CN109743003B

CN109743003B - 一种基于pi控制器的永磁同步电机端部短路保护方法

Info

Publication number: CN109743003B
Application number: CN201811466065.XA
Authority: CN
Inventors: *非凡; 非凡
Original assignee: Zhejiang Leapmotor Technology Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Zero Run Technology Co Ltd
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2038-12-03
Also published as: CN109743003A

Abstract

本发明涉及同步电机故障处理技术领域，具体涉及一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法，包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器和端部短路动作执行器，滤波处理后的直流母线电压值分别传输至电压抬升检测器以及电压门限判断器；当上升斜率超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作；当直流母线电压值超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作，调节同步电机相电流达到稳态电流点时进行短路操作，同时不断监测电机转速，当低于安全转速时，停止短路操作。本发明的实质性效果是：通过检测电压变化斜率，可以提前检测到同步电机故障，从而使得相电流的调整具有充足的时间，避免短路瞬态冲击电流，保护元件安全。

Description

一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法

技术领域

本发明涉及同步电机故障处理技术领域，具体涉及一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法。

背景技术

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，有必要采用一种方法讯速地将电机能量快速泻放掉，达到迅速停车的效果。当母线电压达到IGBT(绝缘栅双极型晶体管)耐受电压上限时，会立即击穿IGBT，导致同步电机报废或需要大修。因而需要进行端部短路操作。现有技术采用直接将上三桥或下三桥直通实现短路，其短路瞬间的过冲电流往往可达1.5～2倍的稳态电流值，此电流会触发硬件过流保护造成IGBT六相全断导致端部短路保护失败。由于电压检测门限是判断端部短路算法进入的重要依据，电压检测的延迟将会导致母线电压的非预期升高。因而需要研制出新的永磁同步电机端部短路保护方法。

中国专利CN101860293A，公开日2010年10月13日，一种永磁同步电机的控制系统，其中，逆变器包括并联的三个支路，每个支路串联两个开关，一电源与三个支路并联连接，永磁同步电机的三相连接线分别连接在三个支路中两个串联开关的公共端，永磁同步电机的三相连接线分别连接第一电阻、第二电阻和第三电阻的一端，第一电阻、第二电阻和第三电阻的另一端连通。在永磁同步电机安全制动时，通过外接电阻调节制动电流，提高永磁同步电机安全性。其还涉及一种永磁同步电机的短路切换方法，包括：判断永磁同步电机是否单相或两相不对称短路，如是，将永磁同步电机切换到三相对称短路。在永磁同步电机发生单相或两相不对称短路时，降低系统电流，保护电机安全运行。但其不能解决永磁同步电机发生故障时容易造成控制器内元件损坏的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：目前永磁同步电机发生故障时容易造成控制器内元件损坏的技术问题。提出了一种逐渐调节电机稳态电流后再进行电机短路泄耗剩余能量的永磁同步电机端部短路保护方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为：包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器和端部短路动作执行器，所述母线电压滤波器与同步电机的逆变器直流母线连接，所述母线电压滤波器对逆变器直流母线电压进行滤波处理，所述滤波处理后的直流母线电压值分别传输至电压抬升检测器以及电压门限判断器；所述电压抬升检测器检测直流母线电压上升斜率，当所述上升斜率超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作；所述电压门限判断器检测直流母线电压值是否超过设定阈值，当直流母线电压值超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作，所述端部短路动作执行器调节同步电机相电流达到稳态电流点时进行短路操作，同时不断监测电机转速，当电机转速降低到低于安全转速时，停止短路操作。通过控制工作电流达到稳态电流点，同时监测电压值，解决了端部短路算法中电压与电流的矛盾，即可保证电压电流皆在限定范围内。

作为优选，所述端部短路动作执行器包括短路执行器、电压判断器和PI控制器，所述端部短路动作执行器受到触发时，所述PI控制器调节同步电机的相电流，使其接近稳态电流点，在相电流调节过程中所述电压判断器判断电压值，若电压达到设定上限，则所述短路执行器立即进行短路操作，消耗同步电机线圈内残余的能量。

作为优选，所述母线电压滤波器为低通滤波器。

作为优选，所述电压斜率检测器的工作方法为：A1)以时间T1为周期，获取滤波处理后的直流母线电压值；A2)计算最后获取的直流母线电压值与前一次获取的直流母线电压值的差值err；A3)当err大于设定单步增量△s+时，判断直流母线电压处于陡升阶段，当err 小于设定单步减量△s-时，认为直流母线电压处于陡降阶段；A4)若直流母线电压处于陡升阶段或陡降阶段，则判断上升斜率超过设定阈值，反之，回到步骤A2执行。

作为优选，所述端部短路动作执行器在受到触发后的工作方法为：B1)所述短路动作执行器向逆变器发送指令，使逆变器上三桥全通且下三桥全断、或者上三桥全断且下三桥全通；B2)所述PI控制器逐步调节同步电机相电压，直至供电电压与预设的电流对应，使同步电机相电流缓缓趋于稳态电流点；B3)所述电压判断器检测并判断当前同步电机相电压是否超过设定上限值，若是，则短路执行器进行短路动作，若否，则继续检测；B4)检测同步电机转速，若同步电机转速低于安全转速，则停止短路动作，反之，则继续检测。

作为优选，所述稳态电流点的计算方法为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机的永磁体磁链，L_d为同步电机本体的直轴电感。

作为优选，所述稳态电流点的计算方法为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机的永磁体磁链，L_d为同步电机本体的直轴电感,k为惯性补偿系数， k∈[0.96，1.18]，当同步电机负载转动惯性越大、同步电机与负载之间传动比越大、同步电机典型工作转速越高时，k取区间内越大值。

本发明的实质性效果是：通过检测电压变化斜率，可以提前检测到同步电机故障，提前动作，从而使得稳态电流的调整具有充足的时间，避免短路瞬态冲击电流，保护控制器元件安全。

附图说明

图1为实施例一短路保护方法的结构示意图。

图2为实施例一电压斜率检测器的工作流程框图。

图3为实施例一端部短路动作执行器触发后的工作流程框图。

其中：100、逆变器直流母线，200、母线电压滤波器，300、电压门限判断器，400、端部短路动作执行器，500、电压斜率检测器，600、同步电机。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法，如图1所示，实施例一短路保护方法的结构示意图，本实施例包括母线电压滤波器200、电压斜率检测器500、电压门限判断器 300和端部短路动作执行器400，母线电压滤波器200与同步电机600的逆变器直流母线100 连接，母线电压滤波器200对逆变器直流母线100电压进行滤波处理，滤波处理后的直流母线电压值分别传输至电压抬升检测器以及电压门限判断器300；电压抬升检测器检测直流母线电压上升斜率，当上升斜率超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器400工作；电压门限判断器300检测直流母线电压值是否超过设定阈值，当直流母线电压值超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器400工作，端部短路动作执行器400调节同步电机600电流达到稳态电流点时进行短路操作。通过控制工作电流达到稳态电流点，同时监测电压值，解决了端部短路算法中电压与电流的矛盾，即可保证电压电流皆在限定范围内。

端部短路动作执行器400包括短路执行器、电压判断器和PI控制器，端部短路动作执行器400受到触发时，PI控制器调节同步电机600的电流，使其接近稳态电流点，在调节过程中电压判断器判断电压抬升值，当电压抬升值达到设定上限时，短路执行器进行短路操作，消耗同步电机600线圈内残余的能量。母线电压滤波器200为低通滤波器。

如图2所示，为实施例一电压斜率检测器500的工作流程框图，电压斜率检测器500的工作方法为：A1)以时间T1为周期，获取滤波处理后的直流母线电压值；A2)计算最后获取的直流母线电压值与前一次获取的直流母线电压值的差值err；A3)当err大于设定单步增量△s+时，判断直流母线电压处于陡升阶段，当err小于设定单步减量△s-时，认为直流母线电压处于陡降阶段；A4)若直流母线电压处于陡升阶段或陡降阶段，则判断上升斜率超过设定阈值，反之，回到步骤A2执行。

如图3所示，为实施例一端部短路动作执行器400触发后的工作流程框图，端部短路动作执行器400在受到触发后的工作方法为：B1)短路动作执行器向逆变器发送指令，使逆变器上三桥全通且下三桥全断、或者上三桥全断且下三桥全通；B2)PI控制器逐步调节同步电机600相电压，直至供电电压与预设的电流对应，使同步电机600相电流缓缓趋于稳态电流点；B3)电压判断器检测并判断当前同步电机600相电压是否超过设定上限值，若是，则短路执行器进行短路动作，若否，则继续检测；B4)检测同步电机600转速，若同步电机600转速低于安全转速，则停止短路动作，反之，则继续检测。

稳态电流点的计算方法为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机600 的永磁体磁链，L_d为同步电机600本体的直轴电感。

稳态电流的计算方法的实施例二为：

其中I_dSTA为稳态电流点，λ_PM为同步电机600的永磁体磁链，L_d为同步电机600本体的直轴电感,k为惯性补偿系数， k∈[0.96，1.18]，当同步电机600负载转动惯性越大、同步电机600与负载之间传动比越大、同步电机600典型工作转速越高时，k取区间内越大值。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims

1.一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征在于，

包括母线电压滤波器、电压斜率检测器、电压门限判断器和端部短路动作执行器，所述母线电压滤波器与同步电机的逆变器直流母线连接，所述母线电压滤波器对逆变器直流母线电压进行滤波处理，所述滤波处理后的直流母线电压值分别传输至电压抬升检测器以及电压门限判断器；所述电压抬升检测器检测直流母线电压上升斜率，当所述上升斜率超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作；所述电压门限判断器检测直流母线电压值是否超过设定阈值，当直流母线电压值超过设定阈值时，触发端部短路动作执行器工作，所述端部短路动作执行器调节同步电机相电流达到稳态电流点时进行短路操作，同时不断监测电机转速，当电机转速降低到低于安全转速时，停止短路操作；

所述稳态电流点的计算方法为：

2.根据权利要求1所述的一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征在于，所述端部短路动作执行器包括短路执行器、电压判断器和PI控制器，所述端部短路动作执行器受到触发时，所述PI控制器调节同步电机的相电流，使其接近稳态电流点，在相电流调节过程中所述电压判断器判断相电压值，若电压达到设定上限，则所述短路执行器立即进行短路操作。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征在于，

所述母线电压滤波器为低通滤波器。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征在于，

所述电压斜率检测器的工作方法为：

A1)以时间T1为周期，获取滤波处理后的直流母线电压值；

A2)计算最后获取的直流母线电压值与前一次获取的直流母线电压值的差值err；

A3)当err大于设定单步增量△s+时，判断直流母线电压处于陡升阶段，当err小于设定单步减量△s-时，认为直流母线电压处于陡降阶段；

A4)若直流母线电压处于陡升阶段或陡降阶段，则判断上升斜率超过设定阈值，反之，回到步骤A2执行。

5.根据权利要求3所述的一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征在于，所述电压斜率检测器的工作方法为：

A1)以时间T1为周期，获取滤波处理后的直流母线电压值；

6.根据权利要求2所述的一种基于PI控制器的永磁同步电机端部短路保护方法，其特征在于，所述端部短路动作执行器在受到触发后的工作方法为：

B1)所述短路动作执行器向逆变器发送指令，使逆变器上三桥全通且下三桥全断、或者上三桥全断且下三桥全通；

B2)所述PI控制器逐步调节同步电机相电压，直至相电压与预设的电流对应，使同步电机相电流缓缓趋于稳态电流点；

B3)所述电压判断器检测并判断当前同步电机相电压是否超过设定上限值，若是，则短路执行器进行短路动作，若否，则继续检测；

B4)检测同步电机转速，若同步电机转速低于安全转速，则停止短路动作，反之，则继续检测。