CN107623310A - 一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与过流预测保护方法 - Google Patents

一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与过流预测保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与过流预测保护方法。通过在电动机控制器工作逻辑中,加入中间软起模块、堵转保护模块,在电动机发生堵转故障时,控制器能够调整调速策略,并及时进行保护。由于在过载、堵转时,采用本发明方法会及时进行中间软起,占空比逐渐增大,避免了转速突降时,驱动电路长时间过流的问题;由于具有过流预测功能,所以在堵转、过载时,过流预测的作用使得控制器避免了过流的风险;由于具有堵转保护,使得控制器能够感知到外界的过载、堵转程度,进行对应的保护操作。以上三点,使得控制器在过载、堵转时,既能避免过流的风险,还能够感知到外界的负载情况,提高了控制器的感知能力与保护能力。

Description

一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与过流 预测保护方法
技术领域
[0001] 本发明属于航空电气设计技术,涉及一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的 智能感知与过流预测保护方法。
背景技术
[0002] 目前高压无刷直流电动机控制器采用如图1的控制流程,PI控制图如图2ASP利用 中断的方式,循环进行调速,每次先根据当前转速,计算出所需PWM波占空比;再进入电流限 幅,根据当前电流大小,判断是否需要进行占空比限幅,之后将最终所得占空比值送至DSP 的PWM控制寄存器中,以得到所需占空比的PffM波输出,来控制电动机的能量输入,保证电动 机在不同负载下,保持额定转速。
[0003] 但该控制逻辑在实际使用中存在一个严重的问题,即当电动机堵转时,由于转速 降低,这时PI输出的占空比会由于当前转速与目标转速差值大而增加,而此时电动机转速 较低,反电动势较小,这样,高占空比与低转速会导致正向电流增大。转速被压得越低,反电 动势越低,导致经过电动机控制器的电流过大,严重时会导致控制器内部功率驱动电路烧 毁。
[0004] 由于现有电动机系统只能提供给控制器三相霍尔信号以及控制器内部电流电压 信号,所以控制器无法准确感知外界负载的具体情况,因此在负载堵转时,目前的设计无法 准确得知外界的堵转程度。
发明内容
[0005] 为解决现有技术存在的问题,本发明提出一种高压无刷直流电动机对于过载、堵 转的智能感知与过流预测保护方法。通过在电动机控制器工作逻辑中,加入中间软起模块、 堵转保护模块,在电动机发生堵转故障时,控制器能够调整调速策略,并及时进行保护,保 护电动机与控制器不受过流损伤。
[0006] 本发明的技术方案为:
[0007] 所述一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与过流预测保护方法, 其特征在于:包括以下步骤:
[0008] 步骤1:进行变量初始化,占空比限幅变量λ初值取100%,中间软起次数变量初值 取〇;
[0009] 步骤2:检测电动机转速以及母线电流,并根据当前转速采用PI控制方式计算出所 需PWM波占空比;
[0010] 步骤3:判断中间软起标志位是否无效,若无效,则进入步骤4,若有效,则进入步骤 8;
[0011] 步骤4:若当前转速彡8000rpm,则直接输出PI控制方式计算的P丽波占空比,将中 间软起次数变量清零,并进入步骤11,否则进入步骤5;
[0012] 步骤5:对电动机转速<8000rpm进行延时确认,当电动机转速在设定的连续若干时 间内均<8000rpm,贝Ij进入步骤6,在进行延时确认过程中,仍直接输出PI控制方式计算的PWM 波占空比进行控制;
[0013] 步骤6:设置中间软起标志位有效;
[00M] 步骤7:根据电动机当前转速V,通过以下公式计算占空比限幅变量λ:
Figure CN107623310AD00041
[0016] 然后进入步骤9;
[0017] 步骤8:占空比限幅变量λ自增0.0736%;
[0018] 步骤9:判断占空比限幅变量是否多100%,若否,则直接进入步骤10;若是,则进入 中间软起退出延时,并进入步骤10;当达到设定的延时时间后,中间软起标志位清零,中间 软起次数变量自增1;
[0019] 步骤10:判断过流保护标志位或堵转保护标志位是否有效,如果有效,则关闭占空 比输出,停机保护,否则输出占空比为采用PI控制方式计算出的波占空比*占空比限幅 变量λ;
[0020] 所述过流保护标志位信息和堵转保护标志位信息由电动机控制系统提供,其中所 述堵转保护标志位根据以下判据得到:
[0021] 当电动机转速连续处于4000rpm以下,且中间软起次数变量达到3,则堵转保护标 志位有效;
[0022] 当电动机转速连续处于6000rpm以下,且中间软起次数变量达到4,则堵转保护标 志位有效;
[0023] 当电动机转速连续处于SOOOrpm以下,且中间软起次数变量达到5,则堵转保护标 志位有效;
[0024] 步骤11:等待下一检测周期,达到周期时间后,返回步骤2。
[0025] 进一步的优选方案,所述一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与 过流预测保护方法,其特征在于:在每个检测周期中,当中间软起标志位有效,且(λ_ν/ 11200) >30%,则缩短电动机系统的过流保护检测周期。
[0026] 有益效果
[0027] 本发明通过在电动机控制器工作逻辑中,加入中间软起模块、堵转保护模块,在电 动机发生堵转故障时,控制器能够调整调速策略,并及时进行保护,保护电动机与控制器不 受过流损伤。
[0028] 使用该发明后,(1)由于在过载、堵转时,控制器会及时进行中间软起,占空比逐渐 增大,避免了转速突降时,驱动电路长时间过流的问题。(2)由于具有过流预测功能,所以在 堵转、过载时,过流预测的作用使得控制器避免了过流的风险。(3)由于具有堵转保护,使得 控制器能够感知到外界的过载、堵转程度,进行对应的保护操作。以上三点,使得控制器在 过载、堵转时,既能避免过流的风险,还能够感知到外界的负载情况,提高了控制器的感知 能力与保护能力。
[0029] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变 得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0030]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解,其中:
[0031]图1:现有技术中的控制逻辑不意图;
[0032] 图2:现有技术中的PI控制图;
[0033] 图3:加入中间软起的控制逻辑示意图;
[0034] 图4:占空比限幅变量与转速的关系;
[0035] 图5:堵转保护模块示意图;
[0036] 图6:过流预测与策略调整模块流程图;
[0037] 图7:堵转保护模块流程图。
具体实施方式
[0038] 下面详细描述本发明的实施例,所述实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而 不能理解为对本发明的限制。
[0039] 由于无刷直流电动机控制器在突加载时,电动机转速会被压低,目前的控制逻辑 会突然增大输出PWM波占空比,而此时转速较低,反向电动势较低,会导致电动机控制器驱 动电流会突然增大并维持。
[0040] 对此,本发明提出高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与过流预测保 护方法,通过在电动机控制器工作逻辑中,加入中间软起模块(作用:保护控制器不受过流 风险,并为堵转保护提供判断依据)、堵转保护模块(作用:根据中间软起的次数,进行智能 过载/堵转感知,及时进行保护),在电动机发生堵转故障时,控制器能够调整调速策略,智 能预测过流时间,实现控制器提前调整过流调节策略,预防产品过流,及时进行保护,保护 电动机与控制器不受过流损伤。
[0041] 具体包括以下步骤:
[0042] 步骤1:进行变量初始化,占空比限幅变量λ初值取100%,中间软起次数变量初值 取0〇
[0043] 步骤2:检测电动机转速以及母线电流,并根据当前转速采用PI控制方式计算出所 需PWM波占空比。
[0044] 步骤3:判断中间软起标志位是否无效,若无效,则进入步骤4,若有效,则进入步骤 8〇
[0045] 步骤4:若当前转速多8000rpm,则直接输出PI控制方式计算的P丽波占空比,将中 间软起次数变量清零,并进入步骤11,否则进入步骤5。
[0046] 步骤5:对电动机转速<8000rpm进行至少的12ms延时确认,当电动机转速在连续 12ms内均<8000rpm,贝Ij进入步骤6,在进行延时确认过程中,仍直接输出PI控制方式计算的 PWM波占空比进行控制。
[0047] 从附图可以看出,由于当前的一个检测周期是4ms,所以采用的是统计中间软起延 时确认变量来进行延时确认的,当中间软起延时确认变量增加到3以上,则表示延时确认完 成,如果在延时确认过程中,某一检测周期的转速不小于8000rpm,则将中间软起延时确认 变量清零。
[0048] 步骤6:延时确认完成,设置中间软起标志位有效。
[0049] 步骤7:根据电动机当前转速V,通过以下公式计算占空比限幅变量λ:
Figure CN107623310AD00061
[0051] 设置占空比限幅变量的目的就是将占空比降低至安全占空比,转速越低,占空比 越低,能够保证控制器与电动机不过流;然后进入步骤9。
[0052] 步骤8:占空比限幅变量λ自增0.0736%;即占空比限幅变量逐次增加(实现中断进 入一次,占空比增加一次)。
[0053] 步骤9:判断占空比限幅变量是否多100%,若否,则直接进入步骤10;若是,则进入 中间软起退出延时,并进入步骤10;当达到设定的IOOms延时时间后,中间软起标志位清零, 中间软起次数变量自增1(目的是为了统计连续中间软起的次数,为堵转保护提供判断依 据)。
[0054] 中间软起退出延时也是通过统计中间软起退出延时变量来实现的,当中间软起退 出延时变量达到25之后,S卩达到设定的IOOms延时时间后,中间软起标志位清零。
[0055] 步骤10:判断过流保护标志位或堵转保护标志位是否有效,如果有效,则关闭占空 比输出,停机保护,否则输出占空比为采用PI控制方式计算出的波占空比*占空比限幅 变量λ。附图中将当前转速彡8000rpm以及中间软起延时确认中的占空比输出也引到这里, 可以认为是占空比限幅变量λ为100%,即直接输出PI控制方式计算的PffM波占空比。
[0056] 步骤11:等待下一检测周期,达到周期时间后,返回步骤2。
[0057] 从图3中可以看出,通过加入中间软起模块,在突加负载或堵转时,输出占空比由 于占空比限幅变量的作用而逐渐增加,使得控制器输出电流也逐步增加,抑制了电流突增 或过流的情况,避免了控制器过流的风险。
[0058] 而所述过流保护标志位信息和堵转保护标志位信息由电动机控制系统提供。堵 转、过载的特征是:(a)转速被压低,并无法上升至额定;⑹控制器过流;(c)产品占空比持 续为满占空比。那么,在加入中间软起模块后,上述特征被简化:
[0059] 0V)转速被压低时,产品开始中间软起,但由于堵转、过载,转速无法上升至额定。 此时,产品会多次中间软起,因此中间软起的次数,能够反映a)项特征,并且,中间软起的次 数,还能够反映转速被压低的时间。
[0060] (B)同时,由于中间软起的存在,控制器电流可控,所以,b)项特征不会持续出现, 只会在中间软起结束后,有短暂出现的可能(但即使在软起结束短暂的出现,由于产品过流 保护针对性的预防调节,会及时调节电流大小,保护控制器),因此中间软起的次数,也可以 反映b)项特征。
[0061] (C)由于每一次中间软起,占空比限幅变量,都会加至100%。因此,连续的中间软 起并且转速不能上升,意味着占空比在中间软起结束后,满占空比输出,转速依然不能上 升。因此,连续的中间软起,可以反映c)项特征。
[0062] 所以根据相关数据(连续中间软起、转速持续在某一低转速范围内、连续中间软起 的次数)可以将堵转、过载的表现,进行如下的转化:
[0063] 堵转、过载时:连续中间软起;中间软起次数超过某一设定值。因此,堵转保护可以 通过上述两个条件来进行。
[0064] 与人类的感知系统一样,产品的过载、堵转,其实也是有着不同的等级的。轻微的 过载,产品转速会降低比较小的值,但重度的过载,产品会以更低的转速表征出来。因此,基 于这一特征,本发明中利用中间软起的连续次数,得出堵转或过载;综合分析转速被压低的 具体数值,来得出电动机堵转的程度。最终不仅可以感知到电动机堵转的故障,还可以得出 过载、堵转的程度。实现了控制器对于电动机负载情况的智能感知。
[0065] 所以,所述堵转保护标志位根据以下判据得到:
[0066] 当电动机转速连续处于4000rpm以下,且中间软起次数变量达到3,则堵转保护标 志位有效;
[0067] 当电动机转速连续处于6000rpm以下,且中间软起次数变量达到4,则堵转保护标 志位有效;
[0068] 当电动机转速连续处于SOOOrpm以下,且中间软起次数变量达到5,则堵转保护标 志位有效。
[0069] 以上三个条件同时判断,任一条件满足时,均执行堵转保护,并将产品过载或堵转 保护的具体情况,送至上位机,来告知操作者电动机的具体状态。堵转保护模块流程图如图 7所示。从图7中可以看出,在堵转保护模块中,对于堵转的判断,是分不同情况的。过载情况 严重时,中间软起次数相应的减少,这样,可以实现过载或堵转的感知与快速保护。堵转保 护生效时,控制器关闭驱动输出,直到堵转故障解除,来有效保护产品安全。
[0070] 此外,本发明还实现了智能堵转过流预测,即在过载或堵转时,智能预测过流时 间,实现控制器提前调整过流调节策略,预防产品过流。其工作机理为:在中间软起时,会预 先根据被压到的转速数值,在中间软起逐步增加占空比的过程中,提前预测会过流的时间, 将预测的时间点送至电流管理模块。电流管理模块收到该信号后,可以智能调节过流检测 的周期,来确保产品不会因为堵转而过流。实现了控制器的过流智能预测。
[0071] 具体就是,在每个检测周期中,当中间软起标志位有效,且(λ-ν/11200)>30%,则 缩短电动机系统的过流保护检测周期,流程图如图6所示。
[0072] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例 性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨 的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1. 一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与过流预测保护方法,其特征在于:包括以下步骤: 步骤1:进行变量初始化,占空比限幅变量λ初值取100 %,中间软起次数变量初值取O; 步骤2:检测电动机转速以及母线电流,并根据当前转速采用PI控制方式计算出所需PWM波占空比; 步骤3:判断中间软起标志位是否无效,若无效,贝Ij进入步骤4,若有效,贝Ij进入步骤8; 步骤4:若当前转速多8000rpm,则直接输出PI控制方式计算的Pmi波占空比,将中间软起次数变量清零,并进入步骤11,否则进入步骤5; 步骤5:对电动机转速< 8000rpm进行延时确认,当电动机转速在设定的连续若干时间内均<8000rpm,则进入步骤6,在进行延时确认过程中,仍直接输出PI控制方式计算的PWM波占空比进行控制; 步骤6:设置中间软起标志位有效; 步骤7:根据电动机当前转速V,通过以下公式计算占空比限幅变量λ:
Figure CN107623310AC00021
然后进入步骤9; 步骤8:占空比限幅变量λ自增0.0736%; 步骤9:判断占空比限幅变量是否多100%,若否,则直接进入步骤10;若是,则进入中间软起退出延时,并进入步骤10;当达到设定的延时时间后,中间软起标志位清零,中间软起次数变量自增1; 步骤10:判断过流保护标志位或堵转保护标志位是否有效,如果有效,则关闭占空比输出,停机保护,否则输出占空比为采用PI控制方式计算出的PWM波占空比*占空比限幅变量 入; 所述过流保护标志位信息和堵转保护标志位信息由电动机控制系统提供,其中所述堵转保护标志位根据以下判据得到: 当电动机转速连续处于4000rpm以下,且中间软起次数变量达到3,则堵转保护标志位有效; 当电动机转速连续处于6000rpm以下,且中间软起次数变量达到4,则堵转保护标志位有效; 当电动机转速连续处于8000rpm以下,且中间软起次数变量达到5,则堵转保护标志位有效; 步骤11:等待下一检测周期,达到周期时间后,返回步骤2。
2. 根据权利要求1所述一种高压无刷直流电动机对于过载、堵转的智能感知与过流预测保护方法,其特征在于:在每个检测周期中,当中间软起标志位有效,且(λ-ν/l 1200) >30%,则缩短电动机系统的过流保护检测周期。
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