CN108964561A - 一种双三相电机驱动系统及双三相电机的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双三相电机驱动系统及双三相电机的控制方法，包括电机控制器、双三相电机及位置传感器，电机控制器用于获取位置传感器检测电机转子的第一位置信息，双三相电机的指令电压信息以及相电流，根据指令电压信息以及相电流结合双三相电机的数学模型计算得出电机转子的第二位置信息；当第一位置信息和第二位置信息的差值大于设定阈值超过设定时间时，判定位置传感器出现故障，采用第二位置信息作为电机转子的位置信息。本发明将计算得到的第二位置信息和位置传感器检测电机转子的第一位置信息进行比较，能够及时判断出位置传感器的检测故障，通过计算的第二位置信息作为电机转子的位置，从而保证电动车驱动系统的可靠性和安全性。

Description

一种双三相电机驱动系统及双三相电机的控制方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种双三相电机驱动系统及双三相电机的控制方法。
背景技术
新能源汽车行业的迅猛发展，使得新能源汽车取代传统动力系统汽车成为了可能。为此市场对新能源汽车的电机驱动总成提出了更高的要求。在满足汽车的基本驱动能力的同时，高能效、高安全性、高可靠性的电机驱动也越来越成为新能汽车是否优异的标识。
现有电动汽车的驱动电机多使用三相电机，当某一相出现问题时，三相电机将无法工作，不具备缺相工作能力；此外，一般三相电机需要借助位置传感器作为关键元器件进行电机速度及位置的信号采集，公告号为CN205754096U的中国专利提出的“一种三相电机控制装置”中的位置传感器，当位置传感器受到干扰或故障时将会对电动车驱动系统的可靠性造成巨大影响，甚至造成安全问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双三相电机驱动系统及双三相电机的控制方法，用于解决现有技术无法检测双三相电机中设置位置传感器发生故障、导致电机驱动系统不安全的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种双三相电机的控制方法，包括以下步骤：
1)获取位置传感器检测电机转子的第一位置信息，双三相电机的指令电压信息以及相电流信息；
2)根据双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，结合双三相电机的数学模型计算得出电机转子的第二位置信息；
3)比较第一位置信息和第二位置信息，当第一位置信息和第二位置信息的差值大于设定阈值超过设定时间时，判定位置传感器出现故障，采用第二位置信息作为电机转子的位置信息。
本发明通过将计算得到的第二位置信息和位置传感器检测电机转子的第一位置信息进行比较，及时判断出位置传感器的检测故障，从而保证电动车驱动系统的可靠性和安全性。
本发明在需要检测电机转子的位置时，通过计算的第二位置信息作为电机转子的位置，进一步保证了电动车驱动系统的可靠性和安全性。
为了检测电机的故障，进一步，当位置传感器出现故障时，还包括判断电机的相电流是否可控，当判断为不可控时，判定电机出现故障。
为解决上述技术问题，本发明还提出一种双三相电机驱动系统，包括电机控制器、双三相电机及位置传感器，位置传感器连接双三相电机，电机控制器分别连接双三相电机及位置传感器，其中：
电机控制器用于获取位置传感器检测电机转子的第一位置信息，双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，根据双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，结合双三相电机的数学模型计算得出电机转子的第二位置信息；当第一位置信息和第二位置信息的差值大于设定阈值超过第一设定时间时，判定位置传感器出现故障，当位置传感器出现故障时，采用第二位置信息作为电机转子的位置信息。
进一步，当位置传感器出现故障时，还包括判断电机的相电流是否可控，当判断为不可控时，判定电机出现故障。
作为双三相电机的进一步限定，所述双三相电机包括并联的第一电机支路和第二电机支路，第一电机支路上设有依次连接的第一继电器、第一逆变器和第一三相绕组，第一逆变器并联有第一电容，第二电机支路上设有依次连接的第二继电器、第二逆变器和第二三相绕组，第二逆变器并联有第二电容。
为实现第一电容、第二电容两端电压的检测，还包括分别用于检测第一电容、第二电容两端电压的电压检测模块，电压检测模块连接电机控制器；还包括分别用于检测第一逆变器、第二逆变器直流侧的电流检测模块；双三相电机的各相绕组与逆变器之间设置有电流传感器。
为实现第一三相绕组、第二三相绕组的故障检测，进一步，根据所述电流检测模块检测的电流，第一逆变器、第二逆变器的PWM状态，计算双三相电机的相电流，并将计算的相电流与所述电流传感器采集的对应相的相电流作差，当作差的差值大于标定阈值的时间超过第二设定时间时，通过断开对应相上的电机支路断开对应三相绕组，将双绕组模式转为单绕组模式，采用第一位置信息作为电机转子的位置信息。
当双绕组模式转为单绕组模式后，为实现电机的故障检测，进一步，还包括判断电机的相电流是否可控，当判断为不可控时，判定电机出现故障，断开第一继电器和第二继电器。
为了实现位置传感器的解码，进一步，电机控制器和位置传感器的连接支路上设有信号解码模块。
为了实现控制器的可靠工作，采用控制器的冗余设计，进一步，所述电机控制器分为第一电机控制器和第二电机控制器，第一电机控制器通过第一开关连接有电源模块，第二电机控制器通过第二开关连接所述电源模块，当其中一个电机控制器工作异常时，断开连接工作异常的电机控制器的开关。
附图说明
图1是双三相电机驱动系统的组成框图；
图2是双三相电机绕组及其驱动的组成框图；
图3是双三相电机控制器原理框图；
图4是双三相电机驱动系统工作模式切换控制流程图；
图5是双三相电机输出特性曲线图；
图6是单双绕组切换状态图；
上图中各个部件含义如下：
1——电机控制器；2——整车控制器；3——双三相电机；4——位置传感器；5——减速器；6——低压蓄电池；7——DC-DC；8——动力电池；9——制动踏板；10——加速踏板；11——MCU1；12——MCU2；13——电源模块；14——位置传感器信号解码模块；15——CAN通信模块；16——电流信号采集模块；17——PWM波驱动逻辑控制电路；18——温度信号采集模块；19——母线电压检测模块；110——PWM波驱动增强模块A；111——PWM波驱动增强模块B；112——IGBT驱动模块A；113——IGBT驱动模块B；114——驱动逻辑模块；115——IGBT模块A；116——IGBT模块B；117——母线电容A；118——母线电容B；119——电流传感器；120——接插件；121——继电器预充及控制电路A；122——继电器预充及控制电路B；双三相电机包含两组绕组：31——绕组ABC；32——绕组UVW，该两个绕组不同心连接。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明的一种双三相电机的控制方法，包括以下步骤：
1)获取位置传感器检测电机转子的第一位置信息，双三相电机的指令电压信息以及相电流信息；
2)根据双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，结合双三相电机的数学模型计算得出电机转子的第二位置信息；
3)比较第一位置信息和第二位置信息，当第一位置信息和第二位置信息的差值大于设定阈值的时间超过第一设定时间时，判定位置传感器出现故障；
4)当位置传感器出现故障时，采用第二位置信息作为电机转子的位置信息；当位置传感器出现故障时，还包括判断电机的相电流是否可控，当判断为不可控时，判定电机出现故障。
应用上述方法，提出一种双三相电机驱动系统，包括电机控制器、双三相电机及位置传感器，位置传感器连接双三相电机，电机控制器分别连接双三相电机及位置传感器，其中：
电机控制器用于获取位置传感器检测电机转子的第一位置信息，双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，根据双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，结合双三相电机的数学模型计算得出电机转子的第二位置信息；当第一位置信息和第二位置信息的差值大于设定阈值的时间超过第一设定时间时，判定位置传感器出现故障。
具体的，如图1所示的双三相电机驱动系统，主要组成包括电机控制器(1)、整车控制器(2)、双三相电机(3)、位置传感器(4)、减速器(5)。整车相关的其他部件包括低压蓄电池(6)、DC-DC(7)、动力电池(8)、制动踏板(9)、加速踏板(10)。电机控制器分别与整车控制器、位置传感器、动力电池、低压蓄电池、双三相电机相连；双三相电机分别与减速器、电机控制器、位置传感器相连；双三相电机的定子包含两组绕组，每一绕组分为三相(ABC、UVW)共六相；位置传感器的转子部分与电机转子同轴连接，定子部分固定在电机后端盖上。整车控制器与制动踏板及加速踏板相连并通过高速CAN总线与电机控制器进行通信；动力电池除了作为双三相电机的高压驱动电源外，还通过DC-DC变换器将高压转为低压给低压蓄电池充电，低压蓄电池给整车控制器及电机控制器供低压电(12V或24V，根据车辆型号差异有不同的低压供电需求)。
电机控制器各模块之间的连接方式如图3所示，电机控制器(1)包括MCU1(11)和MCU2(12)，为了保证MCU安全有效地完成电机控制任务，电机控制器还包括以下功能模块及电路：
电源模块(13)；位置传感器信号解码模块(14)；CAN通信模块(15)；用于检测IGBT模块A(115)、IGBT模块B(116)输出相电流的电流信号采集模块(16)；PWM波驱动逻辑控制电路(17)(即PWM驱动器)；温度信号采集模块(18)；用于检测母线电容A(117)、母线电容B(118)两端电压的母线电压检测模块(19)(用来采集母线上的电压，该电压作为计算目标相电流的输入)；2个检测直流母线电流的电流传感器；PWM波驱动增强模块A(110)；PWM波驱动增强模块B(111)；IGBT驱动模块A(112)；IGBT驱动模块B(113)；驱动逻辑模块(114)；IGBT模块A(115)；IGBT模块B(116)；母线电容A(117)；母线电容B(118)；电流传感器(119)；接插件(120)；继电器预充及控制电路A(121)；继电器预充及控制电路B(122)。其中，电源模块(13)为各个模块供电，位置传感器信号解码模块(14)与位置传感器(4)相连，继电器预充及控制电路A(121)、继电器预充及控制电路B(122)分别与IGBT模块A(115)、IGBT模块B(116)通过母线串联。
如图2所示，双三相电机(3)包括并联的第一电机支路和第二电机支路，第一电机支路上设有依次连接的继电器预充及控制电路A(121)、IGBT模块B(116，即逆变器)和绕组ABC(31)，IGBT模块B(116)并联有母线电容A(117)；第二电机支路上设有依次连接的继电器预充及控制电路B(122)、IGBT模块A(115，即逆变器)和绕组UVW(32)，IGBT模块A(115)并联有母线电容B(118)。
上述双三相电机驱动系统的工作原理为：
整车控制器通过加速踏板、制动踏板的信息，结合整车控制算法，通过CAN总线向电机控制器发送转矩(或转速)指令。电机控制器将得到的转矩(或转速)指令进行转换，通过运行在电机控制器中的软件输出的PWM控制脉冲控制IGBT模块输出指令电压，进而实现对双三相电机的转矩(或转速)控制。
双三相电机驱动系统分别三种工作模式，分别为双绕组模式、单绕组模式以及无位置传感器模式。
对于双绕组模式，该模式为电驱动系统的正常工作模式。处于该模式时，系统通过两种方式确定双三相电机的位置及转速，其中一种方式是通过安装在双三相电机上的位置传感器传递的信号解析双三相电机的位置X1及转速w1。另一种方式是通过采集双三相电机上的驱动电流Ia、Ib、Ic、Iu、Iv、Iw，结合电机控制器发出的指令电压，利用电机的数学模型经过变换处理后解析出位置X2及转速w2。将两种方式解析出的位置进行对比，△x＝|X1-X2|，当连续多次对比△x大于标定范围值时，此时系统认为位置传感器出现故障，系统进入无位置传感器模式。
对于单绕组模式，该模式下，只有其中一组绕组正常驱动工作，另一绕组通过控制继电器使绕组断开与高压驱动回路的连接。该模式在两种情况下使用。一种情况是节能模式：当电机处于高转速状态，转矩需求较低时，系统根据需求可以切换到该模式；另一种情况是当其中一组绕组处于故障状态时。
在双绕组模式时，根据两个直流母线电流传感器信息以及当前PWM脉冲状态分别估算ABC相以及UVW相的电流，并与6个相电流传感器的检测值进行比较。当某一相的差值超过设定阈值的时间超过第二设定时间，即判断该相绕组发生故障，此时电机控制器将通过继电器切断该相绕组所在的三相绕组并将故障信息发送给整车控制器，同时电机控制器将进入单绕组工作模式。
对于无位置传感器模式，该模式为正常模式的补充工作模式。该模式下，系统不对位置传感器的信息进行采集，而是利用双绕组六相电流信息及指令电压信息进行转子位置的辨识，在低速段还可采用高频注入等无位置传感器控制方法对转子位置进行辨识，同时该模式下对六相电流是否可控进行评估，如若出现不可控情况，则通知整车控制器，电机处于严重故障，并断开两路继电器。
无论是进入单绕组模式还是无位置传感器模式，电机控制器均是通过继电器控制绕组是否接入高压驱动回路。
电机控制器采用双MCU硬件架构。双MCU同时对关键信号进行采集处理，并对系统状态及MCU工作状态进行监控。双MCU都具备输出六路PWM波控制电机的能力。单MCU即可完成对双三相电机的控制。并且，电机控制器采用的双MCU冗余安全设计，双MCU同时对系统及自身工作状态进行监控。当某一MCU工作异常时，另一工作正常MCU断开故障MCU供电使能，上传故障报警信息给整车控制器记录，同时电机控制器将在单MCU的控制下运行。
MCU1(11)及MCU2(12)采集位置传感器信号解码模块(14)上的信号，得到电机位置信息X1及转速信息w1。电流信号采集模块(16)将采集到的电流传感器(119)的信号分别传递给MCU1(11)、MCU2(12)，MCU结合指令电压信息利用电机数学模型解析出电机转子的位置信息X2及转速w2，通过对比位置信息及转速信息，MCU可以得出位置传感器的工作状态，并通过该状态决定系统的工作模式，具体模式切换参照图4。图4中在判断相电流是否可控时，通过将检测到的各相电流Ix与指令电压及电机数学模型结合计算出的目标相电流进行对比，当对比得到的差值超过设定阈值的时间大于第二设定时间时，则判定为该相电流不可控，电机出现故障。
当电机转速w1高于w0，为了提高电机工作效率，MCU1(11)及MCU2(12)发出断开继电器预充及控制电路A(121)中继电器的信号，使得IGBT模块B(116)与动力电池(8)断开连接。从而使得IGBT模块B(116)对应的绕组ABC(31)与高压回路断开。绕组UVW(32)状态不变。绕组状态间的切换如图6所示，电机控制器在电机转速w1大于w0时(w0的值可通过电机输出特性曲线得出)，电机控制器将控制接入磁链回路的绕组数量控制为一组，当电机转速小于w0时，电机控制器将控制接入高压回路的绕组数量为两组，以此减少双绕组高转速低扭矩输出的损耗，达到节能的目的，且工作过程中可以实现多次不等时间的单双绕组的切换，双三相电机输出特性曲线如图5所示。
当MCU1(11)处于异常状态时，其异常状态通过高速总线将会被MCU2(12)侦测到，此时MCU2(12)将发出一个低电平给电源模块(13)，控制MCU1(11)的供电回路断开，MCU1(11)停止工作，此时电机控制器进入单芯片工作状态。通过MCU2(12)实现对整个系统的监控及控制。
为了提高已有电动汽车驱动系统可靠性、安全性，提供了高可靠、高安全性、多工作模式下电动汽车的双三相电机驱动系统及其位置传感器的控制方法，且电动汽车驱动总成主要由双三相电机、具备安全冗余功能且兼容多模式控制的电机控制器以及减速器等构成。本发明涉及的双三相电机可以是双三相异步电机，也可以是双三相永磁同步电机。
本发明可以运行在单绕组工作模式或双绕组工作模式下，根据不同工况下双绕组电机和单绕组电机效率的对比，选择合适的工作模式，从而提升电驱动总成的总体效率，延长电动汽车的续航里程。
本发明采用双三相绕组的拓扑结构，可以一套绕组发生故障时降功率运行，提高了系统可靠性；此外，电机控制器采用了双MCU的硬件方案，并采用了无位置传感器控制方法，可以进一步提升系统对故障的处理能力，提高系统可靠性。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种双三相电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取位置传感器检测电机转子的第一位置信息，双三相电机的指令电压信息以及相电流信息；
2)根据双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，结合双三相电机的数学模型计算得出电机转子的第二位置信息；
3)比较第一位置信息和第二位置信息，当第一位置信息和第二位置信息的差值大于设定阈值超过设定时间时，判定位置传感器出现故障，采用第二位置信息作为电机转子的位置信息。
2.根据权利要求1所述的双三相电机的控制方法，其特征在于，当位置传感器出现故障时，还包括判断电机的相电流是否可控，当判断为不可控时，判定电机出现故障。
3.一种双三相电机驱动系统，其特征在于，包括电机控制器、双三相电机及位置传感器，位置传感器连接双三相电机，电机控制器分别连接双三相电机及位置传感器，其中：
电机控制器用于获取位置传感器检测电机转子的第一位置信息，双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，根据双三相电机的指令电压信息以及相电流信息，结合双三相电机的数学模型计算得出电机转子的第二位置信息；当第一位置信息和第二位置信息的差值大于设定阈值超过第一设定时间时，判定位置传感器出现故障，当位置传感器出现故障时，采用第二位置信息作为电机转子的位置信息。
4.根据权利要求3所述的双三相电机驱动系统，其特征在于，当位置传感器出现故障时，还包括判断电机的相电流是否可控，当判断为不可控时，判定电机出现故障。
5.根据权利要求3所述的双三相电机驱动系统，其特征在于，所述双三相电机包括并联的第一电机支路和第二电机支路，第一电机支路上设有依次连接的第一继电器、第一逆变器和第一三相绕组，第一逆变器并联有第一电容，第二电机支路上设有依次连接的第二继电器、第二逆变器和第二三相绕组，第二逆变器并联有第二电容。
6.根据权利要求5所述的双三相电机驱动系统，其特征在于，还包括分别用于检测第一电容、第二电容两端电压的电压检测模块，电压检测模块连接电机控制器；还包括分别用于检测第一逆变器、第二逆变器直流侧的电流检测模块；双三相电机的各相绕组与逆变器之间设置有电流传感器。
7.根据权利要求6所述的双三相电机驱动系统，其特征在于，根据所述电流检测模块检测的电流，第一逆变器、第二逆变器的PWM状态，计算双三相电机的相电流，并将计算的相电流与所述电流传感器采集的对应相的相电流作差，当作差的差值大于标定阈值的时间超过第二设定时间时，通过断开对应相上的电机支路断开对应三相绕组，将双绕组模式转为单绕组模式，采用第一位置信息作为电机转子的位置信息。
8.根据权利要求7所述的双三相电机驱动系统，其特征在于，还包括判断电机的相电流是否可控，当判断为不可控时，判定电机出现故障，断开第一继电器和第二继电器。
9.根据权利要求3所述的双三相电机驱动系统，其特征在于，电机控制器和位置传感器的连接支路上设有信号解码模块。
10.根据权利要求3-9任一项所述的双三相电机驱动系统，其特征在于，所述电机控制器分为第一电机控制器和第二电机控制器，第一电机控制器通过第一开关连接有电源模块，第二电机控制器通过第二开关连接所述电源模块，当其中一个电机控制器工作异常时，断开连接工作异常的电机控制器的开关。
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