CN111092590A - 电机控制器主动放电系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种电机控制器主动放电系统及控制方法，包括设置于母线上的薄膜电容、IGBT电路和电机、与IGBT电路相连的IGBT温度采样电路和带有电源电路的驱动电路、与薄膜电容相连的母线电压采样电路、与电机相连的电机温度采样电路和电机转速采样电路以及驱动电路，当系统发现电机绕组或者IGBT模块出现问题时，本系统可以分别选择放电途径，降低主动放电IGBT失效的风险，解决了放电速度问题。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种电机驱动控制领域的技术，具体是一种电机控制器主动放电系统及控制方法。
背景技术
为保障人身安全，电机控制器需具备主动放电功能，当前主动放电技术主要集中在以下三种放电途径：1、通过电机绕组放电，加D轴电流，放电时间快，但是会带来非预期的扭矩，影响驾乘体验；2、通过外加放电回路，风险小，可靠，但是会增加硬件成本；3、桥壁直通放电，该方式成本低，放电速度快，但瞬间电流很大，由于高压回路上存在杂散电感，导致IGBT(绝缘栅双极型晶体管)关断时的电压应力较大，试验对象是750V/820A的IGBT模块，在母线电压520V时，进行单脉冲短路测试，通道三实测数据Vce冲到716V，随着母线电压上升，短路电流的上升，关断速度加快，尖峰电压将近一步增大，直至超过750V的极限电压。在实际工况中，可能出现的如电机高速运行，动力电池主继电器脱开的状态下，薄膜电容会被电机馈能充电到最大反电势之上，此时直接短路放电，将对IGBT造成损伤甚至击穿。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种电机控制器主动放电系统及控制方法，增加逻辑判断机制，进行分级放电。通过改进的驱动电路以及VCE的监控回路，在Vce较大时会产生一个调节信号，输入至电源电路，调节驱动电源，限制短路电流，同时TVS给门极电容充电可减缓关断速度，降低VCE应力，保护IGBT。控制单元可随时通过触发器，屏蔽该反馈信号，使驱动电路电源恢复至正常工作状态。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种电机控制器主动放电系统，包括：设置于母线上的薄膜电容、IGBT电路和电机、与IGBT电路相连的IGBT温度采样电路和带有电源电路的驱动电路、与薄膜电容相连的母线电压采样电路、与电机相连的电机温度采样电路和电机转速采样电路以及驱动电路，其中：IGBT电路将母线中的直流高压转化为三相交流电压并输出至电机绕组，母线电压采样电路采集薄膜电容两端电压，控制单元通过双脉冲测试得到系统杂散电感、IGBT温度、电机的温度、电机的转速并计算得到当前桥壁短路时IGBT的关管电压应力并判断是否满足桥壁短路放电，当不满足时切换至电机绕组短路放电，即0扭矩模式放电从而不会出现非预期的扭矩；当薄膜电容两端电压下降至满足桥壁短路放电条件时，控制单元估算出放电时间并生成对应PWM通过驱动电路输出至IGBT电路；驱动电源根据反馈调节信号，调整驱动电源电压并供给驱动电路。
所述的IGBT电路为三相桥式逆变电路，包括：三个相互并联的桥臂，每个桥臂上串联有两个IGBT单管，其中：三个桥臂的中心点作为三个交流端分别与电机的三相交流电端口相连。
所述的电源电路将整车蓄电池转变成15V后通过变压器生产高压侧的驱动电压，输出+15V、-5供给驱动电路用于IGBT的开管驱动，具体包括：电源芯片、功率组件和变压器。
所述的电源电路中进一步设有驱动电源反馈调节电路和驱动电源采样电路。
所述的驱动电路用于PWM的功率放大，具体包括：六组IGBT电路相连的驱动组件，六路组件对应六个IGBT单管。
所述的驱动电路进一步设有Vce监控回路，具体包括：运算放大器、光敏半导体、TVS链和触发器。
所述的控制单元与电机之间设有电机温度采样电路以及电机转速采样电路。
所述的控制单元与IGBT电路之间设有IGBT温度采样电路。
所述的估算，优选控制单元根据主动放电时间，通过查表标定的窄脉冲放电速度计算得到放电时间。
技术效果
与现有技术相比，本发明控制单元对当前薄膜电容电压、能量进行评估，估算不同模式的放电时间、IGBT短路的电压应力等，进而生产PWM信号及触发器控制信号，控制放电电路进行放电。硬件上，在桥壁短路放电时，引入了硬件反馈调节，当Vce应力过大时，几百nS级的快速相应，限制IGBT短路电流，并延缓关断速度，降低IGBT失效的风险。
附图说明
图1为本发明系统结构图；
图中：薄膜电容1、IGBT电路2、电机3、控制单元4、母线电压采样电路5、电机温度采样电路6、IGBT温度采样电路7、电机转速采样电路8、驱动电路9、电源电路10；
图2驱动电路及IGBT电路示意图；
图3为本发明控制流程图；
图4为电源电路结构示意图；
图5为实施例效果示意图；
图中：通道1为故障信号低有效，通道2为退保和检测信号，通道3为IGBT的VCE，通道4为VGE。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种电机控制器主动放电系统，包含：输入母线1、IGBT电路2、驱动单元3、电机4和控制单元5，其中：输入母线1、IGBT电路2、电机3和控制单元5串联成一个回路，驱动电路3的输入端、输出端分别与控制单元5和IGBT电路2相连。
所述的IGBT电路2为三相桥式逆变电路，包括：三个相互并联的桥臂10，每个桥臂10上串联有两个IGBT单管a～f，其中：三个桥臂10的中心点作为U、V、W端分别与电机4的三相交流电端口相连。
所述的驱动电路包括：六组相同驱动组件，以U相上桥为例，驱动芯片输入端接PWM_H和PWM_L，低压侧电源、高压侧电源。输出端接IGBT电路。增加的Vce监控回路，TVS链反馈信号通过运放做电源跟随作用，经电阻分压输入至隔离光耦，作高压低压隔离，后输出至触发器，触发器受控制单元及PWM_L控制，输出端作为反馈调节信号发送至驱动电源调节电路。
所述的控制单元4上设有与输入母线1相连的母线电压采样电路5，其中：母线电压采样电路5与控制单元4的电压采样端口VDC_SAMPLE相连。
所述的控制单元4上设有与电机4相连的电机温度采样电路6，其中：电机温度采样电路6与控制单元4的电机温度采样端口MOTOR_TEMP_SAMPLE相连。
所述的控制单元4上设有与IGBT电路2相连的IGBT温度采样电路7，其中：IGBT温度采样电路7与控制单元4的IGBT温度采样端口IGBT_TEM_SAMPLE相连。
所述的控制单元4上设有与电机3相连的电机转速采样电路8，其中：电机转速采样电路8与控制单元4的电机速度采样端口MOTOR_SPEED_SAMPLE相连。
如图4所示，所述的电源电路包括：电源芯片、MOS管、电感、电阻、电容、变压器，其中：电源芯片及其外围组件接KL30(整车蓄电池)的输入，输出15V作为变压器输入。驱动电源开关管接控制单元PWM信号，将15V转换为15V及-5V输出至驱动电路。变压器还起到高压低压隔离的作用。
如图5所示，所述的Vce监控回路包括：运算放大器、光敏半导体、TVS链和触发器，其中：运算放大器的同相输入端与TVS链反馈终点相连，光敏半导体的输入端与电阻分压输出端相连，TVS链的反馈终端与运算放大器的同相输入端相连，D触发器的输入端与光敏半导体的输出端相连；当VCE过大至击穿TVS链后将给IGBT门极电容充电，延缓驱动电压下降速度，起到延缓关断速度的作用。同时，输出使能信号经过电压跟随器，输出至隔离芯片，经过隔离后，输出至触发器，触发器同时受PWM输入信号、控制单元信号使能控制，当PWM关断时或者控制单元发出使能信号触发器工作，此时触发器会输出一个高电平作为反馈调节信号，至电源电路。
本实施例涉及上述装置的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1、控制单元在接收到整车控制单元(CAN通讯)发出的下电指令后，判断为主继电器脱开，控制单元根据电机转速判断此时具备主动放电条件，响应主动放电请求。控制单元通过母线电压采样电路检测薄膜电容的电压值，进而估算当前电容残余高压的能量，并估算短路放电IGBT的应力。同时IGBT电路将六个IGBT单管的状态监控信息通过驱动电路反馈至控制单元，控制单元根据状态信息确认放电策略；当控制单元判断IGBT单元失效，不具备主动放电条件，则直接报警；当判断为电压过高，则执行步骤二。
所述的确认直通放电的条件，具体操作步骤包括：
1)母线电压采样电路采集电容电压；
2)根据当前容量估算能量P＝0.5CU2，，根据IGBT手册提供的最大短路能量，估算最快放电时间，根据电机绕组放电时间标定最慢放电时间。系统放电时间要求存储在控制单元内；
3)根据IGBT双脉冲测试标定回路杂散电感L，估算
以判断电压应力，其中：dt为关断时间，di为IGBT的短路电流；
所述的状态监控信息包括：IGBT温度、母线电压、驱动电压、故障信号、VCE；
步骤2、控制单元交替发送：①PWM控制信号至驱动电路以驱动IGBT电路的第一、第三和第五IGBT管a、c、e，50％占空比导通，使得电机4的绕组充电；②PWM控制信号至驱动电路以驱动IGBT电路的第二、第四和第六IGBT管b、d、f，50％占空比导通，使得电机4绕组短路放电；同时电机温度采样电路实时监控电机绕组温度，并在出现异常时停止PWM控制信号的动作，直至温度下降后恢复执行；母线电压采样电路反馈母线电压，直至降至阈值以下，此时控制单元根据放电时间要求，确认是否需要启动桥壁短路放电，若判断放电时间可能超时，则执行步骤3。
所述的主动放电逻辑是指：解除U相上下桥互锁限制，允许IGBT电路上下桥直通。
步骤3、三相下桥b、d、f进入主动短路状态，IGBT温度采样电路将当前三相桥臂温度输出至控制单元，控制单元根据当前温度条件调节U相PWM信号，执行窄脉冲桥壁短路放电，直至电容电压泄放至规定电压；当IGBT温度过温，则暂停放电，待温度下降至阈值以内，重复操作；当监控电路动作，则执行步骤4；
步骤4、U相IGBT直通，VCE过大，由于
L是固定值，VCE监控回路反馈至IGBT门极，延缓关断，可增大关断时间dt；VCE监控回路反馈至电源电路，进而降低驱动电压，IGBT的短路电流降低，即减小di，最终限制VCE；同时IGBT导通阻抗增大，发热消耗增大，加快放电速度。
本方法通过控制单元检测母线电压，根据系统杂散电感、IGBT最大短路能量、IGBT关断时间，估算电压应力及放电时间。在母线电压较大时，如控制器在高速脱主继电器状态下，导致的电容充至500V以上，先采用电机绕组0扭矩模式放电。待电压下降到阈值后，根据标定查表0扭矩模式是否满足放电时间要求，若不满足，启动桥壁短路放电，引入的Vce反馈调节电路，可以以几百nS的快速响应，抑制短路电流，进而抑制关断电压尖峰，有效降低IGBT失效的风险。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (9)
1.一种电机控制器主动放电系统，其特征在于，包括：设置于母线上的薄膜电容、IGBT电路和电机、与IGBT电路相连的IGBT温度采样电路和带有电源电路的驱动电路、与薄膜电容相连的母线电压采样电路、与电机相连的电机温度采样电路和电机转速采样电路以及驱动电路，其中：IGBT电路将母线中的直流高压转化为三相交流电压并输出至电机绕组，母线电压采样电路采集薄膜电容两端电压，控制单元通过双脉冲测试得到系统杂散电感、IGBT温度、电机的温度、电机的转速并计算得到当前桥壁短路时IGBT的关管电压应力并判断是否满足桥壁短路放电，当不满足时切换至电机绕组短路放电，即0扭矩模式放电从而不会出现非预期的扭矩；当薄膜电容两端电压下降至满足桥壁短路放电条件时，控制单元估算出放电时间并生成对应PWM通过驱动电路输出至IGBT电路；驱动电源根据反馈调节信号，调整驱动电源电压并供给驱动电路；
所述的IGBT电路为三相桥式逆变电路，包括：三个相互并联的桥臂，每个桥臂上串联有两个IGBT单管，其中：三个桥臂的中心点作为三个交流端分别与电机的三相交流电端口相连。
2.根据权利要求1所述的电机控制器主动放电系统，其特征是，所述的电源电路将整车蓄电池转变成15V后通过变压器生产高压侧的驱动电压，输出+15V、-5供给驱动电路用于IGBT的开管驱动，具体包括：电源芯片、功率组件和变压器。
3.根据权利要求1所述的电机控制器主动放电系统，其特征是，所述的电源电路中进一步设有驱动电源反馈调节电路和驱动电源采样电路。
4.根据权利要求1所述的电机控制器主动放电系统，其特征是，所述的驱动电路用于PWM的功率放大，具体包括：六组IGBT电路相连的驱动组件，六路组件对应六个IGBT单管。
5.根据权利要求1所述的电机控制器主动放电系统，其特征是，所述的驱动电路中进一步设有Vce监控回路，具体包括：运算放大器、光敏半导体、TVS链和触发器，其中：运算放大器的同相输入端与TVS链反馈终点相连，光敏半导体的输入端与电阻分压输出端相连，TVS链的反馈终端与运算放大器的同相输入端相连，D触发器的输入端与光敏半导体的输出端相连；当VCE过大至击穿TVS链后将给IGBT门极电容充电，延缓驱动电压下降速度，起到延缓关断速度的作用。同时，输出使能信号经过电压跟随器，输出至隔离芯片，经过隔离后，输出至触发器，触发器同时受PWM输入信号、控制单元信号使能控制，当PWM关断时或者控制单元发出使能信号触发器工作，此时触发器会输出一个高电平作为反馈调节信号，至电源电路。
6.根据权利要求1所述的电机控制器主动放电系统，其特征是，所述的控制单元与IGBT电路之间设有IGBT温度采样电路。
7.根据权利要求1所述的电机控制器主动放电系统，其特征是，所述的估算，优选控制单元根据主动放电时间，通过查表标定的窄脉冲放电速度计算得到放电时间。
8.一种根据上述任一权利要求所述系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、控制单元在接收到整车控制单元发出的下电指令后，判断为主继电器脱开，此时通过母线电压采样电路检测隔直电容上的电压值，根据电容能量估算当前电容残余高压的能量，同时IGBT电路将六个IGBT单管的状态监控信息通过驱动电路反馈至控制单元，控制单元根据状态信息确认直通放电的条件；
步骤2)控制单元交替发送：①PWM控制信号至驱动电路以驱动IGBT电路的第一、第三和第五IGBT管50％占空比导通，使得电机绕组充电；②PWM控制信号至驱动电路以驱动IGBT电路的第二、第四和第六IGBT管50％占空比导通，使得电机绕组短路放电；同时电机温度采样电路实时监控电机绕组温度，并在出现异常时停止PWM控制信号的动作，直至温度下降后恢复执行；母线电压采样电路反馈母线电压，控制单元实时判断电容能量，当小于阈值时，切换主动放电逻辑，采用IGBT电路直通放电；
步骤3)IGBT温度采样电路将当前三相桥臂温度输出至控制单元，控制单元根据当前温度条件调节U相应执行短路，执行窄脉冲直通放电，直至电容电压泄放至规定电压；当IGBT温度过温，则暂停放电，待温度下降至阈值以内，重复操作；当监控电路动作，则执行步骤4；
步骤4)U相IGBT直通，VCE过大，由于
L是固定值，VCE监控回路反馈至IGBT门极，延缓关断，可以增大关断时间dt；VCE监控回路反馈至电源电路，进而降低驱动电压，IGBT的短路电流降低，即减小di，最终限制VCE；同时IGBT导通阻抗增大，发热消耗增大，加快放电速度；
所述的主动放电逻辑是指：解除U相上下桥互锁限制，允许IGBT电路上下桥直通；
所述的状态监控信息包括：IGBT温度、母线电压、驱动电压、故障信号、VCE。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的确认直通放电的条件，具体操作步骤包括：
1)母线电压采样电路采集电容电压；
2)根据当前容量估算能量P＝0.5CU2，通过与标定的阈值比较；
3)根据标定量回路杂散电感L，估算
以判断电压应力，其中：dt为关断时间，di为IGBT的短路电流。
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