电机的主动短路保护方法、控制器以及电机控制系统与流程

本申请涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机的主动短路保护方法、电机控制器以及电机控制系统。

背景技术：

永磁同步电机具有体积小、功率密度高及效率高的优点，正因为如此永磁同步电机已经被广泛应用于各个领域，尤其是新能源电动汽车。但是在实际使用过程中永磁同步电机可能还存在许多的性能安全问题需要考量，尤其是永磁同步电机在高速运行时的车辆安全问题。永磁同步电机在高速运行时如果电机控制器或者其他控制单元出现故障，会导致电机控制器中的igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)由开通状态立即变为关断状态，由于永磁同步电机的特性这时会有很大的能量回馈及制动转矩，回馈电流很有可能损坏其它设备，制动转矩则会带来强烈的刹车感，严重危及了驾乘人员的人身安全。

目前主动短路保护技术已经成为了解决这一问题的有效措施，主动短路保护在实施时通常是将电机控制器中三个上桥臂中的igbt全打开、下桥臂中的igbt全关断，或者让三个下桥臂中的igbt全打开、上桥臂中的igbt全关断；这样可通过上桥臂中的二极管或者下桥臂中的igbt将电机短路。由于电机短路时会产生很大的电流，这种处理方式会对开通一侧的功率开关器件造成很大的冲击。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请的目的在于提供一种电机的主动短路保护方法、电机控制器以及电机控制系统，以解决现有主动短路保护方式存在的问题。

本申请解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

根据本申请的一个方面，提供的一种电机的主动短路保护方法，该方法用于电机控制器；所述方法包括：

在主动短路保护的标志位有效的情形下，控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件交替导通；

其中，主动短路保护的标志位，是指在出现电机故障后生成的用以标示是否需要实施主动短路保护的标志位。

根据本申请的一个方面，提供的一种电机控制器，所述电机控制器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的电机的主动短路保护程序，所述电机的主动短路保护程序被所述处理器执行时用于实现所述的电机的主动短路保护方法的步骤。

根据本申请的一个方面，提供的一种电机控制系统，包括依次连接的直流源、逆变器以及电机；

所述电机控制系统还包括所述的电机控制器。

本申请实施例提供的电机的主动短路保护方法、电机控制器以及电机控制系统，在主动短路保护的标志位有效时控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件交替导通，避免了上桥臂的功率开关器件全打开、下桥臂的功率开关器件全关断，或者上桥臂的功率开关器件全关断、下桥臂的功率开关器件全打开时，对开通一侧的功率开关器件造成很大的冲击，进而影响功率开关器件寿命的问题；均衡了主动短路保护功能开启时上下桥臂的功率开关器件的的耐流和热均衡能力。

附图说明

图1为本申请实施例提供的电机控制系统示意图；

图2为本申请实施例提供的电机控制系统中电机控制器示意图；

图3为本申请实施例提供的永磁同步电机短路时电机转矩与转速的示意图；

图4为本申请实施例提供的电机控制器的整体控制逻辑示意图；

图5为本申请实施例提供的主动短路保护的标志位有效时的控制逻辑示意图。

本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

实施例1

图1为本申请实施例提供的电机控制系统示意图。电机控制系统包括依次连接的直流源11、逆变器12以及电机13。

直流源11通过逆变器12向电机13输出交流电以驱动电机13转动，实现电动汽车的移动。逆变器12的直流端与直流源11连接，逆变器12的交流端与电机13的输入端连接。逆变器12起到驱动电机13输出扭矩和功率，以及将刹车时电机13被车轮拖动产生的能量反馈给直流源11的作用。

在本示例中，逆变器12为三相全桥逆变器，电机13为三相的永磁同步电机。

三相全桥逆变器包括并联的三个桥臂，每个桥臂包括串联的两个功率开关器件，每个功率开关器件还可以反向并联一个二极管。具体地，串联的功率开关器件v1和v2组成第一桥臂，串联的功率开关器件v3和v4组成第二桥臂，串联的功率开关器件v5和v6组成第三桥臂，第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂并联连接。功率开关器件可以为igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)、mos(metaloxidesemiconductor，金属氧化物半导体)管等。

请结合图2进行理解，电机控制系统还包括电机控制器14，电机控制器14包括存储器141、处理器142及存储在存储器141上并可在处理器142上运行的电机的主动短路保护程序。

图3为本申请实施例提供的永磁同步电机短路时电机转矩与转速的示意图。

从图中可以看出，主动短路开启后随着电机转速的逐渐的增大，制动转矩先增大，然后逐渐减小并收敛到一个很小的值。正因为永磁同步电机短路时的这一特性，主动短路保护才被用来作为电机13高速运行时的一项安全保护措施。当该技术应用到整车控制时，整车在高速故障时会输出一个很小的制动转矩，不仅可以使整车安全平稳停车，而且实施短路保护还可以切断电机13与逆变器12直流侧的连接，有效地保护了直流侧开关器件的安全性。

具体地，所述主动短路保护程序被处理器142执行时，用于实现以下所述的电机的主动短路保护方法的步骤：

在主动短路保护的标志位有效的情形下，控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件交替导通；

其中，主动短路保护的标志位，是指在出现电机故障后生成的用以标示是否需要实施主动短路保护的标志位。

进一步地，所述主动短路保护程序被处理器142执行时，还用于实现以下所述的电机的主动短路保护方法的步骤：

以电机控制器允许的最低开关频率控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件交替导通，以减小功率开关器件交替导通时的开关损耗。

进一步地，所述主动短路保护程序被处理器142执行时，还用于实现以下所述的电机的主动短路保护方法的步骤：

在主动短路保护等级故障生效的情形下，判断电机转速是否大于转速阈值；

若电机转速大于转速阈值，则将主动短路保护的标志位置为有效。

在该示例中，所述主动短路保护等级故障包括主动短路保护故障、导致电机控制器的高压异常断开的故障。

具体地，电机13及电机控制器14的内部有多个故障，如过流、过压、过温、电机温度检测异常等，其中有的属于轻微的故障，有的则属于严重的故障，而不同等级的故障应该对应不同的响应。

本示例将主动短路保护归属为一种电机故障，实际处理时将它归为一种严重的故障等级。然后根据故障的严重程度将电机故障依次分为不同的等级，例如：主动短路保护故障、关断电机、零转矩输出、功率限制高、功率限制低、告警和正常等等，接着再根据生效的故障等级做具体的响应，等级高的故障响应优先级越高。具体实施时，会对每一个故障都配置一个对应的等级，然后电机控制器14会实时检测这些故障是否发生(本示例只关心故障等级为主动短路保护的故障)。

另外，其他设备在发生严重故障时，很有可能将电机控制器14的高压异常断开，这时如果电机13运行在高速，也会存在一定的安全问题。本示例将其他设备的严重故障统一综合处理，将整车的其它严重故障信息关联到电机控制器的故障处理模块，并且将其归类到主动短路保护等级故障，这样当这些故障发生时电机控制器14就可以有效识别。

按照上述电机故障等级处理的方法配置好之后，故障发生时电机控制器14就能检测到各个故障的等级，然后根据故障等级做综合处理。当主动短路保护等级故障有效时，会生成一个主动短路保护的使能位，再经过转速阈值的判断之后才会生成最终的主动短路保护有效标志位。

在该示例中，所述转速阈值为电机空载运行时开始弱磁的转速。现有技术中，通常将母线电压vdc作为短路保护的判断条件，实际上短路保护与母线电压没有直接关系，只是电机13高速运行时逆变器12在关闭的情况下会使母线电压迅速抬高。本示例只将转速阈值作为短路保护开启的判断条件，即便空载运行时永磁同步电机在进入深度弱磁后都会有很大的输出电流。本示例根据永磁同步电机的特性来选取短路保护的转速阈值，即将电机空载运行时开始弱磁的转速作为短路保护开启的转速阈值。

进一步地，所述主动短路保护程序被处理器142执行时，还用于实现以下所述的电机的主动短路保护方法的步骤：

在主动短路保护等级故障生效的情形下，判断电机转速是否大于转速阈值与预设回差的和；

若电机转速大于转速阈值与预设回差的和，则将主动短路保护的标志位置为有效。

进一步地，所述主动短路保护程序被处理器142执行时，还用于实现以下所述的电机的主动短路保护方法的步骤：

若电机转速小于转速阈值与预设回差的差，控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件均关断且功率开关器件的开关频率恢复为默认值。

在该示例中，由于实际中整车在运行时电机转速可能出现小的跳变，通过回差可避免短路保护在转速阈值附近来回切换，导致短路保护错误的开启与关断，另外电机转速降低之后及时关闭主动短路保护功能可以有效的保护功率开关器件及电机，以免功率开关器件及电机长时间承受一个很大的短路电流。

进一步地，所述主动短路保护程序被处理器142执行时，还用于实现以下所述的电机的主动短路保护方法的步骤：

所述控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件交替导通包括：

将q轴发波电压和d轴发波电压均设置为零，以控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件交替导通。

实施例2

为了更好地阐述本申请，以下结合图4-图5对主动短路保护的过程进行说明：

如图4所示，利用电机转速判断是否需要开启主动短路保护的过程包括：

步骤s11、判断电机控制器是否发生故障？

步骤s12、若电机控制器发生故障，则主动短路保护等级故障生效；否则电机控制器保持原有状态(步骤s13)；

步骤s14、在主动短路保护等级故障生效的情形下，判断电机转速是否大于转速阈值与预设回差的和？

步骤s15、若电机转速大于转速阈值与预设回差的和，则主动短路保护的标志位有效；否则控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件均关断(步骤s16)；

步骤s17、在主动短路保护的标志位有效的情形下，判断电机转速是否小于转速阈值与预设回差的差？

步骤s18、若电机转速小于转速阈值与预设回差的差，则控制逆变器中上下桥臂的功率开关器件均关断；否则主动短路保护的标志位维持有效状态(步骤s17)。

如图5所示，主动短路保护的标志位有效时的控制过程包括：

步骤s21、主动短路保护的标志位有效；

步骤s22、将q轴发波电压和d轴发波电压均设置为零，开关频率为电机控制器允许的最低开关频率；

步骤s23、(例如svpwm发波模块)生成电压矢量0和电压矢量7作用于电机控制器；

步骤s24、逆变器中上下桥臂的功率开关器件交替导通；

具体地，当电压矢量0作用于电机控制器时v2、v4和v6导通，v1、v3和v5关断；当电压矢量7作用于电机控制器时v1、v3和v5导通，v2、v4和v6关断；

步骤s25、判断主动短路保护的标志位有效？

步骤s26、若主动短路保护的标志位无效，功率开关器件均被关断，功率开关器件的开关频率恢复为默认值；否则继续执行步骤s24。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些物理组件或所有物理组件可以被实施为由处理器，如中央处理器、数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘(dvd)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

以上参照附图说明了本申请的优选实施例，并非因此局限本申请的权利范围。本领域技术人员不脱离本申请的范围和实质内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本申请的权利范围之内。