CN104749428A

CN104749428A - 永磁同步电机驱动桥相电压采样电路及其故障诊断方法

Info

Publication number: CN104749428A
Application number: CN201310738164.XA
Authority: CN
Inventors: 唐文; 金灿龙; 苗会彬; 李若飞
Original assignee: Lianchuang Automotive Electronics Co Ltd
Current assignee: Lianchuang Automotive Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2033-12-27
Also published as: CN104749428B

Abstract

本发明公开了一种是永磁同步电机驱动桥相电压采样电路，包括单片机采样模块，其单片机模数转换输入端接第二～第四电阻的一端；第二电阻的另一端接第一电阻的一端、上桥臂驱动管的源极、下桥臂驱动管的漏极和电机线束；第三电阻的另一端接单片机5V供电电压；第四电阻的另一端接地。本发明还公开了用于判断永磁同步电机初始上电驱动桥短路故障、上桥臂驱动桥开路故障和下桥臂驱动桥开路故障的诊断方法。本发明还公开了用于判断永磁同步电机实时驱动桥故障的诊断方法。本发明采样电机相电压通过与驱动桥臂驱动管的阈值电压相比较能进行永磁同步电机驱动桥障诊断。

Description

永磁同步电机驱动桥相电压采样电路及其故障诊断方法

技术领域

本发明涉及汽车电动助力转向系统（EPS）领域，尤其是涉及一种永磁同步电机驱动桥相电压采样电路。本发明还涉及电动助力转向系统永磁同步电机驱动桥故障诊断方法。

背景技术

电动助力转向系统属于汽车安全相关部件，对安全性能的要求极高。助力电机（在以下的描述中，所涉及的“电机”均指“助力电机”）采用永磁同步电机，由三相逆变全桥进行驱动。当驱动桥发生短路、开路故障时，可能导致转向系统锁死、助力混乱等对乘员安全高风险的事件。

在一些高压电机驱动的驱动控制其中，为了实现对驱动桥的故障诊断，直接测量加载到电机相线的电压来进行开路诊断，其原理是当开关闭合时，通过检测开关的电压降来判断是否发生开关开路故障。测量方法有端电压、线电压、相电压和中心点电压方法。使用电压传感器的优点为故障确认时间短，缺点是需要增加额外的硬件电路，且电压传感器的成本较高。还可以采用选取内置电压传感器的门级驱动芯片可以减少外置的电压传感器和隔离电路，但是当该门级驱动电路损坏时，无法判断驱动管开关开路和短路故障。另一种采用电流矢量轨迹分析法来判断是否发生开路故障，对于正常情况，电机的电流矢量和为零，电压矢量轨迹为圆形轨迹，该诊断策略的缺点是造成故障确认延时，同时在电机高速和瞬态变化时容易误判，而在电机慢速运行时无法工作，同时需要大量的内存来保存矢量轨迹。由于EPS的电机在大多数情况处于静止和低速情况，显然电流矢量规矩分析法无法适用EPS电机诊断的应用。

因此，需要具有低成本能够快速检测驱动桥短路或开路的方法，同时能够保证在电机相线故障发生的时候，切断电机相线通路之间的电流，对电动助力转向系统的安全性而言显得非常重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种是永磁同步电机驱动桥相电压采样电路。本发明还提供了用于判断永磁同步电机初始上电驱动桥短路故障、上桥臂驱动桥开路故障和下桥臂驱动桥开路故障的诊断方法。本发明还提供了一种用于判断永磁同步电机实时驱动桥故障的诊断方法。

本发明永磁同步电机驱动桥相电压采样电路，包括：单片机采样模块，其单片机模数转换输入端接第二～第四电阻R2、R3和R4的一端；第二电阻R2的另一端接第一电阻R1的一端、上桥臂驱动管的源极、下桥臂驱动管的漏极和电机线束；第三电阻R3的另一端接单片机5V供电电压；第四电阻R4的另一端接地。

永磁同步电机通常是低压电机，由于不存在高压部分，本发明的永磁同步电机驱动桥相电压采样电路能实现对电机相电压的测量，通过电机相电压的测量，检测三相桥驱动管开关是否发生开路和短路故障。对于同一相的上下桥臂驱动管驱动电路，桥臂共有三种工作状态：

1：上桥臂驱动管闭合，下桥臂驱动管断开；

2：上桥臂驱动管断开，下桥臂驱动管闭合；

3：上下桥臂驱动管都断开；

通过合理的配置R1-R4的电阻值，所述合理配置是指使单片机采集的电机相电压分为三个电压工作区间：高、低和中位电压。单片机采集的三个电压状态与正常驱动桥臂的工作状态一一对应。本发明永磁同步电机驱动桥相电压采样电路能进行电机相电压采样。

本发明用于判断永磁同步电机初始上电驱动桥短路故障的诊断方法,包括：

步骤一、采集驱动桥母线电压；

步骤二、根据驱动桥母线电压计算驱动桥短路诊断阀值；

步骤三、对电机相电压进行至少10次采样，当采集的某相相电压大于上桥臂驱动管短路阀值，相应相线的上桥臂短路故障计数加1；当采集的某相相电压小于下桥臂驱动管短路阀值，相应的下桥臂短路故障计数加1；

步骤四、当短路疑似故障计数器大于6时，则确认驱动管短路，判断为电驱动桥短路。

其中，实施步骤三时，采用5毫秒间隔进行电机相电压采样。

本发明用于判断永磁同步电机初始上电上桥臂驱动桥开路故障的诊断方法,包括：

步骤一、控制单元控制将三个上桥臂驱动管闭合，下桥臂驱动管断开；

步骤二、获取驱动桥母线电压；

步骤三、根据驱动桥母线电压计算上桥臂驱动管开路的诊断阀值；

步骤四、对电机相电压进行至少10次采样，当采集的某相相电压小于上桥臂驱动管开路阀值，相应相线的上桥臂开路故障计数加1；

步骤五、当上桥臂开路疑似故障计数器大于6时，则确认上桥臂驱动管开路，判断为上桥臂驱动桥开路。

其中，实施步骤四时，采用5毫秒间隔进行电机相电压采样。

本发明用于判断永磁同步电机初始上电下桥臂驱动桥开路故障的诊断方法，包括：

步骤一、控制单元控制将三个上桥臂驱动管断开，下桥臂驱动管闭合；

步骤二、获取驱动桥母线电压；

步骤三、根据驱动桥母线电压计算下桥臂驱动管开路的诊断阀值；

步骤四、对电机相电压进行至少10次采样，当采集的某相相电压大于下桥臂驱动管开路阀值，相应相线的下桥臂开路故障计数加1；

步骤五、当下桥臂开路疑似故障计数器大于6时，则确认下桥臂驱动管开路故障，判断为下桥臂驱动桥开路。

其中，实施步骤四时，采用5毫秒间隔进行电机相电压采样。

本发明用于判断永磁同步电机实时驱动桥故障的诊断方法，包括:

步骤一、根据基本矢量作用时间T1、T2和T0的大小，确定相电压采样的触发位置和相电压采样时刻；

相电压采样时刻确定采用表1方式：

作用时间的判断	S1触发时刻	S2触发时刻
			T1>16.7us	PWMx上升沿	PWMy下降沿
T2>16.7us	PWMy上升沿	PWMy下降沿
			T0>16.7us	PWMz上升沿	PWMx下降沿

其中，X对应最大占空比的相线，Y对应中间大的占空比的相线，Z对应最小占空比的相线；

步骤二、根据采样索引值确定S1和S2时刻的采样内容；

索引值相电压内容的确定采用表2方式：

表2

步骤三、采样索引值自加1，判断索引值是否大于3，如果大于3，索引值置1；

步骤四、根据空间矢量输出的扇区来确定S1时刻和S2时刻采样对应的电机相线；不同扇区X、Y、Z和A、B、C相线的对应关系如表3所示：

扇区	PWMx	PWMy	PWMz
				1	A	B	C
2	B	A	C
				3	C	A	B
4	C	B	A
				5	B	C	A
6	A	C	B

表3

步骤五、根据步骤二确定的采样内容，并由扇区确定的对应电机相线，针对驱动桥某个驱动管进行高有效或低有效测试（即根据表2和表3确定的电机相线高有效或低有效测试诊断内容），通过比较实际相电压采样值进行实时驱动桥的在线诊断；

进行某相电压高有效电平测试时，如果采集的该相电压小于高有效测试诊断阀值，则该相上桥臂驱动管疑似故障计数器加1，否则该相疑似上桥臂驱动管疑似故障计数器减1；

进行某相电压低有效电平测试时，如果采集的该相电压大于低有效测试诊断阀值，则该相下桥臂驱动管疑似故障计数器加1，否则该相下桥臂驱动管疑似故障计数器减1；

步骤六、根据驱动桥驱动管的疑似故障计数器值来确认电机是否发生驱动桥故障，如果某相上桥臂或下桥臂驱动管的疑似故障计数器值大于预设的驱动桥故障确认阀值，则确认存在驱动桥开路或短路故障，否则不存在驱动桥开路或短路故障。

利用本发明的永磁同步电机驱动桥相电压采样电路采样电机相电压通过与驱动桥臂驱动管的阈值电压相比较能进行永磁同步电机初始上电驱动桥短路故障、初始上电上桥臂驱动桥开路故障、初始上电下桥臂驱动桥开路故障和实时驱动桥故障的诊断。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明永磁同步电机驱动桥相电压采样电路一实施例的结构示意图。

图2是本发明永磁同步电机驱动桥故障诊断方法流程示意图一,显示用于判断初始上电驱动桥短路故障诊断方法的流程。

图3是本发明永磁同步电机驱动桥故障诊断方法流程示意图二,显示用于判断初始上电上桥臂驱动桥开路故障诊断方法的流程。

图4是本发明永磁同步电机驱动桥故障诊断方法流程示意图三，显示用于判断初始上电下桥臂驱动桥开路故障诊断方法的流程。

图5是电压矢量的作用时间为T1和T2分割示意图。

图6本发明磁同步电机驱动桥故障诊断方法流程示意图四，显示用于判断实时驱动桥故障诊断方法的流程。

具体实施方式

如图1所示，本发明永磁同步电机驱动桥相电压采样电路，包括：单片机采样模块，其单片机模数转换输入端接第二～第四电阻R2、R3和R4的一端；第二电阻R2的另一端接第一电阻R1的一端、上桥臂驱动管的源极、下桥臂驱动管的漏极和电机线束；第三电阻R3的另一端接单片机5V供电电压；第四电阻R4的另一端接地。

初始上电驱动桥诊断包括初始上电驱动桥短路故障和初始上电驱动桥开路诊断，其中初始上电驱动桥开路诊断又分为上桥臂开路故障诊断和下桥臂开路故障诊断。对初始上电驱动桥诊断原理说明如下：

对于某相驱动桥臂有三种工作状态：

a)上桥臂驱动管闭合，下桥臂驱动管断开

上桥臂驱动管闭合，则图1所示的R1被短路到驱动桥母线电压，根据戴维南电压叠加原理，得到：

b)下桥臂驱动管闭合，下桥臂驱动管断开

上桥臂驱动管闭合，则图1所示的R1被短路地，根据戴维南电压叠加原理，得到：

c)上下桥臂驱动管都断开，根据戴维南电压叠加原理，得到公式1-3：

我们令

K_{1} = \frac{R_{3} \cdot R_{4}}{R_{2} \cdot R_{3} + R_{2} \cdot R_{4} + R_{3} \cdot R_{4}}

（公式1-4）

K_{2} = \frac{R_{2} \cdot R_{4}}{R_{2} \cdot R_{3} + R_{2} \cdot R_{4} + R_{3} \cdot R_{4}}

（公式1-5）

K_{3} = \frac{R_{3} \cdot R_{4}}{R_{2} \cdot R_{3} + R_{2} \cdot R_{4} + R_{3} \cdot R_{4} + R_{1} \cdot R_{3} + R_{1} \cdot R_{4}}

（公式1-6）

K_{4} = \frac{R_{2} \cdot R_{4}}{R_{2} \cdot R_{3} + R_{2} \cdot R_{4} + R_{3} \cdot R_{4} + R_{1} \cdot R_{3} + R_{1} \cdot R_{4}}

（公式1-7）

则有

V_{采样_上闭合}＝V_Bus·K₁+5·K₂ （公式1-8）

V_{采样_下闭合}＝5·K₂ （公式1-9）

V_{采样_上下断}＝V_Bus·K₃+5·K₄ （公式1-10）

明显有K₃＜K₁, K₄＜K₂

则V_{采样_下闭合}＜V_{采样_上下断}＜V_{采样_上闭合}

初始上电驱动桥短路故障诊断在驱动桥和保护继电器都没有工作的状态下进行。当驱动桥臂的上下驱动管都为断开时，控制器采集的理论电压应该表达式公式1-3所示。通过采集的驱动桥母线电压，设定上桥臂驱动管短路阀值如下：

其中K₁,K₂,K₃,K₄为常数，其值见式(1-4)到(1-7)

下桥臂驱动管短路阀值如下：

通过采集的相电压，如果采集的电机相电压大于上桥臂驱动管短路阀值，确认存在上桥臂驱动管短路故障，如果采集的电机相电压小于下桥臂驱动管短路阀值，确认存在下桥臂驱动管短路故障。

初始上电驱动桥开路故障表示上下驱动管存在击穿损坏的可能，驱动管无法完成闭合控制。在电动助力转向初始上电自诊断阶段，在EPS保护继电器没有闭合的情况下，分别对驱动桥的上下桥臂进行相应控制，通过采集驱动管闭合后电机相电压的状态，就能完成对驱动管的开路诊断，由于诊断时保护继电器并没有闭合，诊断操作不会对手盘力矩产生任何影响。

进行上桥臂驱动管诊断时，需要将上桥臂驱动管闭合，闭合后电机的相电压理论上应该为公式1-8所示，则确定上桥臂驱动管开路阀值如下：

通过采集的相电压，如果采集的电机相电压小于上桥臂驱动管开路阀值，确认存在疑似上桥臂驱动管开路故障。

进行下桥臂驱动管诊断时，需要将下桥臂驱动管闭合，闭合后电机的相电压理论上应该为公式1-9所示，则确定上桥臂驱动管开路阀值如下：

通过采集的相电压，如果采集的电机相电压大于上桥臂驱动管开路阀值，确认存在下桥臂驱动管开路故障。

如图2所示，本发明用于判断永磁同步电机初始上电驱动桥短路故障的诊断方法,包括：

步骤一、采集驱动桥母线电压；

步骤二、根据驱动桥母线电压计算驱动桥短路诊断阀值；

步骤三、采用5毫秒间隔进行电机相电压采样，对电机相电压进行10次采样，当采集的某相相电压大于上桥臂驱动管短路阀值，相应相线的上桥臂短路故障计数加1；当采集的某相相电压小于下桥臂驱动管短路阀值，相应的下桥臂短路故障计数加1；

如图3所示，本发明用于判断永磁同步电机初始上电上桥臂驱动桥开路故障的诊断方法,包括：

步骤二、获取驱动桥母线电压；

步骤四、采用5毫秒间隔进行电机相电压采样，对电机相电压进行10次采样，当采集的某相相电压小于上桥臂驱动管开路阀值，相应相线的上桥臂开路故障计数加1；

如图4所示，本发明用于判断永磁同步电机初始上电下桥臂驱动桥开路故障的诊断方法，包括：

步骤二、获取驱动桥母线电压；

步骤四、采用5毫秒间隔进行电机相电压采样，对电机相电压进行10次采样，当采集的某相相电压大于下桥臂驱动管开路阀值，相应相线的下桥臂开路故障计数加1；

初始上电驱动桥诊断方法只能在电动转向系统控制器上电过程中起作用，对于驾驶过程中，同样需要实时诊断电动转向系统的电机驱动桥开路短路故障，及时发现故障并切断电机相线通路之间的电流，使电动助力转向系统进入安全故障模式，切断助力，防止助力系统出现锁死、助力混乱等对驾驶员产生安全风险问题。

在实时运行状态，对于某一组驱动桥上下桥臂，同样存在三种状态，上桥臂闭合下桥臂断开，下桥臂闭合上桥臂断开和上下桥臂都断开。实时驱动桥自诊断需要在确认驱动桥的状态下进行相应状态下的驱动管故障诊断。由于上下桥臂都断开的状态是设置的防止上下桥臂直通的死区过程，死区区间通常在1us以内，而驱动管电压输出和控制器的电压采样都需要一定的稳定时间，因此实时驱动桥自诊断只在上桥臂闭合下桥臂断开和下桥臂闭合上桥臂断开两种状态下进行故障诊断。

对于永磁同步电机，电机控制采用空间矢量算法，ＰＷＭ输出比较通用的是七段式SVPWM的波形, 六个驱动管开关共有八种有效组合状态，其中六种组成非零基本矢量，如图3所示，可将电压矢量输出划分为6个扇区，而每个扇区内的电压矢量可由该扇区边界相邻的两个基本电压矢量合成，假设相邻两个电压矢量的作用时间为T1和T2。T0为零矢量的作用时间。由于设置的PWM为20kHz输出信号，则

T1+T2+T0=50us

对第1扇区的SVPWM为例进行分析，如图5所示，T1和T2时间分别被分割为前半个周期和后半个周期两个部分，为了实现对驱动桥的实时诊断，诊断方法如下，在一个PWM周期内，需要触发两次电机相电压采样，单片机的AD采样触发分别由三相PWM的上升下降沿触发，不少的单片机硬件本身带有这种功能，通过配置寄存器，实现PWM上升沿触发后延时一断时间自动启动AD采样，完成电机相电压的自动采样。

这样，对驱动桥的故障诊断包含有6种测试，如下所示：

A、A相上桥臂驱动管高有效性测试

B、A相下桥臂驱动管低有效性测试

C、B相上桥臂驱动管高有效性测试

D、B相下桥臂驱动管低有效性测试

E、C相上桥臂驱动管高有效性测试

F、C相下桥臂驱动管低有效性测试

其中高有效测试的诊断内容为：

判断驱动总线电压在9到16V正常范围之内时，当采集的该相相电压低于高有效诊断阀值时，该相上桥臂驱动管高有效疑似故障计数器加1，否则疑似故障计数器减1；

低有效测试的诊断内容为：

判断驱动总线电压在9到16V正常范围之内时，当采集的该相相电压高于低有效诊断阀值时，该相下桥臂驱动管低有效疑似故障计数器加1，否则疑似故障计数器减1；

如图5所示，PWMA的上升沿延时t0时间（位置Sa）可以触发进行A相上桥臂驱动管高有效性测试，B相或C相下桥臂驱动管低有效性测试。PWMC的下升沿延时t0时间（位置Sb）可以触发进行A相或B相上桥臂驱动管高有效性测试，C相下桥臂驱动管低有效性测试。

由于电动转向系统的工况不同，基本矢量的作用时间T1和T2也会变化，为了保证电压采样的准确性，需要确保留有足够的时间等待电压稳定和单片机AD采样。如图5所示，当T1时间较小时，无法保证Sa位置相电压的准确性。因此，需要根据作用时间T1、T2和T0的大小，来确定相电压AD采样的触发位置，同时根据电压矢量扇区和PWM输出状态来确定相电压AD采样的内容。

如图6所示，本发明用于判断永磁同步电机实时驱动桥故障的诊断方法，包括:

步骤一、根据基本矢量作用时间T1、T2和T0的大小，确定相电压采样的触发位置和相电压采样时刻；相电压采样时刻确定采用表1方式：

步骤二、根据采样索引值确定S1和S2时刻的采样内容；索引值相电压内容的确定采用表2方式：

步骤四、根据空间矢量输出的扇区来确定S1时刻和S2时刻采样对应的电机相线；

不同扇区X、Y、Z和A、B、C相线的对应关系如表3所示：

步骤五、根据表2和表3确定的电机相线高有效或低有效测试诊断内容，通过判断相电压的实际值进行实时驱动桥的在线诊断；

进行某相电压低有效电平测试时，如果采集的该相电压大于低有效测试诊断阀值，则该相下桥臂驱动管疑似故障计数器加1，否则该相下桥臂驱动管疑似故障计数器减计数；

步骤六、根据驱动桥驱动管的疑似故障计数器值来确认电机是否发生驱动桥故障，如果某相上桥臂或下桥臂驱动管的疑似故障计数器值大于预设的驱动桥故障确认阀值，如判断疑似故障计数器的时间大于预设的阀值时间20毫秒时，则确认存在驱动桥开路或短路故障，否则不存在驱动桥开路或短路故障。

以上通过具体实施方式和实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种永磁同步电机驱动桥相电压采样电路，其特征是，包括：

单片机采样模块，其单片机模数转换输入端接第二～第四电阻（R2、R3和R4）的一端；

第二电阻（R2）的另一端接第一电阻（R1）的一端、上桥臂驱动管的源极、下桥臂驱动管的漏极和电机线束；

第三电阻（R3）的另一端接单片机5V供电电压；

第四电阻（R4）的另一端接地。

2.一种永磁同步电机驱动桥故障诊断方法,用于判断初始上电驱动桥短路故障，其特征是，包括：

步骤一、采集驱动桥母线电压；

步骤二、根据驱动桥母线电压计算驱动桥短路诊断阀值；

3.如权利要求2所述的永磁同步电机驱动桥故障诊断方法，其特征是：实施步骤三时，采用5毫秒间隔进行电机相电压采样。

4.一种永磁同步电机驱动桥故障诊断方法,用于判断初始上电上桥臂驱动桥开路故障，其特征是，包括：

步骤二、获取驱动桥母线电压；

5.如权利要求4所述的永磁同步电机驱动桥故障诊断方法，其特征是：实施步骤四时，采用5毫秒间隔进行电机相电压采样。

6.一种永磁同步电机驱动桥故障诊断方法，用于判断初始上电下桥臂驱动桥开路故障，其特征是，包括：

步骤二、获取驱动桥母线电压；

7.如权利要求6所述的永磁同步电机驱动桥故障诊断方法法，其特征是：实施步骤四时，采用5毫秒间隔进行电机相电压采样。

8.一种永磁同步电机驱动桥故障诊断方法，用于判断实时驱动桥故障，其特征是，包括:

步骤二、根据采样索引值确定S1和S2时刻的采样内容；

步骤五、根据步骤二确定的采样内容，并由扇区确定的对应电机相线，对驱动桥某个驱动管进行高有效或低有效测试，通过比较实际相电压采样值进行实时驱动桥的在线诊断；