辆。如果外部控制器在给定时间段(例 如，MCU/栅极驱动器34”’超时)之后没有通过加密通信信道接收到 响应于其轮询的来自MCU/栅极驱动器34”’的响应，则外部控制器禁 用其逆变器，并且可以将其报告给车辆内的另一部件。
当车辆被停用时(例如，持有与车辆配对的钥匙链的驾驶员离开 车辆并指示车辆停用)，外部控制器停用其逆变器。这意味着电动机 单元30”’内的电源61不再能够生成数字电源电压Vdd，结果是MCU/ 栅极驱动器34”’关断，控制信号U_En，V_En和W_En衰减，并且开关S1，S2和S3断开。在车辆重新激活时，如上所述，首先生成数 字电源电压Vdd，然后如上所述，可以重新建立加密的通信信道，并 且可以重新执行认证过程。因此，在每次电机启动时，必须建立加密 的通信信道，并且必须成功地执行认证过程。
通过该电动机驱动系统10以两种方式提供安全性。首先，直到 在外部控制器和MCU/栅极驱动器34”’之间建立安全加密通信才执 行认证，因为未授权部分可能不能建立安全加密通信(例如，由于不 能使用期望的加密协议等)，该第一步骤消除了某些未授权电机单元 30”’和某些未授权外部控制器不能彼此通信的可能性，这意味着不能 操作电机37。认证增加了第二安全级别，因为除非由外部控制器发送 到MCU/栅极驱动器34”’的认证请求是期望的认证请求，并且除非 MCU/栅极驱动器34”’将期望的认证响应返回到外部控制器，否则不 实现认证。
上述电动机驱动系统10'，10"和10”’提供了盗窃保护以及防止使 用伪造或未批准的部件。提供了盗窃保护，因为只有批准的外部控制 器能够建立与电动机单元30'，30"和30”’的安全通信，并且成功地执 行认证，以及激活开关S1，S2和S3。因此，未经认证的外部控制器 不能引起电动机的操作(并且可能不包括向电动机提供功率的适当逆 变器)。这意味着伪造的外部控制器将不能引起电动机的操作，因此 除了提供盗窃保护之外，OEM外部控制器不能被伪造的外部控制器 替换以进行修理。这也意味着，由于授权过程失败，伪造的电动机将 不会由OEM外部控制器操作。
虽然已相对于有限数目的实施例描述了本发明，但受益于本发明 的所属领域的技术人员将了解，可设想不脱离本文所揭示的本发明的 范围的其它实施例。因此，本公开的范围将仅由所附权利要求限制。

Claims (25)

1.一种电动机驱动系统，包括：
至少一个功率相线；
外部控制器，所述外部控制器包括：
DC电功率源；
微控制器；以及
逆变器，被配置为在所述微控制器的控制下将所述DC电功率转换为驱动信号，并且将所述驱动信号提供给所述至少一个功率相线；
电动机单元，所述电动机单元包括：
电动机；
微控制器，被配置为用于与所述外部控制器的所述微控制器通信；以及
至少一个开关，耦合在所述至少一个功率相线与所述电动机之间，所述至少一个开关处于所述微控制器的控制下；
其中所述外部控制器的微控制器和所述电动机单元的微控制器被配置为执行在它们之间的认证过程；以及
其中所述外部控制器的微控制器被配置为响应于所述认证过程的成功而指示所述电动机单元的微控制器使所述至少一个开关将所述至少一个功率相线电耦合至所述电动机。
2.根据权利要求1所述的电动机驱动系统，其中所述至少一个开关包括晶体管，所述晶体管具有耦合到所述至少一个功率相线的第一传导端子、耦合到所述电动机的第二传导端子、以及经耦合以由所述电动机单元的微控制器控制的控制端子。
3.根据权利要求2所述的电动机驱动系统，其中所述电动机单元还包括栅极驱动器，所述栅极驱动器被配置为在所述电动机单元的微控制器的控制下生成栅极驱动信号，所述栅极驱动信号用于接通或关断所述晶体管。
4.根据权利要求3所述的电动机驱动系统，其中所述栅极驱动器包括：发光二极管LED，所述发光二极管LED响应于所述电动机单元的微控制器而生成光；以及光伏电池，被定位为邻近所述LED，所述光伏电池响应于由所述LED生成的所述光而生成所述栅极驱动信号。
5.根据权利要求1所述的电动机驱动系统，其中所述外部控制器的微控制器和所述电动机单元的微控制器通过不同于所述至少一个功率相线的至少一个导线连接，以提供在所述外部控制器与所述电动机单元之间的用于执行所述认证过程的通信。
6.根据权利要求1所述的电动机驱动系统，其中所述外部控制器的微控制器被配置为通过调制所述至少一个功率相线上的电压来将通信传输至所述电动机单元的微控制器；并且其中所述电动机单元的微控制器被配置为通过调制所述至少一个功率相线上的电压来将通信传输至所述外部控制器的微控制器。
7.根据权利要求1所述的电动机驱动系统，其中所述电动机单元进一步包括认证电路，所述认证电路被配置为当执行所述认证过程时与所述电动机单元的微控制器协作。
8.根据权利要求1所述的电动机驱动系统，其中：
所述至少一个功率相线包括第一功率相线、第二功率相线和第三功率相线；
所述逆变器将DC电功率转换为三相电功率，其中第一相输出在所述第一功率相线上，第二相输出在所述第二功率相线上，第三相输出在所述第三功率相线上；
所述至少一个开关包括耦合在所述第一功率相线与所述电动机的第一相绕组之间的第一开关、耦合在所述第二功率相线与所述电动机的第二相绕组之间的第二开关、以及耦合在所述第三功率相线与所述电动机的第三相绕组之间的第三开关；以及
响应于由所述外部控制器的微控制器的指令和所述认证过程的成功，所述电动机单元的微控制器使所述第一开关将所述第一功率相线耦合到所述第一相绕组，使所述第二开关将所述第二功率相线耦合到所述第二相绕组，以及使所述第三开关将所述第三功率相线耦合到第三相绕组。
9.根据权利要求8所述的电动机驱动系统，其中：
所述第一开关包括第一n沟道晶体管，所述第一n沟道晶体管具有耦合到所述第一功率相线的漏极、耦合到所述电动机的所述第一相绕组的源极、以及经耦合以由所述电动机单元的微控制器控制的栅极；
所述第二开关包括第二n沟道晶体管，所述第二n沟道晶体管具有耦合到所述第二功率相线的漏极、耦合到所述电动机的所述第二相绕组的源极、以及经耦合以由所述电动机单元的微控制器控制的栅极；以及
所述第三开关包括第三n沟道晶体管，所述第三n沟道晶体管具有耦合到所述第三功率相线的漏极、耦合到所述电动机的所述第三相绕组的源极、以及经耦合以由所述电动机单元的微控制器控制的栅极。
10.根据权利要求9所述的电动机驱动系统，其中所述电动机单元进一步包括栅极驱动器，所述栅极驱动器被配置为在所述电动机单元的所述微控制器的控制下生成用于接通或关断所述第一n沟道晶体管、所述第二n沟道晶体管和所述第三n沟道晶体管的第一栅极驱动信号、第二栅极驱动信号和第三栅极驱动信号。
11.根据权利要求10所述的电动机驱动系统，其中所述栅极驱动器包括：
第一发光二极管LED，其响应于微控制器而生成光，以及第一光伏电池，所述第一光伏电池定位为邻近所述第一LED，所述第一光伏电池响应于由所述第一LED生成的光而生成所述第一栅极驱动信号；
第二LED，所述第二LED响应于微控制器而生成光，以及第二光伏电池，所述第二光伏电池被定位为邻近所述第二LED，所述第二光伏电池响应于由所述第二LED生成的光而生成所述第二栅极驱动信号；以及
第三LED，所述第三LED响应于微控制器而生成光，以及第三光伏电池，所述第三光伏电池定位为邻近所述第三LED，所述第三光伏电池响应于由所述第三LED生成的光而生成所述第三栅极驱动信号。
12.一种电动机驱动系统，包括：
第一功率相线、第二功率相线和第三功率相线；
外部控制器，所述外部控制器包括：
DC电功率源；
微控制器；以及
三相逆变器，被配置为在所述微控制器的控制下将所述DC电功率转换为三相电功率，并且跨所述第一功率相线、所述第二功率相线、和所述第三功率相线提供所述三相电功率；
电动机单元，所述电动机单元包括：
三相电动机；
通信电路，耦合到所述第一功率相线、所述第二功率相线、和所述第三功率相线；
微控制器，被配置为用于与所述外部控制器的微控制器通信；以及
第一开关、第二开关和第三开关，耦合在所述第一功率相线、所述第二功率相线和所述第三功率相线与所述三相电动机之间，所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关在所述微控制器的控制下；
其中所述外部控制器的微控制器和所述电动机单元的微控制器被配置为通过在所述第一功率相线、所述第二功率相线、和所述第三功率相线上通信来执行在所述外部控制器与所述电动机单元之间的认证过程，其中在所述第一功率相线、所述第二功率相线、和所述第三功率相线上的通信是通过以下方式来执行的：
所述外部控制器的微控制器使用所述三相逆变器调制所述第一功率相线、所述第二功率相线、和所述第三功率相线中的至少一个功率相线上的电压；以及
所述电动机单元的所述通信电路使用所述通信电路调制所述第一功率相线、所述第二功率相线、和所述第三功率相线中的至少一个功率相线上的电压，同时保持所述第一开关，所述第二开关和所述第三开关闭合；以及
其中所述电动机单元的微控制器被配置为响应于所述认证过程的成功以及由所述外部控制器的微控制器的指令而使所述第一开关、所述第二开关和所述第三开关将所述第一功率相线，所述第二功率相线和所述第三功率相线电耦合至所述三相电动机。
13.根据权利要求12所述的电动机驱动系统，其中所述三相逆变器包括：
第一高侧晶体管，耦合在第一节点与所述DC电源之间；
第一低侧晶体管，耦合在所述第一节点与接地之间；
第二高侧晶体管，耦合在第二节点与所述DC电源之间；
第二低侧晶体管，耦合在所述第二节点与接地之间；
第三高侧晶体管，耦合在第三节点与所述DC电源之间；以及
第三低侧晶体管，耦合在所述第三节点与接地之间；
其中所述第一节点耦合到所述第一功率相线，其中所述第二节点耦合到所述第二功率相线，并且其中所述第三节点耦合到所述第三功率相线。
14.根据权利要求13所述的电动机驱动系统，其中所述电动机单元包括电源装置，所述电源装置被配置为从所述第一功率相线，所述第二功率相线和所述第三功率相线生成数字功率电压。
15.根据权利要求13所述的电动机驱动系统，
其中所述电动机单元的通信电路包括：
第一电阻器，耦合在所述第一功率相线和所述第二功率相线之间；
第一LED，耦合在由所述电动机单元的微控制器生成的发射信号与数字功率电压之间；
第一光电晶体管，耦合在所述第二功率相线和所述第三功率相线之间，所述第一光电晶体管接近所述第一LED，使得当所述第一LED发光时，所述第一光电晶体管接通；
第二LED，耦合在所述第一功率相线和所述第二功率相线之间；以及
第二光电晶体管，具有耦合到所述数字功率电压和所述电动机单元的微控制器的接收信号输入的第一传导端子，以及耦合到接地的第二传导端子，所述第二光电晶体管接近所述第二LED，使得当所述第二LED发光时，所述第二光电晶体管接通。
16.根据权利要求13所述的电动机驱动系统，其中所述外部控制器的微控制器通过以下方式来调制所述第二功率相线上的电压：保持所述第一高侧晶体管和第三低侧晶体管接通，调制所述第二低侧晶体管，以及保持所述三相逆变器的其它晶体管断开。
17.根据权利要求16所述的电动机驱动系统，其中所述电动机单元的微控制器通过以下方式来调制所述第二功率相线上的电压：
当所述外部控制器的微控制器保持所述第一高侧晶体管和所述第三低端晶体管接通、并且保持所述三相逆变器的其它晶体管关断时，所述电动机单元的微控制器调制所述发射信号。
18.一种电动机驱动系统，包括：
至少一个功率相线；
外部控制器，被配置为生成驱动信号并且将所述驱动信号提供给所述至少一个功率相线；
电动机电子器件，所述电动机电子器件包括：
至少一个开关，耦合在所述至少一个功率相线与至少一个电动机端子之间；以及
内部控制器，被配置为与所述外部控制器协作以执行在所述内部控制器与所述外部控制器之间的认证过程；
其中所述外部控制器进一步被配置为响应于所述认证过程的成功而使所述至少一个开关将所述至少一个功率相线电耦合至所述至少一个电动机端子。
19.根据权利要求18所述的电动机驱动系统，其中所述内部控制器包括栅极驱动器和微控制器，所述栅极驱动器被配置为生成用于接通或关断所述开关的栅极驱动信号，所述微控制器被配置为与所述外部控制器协作以执行所述认证过程，并且响应于所述认证过程的成功和由所述外部控制器的指令而使所述栅极驱动器生成所述栅极驱动信号。
20.根据权利要求19所述的电动机驱动系统，其中所述栅极驱动器包括：发光二极管LED，其响应于所述微控制器而生成光，以及光伏电池，所述光伏电池被定位为邻近所述LED，所述光伏电池响应于由所述LED生成的光而生成所述栅极驱动信号。
21.根据权利要求18所述的电动机驱动系统，其中所述内部控制器和所述外部控制器通过不同于所述至少一个功率相线的至少一个导线连接，以提供用于执行所述认证过程的在所述内部控制器与所述外部控制器之间的通信。
22.根据权利要求18所述的电动机驱动系统，其中内部控制器被配置为通过调制所述至少一个功率相线上的电压来将通信传输至所述外部控制器；并且其中所述外部控制器被配置为通过调制所述至少一个功率相线上的电压来将通信传输至所述内部控制器。
23.根据权利要求18所述的电动机驱动系统，其中：
所述至少一个电动机端子包括第一电动机端子、第二电动机端子和第三电动机端子；
所述至少一个功率相线包括第一功率相线、第二功率相线和第三功率相线；
所述至少一个开关包括耦合在所述第一功率相线和所述第一电动机端子之间的第一开关，耦合在所述第二功率相线和所述第二电动机端子之间的第二开关，以及耦合在所述第三功率相线和所述第三电动机端子之间的第三开关；
所述外部控制器响应于所述认证过程的成功而使所述第一开关将所述第一功率相线耦合到所述第一电动机端子；
所述外部控制器响应于所述认证过程的成功而使所述第二开关将所述第二功率相线耦合到所述第二电动机端子；以及
所述外部控制器响应于所述认证过程的成功而使所述第三开关将所述第三功率相线耦合到所述第三电动机端子。
24.一种使用外部控制器来操作电动机的方法，所述方法包括：
在所述外部控制器与所述电动机之间执行认证过程；
响应于所述认证过程的成功而生成电动机相功率信号；以及
响应于所述认证过程的成功而将所述电动机相功率信号施加到所述外部电动机。
25.根据权利要求24所述的方法，其中响应于所述认证过程的成功，通过闭合耦合在所述电动机相功率信号与所述电动机之间的开关，将所述电动机相功率信号施加到所述外部电动机。
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