CN106452269A - 一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置 - Google Patents

一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置。包括控制模块、功率逆变模块、电源和外部通信模块，控制模块包括第一DSP芯片和第二DSP芯片；第二DSP芯片与第一DSP芯片通过相互发送监控信号进行相互查询；功率逆变模块通过电源对交流电机供电；交流电机的速度信号反馈到控制模块，功率逆变模块将交流电机的温度信息、电压信息和电流信息分别反馈到控制模块；控制模块将PWM信号、充放电信号输出到功率逆变模块；控制模块通过外部通信模块与外设部件通信。本发明通过两片DSP作为控制核心，两片芯片互相监控，防止系统死机，提高系统的稳定性。

Description

一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，特别是涉及一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置。
背景技术
电动车辆的三大核心部件为：蓄电池、电机和电机控制器。电机是电动车辆行驶的动力来源，而电机的类型决定了电机控制器的结构和控制策略。20世纪中叶以前，可调速传动系统一直为直流电机所垄断，然而随着电力电子技术的高速发展，这一格局逐渐被打破。传统的直流电机，由于电刷和换向器的存在，其应用存在以下限制：
(1)换向器和电刷工作的最大电流存在限制，这制约了直流电机功率的发展；
(2)电刷需要定期维护和经常更换，增加了使用成本，随着人力成本的逐年升高，这一劣势会继续恶化；
(3)直流电机工作时会由于电刷和换向器的摩擦会产生电火花，因此不能用于易燃易爆的场合；
(4)粉尘会加剧电刷的磨损，因此在粉尘严重的场合，不适用直流电机。
交流异步电机具有结构简单、坚固耐用、制造成本低、功率密度大、不需要定期维护等优点，正逐步取代直流电机。但交流电机调速也存在一些缺点。
交流异步电机取代直流电机的一个缺点在于，其控制算法比较复杂。传统的交流异步电机采用恒压频比控制算法，即为了维持磁场的恒定，使电机转子三相反电势与转子运行频率的比值保持恒定。但电机转子的反电势无法测量，通常的做法是用控制器施加给转子的电压近似的代替转子的反电势，这样在电机低速运行运行时产生了电流较大，效率低，发热量大等问题。
另一个缺点是控制装置可靠性不高。由于电机及控制装置在运行过程中有高达上千安培大电流的产生，这样的大电流会产生很强的电磁波，容易干扰控制装置的正常运行，甚至引起主控芯片死机。传统的做法是利用看门狗复位单片机，但复位过程中由于延时和系统状态的不确定性有可能出现系统烧毁甚至飞车，具有安全隐患。
随着电子技术的发展，出现了多种PWM(pulse-width modulation)技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，开展了先进控制算法、控制装置自身保护、用户安全保护、高性价比功率模块等方面的研究，以实现控制装置的可靠性、高效性和安全性。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，包括控制模块、功率逆变模块、电源和外部通信模块，所述控制模块包括第一DSP芯片和第二DSP芯片；所述第二DSP芯片与第一DSP芯片通过相互发送监控信号进行相互查询；所述功率逆变模块通过电源对交流电机供电；所述交流电机的速度信号反馈到控制模块，所述功率逆变模块将交流电机的温度信息、电压信息和电流信息分别反馈到控制模块；所述控制模块将PWM信号、充放电信号输出到功率逆变模块；所述控制模块通过外部通信模块与外设部件通信。
优选地，所述第一DSP芯片和第二DSP芯片均具有采集外部信号、对外输出控制信号的作用；所述第一DSP芯片和第二DSP芯片在运行过程中，
当第一DSP芯片作为主控芯片，第二DSP芯片作为监控芯片时，第二DSP芯片不断查询第一DSP芯片的状态，当查询到第一DSP芯片异常时，第二DSP芯片作为主控芯片，并把第一DSP芯片重启，第一DSP芯片重启后作为监控芯片检测第二DSP芯片的状态；
当第二DSP芯片作为主控芯片，第一DSP芯片作为监控芯片时，第一DSP芯片不断查询第二DSP芯片的状态，当查询到第二DSP芯片异常时，第一DSP芯片作为主控芯片，并把第二DSP芯片重启，第二DSP芯片重启后作为监控芯片检测第一DSP芯片的状态。
优选地，所述功率逆变模块将电机三相电流进行矢量变换以实现转矩分量和励磁分量的解耦，结合PID算法实现对电机进行控制。
优选地，所述控制模块运算出的控制信号通过信号发生模块产生三相空间矢量PWM波形用以控制功率逆变模块。
优选地，所述外设部件包括PC、编程器和车辆设备。
优选地，所述外部通信模块通过RS232和/或GPRS与外部进行有线和/或无线通信，用以进行系统调试或故障诊断。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的电机控制装置主要功能包括：电机驱动、电机保护、控制装置自身保护、非法操作检测、电机参数匹配等。具有使用方便、方便匹配不同参数的电机、安全可靠、性价比高等优点。
2、本发明使用两片DSP作为控制核心，两片芯片互相监控，防止系统死机，提高系统的稳定性。
3、本发明通过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩和调速的目的。
4、本发明设计了一种高性价比的功率逆变模块，使用多个MOSFET并联来代替IGBT模块，并通过实时检测电流和温度来保护该功率模块。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置的系统图；
图2为本电机控制装置的控制流程图；
图3为本电机控制装置的检测流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-3所示，本发明为一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，包括控制模块、功率逆变模块、电源和外部通信模块，控制模块包括第一DSP芯片和第二DSP芯片；第二DSP芯片与第一DSP芯片通过相互发送监控信号进行相互查询；功率逆变模块通过电源对交流电机供电；交流电机的速度信号反馈到控制模块，功率逆变模块将交流电机的温度信息、电压信息和电流信息分别反馈到控制模块；控制模块将PWM信号、充放电信号输出到功率逆变模块；控制模块通过外部通信模块与外设部件通信。
其中，第一DSP芯片和第二DSP芯片均具有采集外部信号、对外输出控制信号的作用；
第一DSP芯片和第二DSP芯片在运行过程中，当第一DSP芯片作为主控芯片，第二DSP芯片作为监控芯片时，第二DSP芯片不断查询第一DSP芯片的状态，当查询到第一DSP芯片异常时，第二DSP芯片作为主控芯片，并把第一DSP芯片重启，第一DSP芯片重启后作为监控芯片检测第二DSP芯片的状态；
当第二DSP芯片作为主控芯片，第一DSP芯片作为监控芯片时，第一DSP芯片不断查询第二DSP芯片的状态，当查询到第二DSP芯片异常时，第一DSP芯片作为主控芯片，并把第二DSP芯片重启，第二DSP芯片重启后作为监控芯片检测第一DSP芯片的状态。
其中，功率逆变模块将电机三相电流进行矢量变换以实现转矩分量和励磁分量的解耦，结合PID算法实现对电机进行控制。
其中，控制模块运算出的控制信号通过信号发生模块产生三相空间矢量PWM波形用以控制功率逆变模块。
其中，外设部件包括PC、编程器和车辆设备。
其中，外部通信模块通过RS232和/或GPRS与外部进行有线和/或无线通信，用以进行系统调试或故障诊断。
本控制模块的第一DSP芯片和第二DSP芯片均为TMS320F28335型号的DSP芯片，用矢量算法进行电机控制，完成电机的调速控制和正反转控制、再生制动、电机控制装置的功率模块保护、控制器远程故障诊断、软硬件接口扩展等功能。
电机控制装置接收各个输入部件，包括电子油门、方向开关、安全开关等信号的输入，并根据这些开关的状态组合确定电机控制装置的起步、调速、方向切换、停机等功能。电机控制装置根据检测到的电机两相定子电流，采用矢量算法进行解耦，推算出转子磁链的扭矩分量和转速分量，并对这两个分量分别加以控制，从而实现电机的驱动。
电机控制装置检测到电机相电流超过所设定的保护阈值时，立即减小电机控制装置的输出电压以保护电机控制装置和电机；当电机控制装置检测到内部的功率逆变模块的温度和电机绕组的温度超过设定的阈值时，将线性削减最大输出电流直至关断输出电流，以实现过温保护功能。
电动机电力来源于蓄电池组，定子的三相绕组接在控制装置的U、V、W三个接线柱上，蓄电池的正、负极分别连接控制装置的B+、B-接线柱，其中蓄电池正极和电机控制装置的B+接线柱之间用直流接触器来控制通断，电机控制装置内部的逆变电路将蓄电池提供的直流电逆变为三相正弦交流电以驱动电机旋转。
如图1所示，为了减小大电流电磁干扰的影响，将控制模块和功率逆变模块分别封装，中间通过屏蔽线连接。功率逆变模块，使用多个MOSFET组成；控制板是电机控制系统的大脑，负责数据采集、驱动信号产生、故障检测等功能；功率模块将驱动信号放大后驱动MOSFET导通以驱动电机运行。金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其“通道”(工作载流子)的极性不同，可分为“N型”与“P型”的两种类型，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS、PMOS等。
对车辆的控制流程如图3所示。将整车的运行状态定义为八种状态：初始化、等待、怠速、驱动、反向、制动、关机、故障等8个状态，随着用户的各种操作进行各种状态切换，以实现车辆的前进、后退、制动等功能。
当系统信号采集进程采集到到电子油门的信号(0～5V)后，将此电压信号换算为电机的目标转速，并根据前进/后退开关信号的输入判定电机的转向，根据从电机编码器信号运算出的电机转速及转向，结合PID控制算法，计算出电机所处的驱动状态(包括正向驱动、反向驱动、正向加速、反向加速、再生制动等)，单片机和信号发生单元产生PWM信号驱动功率模块，从而实现电机的控制。
把电机的三相定子电流、控制装置、功率逆变模块、温度信号、控制装置两端电压差值、电机温度信号分别送入主控芯片和FPGA，在FGPA内部将几个信号做或运算处理处理。当任一信号超过保护设定值时，主控芯片通过限制最大输出电流来保护控制装置；当任一信号超过关断设定值时，FPGA输出一信号到主控芯片的“功率驱动保护中断输入引脚”，主控芯片捕获到该中断信号后，立刻关断三相PWM输出。当检测到严重故障比如电机短路、MOS管短路时，关断接触器以分离控制装置与蓄电池组的连接。
设置单独的一个进程，对车辆运行可能出现的错误进行检测。这些要检测的错误包括电机失速保护、电机输出保护、电机堵转保护、电机温度保护、控制装置附件检测、输入装置检测、错误检测流程如图2所示。
使用两片TMS320F28335芯片作为系统的处理中心，两片芯片使用SCI总线进行实时通信，波特率为119200。两片DSP一片为主，一片为从，两片芯片实时的相互发送预先约定好的监控数据。而各传感器信号则同时传入两片DSP。平时两个芯片一片作为主控芯片，另一片作为监控芯片。当副芯片检测到主芯片运行故障或死机时，立即取得系统的控制权，并将主芯片复位，主芯片复位后，这时二号芯片为主控芯片，而一号芯片为监控芯片。当主控芯片检测到监控芯片故障或死机时，则复位监控芯片。运行过程中不断检测电机的电流、温度、控制器电流、温度，并具有用户错误操作时序保护功能，当各输入信号未按照预设的顺序输入时即认为非正常操作，电机停转并指示故障，以防止电机的误动作。当检测到故障时把当前的各个状态参数写入控制装置内部的存储芯片以备后查。
值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，包括控制模块、功率逆变模块、电源和外部通信模块，其特征在于：
所述控制模块包括第一DSP芯片和第二DSP芯片；
其中，所述第二DSP芯片与第一DSP芯片通过相互发送监控信号进行相互查询；
所述功率逆变模块通过电源对交流电机供电；所述交流电机的速度信号反馈到控制模块，
所述功率逆变模块将交流电机的温度信息、电压信息和电流信息分别反馈到控制模块；
所述控制模块将PWM信号、充放电信号输出到功率逆变模块；
所述控制模块通过外部通信模块与外设部件通信。
2.根据权利要求1所述的一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，其特征在于：
所述第一DSP芯片和第二DSP芯片均具有采集外部信号、对外输出控制信号的作用；所述第一DSP芯片和第二DSP芯片在运行过程中，
当第一DSP芯片作为主控芯片，第二DSP芯片作为监控芯片时，第二DSP芯片不断查询第一DSP芯片的状态，当查询到第一DSP芯片异常时，第二DSP芯片作为主控芯片，并把第一DSP芯片重启，第一DSP芯片重启后作为监控芯片检测第二DSP芯片的状态；
当第二DSP芯片作为主控芯片，第一DSP芯片作为监控芯片时，第一DSP芯片不断查询第二DSP芯片的状态，当查询到第二DSP芯片异常时，第一DSP芯片作为主控芯片，并把第二DSP芯片重启，第二DSP芯片重启后作为监控芯片检测第一DSP芯片的状态。
3.根据权利要求1所述的一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，其特征在于，所述功率逆变模块将电机三相电流进行矢量变换以实现转矩分量和励磁分量的解耦，结合PID算法实现对电机进行控制。
4.根据权利要求1所述的一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，其特征在于，所述控制模块运算出的控制信号通过信号发生模块产生三相空间矢量PWM波形用以控制功率逆变模块。
5.根据权利要求1所述的一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，其特征在于，所述外设部件包括PC、编程器和车辆设备。
6.根据权利要求1所述的一种用于电动车辆的高可靠性交流电机控制装置，其特征在于，所述外部通信模块通过RS232和/或GPRS与外部进行有线和/或无线通信，用以进行系统调试或故障诊断。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20170222

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