CN109698656B - 电动汽车ipm电驱系统母线电流安全信号的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法，本方法通过电流传感器得到采样母线电流，使用相电流重构母线电流的方法得到重构母线电流，采用功率法估算母线电流得到估算母线电流，分别对采样母线电流、重构母线电流以及估算母线电流的组合进行一阶差分运算，设定母线电流阈值R₁和R₂，将各运算结果与母线电流阈值R₁和R₂比较，根据比较结果判断母线电流信号安全、异常或报警，同时对采样母线电流、重构母线电流以及估算母线电流分配权重系数，计算母线电流值并输出。本方法克服传统单一母线电流采样的缺陷，通过多种方式获取母线电流并进行对比校验，获取更准确更安全的母线电流，提高电机控制的安全性和可靠性。

Description

电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法

技术领域

本发明涉及一种电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法。

背景技术

现代交流电机驱动系统中，母线电流的监控是保障电机安全运行的重要部分，其安全性、可靠性、灵敏性和快速性对保证整个驱动系统的安全具有决定性意义，母线电流获取不准确有可能造成转矩失控或内部模块损坏等问题。同时高速运转的电机对安全性能的要求越来越高，而单一的母线电流采样很难达到目前的功能安全要求。

在高性能的电机驱动系统中，通常采用电机矢量控制(FOC)，其脉宽调制的普遍方式是空间矢量脉宽调制(SVPWM)。而逆变电路一般采用上下桥互补输出脉宽调制的信号来调节逆变电路的功率开关元件通断，使处于同一桥臂的上下两个功率开关元件的状态互补，当上桥臂功率元件打开时，下桥臂功率元件关闭；当下桥臂功率元件打开时，上桥臂功率元件关闭，从而控制逆变器的输出频率和输出电压。

在空间矢量脉宽调制方式驱动电动机时，可以使用单电阻采样法的相电流重构对电机三相电流进行监控，在PWM周期内的某一瞬时时间，根据相邻的两个非零空间电压矢量和零矢量之间的作用，以及采样的母线电流值，获得三相电流值，进而基于相电流重构母线电流；也有采用功率法估算母线电流。但无论是使用电流传感器检测母线电流还是根据控制器输出功率进行母线电流估算，或者基于相电流重构母线电流，由于不同的特性都存在一些不安全、不稳定的因素，例如模拟信号的处理问题，或是因为电机处于低速区和过渡区时电流采样的不准确，或是控制器损耗的估算等问题，导致对母线电流的检测结果存在着一定的误差，影响电机的精确控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法，本方法克服传统单一母线电流采样的缺陷，通过多种方式获取母线电流并进行对比校验，获取更准确更安全的母线电流，提高电机控制的安全性和可靠性。

为解决上述技术问题，本发明电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法包括如下步骤：

步骤一、采用电流传感器采集母线电流，得到采样母线电流；

步骤二、使用相电流重构母线电流的方法，根据参考电压矢量在各扇区的矢量合成、三相全桥逆变器的工作状态和电机三相电流值重构母线电流值，得到重构母线电流，若三相全桥逆变器PWM开关状态无法满足电机三相电流的采样要求，则不启用该母线电流重构；

步骤三、采用功率法估算母线电流，得到估算母线电流，通过控制器在进入SVPWM调制之前的电机αβ轴参考电压信号与反馈电流信号估算母线电流；采集电机三相电压，根据电机三相电压估算母线电流；对两种估算结果进行差分运算，如运算结果小于母线电流阈值R₁则估算结果成立，取两种估算结果平均值作为估算母线电流；

步骤四、判断重构母线电流是否成立，如否执行步骤五，如是执行步骤七；

步骤五、将采样母线电流和估算母线电流进行一阶差分运算，若运算结果小于母线电流阈值R₁，则母线电流符合精度要求为安全信号；若运算结果大于母线电流阈值R₁，且小于母线电流阈值R₂，则系统报告母线电流异常；若运算结果大于母线电流阈值R₂，则系统直接报警；

步骤六、若母线电流为安全信号，设电流传感器采样母线电流的权重系数为60％，功率法估算母线电流的权重系数为40％，计算母线电流值并输出；

步骤七、将采样母线电流、重构母线电流和估算母线电流两两组合进行一阶差分运算，若三组运算结果均小于母线电流阈值R₁，则母线电流符合精度要求为安全信号并执行步骤八；若其中两组运算结果小于母线电流阈值R₁，另一组大于母线电流阈值R₁，执行步骤九；若其中一组运算结果小于母线电流阈值R₁，另两组大于母线电流阈值R₁，执行步骤十；若三组运算结果均大于母线电流阈值R₁，执行步骤十一；

步骤八、设电流传感器采样母线电流的权重系数为40％，相电流重构母线电流的权重系数为40％，功率法估算母线电流的权重系数为20％，计算母线电流值并输出；

步骤九、舍弃运算结果大于母线电流阈值R₁的一组数据，取运算结果小于母线电流阈值R₁的两组母线电流数据，若两组母线电流数据分别为硬件检测值和估算值，设硬件检测值数据的权重系数为60％，估算值数据的权重系数为40％，计算母线电流并输出；若两组母线电流数据均为硬件检测值，则计算平均值并输出；

步骤十、舍弃运算结果大于母线电流阈值R₁的两组数据，直接输出另外一组运算结果的母线电流作为安全信号；

步骤十一、排除估算母线电流，将其余两组母线电流数据再次进行一阶差分运算，若运算结果小于母线电流阈值R₂，系统报告母线电流异常，若运算结果大于母线电流阈值R₂，则系统直接报警。

进一步，所述母线电流阈值R₁和母线电流阈值R₂分别为母线电流最大值的3％和5％。

进一步，所述相电流重构母线电流定义逆变器三相上桥臂的开关管状态分别为S_a、S_b、S_c，即开关管导通状态为1，关断状态为0，形成六个非零空间电压矢量和两个零电压矢量，六个非零空间电压矢量将空间矢量平面分为六个扇区，在每个调制周期内，SVPWM调制算法根据参考空间电压矢量所在的扇区、角度和电压矢量的幅值计算得到所在扇区相邻两个基本电压矢量以及零电压矢量各自的作用时间，从而控制逆变器各开关管的导通时间，根据该扇区相邻两个基本电压矢量合成得到参考空间电压矢量，母线电流与电机相电流的关系由逆变器开关管的开关状态决定，在某一瞬间逆变器的开关状态为八个空间电压矢量其中之一，根据八个空间电压矢量的作用时序得到电机相电流，从而确定母线电流。

进一步，所述功率法估算母线电流中，电机αβ轴参考电压信号与反馈电流信号估算母线电流采用下列公式计算得到：

P_e＝P₀+△P

P_e＝U_dcI_dc

P₀＝1.5×(U_αI_α+U_βI_β)

由以上三个公式可推导出母线电流计算公式：

其中：P_e为逆变器的输入功率，P₀为控制器的输出功率，△P为模块损耗功率，I_dc为母线电流，U_α、U_β分别为αβ轴参考电压，I_α、I_β为反馈电流，U_dc为母线电压。

进一步，所述功率法估算母线电流中，对电机αβ轴参考电压信号进行死区电压补偿，死区电压补偿采用平均电压补偿法，计算在一个PWM周期里的平均误差电压，通过一个与平均误差电压大小相等而方向相反的矢量对电机αβ轴参考电压信号进行补偿，达到抵消或减弱死区电压效应的作用。

进一步，所述功率法估算母线电流中，根据电机三相电压估算母线电流采用下列公式计算得到：

其中：I_dc为母线电流，U_a、U_b、U_c分别为逆变器输出的三相电压，i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出的三相电流，△P为模块损耗功率，U_dc为母线电压。

由于本发明电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法采用了上述技术方案，即本方法通过电流传感器得到采样母线电流，使用相电流重构母线电流的方法得到重构母线电流，采用功率法估算母线电流得到估算母线电流，分别对采样母线电流、重构母线电流以及估算母线电流的组合进行一阶差分运算，设定母线电流阈值R₁和R₂，将各运算结果与母线电流阈值R₁和R₂比较，根据比较结果判断母线电流信号安全、异常或报警，同时对采样母线电流、重构母线电流以及估算母线电流分配权重系数，计算母线电流值并输出。本方法克服传统单一母线电流采样的缺陷，通过多种方式获取母线电流并进行对比校验，获取更准确更安全的母线电流，提高电机控制的安全性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本获取方法的流程图；

图2为本获取方法中逆变器示意图；

图3为本获取方法中SVPWM空间电压矢量图；

图4为本获取方法中SVPWM信号波形示意图。

具体实施方式

实施例如图1所示，本发明电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法包括如下步骤：

步骤一、采用电流传感器采集母线电流，得到采样母线电流；

步骤二、使用相电流重构母线电流的方法，根据参考电压矢量在各扇区的矢量合成、三相全桥逆变器的工作状态和电机三相电流值重构母线电流值，得到重构母线电流，若三相全桥逆变器PWM开关状态无法满足电机三相电流的采样要求，则不启用该母线电流重构；

步骤三、采用功率法估算母线电流，得到估算母线电流，通过控制器在进入SVPWM调制之前的电机αβ轴参考电压信号与反馈电流信号估算母线电流；采集电机三相电压，根据电机三相电压估算母线电流；对两种估算结果进行差分运算，如运算结果小于母线电流阈值R₁则估算结果成立，取两种估算结果平均值作为估算母线电流；

步骤四、判断重构母线电流是否成立，如否执行步骤五，如是执行步骤七；

步骤五、将采样母线电流和估算母线电流进行一阶差分运算，若运算结果小于母线电流阈值R₁，则母线电流符合精度要求为安全信号；若运算结果大于母线电流阈值R₁，且小于母线电流阈值R₂，则系统报告母线电流异常；若运算结果大于母线电流阈值R₂，则系统直接报警；

步骤六、若母线电流为安全信号，设电流传感器采样母线电流的权重系数为60％，功率法估算母线电流的权重系数为40％，计算母线电流值并输出；

步骤七、将采样母线电流、重构母线电流和估算母线电流两两组合进行一阶差分运算，若三组运算结果均小于母线电流阈值R₁，则母线电流符合精度要求为安全信号并执行步骤八；若其中两组运算结果小于母线电流阈值R₁，另一组大于母线电流阈值R₁，执行步骤九；若其中一组运算结果小于母线电流阈值R₁，另两组大于母线电流阈值R₁，执行步骤十；若三组运算结果均大于母线电流阈值R₁，执行步骤十一；

步骤八、设电流传感器采样母线电流的权重系数为40％，相电流重构母线电流的权重系数为40％，功率法估算母线电流的权重系数为20％，计算母线电流值并输出；

步骤九、舍弃运算结果大于母线电流阈值R₁的一组数据，取运算结果小于母线电流阈值R₁的两组母线电流数据，若两组母线电流数据分别为硬件检测值和估算值，设硬件检测值数据的权重系数为60％，估算值数据的权重系数为40％，计算母线电流并输出；若两组母线电流数据均为硬件检测值，则计算平均值并输出；

步骤十、舍弃运算结果大于母线电流阈值R₁的两组数据，直接输出另外一组运算结果的母线电流作为安全信号；

步骤十一、排除估算母线电流，将其余两组母线电流数据再次进行一阶差分运算，若运算结果小于母线电流阈值R₂，系统报告母线电流异常，若运算结果大于母线电流阈值R₂，则系统直接报警。

优选的，所述母线电流阈值R₁和母线电流阈值R₂分别为母线电流最大值的3％和5％。

如图2、图3和图4所示，优选的，所述相电流重构母线电流定义逆变器三相上桥臂的开关管状态分别为S_a、S_b、S_c，即开关管导通状态为1，关断状态为0，形成六个非零空间电压矢量和两个零电压矢量，其中6个非零空间电压矢量为V₁(100)、V₂(110)、V₃(010)、V₄(011)、V₅(001)、V₆(101)，两个零电压矢量为(000)、(111)，六个非零空间电压矢量将空间矢量平面分为六个扇区，在每个调制周期内，SVPWM调制算法根据参考空间电压矢量所在的扇区、角度和电压矢量的幅值计算得到所在扇区相邻两个基本电压矢量以及零电压矢量各自的作用时间，从而控制逆变器各开关管的导通时间，根据该扇区相邻两个基本电压矢量合成得到参考空间电压矢量，母线电流与电机相电流的关系由逆变器开关管的开关状态决定，在某一瞬间逆变器的开关状态为八个空间电压矢量其中之一，如参考空间电压矢量位于第一扇区与V₂之间时，作用顺序为000→100→110→111→110→100→000，根据八个空间电压矢量的作用时序得到电机相电流，从而确定母线电流。

由于一系列因素的影响可能会导致母线电流的重构无法完成，其中，为了避免逆变器上下桥臂开关管同时导通引起短路，通常在同一桥臂的上下开关管的驱动信号中引入死区时间T_d的概念，以及在开关管驱动信号给定后，开关管本身的导通和关断也存在一定延时，分别记为T_on和T_off，这也会造成开关管实际的通断状况与给定驱动信号错位，但无论输出电流为正或负，实际电压输出信号与给定驱动信号之间的最大时间差为T_on+T_d。另外当电压信号施加到电机绕组上后，由于绕组中电感的存在，电流不能瞬时上升到稳定值，需要一定的建立和稳定时间T_set，待电流到达稳定值之后，AD转换器件开始对其进行采样转换，这里额外需要一个最小采样保持时间T_h。因此，需要对母线电流重构的条件进行判定，必须保证某一基本电压矢量状态的作用时间不小于一个最小时间值T_min,所以当母线电流重构在一个PWM周期内不满足重构的足够时间，不能维持某一基本电压矢量开关的状态足够的采样时间，则不启用相电流采样法的母线电流重构。

如图3和图4所示，例如参考电压V落入V₁和V₂之间，靠近V₂的边界区域和低调制区域，T₁/2、T₂/2的时间内分别进行两相电流的采集，若T₁/2、T₂/2的时间明显小于采样时间T_min，则无法获得准确的母线电流。

本方法中存在非可测量区域的问题，可通过简单的测试条件进行判定，由于此现象只有三相电流同时不满足采样条件才会造成失效，所以出现此现象的概率并不多，如不满足则不启用母线电流重构。

优选的，所述功率法估算母线电流中，电机αβ轴参考电压信号与反馈电流信号估算母线电流采用下列公式计算得到：

P_e＝P₀+△P

P_e＝U_dcI_dc

P₀＝1.5×(U_αI_α+U_βI_β)

由以上三个公式可推导出母线电流计算公式：

其中：P_e为逆变器的输入功率，P₀为控制器的输出功率，△P为模块损耗功率，I_dc为母线电流，U_α、U_β分别为αβ轴参考电压，I_α、I_β为反馈电流，U_dc为母线电压。

优选的，所述功率法估算母线电流中，对电机αβ轴参考电压信号进行死区电压补偿，死区电压补偿采用平均电压补偿法，计算在一个PWM周期里的平均误差电压，通过一个与平均误差电压大小相等而方向相反的矢量对电机αβ轴参考电压信号进行补偿，达到抵消或减弱死区电压效应的作用。

优选的，所述功率法估算母线电流中，根据电机三相电压估算母线电流采用下列公式计算得到：

其中：I_dc为母线电流，U_a、U_b、U_c分别为逆变器输出的三相电压，i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出的三相电流，△P为模块损耗功率，U_dc为母线电压。

本方法所涉及的电流传感器进行电流采样属于非接触性检测，使用操作方便，且测量范围广，响应速度较快，线性度良好；电流重构的方法不需要额外在母线电路上设置单电阻，从而实现电流输入输出的动态调节，拥有良好的动态性能；而母线电流的估算有较高的可靠性和较强的抗干扰能力。通过三种方法分别获取母线电流，增加了母线电流的对比校验可靠性，减少模块损坏的风险，从而保证逆变器稳定输出，实现电机在不同工况下稳定工作，提高整个系统的安全性能。故而本方法可以广泛应用于逆变器的驱动系统，对于提高电机稳定性和逆变器安全性起到重要作用。

本方法通过的多种方式获取母线电流并进行互相对比校验，可以获取更准确、更安全的母线电流，提高电机驱动系统的安全性和可靠性，也便于整个系统对电流相关的部分采取一定的措施，保证电机的安全，例如采样母线电流进行短路保护，确保逆变电路的安全；获取电机相电流，进行过流保护等。

Claims (6)

1.一种电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、采用电流传感器采集母线电流，得到采样母线电流；

步骤二、使用相电流重构母线电流的方法，根据参考电压矢量在各扇区的矢量合成、三相全桥逆变器的工作状态和电机三相电流值重构母线电流值，得到重构母线电流，若三相全桥逆变器PWM开关状态无法满足电机三相电流的采样要求，则不启用该母线电流重构；

步骤三、采用功率法估算母线电流，得到估算母线电流，通过控制器在进入SVPWM调制之前的电机αβ轴参考电压信号与反馈电流信号估算母线电流；采集电机三相电压，根据电机三相电压估算母线电流；对两种估算结果进行差分运算，如运算结果小于母线电流阈值R₁则估算结果成立，取两种估算结果平均值作为估算母线电流；

步骤四、判断重构母线电流是否成立，如否执行步骤五，如是执行步骤七；

步骤五、将采样母线电流和估算母线电流进行一阶差分运算，若运算结果小于母线电流阈值R₁，则母线电流符合精度要求为安全信号；若运算结果大于母线电流阈值R₁，且小于母线电流阈值R₂，则系统报告母线电流异常；若运算结果大于母线电流阈值R₂，则系统直接报警；

步骤六、若母线电流为安全信号，设电流传感器采样母线电流的权重系数为60％，功率法估算母线电流的权重系数为40％，计算母线电流值并输出；

步骤七、将采样母线电流、重构母线电流和估算母线电流两两组合进行一阶差分运算，若三组运算结果均小于母线电流阈值R₁，则母线电流符合精度要求为安全信号并执行步骤八；若其中两组运算结果小于母线电流阈值R₁，另一组大于母线电流阈值R₁，执行步骤九；若其中一组运算结果小于母线电流阈值R₁，另两组大于母线电流阈值R₁，执行步骤十；若三组运算结果均大于母线电流阈值R₁，执行步骤十一；

步骤八、设电流传感器采样母线电流的权重系数为40％，相电流重构母线电流的权重系数为40％，功率法估算母线电流的权重系数为20％，计算母线电流值并输出；

步骤九、舍弃运算结果大于母线电流阈值R₁的一组数据，取运算结果小于母线电流阈值R₁的两组母线电流数据，若两组母线电流数据分别为硬件检测值和估算值，设硬件检测值数据的权重系数为60％，估算值数据的权重系数为40％，计算母线电流并输出；若两组母线电流数据均为硬件检测值，则计算平均值并输出；

步骤十、舍弃运算结果大于母线电流阈值R₁的两组数据，直接输出另外一组运算结果的母线电流作为安全信号；

步骤十一、排除估算母线电流，将其余两组母线电流数据再次进行一阶差分运算，若运算结果小于母线电流阈值R₂，系统报告母线电流异常，若运算结果大于母线电流阈值R₂，则系统直接报警。

2.根据权利要求1所述的电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法，其特征在于：所述母线电流阈值R₁和母线电流阈值R₂分别为母线电流最大值的3％和5％。

3.根据权利要求1或2所述的电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法，其特征在于：所述相电流重构母线电流，定义逆变器三相上桥臂的开关管状态分别为S_a、S_b、S_c，即开关管导通状态为1，关断状态为0，形成六个非零空间电压矢量和两个零电压矢量，六个非零空间电压矢量将空间矢量平面分为六个扇区，在每个调制周期内，SVPWM调制算法根据参考空间电压矢量所在的扇区、角度和电压矢量的幅值计算得到所在扇区相邻两个基本电压矢量以及零电压矢量各自的作用时间，从而控制逆变器各开关管的导通时间，根据该扇区相邻两个基本电压矢量合成得到参考空间电压矢量，母线电流与电机相电流的关系由逆变器开关管的开关状态决定，在某一瞬间逆变器的开关状态为八个空间电压矢量其中之一，根据八个空间电压矢量的作用时序得到电机相电流，从而确定母线电流。

4.根据权利要求1或2所述的电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法，其特征在于：所述功率法估算母线电流中，电机αβ轴参考电压信号与反馈电流信号估算母线电流采用下列公式计算得到：

P_e＝P₀+△P

P_e＝U_dcI_dc

P₀＝1.5×(U_αI_α+U_βI_β)

由以上三个公式可推导出母线电流计算公式：

其中：P_e为逆变器的输入功率，P₀为控制器的输出功率，△P为模块损耗功率，I_dc为母线电流，U_α、U_β分别为αβ轴参考电压，I_α、I_β为反馈电流，U_dc为母线电压。

5.根据权利要求4所述的电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法，其特征在于：所述功率法估算母线电流中，对电机αβ轴参考电压信号进行死区电压补偿，死区电压补偿采用平均电压补偿法，计算在一个PWM周期里的平均误差电压，通过一个与平均误差电压大小相等而方向相反的矢量对电机αβ轴参考电压信号进行补偿，达到抵消或减弱死区电压效应的作用。

6.根据权利要求1或2所述的电动汽车IPM电驱系统母线电流安全信号的获取方法，其特征在于：所述功率法估算母线电流中，根据电机三相电压估算母线电流采用下列公式计算得到：

其中：I_dc为母线电流，U_a、U_b、U_c分别为逆变器输出的三相电压，i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出的三相电流，△P为模块损耗功率，U_dc为母线电压。

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