CN109560530A - 基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置及方法。装置包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器、端部短路动作执行器和硬件过流信号阻断器，母线电压滤波器连接在逆变器直流母线上，母线电压滤波器分别与电压斜率检测器、电压门限判断器相连，电压斜率检测器、电压门限判断器都分别与端部短路动作执行器、硬件过流信号阻断器相连。本发明在永磁同步电机发生故障时能够及时切断与控制器的电气连接关系即对端部进行短路，同时相比现有技术解决了端部短路操作时瞬间过充电流过大的问题，以及过压检测滤波延迟较大的问题。

Description

基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置及方法

技术领域

本发明涉及一种电机控制技术领域，尤其是涉及一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置及方法。

背景技术

随着国民经济和科学技术的发展，电机在各行各业中发挥的作用越来越重要。永磁同步电机得益于其设计、制造、控制的方面的诸多优点，广泛应用于各种工业生产生活的场合。加之我国的稀土资源丰富，永磁同步电机的应用市场在我国尤其大。永磁同步电机可由交直轴电感的异同被分为表贴式和内置式，由于内置式永磁同步电机（IPMSM）可在弱磁条件下具有较宽的调速区间，应用较为广泛。

在永磁同步电机特别是车用永磁同步电机的控制中， 往往会遇到一些不可预知的故障以及恶劣工况。在故障等级达到一定程度（过流、过压、失速等）时，有必要迅速地将电机能量快速泻放掉，达到迅速停车的效果。另外，当车用永磁同步电机工作在发电状态，且指令不当或母线主继电器断开等故障发生时，母线电压会陡然上升。当母线电压达到IGBT耐受电压上限时，会立即击穿IGBT。此时即需要进行端部短路保护，才能保证IGBT的安全即整车动力系统的受控。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中遇到故障时电机不能快速泻掉能量和整车动力系统不受控的问题，提供了一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置及方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置，包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器、端部短路动作执行器和硬件过流信号阻断器，所述母线电压滤波器输入端连接在逆变器直流母线上，所述母线电压滤波器的输出端分别与所述电压斜率检测器的输入端、电压门限判断器的输入端相连，所述电压斜率检测器的输出端分别与所述端部短路动作执行器、硬件过流信号阻断器相连，所述电压门限判断器的输出端分别与所述端部短路动作执行器、硬件过流信号阻断器相连。本发明在永磁同步电机发生故障时能够及时切断与控制器的电气连接关系即对端部进行短路，同时相比现有技术解决了端部短路操作时瞬间过充电流过大的问题，以及过压检测滤波延迟较大的问题。其中母线电压滤波器对逆变器直流母线电压进行滤波处理，将模拟电压采样信号的高频噪声滤除，避免造成端部短路保护动作的误触发。电压斜率检测器可以采用电压斜率电路，用于判断母线电压滤波器输出的滤波后电压的斜率是否过大，包括正向和负向，即设定增量和减量阈值，将上一次母线电压滤波值与当前滤波值做差，将得到的差值与增量阈值比较，当大于增量阈值或小于减量阈值则判断斜率过大，则触发端部短路动作执行器和过流信号阻断器。电压门限判断电路可以采用双电压比较器，如LM339。电压门限用于检测母线电压的绝对值是否高于设定的最大值或最小值，若两种情况任意一种判断为真，则触发端部短路动作执行器和过流信号阻断器。硬件过流信号阻断器采用一块传输芯片，传输芯片的通断使能位连接至主控MCU中，配合端部短路算法来决定硬件过流故障信号是否外发，间接保证了在端部短路过程中，IGBT不可能出现六相断路的情况。端部短路动作执行器就是触发进行短路动作，使逆变器上三桥全通/全断，下三桥全断/全通。

作为一种优选方案，所述端部短路动作执行器包括前馈信号发生器、电压判断器和短路执行器，所述前馈信号发生器的输入端分别与电压斜率检测器的输出端、电压门限判断器的输出端连接，前馈信号发生器的输出端与电压判断器的输入端连接，电压判断器的输出端与短路执行器的输入端连接。本方案中在端部短路动作执行器触发时，永磁同步电机电流进入前馈信号发生器，由前馈信号发射器在短路瞬间将当前电机电流缓慢切换至稳态电流，由电机理论可知，在速度达到一定程度，短路状态完成后，稳态电流为I_dSTA=λ_PM/L_d，其中I_dSTA为稳态电流，L_d为电机本体的直轴电感，λ_PM为电机的永磁体磁链，此稳态电流仅仅受电机本体参数的影响。电压门限判断器电可以采用单门限电压比较器，用于判断当前母线电压是否大于设定上限，在大于设定上限时由短路执行器进行短路。短路执行器可以采用开关管电路，连接在控制器与永磁同步电机的连接电路之间，在收到开启工作的信号后，断开开关管，将控制器与永磁同步电机之间的电气连接断开。

一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护方法，包括以下步骤：

S1.检测逆变器母线电压并进行滤波；滤波采用Simulink代码生成方法的FDA完成，通过滤波将模拟电压采样喜好的高频噪声滤除，避免造成端部短路保护动作的误触发。需要设定滤波的参数，参数包括采样频率Fs、通过频率Fpass以及截至频率Fstop，合理设定这些参数能使得母线电压滤波器在滤除高频噪声的同时，能兼顾快速性，尽可能减少滤波器对采样判断的延迟。

S2.进行电压斜率判断及电压门限判断；

S3.在电源斜率过大或电压超过门限时，触发端部短路动作执行器、过流信号阻断器工作。

作为一种优选方案，步骤S2中电压斜率判断的过程包括：

S201.预先设定增量阈值和减量阈值；

S202.将上一次的母线电压滤波值与当前母线电压滤波值作差；

S203.当差值为增量时，将差值与增量阈值比较，若大于增量阈值，则判断电压处于陡升阶段，当差值为减量时，将差值与减量阈值比较，若小于减量阈值，则判断电压处于陡降阶段。

作为一种优选方案，步骤S2中电压门限判断的过程包括：

S211.设定电压门限最大值和电压门限最小值；

S212.将母线电压与电压门限最大值和电压门限最小值进行比较，若母线单元大于电压门限最大值或小于电压门限最小值，则判断电压过限。

作为一种优选方案，步骤S3中触发端部短路动作执行器工作的过程为：

S31.由前馈电压发生器调节电机相电流到短路稳态电流，稳态电流为：I_dSTA=λ_PM/ L_d，其中I_dSTA为稳态电流，L_d为电机本体的直轴电感，λ_PM为电机的永磁体磁链；稳态电流仅仅受电机本体参数的影响，根据当前电机本体的直轴电感和电机的永磁体磁链计算出稳态电流进行调节。

S32.在调节过程中判断电机电压抬升是否达到设定上限值；

S33.若是由短路执行器进行短路操作，若否返回步骤S31继续调节短路稳态电流。短路执行器发送指令给逆变器，使逆变器上三桥全通下三桥全断，或上三桥全断下三桥全通。

因此，本发明的优点是：在永磁同步电机发生故障时能够及时切断与控制器的电气连接关系即对端部进行短路，同时相比现有技术解决了端部短路操作时瞬间过充电流过大的问题，以及过压检测滤波延迟较大的问题。

附图说明

附图1是本发明的一种结构框示图。

1-母线电压滤波器 2-电压斜率检测器 3-电压门限判断器 4-端部短路动作执行器 41-前馈信号发生器 42-电压判断器 43-短路执行器 5-过流信号阻断器。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置，如图1所示，包括母线电压滤波器1、电压斜率检测器2、电压门限判断器3、端部短路动作执行器4和硬件过流信号阻断器5。其中端部短路动作执行器包括前馈信号发生器41、电压判断器42和短路执行器43。母线电压滤波器输入端连接在逆变器直流母线上，母线电压滤波器的输出端分别与电压斜率检测器的输入端、电压门限判断器的输入端相连，电压斜率检测器的输出端分别与端部短路动作执行器、硬件过流信号阻断器相连，电压门限判断器的输出端分别与端部短路动作执行器、硬件过流信号阻断器相连。具体的，电压门限检测器和电压门限判断器分别连接到前馈信号发生器的输入端，前馈信号发生器的输出端与电压判断器的输入端连接，电压判断器的输出端与短路执行器连接。

母线电压滤波器对逆变器直流母线电压进行滤波处理，将模拟电压采样信号的高频噪声滤除，避免造成端部短路保护动作的误触发。电压斜率检测器用于判断母线电压滤波器输出的滤波后电压的斜率是否过大，包括正向和负向，即设定增量和减量阈值，将上一次母线电压滤波值与当前滤波值做差，将得到的差值与增量阈值比较，当大于增量阈值或小于减量阈值则判断斜率过大，则触发端部短路动作执行器和过流信号阻断器。电压门限用于检测母线电压的绝对值是否高于设定的最大值或最小值，若两种情况任意一种判断为真，则触发端部短路动作执行器和过流信号阻断器。硬件过流信号阻断器采用一块传输芯片，传输芯片的通断使能位连接至主控MCU中，配合端部短路算法来决定硬件过流故障信号是否外发，间接保证了在端部短路过程中，IGBT不可能出现六相断路的情况。端部短路动作执行器就是触发进行短路动作，使逆变器上三桥全通/全断，下三桥全断/全通。

一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护方法，包括以下步骤：

S1.检测逆变器母线电压并进行滤波；滤波采用Simulink代码生成方法的FDA完成，通过滤波将模拟电压采样喜好的高频噪声滤除，避免造成端部短路保护动作的误触发。需要设定滤波的参数，参数包括采样频率Fs、通过频率Fpass以及截至频率Fstop，合理设定这些参数能使得母线电压滤波器在滤除高频噪声的同时，能兼顾快速性，尽可能减少滤波器对采样判断的延迟。

S2.进行电压斜率判断及电压门限判断；

其中，电压斜率判断的过程包括：

S201.预先设定增量阈值和减量阈值；

S202.将上一次的母线电压滤波值与当前母线电压滤波值作差；

S203.当差值为增量时，将差值与增量阈值比较，若大于增量阈值，则判断电压处于陡升阶段，当差值为减量时，将差值与减量阈值比较，若小于减量阈值，则判断电压处于陡降阶段。

电压门限判断的过程包括：

S211.设定电压门限最大值和电压门限最小值；

S212.将母线电压与电压门限最大值和电压门限最小值进行比较，若母线单元大于电压门限最大值或小于电压门限最小值，则判断电压过限。

S3.在电源斜率过大或电压超过门限时，触发端部短路动作执行器、过流信号阻断器工作。

触发端部短路动作执行器工作的过程为：

S31.由前馈电压发生器调节电机相电流到短路稳态电流，稳态电流为：I_dSTA=λ_PM/ L_d，其中I_dSTA为稳态电流，L_d为电机本体的直轴电感，λ_PM为电机的永磁体磁链；稳态电流仅仅受电机本体参数的影响，根据当前电机本体的直轴电感和电机的永磁体磁链计算出稳态电流进行调节。

S32.在调节过程中判断电机电压抬升是否达到设定上限值；

S33.若是由短路执行器进行短路操作，若否返回步骤S31继续调节短路稳态电流。短路执行器发送指令给逆变器，使逆变器上三桥全通下三桥全断，或上三桥全断下三桥全通。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器、端部短路动作执行器等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (6)

1.一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置，其特征在于：包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器、端部短路动作执行器和硬件过流信号阻断器，所述母线电压滤波器输入端连接在逆变器直流母线上，所述母线电压滤波器的输出端分别与所述电压斜率检测器的输入端、电压门限判断器的输入端相连，所述电压斜率检测器的输出端分别与所述端部短路动作执行器、硬件过流信号阻断器相连，所述电压门限判断器的输出端分别与所述端部短路动作执行器、硬件过流信号阻断器相连。

2.根据权利要求1所述的基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护装置，其特征是所述端部短路动作执行器包括前馈信号发生器、电压判断器和短路执行器，所述前馈信号发生器的输入端分别与电压斜率检测器的输出端、电压门限判断器的输出端连接，前馈信号发生器的输出端与电压判断器的输入端连接，电压判断器的输出端与短路执行器的输入端连接。

3.一种基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护方法，采用权利要求1或2中的系统，其特征是包括以下步骤：

S1.检测逆变器母线电压并进行滤波；

S2.进行电压斜率判断及电压门限判断；

S3.在电源斜率过大或电压超过门限时，触发端部短路动作执行器、过流信号阻断器工作。

4.根据权利要求3所述的基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征是步骤S2中电压斜率判断的过程包括：

S201.预先设定增量阈值和减量阈值；

S202.将上一次的母线电压滤波值与当前母线电压滤波值作差；

S203.当差值为增量时，将差值与增量阈值比较，若大于增量阈值，则判断电压处于陡升阶段，当差值为减量时，将差值与减量阈值比较，若小于减量阈值，则判断电压处于陡降阶段。

5.根据权利要求3所述的基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征是步骤S2中电压门限判断的过程包括：

S211.设定电压门限最大值和电压门限最小值；

S212.将母线电压与电压门限最大值和电压门限最小值进行比较，若母线单元大于电压门限最大值或小于电压门限最小值，则判断电压过限。

6.根据权利要求3所述的基于电压前馈的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征是步骤S3中触发端部短路动作执行器工作的过程为：

S31.由前馈电压发生器调节电机相电流到短路稳态电流，稳态电流为：I_dSTA=λ_PM/ L_d，其中I_dSTA为稳态电流，L_d为电机本体的直轴电感，λ_PM为电机的永磁体磁链；

S32.在调节过程中判断电机电压抬升是否达到设定上限值；

S33.若是由短路执行器进行短路操作，若否返回步骤S31继续调节短路稳态电流。