一种车辆伺服控制器同步控制方法和装置与流程

1.本发明涉及驱动电机控制技术领域，具体涉及一种车辆伺服控制器同步控制方法和装置。


背景技术：

2.现有技术中，随着重型车辆电动化水平的不断提高，基于永磁同步电机的电动执行系统的应用越来越多。基于双电机同步控制策略在电动执行系统的应用越来越多，例如特种车辆中双缸舱盖启闭，双缸支腿伸收等场合，这使得对伺服控制器同步控制的可靠性和安全性设计提出更高的要求。
3.传统的永磁同步电机的双电机同步控制仅追求速度或位置同步目标的实现，往往忽略了同步伺服控制器的可靠性和安全性设计。在特种车辆应用场合，一旦同步伺服控制器其中一台失效，另一台还在正常工作，将会造成流程中止或失败，甚至造成机械机构或相关重要产品不可逆的损伤。另外，若伺服控制器与电机之间动力电缆未连接，此时直接发送运动指令，将会造成某些应用下(例如机械结构无自锁，需靠电机抱闸实现锁止)电机的反拖，进一步带来人员或设备的伤害。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明实施例提供一种车辆伺服控制器同步控制方法和装置，解决现有同步伺服控制器在异常情况下可靠性和安全性低的技术问题。
5.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制装置，包括：
6.上位监控主机，用于形成人机交互界面，接收永磁同步电机控制过程的状态反馈数据形成有序数据展示，将控制目的转换为伺服控制器的控制指令；
7.主伺服控制器，用于根据所述控制指令调整预置控制策略对输入的直流功率信号进行变频，形成位置、速度和转矩控制的主功率控制信号有序输出，控制主永磁同步电机运行；
8.从伺服控制器，用于根据所述控制指令和主永磁同步电机运行状态反馈数据调整预置控制策略对输入的直流功率信号进行变频，形成位置、速度和转矩控制的同步功率控制信号有序输出，控制从永磁同步电机同步运行；
9.主永磁同步电机，用于接收主功率控制信号运行；
10.从永磁同步电机，用于接收同步功率控制信号同步运行。
11.本发明一实施例中，所述上位监控主机与各伺服控制器间通过通信线缆设置两条can总线形成冗余通信连接；通过高压直流电源分流形成两路高压直流功率信号输出线路，分别与所述主伺服控制器和所述从伺服控制器的直流功率信号输入端子通过动力线缆电连接，主伺服控制器的三相功率信号输出端子与主永磁同步电机的三相功率信号输入端子通过动力线缆电连接，从伺服控制器的三相功率信号输出端子与从永磁同步电机的三相功率信号输入端子通过动力线缆电连接；所述主伺服控制器与所述从伺服控制器各设置一组
开关量信号双向接口并通过监测电缆进行一对一电连接，用于利用确定开关量信号双向接口在伺服控制器间传输本体特定运行状态，供对方实时监测。
12.本发明一实施例中，永磁同步电机与对应的伺服控制器间连接位置信号线缆，用于将通过位置传感器获取的永磁同步电机转子位置信号传输至伺服控制器的一个信号输入端子，以实时获取永磁同步电机转子的实时转动状态。
13.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法，利用上述的车辆伺服控制器同步控制装置，采用主从控制策略设定永磁同步电机间同步控制，包括：
14.主伺服控制器接收上位监控主机转速指令通过主伺服控制器与主永磁同步电机形成转速闭环控制进行转速稳定控制；
15.采集主永磁同步电机的转子位置作为运行状态反馈数据形成从伺服控制器的位置基准参考数据；
16.根据位置基准参考数据形成从伺服控制器与从永磁同步电机转速闭环控制进行转速同步控制。
17.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法，利用上述的车辆伺服控制器同步控制装置，包括：
18.当接收运行指令时，触发电机三相断线保护处理过程；
19.根据运行过程中的故障告警类别形成三级保护处理过程；
20.根据运行过程中的告警类别开关量执行应急处理过程。
21.本发明一实施例中，所述电机三相断线保护处理过程，包括：
22.接收启动控制指令后，伺服控制器切换至小转矩控制模式，给定初始小转矩功率信号，进行永磁同步电机的转矩闭环控制；
23.判断永磁同步电机输入三相线中是否有电流流过：
24.当有电流流过时，伺服控制器切换为转速控制模式或标准转矩控制模式；同时，执行使能开抱闸操作过程，执行后续控制指令流程；
25.当没有电流流过时，进行永磁同步电机三相线断线保护过程，控制指令流程中止。
26.本发明一实施例中，所述三级保护处理过程，包括：
27.根据监测数据进行故障等级判断；
28.当故障等级为一类时，只报警不停机，上位监控主机根据报警信息提示用户进行相关操作；
29.当故障等级为二类时，伺服控制器照根据急停斜坡加速度规则进行永磁同步电机降速；当伺服控制器判断当控制器判断永磁同步电机转速降为0后，执行关抱闸去使能操作；上位监控主机根据报警信息提示；
30.当故障等级为三类时，立即断使能停机；同时，紧急关抱闸；上位监控主机根据报警信息提示。
31.本发明一实施例中，所述应急处理过程，包括：
32.主伺服控制器和从伺服控制器间通过配对i/o接口接收对方的对应故障等级的开关量信号；根据i/o接口标识和开关量信号的跳变状态确定故障等级；
33.当故障等级为二类时，伺服控制器照根据急停斜坡加速度规则进行永磁同步电机降速；当伺服控制器判断当控制器判断永磁同步电机转速降为0后，执行关抱闸去使能操
作；上位监控主机根据报警信息提示；
34.当故障等级为三类时，立即断使能停机；同时，紧急关抱闸；上位监控主机根据报警信息提示。
35.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制装置，包括：
36.存储器，用于存储如上述的车辆伺服控制器同步控制方法处理过程中对应的程序代码；
37.处理器，用于执行所述程序代码。
38.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制装置，包括：
39.主从控制配置模块，用于采用主从控制策略设定永磁同步电机间同步控制；
40.断线保护控制模块，用于当接收运行指令时，触发电机三相断线保护处理过程；
41.分级保护控制模块，用于根据运行过程中的故障告警类别形成三级保护处理过程；
42.应急保护控制模块，用于根据运行过程中的告警类别开关量执行应急处理过程。
43.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法和装置在保证双电机高同步性能的基础上，通过软硬件的可靠性和安全性设计，提高同步伺服控制器在异常情况下的快速响应能力，保证系统可靠稳定运行，可大幅度提高特种车辆应用场合。通过硬件的冗余和保护设计，可实现伺服控制器自身运行的可靠性和安全性。通过完善停机保护机制、增加断线保护功能、增加i/o同步紧急停机功能，可实现伺服控制器在出现异常情况时可靠快速同步停机。
附图说明
44.图1所示为本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制装置的结构示意图。
45.图2所示为本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制方法的同步控制流程示意图。
46.图3所示为本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制方法的保护逻辑示意图。
47.图4所示为本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制方法的断线保护流程示意图。
48.图5所示为本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制方法的分级保护过程流程示意图。
49.图6所示为本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制方法的应急处理过程流程示意图。
50.图7所示为本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制装置的架构示意图
具体实施方式
51.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制装置如图1所示。在图1中，本实施例包
括：
53.上位监控主机，用于形成人机交互界面，接收永磁同步电机控制过程的状态反馈数据形成有序数据展示，将控制目的转换为伺服控制器的控制指令。
54.部署在监控主机上的人机交互界面可以是集成监控系统中的独立监控进程的人机交互界面。人机交互界面提供反馈数据的图形化展示界面和控制目的的图形化指令对象。人机交互界面将图形化指令对象的交互过程转换为一系列控制指令。
55.主伺服控制器，用于根据控制指令调整预置控制策略对输入的直流功率信号进行变频，形成位置、速度和转矩控制的主功率控制信号有序输出，控制主永磁同步电机运行。
56.主伺服控制器采用成熟硬件模块，在硬件设计中采取多种提高可靠性和安全性的措施，如根据国军标或企业标准等进行降额等级选择，关键器件如功率模块、驱动芯片等应按照高等级降额要求选择；损耗较大的器件应进行散热处理，应考虑在不同使用环境下，尤其是高温时器件的温升；硬件或软件设计时应采用冗余设计方法；控制器自身设置分级保护机制，如过流保护、过压保护、过热保护、超速保护、失速保护等保护功能。
57.主伺服控制器根据预置的控制策略，以控制指令为调整参数，将直流功率信号受控变频转换为交流功率信号形成针对位置、速度和转矩需求的驱动信号。
58.从伺服控制器，用于根据控制指令和主永磁同步电机运行状态反馈数据调整预置控制策略对输入的直流功率信号进行变频，形成位置、速度和转矩控制的同步功率控制信号有序输出，控制从永磁同步电机同步运行。
59.从伺服控制器根据预置的控制策略利用额外的运行状态反馈数据参与受控变频转换将直流功率信号转换为交流功率信号，形成必要的两个受控制形状之间的锁相控制，保持同步控制精度。
60.主永磁同步电机，用于接收主功率控制信号运行。
61.从永磁同步电机，用于接收同步功率控制信号同步运行。
62.主永磁同步电机和从永磁同步电机选取同批次、同参数电机，电缆长度、阻抗特性等尽量保持一致，这样可提高系统稳定度，去除参数不一致带来的原始误差，保证系统运动的同步性能。
63.高压直流电源，用于提供高压直流功率信号。
64.高压直流电源在系统中可以采用动力电池组、柴油发电机组等高压直流一次源，以满足车载需求。
65.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制装置提供了一种车辆伺服控制器同步控制架构，对同步伺服控制器的驱动控制结构进行了可靠性和安全性设计，使得驱动控制过程的数据传输避免线路单点故障，状态反馈途径和反馈效率差异化，使得车辆伺服控制器同步控制过程具有可靠的硬件基础。
66.如图1所示，在本发明一实施例中，上位监控主机与各伺服控制器间通过通信线缆设置两条can总线形成冗余通信连接，主伺服控制器或从伺服控制器通过两条间can总线与监控主机和其他伺服控制器进行数据传输，形成双can总线冗余数据传输模式。若其中一条总线出现故障，另一条总线可投入正常使用，同时在软件中实现双can同收同发功能。双can总线可采用屏蔽双绞专用电缆，以解决高压系统中通信干扰问题。
67.如图1所示，在本发明一实施例中，通过高压直流电源分流形成两路高压直流功率
信号输出线路，分别与主伺服控制器和从伺服控制器的直流功率信号输入端子通过动力线缆电连接。主伺服控制器的三相功率信号输出端子与主永磁同步电机的三相功率信号输入端子通过动力线缆电连接，从伺服控制器的三相功率信号输出端子与从永磁同步电机的三相功率信号输入端子通过动力线缆电连接。各永磁同步电机通过对应伺服控制器独立控制，各伺服控制器根据控制指令形成对应永磁同步电机的同步功率控制信号。
68.如图1所示，在本发明一实施例中，永磁同步电机与对应的伺服控制器间连接位置信号线缆，用于将通过位置传感器获取的永磁同步电机转子位置信号传输至伺服控制器的一个信号输入端子，以实时获取永磁同步电机转子的实时转动状态。
69.如图1所示，在本发明一实施例中，主伺服控制器与从伺服控制器各设置一组开关量信号双向接口并通过监测电缆进行一对一电连接，用于利用确定开关量信号双向接口在伺服控制器间传输本体特定运行状态，供对方实时监测。伺服控制器实时监测另一台伺服控制器的i/o开关量信号，当监测到信号由低到高，则说明另一台伺服控制器出现了相应故障停机状态，伺服控制器需根据i/o端口区别故障类型。
70.本发明一实施例的车辆伺服控制器同步控制方法的一种同步控制逻辑如图2所示。在图2中，本实施例利用上述实施例的车辆伺服控制器同步控制装置，采用主从控制策略设定永磁同步电机间同步控制的步骤100，包括：
71.步骤110：主伺服控制器接收上位监控主机转速指令通过主伺服控制器与主永磁同步电机形成转速闭环控制进行转速稳定控制；
72.步骤120：采集主永磁同步电机的转子位置作为运行状态反馈数据形成从伺服控制器的位置基准参考数据；
73.步骤130：根据位置基准参考数据形成从伺服控制器与从永磁同步电机转速闭环控制进行转速同步控制。
74.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法，利用主永磁同步电机的实时转子位置信息作为从伺服控制器的控制参数，使从永磁同步电机转子状态保持与主永磁同步电机的同步，使得永磁同步电机受到的扰动、干扰、漂移等随机状态可以在从伺服控制器的控制过程中同步反映，保证永磁同步电机间的同步可靠性。
75.进一步，为了弥补主从控制方式带来的误差，在上位监控主机的上层控制策略中增加位置补偿控制，当由两电机驱动的机构位移差超过允许范围时，由上位机通过算法进行自动位置补偿。
76.本发明一实施例的车辆伺服控制器同步控制方法的保护逻辑如图3所示。在图3中，本实施例包括：
77.步骤200：当接收运行指令时，触发电机三相断线保护处理过程。
78.为避免由于机械结构无法自锁，防止后端结构负载在重力作用下拖动电机反向运动，造成不可预估的后果，需要设置永磁同步电机抱闸进行结构锁止。需要针对可能存在的电机意外反拖现象进行抱闸控制。而当电机三相线未连接至伺服控制器时，若上位机向伺服控制器发送动作指令，此时伺服控制器将直接打开抱闸，依旧可能出现电机被反拖的情况。
79.步骤300：根据运行过程中的故障告警类别形成三级保护处理过程。
80.运行过程中的故障告警类别包括但不限于输入过压、输入欠压、电机和模块过热、
过载、igbt模块故障、失速、断线等，采用分级保护可以有针对性实施运行状态控制，兼顾运行效率和保护及时性。
81.步骤400：根据运行过程中的告警类别开关量执行应急处理过程。
82.伺服控制器在同步控制的过程中，若其中一台出现故障停机现象，另一台正常运转，则会产生失步，通过can总线信息交互可进行同步停机。但由于can总线信息交互周期在某些控制过程中可能较长或总线负载率高，使得反馈响应较慢，可能造成停机时间不一致，导致机械结构损伤等情况。而硬件检测开关量时间较短且较为固定，因此可通过i/o硬件检测方式实现高可靠快速同步停机功能。
83.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法，统计建立同步控制过程的意外判断过程和分级判断过程，形成现有同步控制过程中技术缺陷的针对性克服手段。对车辆伺服控制器同步控制过程的可靠性和安全性，实现伺服控制器在出现异常情况时可靠快速同步停机，实现特种车辆安全可靠运行。本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法不仅可以应用于同步动作一致的同步控制过程，也可以应用于同步动作互补适配的同步控制过程，应用范围广泛。
84.本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制方法的断线保护如图4所示。在图4中，步骤200中进行断线保护的一个实施例中包括：
85.接收启动控制指令后，伺服控制器切换至小转矩控制模式，给定初始小转矩功率信号，进行永磁同步电机的转矩闭环控制；
86.判断永磁同步电机输入三相线中是否有电流流过：
87.当有电流流过时，伺服控制器切换为转速控制模式或标准转矩控制模式；同时，执行使能开抱闸操作过程，执行后续控制指令流程；
88.当没有电流流过时，进行永磁同步电机三相线断线保护过程，控制指令流程中止。
89.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法通过小转矩控制模式向永磁同步电机输入小电流(根据抱闸力矩大小)方式实现特定转矩闭环控制，判断电机三相线中是否有电流流过形成后续的开抱闸使能操作和短线保护过程，进一步提高客服了永磁同步电机出现意外反拖。
90.本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制方法的分级保护如图5所示。在图5中，步骤300中进行分级保护的一个实施例中包括：
91.根据监测数据进行故障等级判断；
92.故障等级判断包括根据故障类型形成故障等级。一类报警故障等级包括但不限于输入过压一级、输入欠压一级、电机和模块过热一级告警等，二类保护故障等级包括但不限于输入欠压二级、电机和模块过热二级、过载等，三类保护故障等级包括但不限于输入过压二级、igbt模块故障、失速、断线等。
93.当故障等级为一类时，只报警不停机，上位监控主机根据报警信息提示用户进行相关操作；
94.此类故障不影响系统短时运行，不会造成控制器硬件损坏。
95.当故障等级为二类时，伺服控制器照根据急停斜坡加速度规则进行永磁同步电机降速；
96.当伺服控制器判断当控制器判断永磁同步电机转速降为0后，执行关抱闸去使能
操作；
97.上位监控主机根据报警信息提示；
98.此类故障发生后若进一步运行容易造成控制器硬件损坏，通过斜坡降速方式可控停机。
99.当故障等级为三类时，立即断使能停机；
100.同时，紧急关抱闸；
101.上位监控主机根据报警信息提示；
102.此类故障发生后极易造成控制硬件损坏或系统出现安全性事故，须立即使电机处于不可控释放状态、紧急关抱闸，防止电机因重力反拖造成更严重后果。
103.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法通过故障等级分级预先形成告警信号的危害等级及对应处理规程，使得繁杂告警信号与危害及对应处理形成连续的反馈-识别-处理过程。使得告警信号的处理有序化进行。
104.本发明一实施例车辆伺服控制器同步控制方法的应急处理如图6所示。在图6中，步骤400中进行应急处理的一个实施例中包括：
105.主伺服控制器和从伺服控制器间通过配对i/o接口接收对方的对应故障等级的开关量信号；根据i/o接口标识和开关量信号的跳变状态确定故障等级；
106.当故障等级为二类时，伺服控制器照根据急停斜坡加速度规则进行永磁同步电机降速；当伺服控制器判断当控制器判断永磁同步电机转速降为0后，执行关抱闸去使能操作；上位监控主机根据报警信息提示；
107.当故障等级为三类时，立即断使能停机；同时，紧急关抱闸；上位监控主机根据报警信息提示。
108.配对i/o接口为主伺服控制器和从伺服控制器上信号对接的一对i/o接口，每个i/o接口对于伺服控制器而言具有软件可识别的确定标识，i/o接口配置为数字电平或模拟波形的开关量信号。开关量信号的跳变状态包括由低向高跳变的电平、脉冲或梯度。通过设置若干配对i/o接口分别对应若干个确定的故障等级，确定的配对i/o接口中的开关量信号变化，直接反映确定的故障等级和故障类型。
109.本发明实施例的车辆伺服控制器同步控制方法，在通过信息处理过程的故障判断处理过程基础上，额外利用故障判断的结果数据通过i/o接口的硬件优先级形成实时性判断结构传输途径，避免故障诊断信息传输的时延不确定缺陷。
110.本发明一实施例的车辆伺服控制器同步控制装置，包括：
111.存储器，用于存储上述实施例车辆伺服控制器同步控制方法处理过程中对应的程序代码；
112.处理器，用于执行上述实施例车辆伺服控制器同步控制方法处理过程中对应的程序代码。
113.本发明一实施例的车辆伺服控制器同步控制装置如图7所示。在图7中，本实施例包括：
114.主从控制配置模块10，用于采用主从控制策略设定永磁同步电机间同步控制；
115.断线保护控制模块20，用于当接收运行指令时，触发电机三相断线保护处理过程；
116.分级保护控制模块30，用于根据运行过程中的故障告警类别形成三级保护处理过
程；
117.应急保护控制模块40，用于根据运行过程中的告警类别开关量执行应急处理过程。
118.信号汇集处理器22和信号过滤处理器16可以采用dsp(digital signal processor)数字信号处理器、fpga(field-programmable gate array)现场可编程门阵列、mcu(microcontroller unit)系统板、soc(system on a chip)系统板或包括i/o的plc(programmable logic controller)最小系统或伺服控制器。
119.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。