CN102931896A - 一种车用无刷直流电机母线限流控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车用无刷直流电机母线限流控制方法及装置，该方法主要由主控芯片接收经调理滤波单元处理的电流信号，并根据设定的限流值进行改进PI补偿控制，计算出避免电流超过限值的所允许的最大占空比，同时与驾驶意愿占空比相比较，取其中最小值，根据该值输出相应占空比的PWM控制信号至逆变器驱动电机，其装置包括依次连接的电流检测模块、信号滤波模块、主控芯片和逆变器，其中电流检测模块和逆变器都与无刷直流电机连接，电流检测模块用于采集母线电流，逆变器用于驱动无刷直流电机。与现有技术相比，本发明易于实现，成本低廉，可以有效解决电机过热的问题，且不会影响驾驶员在正常状况下的驾驶。

Description

一种车用无刷直流电机母线限流控制方法及装置

技术领域

本发明涉及车用无刷直流电机控制技术，尤其是涉及一种车用无刷直流电机母线限流控制方法及装置。

背景技术

过热问题一直是车用无刷直流电机系统应用的障碍之一。无刷直流电机系统包括电机本体和控制器两部分，当电机本体过热时相绕组电阻阻值增大，甚至绕组烧坏；当控制器过热时，控制板尤其是功率开关管在高温下会被损坏而不能正常工作。总之，严重的过热会导致电机系统部件损坏而无法正常运转。

大电流是引起电机系统过热最直接的原因之一，因此必须限制电机系统电流幅值，同时尽可能维持电机正常工作，这就涉及到电机电流保护的问题。目前，直流无刷电机电流保护措施和装置类型较多，涉及短路保护、过流保护、过载保护、欠流保护、断相保护等，但总结起来，其实现方式主要有以下三类，(1)采用熔断器、接触器或继电器等电力设备，在电流过大时将切断电路回路，关闭电机；(2)采用专门设计的包含运算功能器件的保护电路；(3)用传感器测量电机若干信号进行电流控制。对于车用直流无刷电机系统而言，显然不允许在行驶工况下的关闭电机。而无论采用保护电路还是传感器的方法，都会改变系统结构，使系统复杂化，这些保护装置不仅安装麻烦，增加了总体生产成本，而且在电机正常运行过程中，还要消耗一定的电能，造成能源浪费。

中华人民共和国201020572308.0号专利《一种直流无刷电机的电流保护的控制装置》采用系统若干信号(电压，调速信号，转子位置信号等)进行限流处理，该方法并没有对电流进行直接测量，形成不了闭环限流的目的，从而抗干扰能力差。200710163375号专利《用于无刷直流电动机的保护电路》需增加较多的电子元器件，系统复杂，不灵活，且成本增加。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车用无刷直流电机母线限流控制方法及装置，该方法及装置可预防无刷直流电机系统因电流过大引起的过热问题，同时避免动力电池因放电电流过大而造成电池，而且在母线电流未超过限流值时，不影响驾驶员的操作。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车用无刷直流电机母线限流控制方法，包括以下步骤：

1)电流检测模块采集无刷直流电机的母线电流，并发送至信号滤波模块；

2)信号滤波模块对电流检测模块采集到的母线电流进行滤波，并发送至主控芯片；

3)主控芯片判断该母线电流是否大于限流值，若为是，则以驾驶员输入的驾驶意愿占空比作为输出占空比，调制PWM波输出至逆变器，驱动无刷直流电机；若为否，执行步骤4)；

4)主控芯片根据母线电流计算获得限流占空比；

5)主控芯片比较限流占空比和驾驶意愿占空比，取较小的值作为输出占空比，调制PWM波输出至逆变器，驱动无刷直流电机。

步骤4)中限流占空比采用改进PI补偿算法，其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_m=K_p\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;I}+({\mathrm{\&alpha;}}_0+K_i{\&Integral;}_{t_0}^t\mathrm{\&Delta;Id\&tau;})& (\mathrm{\&Delta;I}<0)\\ {\mathrm{\&alpha;}}_m=1& (\mathrm{\&Delta;I}\&GreaterEqual;0)\end{array}\right.$

式中，α_m为限流占空比，K_p、K_i为电机的PI补偿系数，ΔI为限流值与母线电流之差，t0为无刷直流电机的母线电流由正常状态转入过流状态的时刻，α0为t0时输入的驾驶意愿占空比。

一种实施上述方法的车用无刷直流电机母线限流控制装置，包括依次连接的电流检测模块、信号滤波模块、主控芯片和逆变器，所述的电流检测模块连接无刷直流电机，检测无刷直流电机的母线电流，所述的逆变器连接无刷直流电机，根据主控芯片输入的PWM波驱动无刷直流电机。

所述的主控芯片包括改进PI补偿器、最小值比较单元、PWM波调制单元，所述的改进PI补偿器用于根据母线电流计算限流占空比，所述的最小值比较单元用于比较限流占空比和驾驶意愿占空比，并以最小值作为输出占空比，所述的PWM波调制单元根据输出占空比调制PWM波。

与现有技术相比，本发明将电流检测单元采样得到的母线电流信号作为调速系统反馈电流采样数据的同时，又应用到母线限流的控制中，加以运算和处理，实现基于软件的母线限流方法，防止系统过热，有效地简化了系统设计，采用基于PI补偿算法的限流方法，无需改变电机系统现有结构，充分利用了电机系统现有结构和数据，设计简单但有效，易于实现，成本低廉，为本发明的推广和应用带来了极大的方便。对于采用动力电池供电的车用直流无刷电机系统，本发明中采用的母线限流措施又可以有效地避免因放电电流过大造成电池的损害，有益于延长电池的使用寿命。

附图说明

图1为本发明限流控制方法的流程图；

图2为本发明限流控制装置的结构示意图；

图3为主控芯片内控制程序的流程图；

图4为本发明实施例对限流效果进行计算机仿真的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种车用无刷直流电机母线限流控制方法，包括以下步骤：

1)电流检测模块采集无刷直流电机的母线电流，并发送至信号滤波模块；

2)信号滤波模块对电流检测模块采集到的母线电流进行滤波，并发送至主控芯片；

3)主控芯片判断该母线电流是否大于限流值，若为是，则以驾驶员输入的驾驶意愿占空比作为输出占空比，调制PWM波输出至逆变器，驱动无刷直流电机；若为否，执行步骤4)；

4)主控芯片根据母线电流计算获得限流占空比；

5)主控芯片比较限流占空比和驾驶意愿占空比，取较小的值作为输出占空比，调制PWM波输出至逆变器，驱动无刷直流电机。

上述方法可通过如图2所示的装置实现，该装置包括依次连接的电流检测模块、信号滤波模块、主控芯片和逆变器，所述的电流检测模块连接无刷直流电机，检测无刷直流电机的母线电流，所述的逆变器连接无刷直流电机，根据主控芯片输入的PWM波驱动无刷直流电机。

主控芯片包括改进PI补偿器、最小值比较单元、PWM波调制单元，改进PI补偿器用于根据母线电流计算限流占空比，最小值比较单元用于比较限流占空比和驾驶意愿占空比，并以最小值作为输出占空比，PWM波调制单元根据输出占空比调制PWM波，

母线限流的实现采用如图3所示的控制流程，若记电机系统输入占空比到电机产生母线电流的传递函数为G(s)，按照控制策略：

当ΔI≥0即电机未过热时，限流模块不起作用，而此时令α_m＝1≥α，从而α_f＝α策略满足。

一旦ΔI＜0时，母线电流超过限流值，将引起电机过热，系统触发PI补偿器工作。记PI补偿器系数分别为K_p、K_i：

改进PI补偿器首先记录该时刻t＝t0(此时I由正到负通过零点)及该时刻下驾驶员意愿占空比α＝α0；

改进PI补偿器计算占空比 ${\mathrm{\&alpha;}}_m=K_p\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;I}+(\mathrm{\&alpha;}0+K_i{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;Id\&tau;})$ (t为控制器作用的时间)。

由于ΔI＜0， ${\mathrm{\&alpha;}}_m=K_p\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;I}+(\mathrm{\&alpha;}0+K_i{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;Id\&tau;})\&le;\mathrm{\&alpha;},$ 从而α_f＝α_m，这说明电机本体过热时控制器会自动实现负反馈调节作用。而普通PI控制下

实际输出α_f＝0，相对于此，改进PI补偿算法可以提升过热时电机输出功率，尽量满足驾驶员的驾驶意愿，从而充分发挥系统的动力性能。

因此，母线限流模块改进PI补偿器的实现概括如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_m=K_p\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;I}+({\mathrm{\&alpha;}}_0+K_i{\&Integral;}_{t_0}^t\mathrm{\&Delta;Id\&tau;})& (\mathrm{\&Delta;I}<0)\\ {\mathrm{\&alpha;}}_m=1& (\mathrm{\&Delta;I}\&GreaterEqual;0)\end{array}\right.$

而依照母线限流控制策略，母线限流模块的实际输出占空比为α_f＝min(α，α_m)。

其中，α_m为限流占空比，K_p，K_i为电机的PI补偿系数，ΔI为限流值与母线电流之差，t₀为无刷直流电机的母线电流由正常状态转入过流状态的时刻，α₀为t₀时输入的驾驶意愿占空比，α_f为输出占空比。

PI补偿器的补偿系数K_p，K_i和电机的限流值I_max，可以通过以下步骤初步确定获得：

1、根据车辆所应用车辆的具体情况，估计出车辆在通常行驶路面上的行驶阻力F及其随车速的变化，公式为F＝F_f+F_w+F_i+F_j，其中滚动阻力F_f＝Wf；空气阻力

坡度阻力F_i＝Gsinθ；加速阻力F_j＝δma。

其中，W为车轮负荷(N)，可由汽车总质量m(整车装备质量与最大装载质量之和)确定，即W＝mgcosθ(θ为路面坡度)；f为滚动阻力系数，可根据路面情况和轮胎类型进行估计；C_D为空气阻力系数，一般来说，对于典型轿车C_D＝0.30～0.41，货车C_D＝0.6～1.0，客车C_D＝0.5～0.8；A为迎风面积(m²)，由车辆行驶方向的投影面积来确定；u为汽车行驶速度(m/s)；G为汽车重力(N)，由G＝mg确定；δ为旋转质量换算系数，估计时可取δ＝1；a为汽车加速度(m/s²)。

2、根据第1步中估计的行驶阻力F，进一步估计出电机所需提供的负载转矩T₁，公式为T₁＝μrF，μ为电机到车轮之间的传动比，r为车轮半径。

3、根据具体电机及其使用情况，估计出引起电机过热的母线限流值I_max。

4、为节省测试成本和时间，首先通过计算机仿真初步确定K_p、K_i值。即根据电机系统实际参数，建立动态模型，在由2)和3)分别估计的负载转矩T₁和母线限流值I_max条件下，通过常规PID整定方法调整K_p，K_i值，使仿真效果较为满意时作为最终取值。如图4即为K_p＝0.1，K_i＝0.1，I_max＝70A时，母线限流的仿真结果。

图4中，虚线为母线电流，超过70A的实线部分为不受控时的母线电流，电机母线电流始终不会长时间高于限值，因而不会产生过热问题；同时在电流低于限值时，主控芯片的限流模块不起作用，某一时刻电机母线电流超过限值时，主控芯片的限流模块产生调节作用，电流维持在限值附近；一旦再次进入低温段，主控芯片的限流模块自动关闭。

根据母线限流控制策略和改进PI补偿算法，编写母线限流方法的控制程序，程序的输入变量为：母线电流值I和驾驶员意愿占空比α；输出变量为：输出占空比α_f，参数为：改进PI补偿器的补偿系数K_p、K_i值和母线限流值I_max。编写好程序后，采用初步确定的PI补偿器的补偿系数K_p、K_i值和母线限流值I_max，进行路面测试或实验台架测试，根据发热情况修正限流值I_max，检验母线限流效果，并进一步调整K_p，K_i值。

本发明中所利用的硬件都是车用直流无刷电机现有的装置，无需增加和更改系统的现有结构，设计简单有效，便于推广，成本低廉，在应用环境变化不大的情况下，可以很好地实现母线限流，因此具有较高的实用价值。

Claims (4)

1.一种车用无刷直流电机母线限流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)电流检测模块采集无刷直流电机的母线电流，并发送至信号滤波模块；

2)信号滤波模块对电流检测模块采集到的母线电流进行滤波，并发送至主控芯片；

3)主控芯片判断该母线电流是否大于限流值，若为是，则以驾驶员输入的驾驶意愿占空比作为输出占空比，调制PWM波输出至逆变器，驱动无刷直流电机；若为否，执行步骤4)；

4)主控芯片根据母线电流计算获得限流占空比；

5)主控芯片比较限流占空比和驾驶意愿占空比，取较小的值作为输出占空比，调制PWM波输出至逆变器，驱动无刷直流电机。

2.根据权利要求1所述的一种车用无刷直流电机母线限流控制方法，其特征在于，步骤4)中限流占空比采用改进PI补偿算法，其计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_m=K_p\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;I}+({\mathrm{\&alpha;}}_0+K_i{\&Integral;}_{t_0}^t\mathrm{\&Delta;Id\&tau;})& (\mathrm{\&Delta;I}<0)\\ {\mathrm{\&alpha;}}_m=1& (\mathrm{\&Delta;I}\&GreaterEqual;0)\end{array}\right.$

式中，α_m为限流占空比，K_p，K_i为电机的PI补偿系数，ΔI为限流值与母线电流之差，t₀为无刷直流电机的母线电流由正常状态转入过流状态的时刻，α₀为t₀时输入的驾驶意愿占空比。

3.一种实施权利要求1所述方法的车用无刷直流电机母线限流控制装置，其特征在于，包括依次连接的电流检测模块、信号滤波模块、主控芯片和逆变器，所述的电流检测模块连接无刷直流电机，检测无刷直流电机的母线电流，所述的逆变器连接无刷直流电机，根据主控芯片输入的PWM波驱动无刷直流电机。

4.根据权利要求3所述的车用无刷直流电机母线限流控制装置，其特征在于，所述的主控芯片包括改进PI补偿器、最小值比较单元、PWM波调制单元，所述的改进PI补偿器用于根据母线电流计算限流占空比，所述的最小值比较单元用于比较限流占空比和驾驶意愿占空比，并以最小值作为输出占空比，所述的PWM波调制单元根据输出占空比调制PWM波。

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