CN107634501A - 一种电机控制系统及转矩安全监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电机控制系统及转矩安全监控方法，包括：电机；获取电机监测信号及期望信号进行比较，若不一致，则输出安全动作信号的转矩监控模块；接收到安全动作信号时对电机输出控制信号，以确保电机转矩输出正常的电机控制模块。系统实时自检，正常后执行转矩安全监控；分别获取电机监测信号及期望信号进行比较；若不一致，则判定电机转矩输出异常，关断所述电机，以实现安全保护；若一致，则判定电机转矩输出正常。本发明在原有电机控制系统的基础上，增加了一个转矩监控模块，通过转矩监控模块对电机实际输出的转矩进行监控，并与期望转矩进行校对，若判定转矩输出异常，及时采取关断电机等保护操作，以避免危险发生，大大提高安全性能。

Description

一种电机控制系统及转矩安全监控方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别是涉及一种电机控制系统及转矩安全监控方法。

背景技术

电机(Electric Machinery，俗称“马达”)是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

电机控制器(Motor Controller)通过集成电路的主动工作来控制电机按照设定的方向、速度、角度及响应时间进行工作。电机控制器使得电机应用范围更为广泛，输出效率更高，噪音更小，是维持电机正常工作的核心装置。

目前电机控制器的方案主要由控制器和驱动器组成。其中，控制器通过转子角度传感器、电流传感器及电压采样电路对电机转子位置、电流及电压等信号进行采集，根据期望的转矩命令，计算出相应的电压控制信号，然后通过驱动器将信号放大，并输出到电机以驱动电机运行，输出期望转矩，实现电机控制。

但是由于转子角度传感器、电流传感器、电压采样电路、驱动器等的故障，可能导致电机控制器输出异常，目前的电机控制器无法对电机实际输出的转矩进行监控，在转矩输出异常时也无法及时察觉并进行保护操作；在工业生产中，转矩输出异常可能导致设备的损坏和操作人员的安全问题；在汽车控制中，转矩输出异常可能因失控导致车祸的发生，存在很大的安全隐患。

因此，如何及时察觉电机的输出异常，确保电机转矩输出正常已成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种一种电机控制系统及转矩安全监控方法，用于解决现有技术中电机控制器无法对电机实际输出的转矩进行监控，在转矩输出异常时也无法及时察觉并进行保护操作的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电机控制系统，所述电机控制系统至少包括：

电机，用于产生驱动转矩，作为动力源；

转矩监控模块，与所述电机及整车控制器连接，获取电机的监测信号及期望信号，将监测信号与期望信号进行比较，若监测信号与期望信号不一致，则输出安全动作信号；

电机控制模块，与所述电机及所述转矩监控模块连接，当接收到所述安全动作信号时对所述电机输出控制信号，关闭所述电机，以确保电机转矩输出正常。

优选地，所述转矩监控模块包括：监测单元、期望单元、决策单元及安全动作单元；

所述监测单元与所述电机连接，对所述电机的电气特性进行测量，监测电机工作状态，以得到监测信号；

所述期望单元与所述整车控制器连接，从所述整车控制器获取电机工作命令，并将电机工作命令转化为电机控制信号，以得到期望信号；

所述决策单元与所述监测单元及所述期望单元连接，将所述监测单元输出的电机工作状态与所述期望单元输出的电机控制信号进行比较，若不一致则输出一触发信号；

所述安全动作单元与所述决策单元连接，接收所述触发信号以触发所述安全动作单元输出安全动作信号。

更优选地，所述监测单元通过电流传感器及电压采样电路与所述电机连接，获取所述电机的三相电流及三相电压。

更优选地，所述期望单元还与加速踏板、制动器及方向盘连接，以此获取加速信号、刹车信号及方向信号。

更优选地，所述转矩监控模块还包括与所述决策单元连接的数据输出单元，将所述决策单元的输出信号输出到所述整车控制器及所述电机控制模块。

更优选地，所述转矩监控模块还包括与所述决策单元连接的自检单元，实时对所述转矩监控模块的软硬件进行检测。

优选地，所述电机控制模块还与加速踏板、制动器及方向盘连接，根据加速信号、刹车信号及方向信号控制所述电机转矩的输出。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种电机转矩安全监控方法，所述电机转矩安全监控方法至少包括：

系统对内部软硬件进行实时自检，若全部正常则执行转矩安全监控，反之，发出警报；

分别获取电机的监测信号及期望信号，将监测信号与期望信号进行比较；

若监测信号与期望信号不一致，则判定电机转矩输出异常，关断所述电机，以实现安全保护；

若监测信号与期望信号一致，则判定电机转矩输出正常。

优选地，获取监测信号的具体步骤包括：对电机的电气特性进行测量，并根据电机的电气特性计算得到转矩估计、角频率及交流功率。

优选地，获取期望信号的具体步骤包括：获取电机工作命令、加速信号、刹车信号及方向信号，并将电机工作命令、加速信号、刹车信号及方向信号转化为电机控制信号。

优选地，电机转矩输出正常时，根据加速信号、刹车信号及方向信号控制电机转矩的输出。

如上所述，本发明的电机控制系统及转矩安全监控方法，具有以下有益效果：

本发明的电机控制系统及转矩安全监控方法在原有电机控制系统的基础上，增加了一个转矩监控模块，通过转矩监控模块对电机实际输出的转矩进行监控，并与期望转矩进行校对，若不一致，则判定转矩输出异常，及时采取关断电机等保护操作，以避免危险发生，大大提高安全性能。

附图说明

图1显示为本发明的电机控制系统示意图。

元件标号说明

1 电机控制系统

11 电机

12 转矩监控模块

121 监测单元

122 期望单元

123 决策单元

124 安全动作单元

125 自检单元

126 数据输出单元

127 通用接近开关

128 电流传感器

129 电压采样电路

13 电机控制模块

2 整车控制器

3 加速踏板

4 制动器

5 方向盘

6 点火装置

7 高压电池

S1～S3 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种电机控制系统1，所述电机控制系统1至少包括：电机11、转矩监控模块12(ISU)、电机控制模块13(MCU)。在本实施例中，所述转矩监控模块12及所述电机控制模块13均由单片机实现。

如图1所示，所述电机11用于产生驱动转矩，作为动力源。

具体地，如图1所示，在本实施例中，所述电机11为三相同步电机，与汽车轮胎连接，作为汽车动力。

如图1所示，所述转矩监控模块12与所述电机11及整车控制器2(VCU)连接，获取电机的监测信号及期望信号，将监测信号与期望信号进行比较，若监测信号与期望信号不一致，则输出安全动作信号。

具体地，如图1所示，所述转矩监控模块12包括：监测单元121、期望单元122、决策单元123、安全动作单元124、自检单元125、数据输出单元126及通用接近开关127。

更具体地，所述监测单元121与所述电机11连接，对所述电机11的电气特性进行测量，监测所述电机11工作状态，以得到监测信号。在本实施例中，所述监测单元121通过电流传感器128及电压采样电路129连接至所述电机11的三相电线，以此获取所述电机11的可以直接访问的电气特性，包括但不限于三相电流、三相电压。所述监测单元121根据所述电机11的电气特性计算得到所述电机11的工作状态，包括但不限于转矩估计、角频率及交流功率等信息，并由此得到所述电机11转矩的监测信号。

更具体地，所述期望单元122通过CAN接口与所述整车控制器2连接，从所述整车控制器2中获取电机工作命令，检测所述电机工作命令的有效性，并将所述电机工作命令转化为电机控制信号，以得到期望信号。在本实施例中，所述期望单元122还与加速踏板3、制动器4及方向盘5连接，以此获取加速信号、刹车信号及方向信号，检测所述加速信号、所述刹车信号及所述方向信号的有效性，并将所述加速信号、所述刹车信号及所述方向信号转化为电机控制信号，以多方位获取期望信号，进而提高数据的完整性。

更具体地，所述决策单元123与所述监测单元121、所述期望单元122及所述自检单元125连接，将所述监测单元121输出的电机工作状态与所述期望单元122输出的电机控制信号进行比较，若不一致则输出一触发信号。所述自检单元125实时对所述转矩监控模块12的软硬件进行检测，以确保所述转矩监控模块12正常工作。所述决策单元123根据监测信号和期望信号进行上层的约束条件检查，包括但不限于驱动控制，转矩输出方向以及转矩幅值控制的检查，如果实时监测到的信号期望的信号相违背，则输出安全动作触发信号。

更具体地，所述安全动作单元124与所述决策单元123连接，接收所述触发信号以触发所述安全动作单元124输出安全动作信号。当所述安全动作单元124接收到所述触发信号后，输出安全动作信号，包括软关断信号及硬关断信号。在本实施例中，当电机转矩输出异常在允许范围内则实现软关断，慢慢调整电机转矩输出以达到正常范围；当电机转矩输出异常超出允许范围内则实现硬关断，立即调整电机转矩输出以达到正常范围。

更具体地，所述数据输出单元126的输入端与所述决策单元123连接，输出端分别与所述整车控制器2及所述电机控制模块13连接。所述数据输出单元126将所述决策单元123做出的决策信息，包括监测信号与期望信号的比较结果，反馈给所述整车控制器2，以使所述整车控制器2及时得到所述电机11的控制信号，及时掌握所述电机11的工作状态。所述数据输出单元126通过通用接近开关127将所述决策单元123做出的决策信息以CAN报文和SPI形式发送到所述电机控制模块13。

如图1所示，所述电机控制模块13与所述电机11及所述转矩监控模块12连接，当接收到所述安全动作信号时对所述电机11输出控制信号，关闭所述电机11，以确保电机转矩输出正常。

具体地，如图1所示，所述电机控制模块13包括三组晶体管，作为开关，以控制所述电机11的三相电流或三相电压，进而控制所述电机11的转矩。所述电机控制模块13还将从所述数据输出单元126输出的信号与从所述安全动作单元124输出的关断信号进行验证，以核实关断电机的动作是否执行，确保安全性。所述电机控制模块13还与所述加速踏板3、所述制动器4及所述方向盘5连接，根据加速信号、刹车信号及方向信号控制所述电机11转矩的输出。如图1所示，所述高压电池7为所述电机控制模块13供电。

如图1所示，所述转矩监控模块12及所述电机控制模块13与所述点火装置6连接，在本实施例中，所述点火装置6为汽车点火开关。通过所述点火装置6获取汽车启动状态，以激活所述电机控制系统1。

本发明还提供一种电机转矩安全监控方法，在本实施例中，以所述电机控制系统1为例，所述电机转矩安全监控方法至少包括：

步骤S1：系统对内部软硬件进行实时自检，若全部正常则执行转矩安全监控，反之，发出警报。

具体地，如图1所示，所述点火装置6处于预热档或工作档时，所述电机控制系统1被唤醒。所述自检单元125实时对所述转矩监控模块12的软、硬件进行检测，以确保所述转矩监控模块12正常工作，若全部正常则执行转矩安全监控，反之，发出警报以检修排除故障。

步骤S2：分别获取电机的监测信号及期望信号，将监测信号与期望信号进行比较。

具体地，如图1所示，汽车启动，所述电机控制模块13根据所述加速踏板3、所述制动器4及所述方向盘5输出的加速信号、刹车信号及方向信号调整并控制所述电机11转矩的输出。

所述监测单元121通过所述电流传感器128及所述电压采样电路129获取所述电机11的可以直接访问的电气特性，包括但不限于三相电流、三相电压；并根据所述电机11的电气特性计算得到所述电机11的工作状态，包括但不限于转矩估计、角频率及交流功率等信息，由此得到所述电机11转矩的监测信号。

所述期望单元122从所述整车控制器2中获取电机工作命令，从所述加速踏板3、所述制动器4及所述方向盘5获取加速信号、刹车信号及方向信号，检测所述电机工作命令、所述加速信号、所述刹车信号及所述方向信号的有效性，并将所述电机工作命令、所述加速信号、所述刹车信号及所述方向信号转化为电机控制信号，以得到期望信号。期望信号也可以只从所述整车控制器2或所述加速踏板3、所述制动器4及所述方向盘5中获取，在本实施例中，为了多方位获取期望信号，提高数据的完整性，因此从所述整车控制器2、所述加速踏板3、所述制动器4及所述方向盘5中均获取信息。

所述决策单元123根据获取的监测信号和期望信号进行上层的约束条件检查，包括但不限于驱动控制，转矩输出方向以及转矩幅值控制的检查，在本实施例中，通过监测信号和期望信号的比较实现约束条件检查。

步骤S3：若监测信号与期望信号不一致，则判定电机转矩输出异常，关断所述电机，以实现安全保护；若监测信号与期望信号一致，则判定电机转矩输出正常。

具体地，如图1所示，若所述决策单元123判定电机转矩输出异常，则触发所述安全动作单元124输出安全动作信号，包括软关断信号及硬关断信号。在本实施例中，当电机转矩输出异常在允许范围内则实现软关断，慢慢调整电机转矩输出以达到正常范围；当电机转矩输出异常超出允许范围内则实现硬关断，立即调整电机转矩输出以达到正常范围。同时，所述数据输出单元126通过通用接近开关127将所述决策单元123做出的决策信息以CAN报文和SPI形式发送到所述电机控制模块13，所述电机控制模块13核实关断电机的动作是否执行，确保安全性。

若所述决策单元123判定电机转矩输出正常，则所述安全动作信号无效，所述电机控制模块13继续根据所述加速踏板3、所述制动器4及所述方向盘5输出的加速信号、刹车信号及方向信号调整并控制所述电机11转矩的输出。

如上所述，本发明的电机控制系统及转矩安全监控方法，具有以下有益效果：

本发明的电机控制系统及转矩安全监控方法在原有电机控制系统的基础上，增加了一个转矩监控模块，通过转矩监控模块对电机实际输出的转矩进行监控，并与期望转矩进行校对，若不一致，则判定转矩输出异常，及时采取关断电机等保护操作，以避免危险发生，大大提高安全性能。

综上所述，本发明提供一种电机控制系统及转矩安全监控方法，包括：电机，用于产生驱动转矩，作为动力源；转矩监控模块，与所述电机及整车控制器连接，获取电机的监测信号及期望信号，将监测信号与期望信号进行比较，若监测信号与期望信号不一致，则输出安全动作信号；电机控制模块，与所述电机及所述转矩监控模块连接，当接收到所述安全动作信号时对所述电机输出控制信号，关闭所述电机，以确保电机转矩输出正常。系统对内部软硬件进行实时自检，若全部正常则执行转矩安全监控，反之，发出警报；分别获取电机的监测信号及期望信号，将监测信号与期望信号进行比较；若监测信号与期望信号不一致，则判定电机转矩输出异常，关断所述电机，以实现安全保护；若监测信号与期望信号一致，则判定电机转矩输出正常。本发明的电机控制系统及转矩安全监控方法在原有电机控制系统的基础上，增加了一个转矩监控模块，通过转矩监控模块对电机实际输出的转矩进行监控，并与期望转矩进行校对，若不一致，则判定转矩输出异常，及时采取关断电机等保护操作，以避免危险发生，大大提高安全性能。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (11)

1.一种电机控制系统，其特征在于，所述电机控制系统至少包括：

电机，用于产生驱动转矩，作为动力源；

转矩监控模块，与所述电机及整车控制器连接，获取电机的监测信号及期望信号，将监测信号与期望信号进行比较，若监测信号与期望信号不一致，则输出安全动作信号；

电机控制模块，与所述电机及所述转矩监控模块连接，当接收到所述安全动作信号时对所述电机输出控制信号，关闭所述电机，以确保电机转矩输出正常。

2.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：所述转矩监控模块包括：监测单元、期望单元、决策单元及安全动作单元；

所述监测单元与所述电机连接，对所述电机的电气特性进行测量，监测电机工作状态，以得到监测信号；

所述期望单元与所述整车控制器连接，从所述整车控制器获取电机工作命令，并将电机工作命令转化为电机控制信号，以得到期望信号；

所述决策单元与所述监测单元及所述期望单元连接，将所述监测单元输出的电机工作状态与所述期望单元输出的电机控制信号进行比较，若不一致则输出一触发信号；

所述安全动作单元与所述决策单元连接，接收所述触发信号以触发所述安全动作单元输出安全动作信号。

3.根据权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于：所述监测单元通过电流传感器及电压采样电路与所述电机连接，获取所述电机的三相电流及三相电压。

4.根据权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于：所述期望单元还与加速踏板、制动器及方向盘连接，以此获取加速信号、刹车信号及方向信号。

5.根据权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于：所述转矩监控模块还包括与所述决策单元连接的数据输出单元，将所述决策单元的输出信号输出到所述整车控制器及所述电机控制模块。

6.根据权利要求2所述的电机控制系统，其特征在于：所述转矩监控模块还包括与所述决策单元连接的自检单元，实时对所述转矩监控模块的软硬件进行检测。

7.根据权利要求1所述的电机控制系统，其特征在于：所述电机控制模块还与加速踏板、制动器及方向盘连接，根据加速信号、刹车信号及方向信号控制所述电机转矩的输出。

8.一种电机转矩安全监控方法，其特征在于，所述电机转矩安全监控方法至少包括：

系统对内部软硬件进行实时自检，若全部正常则执行转矩安全监控，反之，发出警报；

分别获取电机的监测信号及期望信号，将监测信号与期望信号进行比较；

若监测信号与期望信号不一致，则判定电机转矩输出异常，关断所述电机，以实现安全保护；

若监测信号与期望信号一致，则判定电机转矩输出正常。

9.根据权利要求8所述的电机转矩安全监控方法，其特征在于：获取监测信号的具体步骤包括：对电机的电气特性进行测量，并根据电机的电气特性计算得到转矩估计、角频率及交流功率。

10.根据权利要求8所述的电机转矩安全监控方法，其特征在于：获取期望信号的具体步骤包括：获取电机工作命令、加速信号、刹车信号及方向信号，并将电机工作命令、加速信号、刹车信号及方向信号转化为电机控制信号。

11.根据权利要求8所述的转矩安全监控方法，其特征在于：电机转矩输出正常时，根据加速信号、刹车信号及方向信号控制电机转矩的输出。