CN108233347B - 一种无刷电机控制器过流保护系统及过流保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大功率无刷电机控制器过流保护系统和过流保护方法。该系统包括：霍尔电流传感器、模拟调理电路、AD转换电路、模拟比较电路、可编程逻辑FPGA电路和PWM控制电路。过流保护方法包括数字比较法和模拟比较法。分别针对于长时间低电流和短时间高电流两种情况。本发明中的过流保护机制具有可恢复性。可在处理器发起的局部复位条件下部分恢复，也可在上下电引起的全局复位条件下完全恢复。本发明可快速辨识出系统的过流状态，且具有很大的灵活性和通用性，可满足不同功率部件参数的差异性要求，可用于无刷电机控制器中的功率部件瞬态保护。

Description

一种无刷电机控制器过流保护系统及过流保护方法

技术领域

本发明属于无刷电机驱动控制设计领域，涉及解决大功率无刷电机控制器过流保护问题的设计。

背景技术

随着时代的发展，无刷直流电机以其效率高、调速性能好、可靠性高的优点，在工业中得到了越来越多的应用。由于没有机械换相部件，因此无刷直流电机需要相应的控制器来进行驱动控制。此类系统即为无刷电机驱动系统。

在无刷电机驱动系统中，无刷电机控制器用于将电网电能转换为驱动电机的电能。在一些功率较大的应用场合，正常情况下控制器内的DC母线或电机绕组内会有数十上百安培的电流，而在电机卡滞、堵转、反转以及控制器故障等情况下，这些电流会急剧增大，功率管中通过的电流会在us级短时间内增大数倍或数十倍，如不加以保护，功率管可能会因此烧坏。功率管对电流的承受能力和电流的幅值及时间紧密相关。以某型IGBT为例，环境温度为25℃时其短路安全电流曲线如图5所示。

正常工作时，CE结压降较低，只有几伏；当故障发生时，CE结压降会急剧增大，当其CE结压降为200V时，允许通过电流20A/1ms或70A/100us或300A/20us；当CE结压降为300V时，允许通过电流15A/1ms或40A/100us或300A/10us。事实上，这些数值十分理想化，工业及航空设备在实际工况中，环境温度可能达到50℃甚至70℃以上，此时安全工作的电流电压时间范围会大大缩小。以无刷电机驱动控制系统中最严重的故障情况为例，IGBT上下桥臂直通时，DC母线电压直接加到IGBT上的CE两端，此时手册中给出安全时间只有6us。如何足够快速的识别并中止故障，是一个挑战。

目前现有的过流保护技术方案中，为保证快速识别故障，往往采用模拟比较器进行电流监控，或软件实时采样AD转换结果的方法。单纯的模拟比较监控无法锁存故障，且保护门限修改困难，系统灵活性不足，基于软件的方法灵活方便，但实时性欠缺，快速性不足，且占用处理器资源。本方案提供一种基于硬件的大功率无刷电机过流保护系统和保护方法，通过两种保护策略实现对控制器功率部件的有效保护。

发明内容

本发明的目的是：针对大功率无刷电机控制器过流保护的功能及性能需求，提出一种基于硬件的过流保护系统，其根据功率管的短路安全工作特性，实现不同过流程度的快速保护，并对故障进行锁存。同时系统应具有较好的灵活性和通用性，过流保护相关的部分参数应可通过可编程逻辑代码修改。

本发明的技术方案：

一种大功率无刷电机控制器过流保护系统包括霍尔电流传感器、模拟调理电路、多通道同步采样AD转换电路、模拟比较电路、PWM控制电路和可编程逻辑FPGA电路组成；霍尔传感器感应线路中电流状况，输出电压模拟量反映线路中的电流方向和幅值。电压模拟量经过模拟调理电路后，输入AD转换电路和模拟比较电路。AD转换电路定时同步采样4个通道输入的模拟量，将其转换为数字码值。模拟比较电路将模拟量转换为状态离散量。可编程逻辑FPGA电路采集AD转换电路和模拟比较电路的输出结果按照相应的保护逻辑和保护策略进行判断，同时控制AD转换电路和PWM控制电路。

霍尔电流传感器共有4个，分布于控制器的DC母线和三相输出线，用于感应线路电流的幅值和方向。

模拟调理电路对霍尔电流传感器输出模拟量进行放大和滤波。

AD转换电路对模拟调理电路调理后的模拟量进行采集，应保证同一时刻系统能够同时采集到至少4路模拟量(对应母线电流和三相电流)，AD转换电路采用多通道同步采样ADC。

可编程逻辑FPGA电路是整个保护系统的核心，系统的保护方法也是在其中实现。该电路与DSP通过XINTF总线连接，与AD转换电路通过AD的并行接口连接，与模拟比较电路通过比较结果离散量连接。

在FPGA内部设计有DSP接口、寄存器组、AD控制状态机、码值比较单元、滤波锁存单元、离散量状态判定单元和PWM控制逻辑。DSP接口和寄存器组用于DSP对FPGA的访问接口以及读写相关的控制命令、状态信息；AD控制状态机用于产生符合AD时序的启动、读操作控制信号，同时控制AD转换电路进行周期性的模数转换，转换周期5us；码值比较单元用于在每周期转换完成时比较输入的AD转换码值和幅值门限，输出比较结果；滤波与锁存单元用于对比较结果进行滤波，超过时间门限时进行故障锁存；离散量状态判定单元用于组合模拟比较电路输入的离散量；PWM控制逻辑根据软件状态和滤波锁存结果输出PWM驱动控制信号。

模拟比较电路包括电压基准电路、比较电路和上拉电路。电压基准电路包含一个10V基准源，以及通过四组电阻配比分压，分别得到母线电流的幅值上下限和相电流幅值的上下限；比较电路使用模拟比较器比较门限幅值和对应模拟量的幅值；输出结果离散量通过上拉电路上拉后接入可编程逻辑FPGA电路。

PWM控制电路是一具有使能关断功能的电平转换器。使能时DSP输出的6路PWM信号可通过电平转换器输出到门极驱动器，禁止时会将全部输出的6路PWM信号全部置为0，以关断所有功率管。

一种基于大功率无刷电机控制器过流保护系统的过流保护方法包含两种保护策略：

策略1：在长时间低电流的情况下，时间门限大于AD转换电路所允许的采样周期，采用数字比较法。数字比较法基于可编程逻辑FPGA电路中的AD控制状态机、码值比较单元、滤波锁存单元1和AD转换电路实现,其工作流程是:

步骤1：DSP软件通过DSP接口和寄存器组控制AD转换状态的启动；

步骤2：AD控制状态机通过FPGA与AD转换电路间的并行接口控制AD转换电路周期性启动转换；AD转换电路将模拟调理电路调理后的电压模拟量进行模数转换；输出内部比较结果信号；

步骤3：判断内部比较结果，如果产生码值超限，进入步骤4，否则，继续监控；

步骤4：滤波锁存单元1启动计时，判断是否超过计时门限，如果产生计时超限，进入步骤5，否则，计时归零；

步骤5：滤波锁存单元1锁存故障状态，将结果上报PWM控制逻辑和寄存器组；PWM控制逻辑依据滤波锁存单元1输出的故障信号驱动PWM控制电路切断功率输出。同时DSP软件可以从寄存器组读到相应的故障代码。

策略2：在短时间高电流的情况下，时间门限小于AD转换电路所允许的采样周期时，采用模拟比较法。模拟比较法基于可编程逻辑FPGA电路中的离散量状态判定单元、滤波与锁存单元2和模拟比较电路，其工作流程是：

步骤1：模拟比较电路中的电压基准源和4组分压电阻产生模拟电压门限；

步骤2：模拟调理电路调理后的电压模拟量接入模拟比较电路中的比较器，与模拟电压门限进行比较，输出8路离散量；

步骤3：FPGA内状态判定单元检测8路离散量，当8路离散量输出均为0，表明系统正常；当8路离散量输出不全为0时，表明系统发生故障，此时进入步骤4；

步骤4：FPGA内滤波锁存单元2启动计时，超过计时门限时，进入步骤5，否则，计时归零；

步骤5：滤波锁存单元2锁存故障状态，将结果上报PWM控制逻辑和寄存器组。PWM控制逻辑依据滤波锁存单元2输出的故障信号驱动PWM控制电路切断功率输出。同时DSP软件可以从寄存器组读到相应的故障代码。

进一步的，其中，数字比较法的电流幅值门限和触发时间门限均可通过逻辑修改；

进一步的，其中，模拟比较法的电流幅值门限通过电压基准源和电阻设置，触发时间门限通过逻辑设置。

本发明的优点是：

1.本发明采用基于硬件的系统架构，根据电流幅值和持续时间的特点设计有两种保护方法，可快速辨识故障情况，有效减少了过流故障发生时功率管烧毁的风险。

2.本发明采用可编程逻辑FPGA进行中央，在保护的门限参数设置上具有一定的灵活性和通用性。

3.数字比较法的优点是灵活可配置，其电流幅值门限和持续时间门限均可通过逻辑设置，适合监控长时间低电流状态。

4.模拟比较法的优点是连续监测电流状态，其响应速度快，适合监控短时间高电流状态。

5.本发明中的过流保护机制具有可恢复性。可通过全局复位同时恢复数字比较法和模拟比较法两种保护机制，也可通过局部复位仅恢复数字比较法保护机制。系统的全局复位通过产品的重新上下电实现，系统的局部复位通过DSP写FPGA中的复位寄存器实现。

附图说明

图1是本发明系统结构框图。

图2是本发明FPGA逻辑结构图。

图3是本发明模拟比较电路图。

图4是本发明实施例应用示意图

图5是本发明实施例中的电流保护曲线图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明的过流保护系统由霍尔电流传感器、模拟调理电路、多通道同步AD转换电路、可编程逻辑FPGA电路、模拟比较电路、PWM控制电路组成。霍尔电流传感器用于感应线路中电流的方向和幅值。模拟调理电路将霍尔电流传感器输出放大一定的比例后接入AD转换电路和模拟比较电路。为保证瞬时保护的有效性，AD转换电路应保证可在同一时刻采集到4路传感器对应的模拟量，可采用6通道同步采样AD芯片AD7656实现。可编程逻辑FPGA对AD转换电路和模拟比较电路的输出进行逻辑判断，通过PWM控制电路控制DSP发出PWM信号的通断，进而控制功率输出。为避免RAM型FPGA上电加载时间所导致的监控盲区，选用上电既有、无需加载的反熔丝工艺FPGA。

参见图2，系统通过可编程逻辑FPGA电路实现对AD转换器和模拟比较电路输出离散量的控制和处理。FPGA内设计有DSP接口、寄存器组、AD控制状态机、码值比较单元、滤波锁存单元、离散量状态判定单元和PWM控制逻辑。

DSP接口和寄存器组用于DSP对FPGA的访问接口以及读写相关的控制命令、状态信息；AD控制状态机用于产生符合AD时序的启动、读操作控制信号，同时控制AD转换电路进行周期性的模数转换，转换周期5us；码值比较单元用于在每周期转换完成时比较输入的AD转换码值和幅值门限，输出比较结果；滤波与锁存单元用于对比较结果进行滤波，超过时间门限时进行故障锁存；离散量状态判定单元用于组合模拟比较电路输入的离散量；PWM控制逻辑根据软件状态和滤波锁存结果输出PWM驱动控制信号。

数字比较法用于监控长时间低电流的情况。DSP启动FPGA内的AD控制状态机，在状态机的控制下，AD转换电路以5us为周期进行自动模数转换，每一次转换完成时，采集到的码值通过AD接口输入FPGA，此时，逻辑通过码值比较单元内与保护门限进行比较，当出现超过门限时，滤波与锁存单元1启动计时，当出现连续15us码值超限时，则滤波与锁存单元1锁存故障，输出故障有效信号到PWM控制逻辑，同时将信息上报寄存器组。PWM控制逻辑接收到故障有效信号时进行故障保护动作，切断系统的PWM输出。DSP可通过寄存器读取故障状态。

模拟比较法用于监控短时间高电流的情况。采用模拟比较器进行母线电流和三相电流的上下限比较，可以避免AD转换采样间隔漏掉关键的过流信息。模拟比较电路输出8路离散量对应母线电流、三相电流超上限和超下限。正常时这8路均应输出为0，故障时输出不全为0。FPGA采样8路离散量状态，当出现8路离散量不全为0的状态，滤波与锁存单元2启动计时，当出现超过1us的超限状态，滤波与锁存单元2锁存故障状态，输出故障有效信号到PWM控制逻辑，同时将信息上报寄存器组。PWM控制逻辑接收到故障有效信号时进行故障保护动作，切断系统的PWM输出。DSP可通过寄存器读取故障状态。

数字比较法灵活可配置，其电流幅值门限和持续时间门限均可通过逻辑设置。但由于AD转换具有固有的离散特性，系统只能在采样点上得到电流信息，两次采样点之间的电流变化是采集不到的，因此适合监控长时间低电流状态。

模拟比较法可以避免数字比较法采样间隔带来的离散特性，能够连续监测电流状态，其响应速度快，适合监控短时间高电流状态。

故障状态一旦锁存，只有经过相应的恢复措施才能恢复。数字比较法的恢复措施是由处理器发起局部复位或系统重新上下电产生全局复位；模拟比较法的恢复措施只有系统重新上下电产生全局复位。

参见图3，模拟比较电路的保护门限通过电压基准源和高精度分压电阻得到，4路模拟量通过模拟比较器和对应的上下门限比较，比较器经过上拉电路上拉后输出8路离散量对应母线电流、三相电流超上限和超下限。

参见图4，过流保护系统在某大功率电机驱动系统中的应用。在该系统中，采用DSP作为控制核心，输出的6路PWM信号通过PWM控制电路后驱动门极驱动电路，按一定规律开关H桥中的IGBT功率管，输出三相交流电驱动电机。

4个霍尔电流传感器分别置于DC母线的高端和三相输出线。DC母线电流传感器设置在DC母线的高端，不仅可以测量出电机或桥臂用电，还可以测量出漏电电流。由于相电流和母线电流具有一定的关系(母线电流＝A相电流+B相电流+C相电流)，某个相电流传感器损坏后母线电流传感器也能反映出线路中的电流状况。这一情况的特例是上下管直通故障，该故障只能通过母线电流传感器测量得到。

霍尔电流传感器输出的信号Idc、iu、iv、iw接入模拟调理电路；模拟调理电路对这4路信号进行放大和滤波后，分别接入到AD转换电路和模拟比较电路；AD转换电路在可编程逻辑FPGA内的AD控制状态机的控制下进行5us为周期的连续AD转换，为保证同一时刻可采集到4路模拟量，选用AD7656作为同步采样AD转换器；模拟比较电路通过模拟比较器将输入的电压幅值和比较门限进行比较；可编程逻辑FPGA电路采集AD转换电路的输出码值和模拟比较电路输出的离散量，分别通过数字比较法和模拟比较法进行监控；可编程逻辑FPGA电路控制PWM控制电路，当满足保护条件时，FPGA控制PWM控制电路切断PWM输出，以保护功率部件避免烧毁，同时在寄存器组内锁存故障状态。

图5是针对某型IGBT设计的过流保护限为70A/15us和115A/1us时的安全工作电流示意图。这里用数字比较法实现70A/15us保护限,用模拟比较法实现115A/1us保护限。

Claims (6)

1.一种大功率无刷电机控制器过流保护系统，包括霍尔电流传感器、模拟调理电路、多通道同步采样AD转换电路、模拟比较电路、PWM控制电路，其特征在于还包括：可编程逻辑FPGA电路；霍尔电流传感器直接与模拟调理电路连接，模拟调理电路分别与多通道同步采样AD转换电路、模拟比较电路连接；多通道同步采样AD转换电路、模拟比较电路、PWM控制电路分别与可编程逻辑FPGA电路连接；

所述霍尔电流传感器感应线路中电流状况，输出电压模拟量反映线路中的电流方向和幅值；电压模拟量经过模拟调理电路后，输入多通道同步采样AD转换电路和模拟比较电路；多通道同步采样AD转换电路定时同步采样4个通道输入的模拟量，将其转换为数字码值；模拟比较电路将模拟量转换为状态离散量；所述可编程逻辑FPGA电路与DSP通过XINTF总线连接，与多通道同步采样AD转换电路通过AD的并行接口连接，与模拟比较电路通过比较结果离散量连接；具体工作时，可编程逻辑FPGA电路采集多通道同步采样AD转换电路和模拟比较电路的输出结果按照相应的保护逻辑和保护策略进行判断，同时控制多通道同步采样AD转换电路和PWM控制电路；

所述模拟比较电路包括电压基准电路、比较电路和上拉电路；电压基准电路包含一个10V基准源，以及通过四组电阻配比分压，分别得到母线电流的幅值上下限和相电流幅值的上下限；比较电路使用模拟比较器比较门限幅值和对应模拟量的幅值；输出结果离散量通过上拉电路上拉后接入可编程逻辑FPGA电路；

所述PWM控制电路是一具有使能关断功能的电平转换器；使能时DSP输出的6路PWM信号可通过电平转换器输出到门极驱动器，禁止时会将全部输出的6路PWM信号全部置为0，以关断所有功率管；

所述可编程逻辑FPGA电路内部设计有DSP接口、寄存器组、AD控制状态机、码值比较单元、滤波锁存单元、离散量状态判定单元和PWM控制逻辑。

2.如权利要求1所述的一种大功率无刷电机控制器过流保护系统，其特征在于：所述霍尔电流传感器共有4个，分布于控制器的DC母线和三相输出线，用于感应线路电流的幅值和方向。

3.如权利要求1所述的一种大功率无刷电机控制器过流保护系统，其特征在于：所述多通道同步采样AD转换电路对模拟调理电路调理后的模拟量进行采集，应保证同一时刻系统能够同时采集到至少4路模拟量，对应母线电流和三相电流，多通道同步采样AD转换电路采用多通道同步采样ADC。

4.一种基于大功率无刷电机控制器过流保护系统的过流保护方法，包含两种保护策略：

策略1：在长时间低电流的情况下，时间门限大于多通道同步采样AD转换电路所允许的采样周期，采用数字比较法；数字比较法基于可编程逻辑FPGA电路中的AD控制状态机、码值比较单元、滤波锁存单元1和多通道同步采样AD转换电路实现,其工作流程是:

步骤1：DSP软件通过DSP接口和寄存器组控制AD转换状态的启动；

步骤2：AD控制状态机通过FPGA与多通道同步采样AD转换电路间的并行接口控制多通道同步采样AD转换电路周期性启动转换；多通道同步采样AD转换电路将模拟调理电路调理后的电压模拟量进行模数转换；输出内部比较结果信号；

步骤3：判断内部比较结果，如果产生码值超限，进入步骤4，否则，继续监控；

步骤4：滤波锁存单元1启动计时，判断是否超过计时门限，如果产生计时超限，进入步骤5，否则，计时归零；

步骤5：滤波锁存单元1锁存故障状态，将结果上报PWM控制逻辑和寄存器组；PWM控制逻辑依据滤波锁存单元1输出的故障信号驱动PWM控制电路切断功率输出；同时DSP软件可以从寄存器组读到相应的故障代码；

策略2：在短时间高电流的情况下，时间门限小于多通道同步采样AD转换电路所允许的采样周期时，采用模拟比较法；模拟比较法基于可编程逻辑FPGA电路中的离散量状态判定单元、滤波锁存单元2和模拟比较电路，其工作流程是：

步骤1：模拟比较电路中的电压基准源和4组分压电阻产生模拟电压门限；

步骤2：模拟调理电路调理后的电压模拟量接入模拟比较电路中的比较器，与模拟电压门限进行比较，输出8路离散量；

步骤3：FPGA内状态判定单元检测8路离散量，当8路离散量输出均为0，表明系统正常；当8路离散量输出不全为0时，表明系统发生故障，此时进入步骤4；

步骤4：FPGA内滤波锁存单元2启动计时，超过计时门限时，进入步骤5，否则，计时归零；

步骤5：滤波锁存单元2锁存故障状态，将结果上报PWM控制逻辑和寄存器组；PWM控制逻辑依据滤波锁存单元2输出的故障信号驱动PWM控制电路切断功率输出；同时DSP软件可以从寄存器组读到相应的故障代码。

5.如权利要求4所述的一种基于大功率无刷电机控制器过流保护系统的过流保护方法，其特征在于：所述数字比较法的电流幅值门限和触发时间门限均可通过逻辑修改。

6.如权利要求4所述的一种基于大功率无刷电机控制器过流保护系统的过流保护方法，其特征在于：所述模拟比较法的电流幅值门限通过电压基准源和电阻设置，触发时间门限通过逻辑设置。