一种矢量控制电机驱动系统及控制方法与流程

本发明涉及电机驱动，具体涉及一种矢量控制电机驱动系统及控制方法。

背景技术：

1、电动航空无人机电驱动系统设计具有较高的设计标准，对应用于无人机上的电机驱动系统分别在性能、功率密度、效率及可靠性等方面都提出了很高的要求，并且这些要求之间还存在着相互制约关系。在现实设计中能同时满足上述要求的前提下，找到一个较好的平衡点相对困难，因为在驱动系统架构设计、元器件的选型以及电路设计上都会影响着上述要求及其各自间的约束。本发明提出的基于矢量控制的电机驱动系统适用于小型电动无人机，可实现大电流的测量且具有高功率密度、高性能及高可靠性，本案由此而生。

技术实现思路

1、本发明首先公开一种矢量控制电机驱动系统，采用多功率单元电气架构设计，通过电流采样电路对每个功率单元的相电流及直流母线电流进行采集，并对电流采样电路进行监测，当某个功率单元发生电流采样故障后，仍可用采样正常的功率单元的采样数据计算出电机的相电流来进行电机矢量控制。

2、为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、一种矢量控制电机驱动系统，包括并联于总直流母线上的至少两个功率单元、电流采样单元、与每个功率单元电连接的控制单元，电流采样单元包括用于采集每个功率单元中的各相相电流的第一电流传感器、用于采集每个功率单元直流母线电流的第二电流传感器；控制单元包括电流信号处理模块、用于分析计算电机相电流的分析计算模块、用于监测每个功率单元中的第一电流传感器是否异常的电流测量监测模块、控制模式模块；

4、控制模式模块包括正常模式和容错模式，正常模式下，基于各个功率单元中所对应各相的相电流测量结果之和作为电机相应各相的相电流来进行电机矢量控制；电流测量监测模块判断出某个功率单元中的第一电流传感器发生异常时进入容错模式，容错模式下，依据未发生第一电流传感器故障的剩余功率单元所对应各相的相电流测量结果，来计算出电机各相的相电流进行电机矢量控制。

5、进一步，所述第一电流传感器和第二电流传感器均采用无磁芯电流传感器。无磁芯电流传感器体积小、占用空间小、采样范围广，可直接覆于pcb电路板铜线上对电流进行测量，能够保持电机驱动器的结构紧凑，这样可以维持电机控制器的功率密度。

6、进一步，所述电流测量监测模块根据每个功率单元的第二电流传感器采样结果对每个功率单元各相的相电流进行重构，重构后的相电流与实际采样相电流进行比较，根据比较结果来确定采集该功率单元的第一电流传感器是否异常。

7、进一步，所述电流测量监测模块判断出只有一个功率单元中的第一电流传感器未发生异常时，电机各相的相电流计算是基于未发生第一电流传感器异常的功率单元所对应各相的相电流乘以功率单元设置数量而获得。

8、进一步，所述电流测量监测模块判断出有功率单元的第一电流传感器发生异常，并且未发生第一电流传感器异常的功率单元数量不止一个时，电机各相的相电流计算如下：先计算未发生第一电流传感器异常的功率单元所对应各相的相电流之和，各相的相电流之和除以未发生第一电流传感器异常的功率单元数量，然后再乘以功率单元设置总数量。

9、本发明还公开一种矢量控制电机驱动系统的控制方法，包括如下内容：

10、分别对各个功率单元的各相相电流进行采样，并获得各个功率单元的各相相电流；

11、分别对各个功率单元的直流母线电流进行采样，并获得各个功率单元的直流母线电流；

12、监测各个功率单元的各相相电流采样结果，并判断各相相电流采样结果是否异常，若每个功率单元的各相相电流采样结果均无异常，则系统运行于正常矢量控制模式；若任一功率单元的其中一相的相电流采样结果有异常，则进入容错矢量控制模式。

13、进一步，对各个功率单元的各相相电流采样结果的判断方法如下：基于获得的各个功率单元的直流母线电流，对各个功率单元的各相相电流进行重构，重构的各相相电流与实际采样获得的各相相电流分别进行比较，若两者的差值在设定阈值范围内，则认为采样结果无异常，反之则判断为采样结构异常。

14、进一步，所述正常矢量控制模式下，以各个功率单元中所对应各相的相电流测量结果之和作为电机相应各相的相电流来进行电机矢量控制。通过多个高功率密度电流传感器测量值之和，实现了大电流测量的同时，还保持了电机控制器的高功率密度。

15、进一步，所述容错矢量控制模式下，若只有一个功率单元中的相电流采样结果未发生异常时，对电机矢量控制的电机各相相电流的计算，是基于未发生相电流采样异常的功率单元所对应各相的相电流乘以功率单元设置数量而获得；

16、若未发生相电流采样异常的功率单元数量不止一个时，电机各相的相电流计算如下：先计算未发生相电流采样异常的功率单元所对应各相的相电流之和，各相的相电流之和除以未发生相电流采样异常的功率单元数量，然后再乘以功率单元设置总数量。一旦电流传感器测量结果有异常，驱动系统进入容错矢量控制模式，保证了电机控制器的正常运行，又提高了驱动系统的可靠性。

17、进一步，所述控制方法还包括对电流采样测量信号丢失的监测，在规定时间内未接收到相应相电流采样信号，则认为该相相电流采样信号丢失，发生信号丢失的功率单元，被判定为存在相电流采样结果异常。

18、本发明基于多功率单元电气架构所设计的矢量控制电机驱动系统及控制方法，通过电流采样电路对每个功率单元的相电流及直流母线电流进行采集，并对电流采样电路进行监测，通过多个高功率密度电流传感器测量值之和计算出电机各相的相电流，从而进行电机矢量控制，在电机控制器结构紧凑设计下，可实现大电流测量的同时，还保持了电机控制器的高功率密度；一旦某个功率单元发生电流采样故障后，仍可用采样正常的功率单元的采样数据计算出电机的相电流来进行电机矢量控制，提高了驱动系统运行的可靠性。

技术特征：

1.一种矢量控制电机驱动系统，其特征在于：包括并联于总直流母线上的至少两个功率单元、电流采样单元、与每个功率单元电连接的控制单元，电流采样单元包括用于采集每个功率单元中的各相相电流的第一电流传感器、用于采集每个功率单元直流母线电流的第二电流传感器；控制单元包括电流信号处理模块、用于分析计算电机相电流的分析计算模块、用于监测每个功率单元中的第一电流传感器是否异常的电流测量监测模块、控制模式模块；

2.根据权利要求1所述的一种矢量控制电机驱动系统，其特征在于：所述第一电流传感器和第二电流传感器均采用无磁芯电流传感器。

3.根据权利要求1所述的一种矢量控制电机驱动系统，其特征在于：所述电流测量监测模块根据每个功率单元的第二电流传感器采样结果对每个功率单元各相的相电流进行重构，重构后的相电流与实际采样相电流进行比较，根据比较结果来确定采集该功率单元的第一电流传感器是否异常。

4.根据权利要求1所述的一种矢量控制电机驱动系统，其特征在于：所述电流测量监测模块判断出只有一个功率单元中的第一电流传感器未发生异常时，电机各相的相电流计算是基于未发生第一电流传感器异常的功率单元所对应各相的相电流乘以功率单元设置数量而获得。

5.根据权利要求1所述的一种矢量控制电机驱动系统，其特征在于：所述电流测量监测模块判断出有功率单元的第一电流传感器发生异常，并且未发生第一电流传感器异常的功率单元数量不止一个时，电机各相的相电流计算如下：先计算未发生第一电流传感器异常的功率单元所对应各相的相电流之和，各相的相电流之和除以未发生第一电流传感器异常的功率单元数量，然后再乘以功率单元设置总数量。

6.一种矢量控制电机驱动系统的控制方法，其特征在于，包括如下内容：

7.根据权利要求6所述的一种矢量控制电机驱动系统的控制方法，其特征在于：对各个功率单元的各相相电流采样结果的判断方法如下：基于获得的各个功率单元的直流母线电流，对各个功率单元的各相相电流进行重构，重构的各相相电流与实际采样获得的各相相电流分别进行比较，若两者的差值在设定阈值范围内，则认为采样结果无异常，反之则判断为采样结构异常。

8.根据权利要求6所述的一种矢量控制电机驱动系统的控制方法，其特征在于：所述正常矢量控制模式下，以各个功率单元中所对应各相的相电流测量结果之和作为电机相应各相的相电流来进行电机矢量控制。

9.根据权利要求6所述的一种矢量控制电机驱动系统的控制方法，其特征在于：所述容错矢量控制模式下，若只有一个功率单元中的相电流采样结果未发生异常时，对电机矢量控制的电机各相相电流的计算，是基于未发生相电流采样异常的功率单元所对应各相的相电流乘以功率单元设置数量而获得；

10.根据权利要求6所述的一种矢量控制电机驱动系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法还包括对电流采样测量信号丢失的监测，在规定时间内未接收到相应相电流采样信号，则认为该相相电流采样信号丢失，发生信号丢失的功率单元，被判定为存在相电流采样结果异常。

技术总结
本发明涉及一种矢量控制电机驱动系统及控制方法，该系统及控制方法包括：分别对各个功率单元的各相相电流进行采样，并获得各个功率单元的各相相电流；分别对各个功率单元的直流母线电流进行采样，并获得各个功率单元的直流母线电流；监测各个功率单元的各相相电流采样结果，并判断各相相电流采样结果是否异常，若每个功率单元的各相相电流采样结果均无异常，则系统运行于正常矢量控制模式；若任一功率单元的其中一相的相电流采样结果有异常，则进入容错矢量控制模式。本发明在电机控制器结构紧凑设计下可实现大电流测量，保持了电机控制器的高功率密度，同时还提高了驱动系统运行的可靠性。

技术研发人员：周荣晖,苏博仕,李道龙,赵宏力,李明明
受保护的技术使用者：卧龙电气驱动集团股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11