一种软硬件相结合的五相永磁同步电机过流控制方法

1.本发明公开一种软硬件相结合的五相永磁同步电机过流控制方法，采用精密整流电路、比较电路并通过“线与”方式实现电机过流检测及过流脉冲融合，初步快速封锁igbt驱动信号，过流脉冲还以中断方式反馈至控制器，控制器据此信号采用逐脉冲方式控制电流峰值，由此驱动系统可无扰穿越短时过流(或假过流)事件，属于发电、变电或配电的技术领域。


背景技术：

2.交通电气化是近些年在全球范围内正在发生的一次重大技术变革，当前正在迅速地由电动汽车向电动飞机、电动船舶、电动火车等领域全方位扩展。多相电驱动技术在新一代电气化交通运输系统中备受期待，其中，五相永磁同步电机因功率密度高、容错性能好、振动噪声小而在上述领域具有广阔的应用前景。
3.五相永磁同步电机工作环境通常比较恶劣，易发生转子堵转或过载情况，从而出现短路或过流现象，并危害驱动系统安全运行。为了满足电气安全的要求，通常需要对电机电流进行单周期控制或限制。针对电机驱动系统的短路或过流事件，常见的电机电流单周期控制技术有闭环反馈控制技术和逐脉冲限流控制技术。闭环反馈控制技术中涉及的闭环电流调节器无法满足逐周期调制的高响应速度。现有逐脉冲限流控制技术主要分为基于软件算法实现的逐脉冲限流控制技术和通过硬件实现的逐脉冲限流控制技术。基于软件算法实现的逐脉冲限流控制技术首先通过软件检测过流然后再通过软件逐脉冲控制，过流检测的精确度易受采样噪声干扰，过流检测的响应速度受限于数字控制器的处理速度和集成adc的转换速率。通过fpga或cpld等硬件实现的逐脉冲限流控制技术在提高响应速度的同时增加了成本，较窄的滞环环宽会使igbt工作在一个非常高的开关频率，从而造成igbt器件在短时迅速积累热量，adc转换速率和采样噪声水平也是制约可靠性的重要因素。
4.综上，本发明旨在提出一种软硬件相结合的五相永磁同步电机过流控制方法，以克服针对电机驱动系统短路或过流事件的逐脉冲限流控制技术的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供一种软硬件相结合的五相永磁同步电机过流控制方法，通过硬件电路甄别电机过流事件并快速关断驱动脉冲，通过软件算法在开关周期尺度上对电流峰值进行控制，更加准确可靠且迅速地实现电机过流保护的发明目的，解决现有针对电机驱动系统过流事件的逐脉冲限流控制技术不能兼顾降低硬件成本和提高响应速度的技术问题。
6.本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：通过硬件电路甄别电机过流事件并快速关断驱动脉冲，硬件电路包括：一种检测五相电机各相输入交流电流是否过流的过流检测电路、一种由过流脉冲线与信号和使能/封锁信号共同控制的过流保护电路。通过一种判断电机是持续过流还是短时过流异或是假过流的软件控制算法，在开关周期尺度上对
电流峰值进行控制。
7.五相永磁同步电机每相输入交流电流的过流检测电路都是相同的，每相输入交流电流的过流检测电路都包括：精密整流电路、emi滤波电路、比较电路、“线与”输出电路。
8.精密整流电路将电流传感器采集的一相输入交流信号转变为双脉波直流信号。
9.emi滤波电路由电阻和电容串并联构成，用来滤除精密整流电路输出的双脉波直流信号中的高频干扰信号。
10.比较电路由运算放大器实现，将滤波后的双脉波直流信号接入运算放大器的反相输入端，参考电平接入运算放大器的同相输入端，通过比较滤波后的双脉波直流信号与参考电平的大小判断是否过流，其中，参考电平的数值选取为输入交流电流信号额定峰值的1.5～5倍，可利用比例运算放大电路对霍尔电流传感器供电电源进行处理生成稳定的参考电平。运算放大器为开漏输出且外接上拉电阻至高电平，当输入交流电流过流时，运算放大器输出低电平，反之输出高电平。
[0011]“线与”输出电路用于实现独立过流脉冲信号的融合，输出过流脉冲线与信号。将五路比较电路的输出端通过“线与”逻辑方式联接成一个输出端，形成“线与”输出电路。五相永磁同步电机正常工作时，“线与”输出电路的输出端为高电平，在五相永磁同步电机的任何一路输入交流电流出现过流时，“线与”输出电路的输出端将被拉至低电平，“线与”输出电路融合后的脉冲信号可用于快速封锁igbt驱动信号，防止电流持续升高。过流脉冲线与信号传输至过流保护电路，过流保护电路在过流脉冲线与信号拉低时产生封锁逆变器全部igbt的驱动信号，从硬件电路的角度实现即时封锁逆变器全部igbt驱动信号的目的，防止电流继续升高，实现快速限流，满足过流控制的响应速度。
[0012]
为了防止过流脉冲线与信号开通或封锁igbt驱动信号形成的滞环效应，以及为了避免电机假过流事件导致硬件电路错误封锁igbt驱动信号的可能，通过微控制器实现一种判断电机是持续过流还是短时过流异或是假过流的软件控制算法，将微控制器i/o端口的工作模式配置为中断输入模式，过流检测电路输出的过流脉冲线与信号传输至微控制器的i/o端口，当过流脉冲线与信号为低电平时生成外部中断请求，在限定时间范围内比较记录的过流脉冲线与信号中断次数与限定次数，输出用于开启或关闭igbt驱动信号的使能/封锁信号。
[0013]
为了防止微控制器在一个开关周期以中断方式多次响应外部过流脉冲，该软件软法记录过流脉冲线与信号产生的中断次数，若在限定时间范围内记录的过流脉冲线与信号中断次数多于限定次数，微控制器则输出封锁逆变器所有igbt驱动信号的控制信号。
[0014]
一种判断电机是持续过流还是短时过流异或是假过流的软件控制算法，具体包括步骤a至步骤c。
[0015]
步骤a、在当前开关周期接收到外部中断请求时，关闭下一开关周期的外部中断使能信号，输出关闭下一开关周期igbt驱动信号的封锁信号，开启过流时间窗计数器并且其数值加1，开启过流脉冲计数器并且其数值加1，过流时间窗计数器用于监控过流持续的时间；在当前开关周期未出现外部中断请求且过流时间窗计数器未开启时，输出开启下一开关周期igbt驱动信号的使能信号；在当前开关周期未出现外部中断请求但过流时间窗计数器开启时，过流时间窗计数器计数值加1，进入步骤b。过流时间窗计数器开启后，无论下一个开关周期是否出现外部中断请求，过流时间窗计数器计数值都会加1，过流脉冲计数器的
计数值只在出现外部中断请求时加1。
[0016]
步骤b、在过流时间窗计数器的计数值加1后，判断过流时间窗计数器的计数值是否大于过流时间窗阈值a，过流时间窗阈值用于限定一个时间范围，过流时间窗阈值a用于判断过流脉冲线与信号中断次数是否超限的时间范围，若否，输出开启下一开关周期igbt驱动信号的使能信号，开启下一开关周期的外部中断使能信号，微控制器进入下一个开关周期的过流检测判断；若是，过流时间窗计数器数值清零，进入步骤c。
[0017]
步骤c、在过流时间窗计数器清零后，判断流时间窗阈值a限定的时间范围内记录的过流脉冲计数器数值是否大于过流脉冲计数阈值b，过流脉冲计数阈值用于滤除假过流信号，其中，b≤a/2，若否，说明当前开关周期内电机短时过流或假过流，过流脉冲计数器数值清零，输出开启下一开关周期igbt驱动信号的使能信号，开启下一开关周期的外部中断使能信号，微控制器进入下一个开关周期的过流检测判断；若是，说明当前开关周期内电机持续过流，，持续禁止外部中断使能信号，输出彻底关闭逆变器所有igbt驱动信号的封锁信号。
[0018]
一种过流保护电路包括：两个逻辑与门。第一逻辑与门的两个输入端分别与过流检测电路的输出端、微控制器输出使能/封锁信号的端口连接，用于接收过流脉冲线与信号、使能/封锁信号；第二个逻辑与门的一个输入端与第一逻辑与门的输出端连接，第二个逻辑与门的另一个输入端接收五相pwm信号，第二个逻辑与门输出igbt驱动信号。五相pwm信号根据五相永磁同步电机输入交流电流的采样值闭环反馈控制得到。
[0019]
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
[0020]
(1)本发明通过硬件过流检测电路在电机过流时迅速封锁逆变器全部igbt驱动信号，过流检测电路采用“线与”的方法同时检测永磁同步电机的五相电流是否过流，简单可靠，该方法即使在缺相运行的情况下也能实现过流保护，适用于永磁同步电机工作的各种场合。
[0021]
(2)在软件控制算法上，本发明通过判断一定时间内过流脉冲次数从而判断出是否持续过流，能够无扰穿越短时过流或假过流事件，在过流状态下以牺牲少许转矩性能实现对电机的保护，具有良好的防误保护机制。
[0022]
(3)本发明通过软硬件相结合的过流控制方法，在硬件层面通过过流检测电路以较小的电路成本实现迅速响应过流脉冲并及时限流，在软件层面通过软件控制算法防止假过流事件引起的误操作，对过流信号进行精准判断，防止误保护，在不失过流保护快速性的同时保证过流保护的精准性，且实施起来简单可靠。
[0023]
(4)本发明还可以通过改变控制器处理的预设参数从而改变过流保护的响应速度和敏感度，其中设定过流时间窗阈值a越小，则过流保护的响应速度就越快，设定过流脉冲计数阈值b越小，则过流保护的敏感度就越高。
附图说明
[0024]
图1是五相永磁同步电机的过流保护控制系统的框图。
[0025]
图2是生成参考电平电路的具体电路图。
[0026]
图3是过流检测电路的具体电路图。
[0027]
图4是软件控制算法的流程图。
[0028]
图5是过流保护电路的具体电路图。
[0029]
图中标号说明：r1为第一电阻，r2为第二电阻，c1为第一电容，c2为第二电容，u1a为第一逻辑与门，u1b为第二逻辑与门。
具体实施方式
[0030]
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0031]
图1是五相永磁同步电机的过流保护控制系统的框图，五相永磁同步电机的过流保护控制系统包括：供电电源、整流电路、五相逆变器、过流检测电路、微控制器、过流保护电路。供电电源一般都是引入220v交流电源，整流电路将输入的交流电转变为直流电；微控制器按照指令输出的pwm信号经过过流保护电路的逻辑运算后，生成控制五相逆变器中igbt通断的igbt驱动信号，从而五相逆变器输出五相交流电，五相永磁同步电机输入五相交流电后开始工作，过流检测电路通过检测输入五相永磁同步电机的每一相交流电流是否过流，一旦出现过流脉冲就会向过流保护电路输出过流脉冲线与信号并向微控制器发出外部中断请求，立即关断igbt的驱动信号，当输入五相永磁同步电机的交流电流下降到阈值以下，将再次开启igbt驱动信号；微控制器会在第一次过流信号出现之后记录过流脉冲的次数，在预设的时间内过流脉冲次数足够多，微控制器就会向过流保护电路输出封锁信号，彻底关闭igbt驱动信号。
[0032]
参阅图3，过流检测电路的输入端分为五路，包括分别检测五相永磁同步电机的一相输入交流电流的过流检测模块，且每路过流检测模块的电气元件参数完全相同。每路过流检测模块都包括：精密整流电路、emi滤波电路、比较电路、“线与”输出电路。
[0033]
电流传感器会将电机各相输入交流电流转换成幅值小于3.3v的电压信号，一般情况下，该信号为正弦波形，经过精密整流电路后，该正弦波信号将转换成幅值不变的双脉波直流信号。
[0034]
上述的双脉波直流信号经过emi滤波电路，能够滤除高频杂波干扰。emi滤波电路由第一电阻r1、第一电容c1、第二电容c2组成，第一电阻r1的一端作为emi滤波电路的输入端，第一电容c1的一极、第二电容c2的一极与第一电阻r1的另一端连接后作为emi滤波电路的输出端，第一电容c1的另一极、第二电容c2的另一极均接地。
[0035]
比较电路由运算放大器lm219d实现。滤波后的双脉波直流信号接至运算放大器lm219d的反相输入端，参考电平uref接至运算放大器lm219d的同相输入端。运算放大器lm219d为开漏输出，外接第二电阻r2(即上拉电阻)至3.3v电平。当双脉波直流信号幅值大于参考电平uref时，运算放大器lm219d输出端为低电平，反之为高电平。
[0036]
五路过流检测模块的输出端通过逻辑“线与”的方式连接在一起，形成公共的输出端。正常工作情况下，公共输出端的信号为高电平，只要其中任何一路过流检测电路检测出过流，公共输出端的信号将会拉至低电平，代表过流检测电路输出过流信号。这种方法通过融合五路的独立过流脉冲信号，能同时检测五路过流，实施起来简单可靠。
[0037]
上述的参考电平uref的选取可参阅图2，图中+15v电压可通过霍尔电流传感器的供电电源提供，经过第一电阻r1和第二电阻r2分压后，接运算放大器lf353的同相输入端，lf353的反相输入端与输出端直接相连，起电压跟随的作用，输出端输出的参考电平uref的数值一般选取为curta信号额定峰值的1.5～5倍，本次实施方案取
curta信号额定峰值的1.5倍，uref＝1.65v，然后根据上式选取r1＝2kω和r2＝16kω进行分压。
[0038]
参阅图4，本次实施方式采用的软件控制算法是基于stm32f4实现的，选取五相逆变器中的igbt开关频率为10khz，过流时间窗设置为500ms。将stm32f4的某个i/o端口(如pb5)配置为外部中断模式，当图3中的过流信号ocurt为低电平(过流状态)时，会触发外部中断。在外部中断服务函数中，清除外部中断标志位，过流标志置1，关闭igbt驱动信号，可以限制电流继续上升，同时将外部中断不使能，这样可以避免反复触发外部中断，可以给pwm中断里的控制算法计算留有足够的时间。
[0039]
在pwm中断服务函数里，若过流标志为1，则将过流标志清零，开启过流时间窗计数器且计数值加1，过流脉冲计数加1。若过流标志为0，则会使能igbt驱动信号，使能外部中断。所以出现一次过流信号后，当前开关周期内的igbt驱动信号和外部中断都会关闭，等到下一个开关周期的pwm中断后，igbt驱动信号和外部中断才会重新使能。这样就实现了关闭外部中断使能、关闭igbt驱动信号恰好一个开关周期的时间。
[0040]
当过流时间窗计数器开启后，每进入一次pwm中断，过流时间窗计数都会加1。由于pwm中断与igbt的开关周期同步，所以当过流时间窗计数值为5000时(即与第一次过流信号相隔500ms)，在pwm中断服务函数里将过流时间窗计数值清零，并判断过流脉冲计数是否大于1000。由于每次过流脉冲计数加1，下一个开关周期的外部中断使能就会被关断，所以每两个开关周期才会记录一次过流脉冲。即在出现过流后的500ms内，判断出现过流的开关周期是否达到2000次。如果过流脉冲计数没有达到1000次，则认为是短时过流(或假过流)，无需切断电源，将过流脉冲次数计数清零。如果过流脉冲次数达到1000次，则认为是持续过流，pwm中断服务函数会将igbt驱动信号和外部中断关闭，并将持续过流保护标志置1，下一个开关周期的pwm中断服务函数内将不再执行上述的任何过流保护相关的程序。
[0041]
通过改变过流时间窗计数的最大值a，从而改变过流保护的响应速度；改变过流脉冲计数的最大值b，从而改变过流保护的灵敏度。因为上述过流时间窗计数和过流脉冲计数的规则，必须满足b≤a/2这一条件才能实现上述功能。对应不同场合下电机工作的要求，可选择最合适的过流保护预设参数。
[0042]
参阅图5，当图3中输出的过流脉冲线与信号ocurt为低电平(过流状态)，第一逻辑“与”门u31a的输出为低电平，之后再与五相pwm信号经过第二逻辑“与”门u31b，输出的igbt驱动信号就是低电平(过流保护状态)。这样就可以通过硬件电路的控制信号快速限制电机电流继续升高。同理，当图4程序框图中执行关闭igbt驱动信号一个开关周期、彻底关闭igbt的任务时，通过软件拉低softprotect信号的电平，经过两级逻辑“与”门后输出的igbt驱动信号就是低电平(过流保护状态)。
[0043]
该过流保护电路便实现了硬件和软件相结合控制igbt驱动信号的功能，硬件电路对过流现象快速执行限流处理，软件算法对过流现象进行精准判断，避免误保护动作。
[0044]
综上所述，以上实施方式只是对本发明的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，例如，可以依据多相电机的相数增加过流检测电路包含的模块数量，符合发明宗旨的任意形式的等同替换都落入本发明的保护范围。