CN111244899A

CN111244899A - 一种伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法

Info

Publication number: CN111244899A
Application number: CN202010053408.0A
Authority: CN
Inventors: 胡虎; 曲树笋
Original assignee: Suzhou Zhiyuan Electric Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Zhiyuan Electric Technology Co ltd
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2020-06-05
Anticipated expiration: 2040-01-17
Also published as: CN111244899B

Abstract

本发明公开了一种伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，步骤包括：S10)、采用损耗计算模块实时计算得到瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗；S20)、门极状态判断模块判断伺服驱动器功率模块的门极实时状态；S30)、损耗选择模块选择性向累加损耗模块输出伺服驱动器功率模块的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗；S40)、累加损耗模块累加计算在目标计算周期内的所有瞬时损耗得到累加损耗；S50)、采用结温计算模块计算得到伺服驱动器功率模块的实时结温；本发明不仅实现了功率模块结温的实时计算，并且结温计算过程简单可靠，不需要设置额外硬件电路，实施成本低，在伺服驱动系统应用领域中具有较大的理论研究和实际推广的意义。

Description

一种伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法

技术领域

本发明涉及伺服驱动器的控制技术，具体涉及一种伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法。

背景技术

属于伺服驱动器控制领域的公知常识是，伺服驱动器功率模块作为伺服驱动器的核心元件之一，其结温高低不仅直接关系功率模块的选型和设计，更重要的是会直接影响伺服驱动器功率模块的可靠性和寿命，因此，在当前技术中，实现对伺服驱动器功率模块结温的在线计算，进而利用损耗来结算结温以确定功率模块是否正常或者需要降额运行，是确保功率模块使用寿命的关键技术手段。然而，在当前技术中，为了实现对伺服驱动器功率模块的实时结温计算，均需要增加额外专用硬件装置，结构复杂且缺乏可靠性。

因此，本申请人希望寻求一种简单可靠的功率模块实时结温计算方法，作为估计结温和确定降额运行的依据。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，不仅实现了功率模块结温的实时计算，并且结温计算过程简单可靠，不需要设置额外硬件电路，实施成本低，在伺服驱动系统应用领域中具有较大的理论研究和实际推广的意义。

本发明采用的技术方案如下：

一种伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其操作步骤包括如下：

S10)、采用损耗计算模块实时计算得到伺服驱动器功率模块的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗，并将瞬时该开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗作为输出信号传送给损耗选择模块；

S20)、门极状态判断模块判断伺服驱动器功率模块的门极实时状态，并将该门极实时状态信号传送给损耗选择模块；

S30)、所述损耗选择模块根据门极实时状态选择性向累加损耗模块输出伺服驱动器功率模块的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗；

S40)、所述累加损耗模块累加计算在目标计算周期内的所有瞬时损耗得到累加损耗；

S50)、采用结温计算模块基于上述步骤S40)的累加损耗计算得到损耗结温值，然后将该损耗结温值与伺服驱动器功率模块的外壳温度相加得到所述伺服驱动器功率模块的实时结温。

优选地，在所述步骤S10)中，所述损耗计算模块的输入信号为伺服驱动器的输出电流和直流电压，所述损耗计算模块基于所述输出电流和直流电压计算伺服驱动器功率模块的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗。

优选地，所述瞬时开通损耗的计算公式采用：

所述瞬时关断损耗的计算公式采用：

所述瞬时导通损耗的计算公式采用：

E_COND＝((V_CE0+r₀×I_OUT)×I_OUT)*Δt；其中，E_ON为瞬时开通损耗，E_OFF为瞬时关断损耗，E_COND为瞬时导通损耗，I_NOM是伺服驱动器的额定输出电流，V_NOM为伺服驱动器的额定直流电压，V_DC为伺服驱动器的实时检测直流电压，I_OUT为伺服驱动器的实时检测输出电流，E_ON(I_NOM，V_NOM，150)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及150℃温度条件下的瞬时开通损耗测试值，E_ON(I_NOM，V_NOM，25)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及25℃温度条件下的瞬时开通损耗测试值，E_OFF(I_NOM，V_NOM，150)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及150℃温度条件下的瞬时关断损耗测试值，E_OFF(I_NOM，V_NOM，25)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及25℃温度条件下的瞬时关断损耗测试值；T是伺服驱动器功率模块在上次计算周期得出的实时结温，V_CEO是伺服驱动器功率模块的固定饱和压降，r₀为伺服驱动器功率模块的导通内阻，Δt为实时结温的计算周期。

优选地，在所述步骤S20)中，所述门极状态判断模块的输入信号为伺服驱动器功率模块的门极实时信号，所述门极状态判断模块基于所述门极实时信号输出门极实时状态，所述门极实时状态包括上升沿状态、下降沿状态、高电平状态和低电平状态。

优选地，所述门极状态判断模块的判断方法采用如下判断条件：

当两次检测周期之间的门极信号由低电平变为高电平时，判断门极实时状态处于上升沿状态；

当两次检测周期之间的门极信号由高电平变为低电平时，判断门极实时状态处于下降沿状态；

当两次检测周期之间的门极信号维持高电平时，判断门极实时状态处于高电平状态；

当两次检测周期之间的门极信号维持低电平时，判断门极实时状态处于低电平状态。

优选地，在所述步骤S30)中，所述损耗选择模块的输入信号包括瞬时该开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗以及门极实时状态，所述损耗选择模块的选择性输出瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗的方法采用如下判断条件：

当门极实时状态处于上升沿状态时，向累加损耗模块输出瞬时开通损耗；

当门极实时状态处于下降沿状态时，向累加损耗模块输出瞬时关断损耗；

当门极实时状态处于高电平状态时，向累加损耗模块输出瞬时导通损耗；

当门极实时状态处于低电平状态时，判定瞬时损耗为0，不向累加损耗模块输出损耗。

优选地，在所述步骤S40)中，所述目标计算周期范围可以为0.2-3秒。

优选地，在所述步骤S50)中，所述损耗结温值的计算方法为：损耗结温值＝累加损耗×伺服驱动器功率模块的热阻。

优选地，所述损耗计算模块采用计算器计算或查表计算。

与现有技术相比，本发明同时具有以下积极技术效果：

1、计算简单：本发明利用损耗计算模块根据伺服驱动器的输出电流和直流电压计算损耗计算，计算方法简单不需要其他额外需要实时检测的变量。

2、不需要设置额外硬件电路：由于伺服驱动器的输出电流和直流电压本身在伺服驱动器中属于已知检测信号，而且伺服驱动器功率模块的门极实时信号(即为PWM信号)本身在伺服驱动器中同样属于已知量，因此，本发明的估算方法中不需要任何额外的硬件。

3、便于实时计算：本发明的整个计算方法中，只需要损耗计算模块、累加损耗模块、结温计算模块需要简单的计算，其他模块仅需要根据门极实时状态状态做出输出选择，计算量少，便于实时计算，且计算过程便捷且可靠；

因此，由于本发明不仅实现了功率模块结温的实时计算，并且结温计算过程简单可靠，不需要设置额外硬件电路，实施成本低，因此本发明在伺服驱动系统应用领域中具有较大的理论研究和实际推广的意义。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式下伺服驱动器功率模块1与伺服电机2的驱动电路结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式下实时结温计算的模块连接结构图；

附图3是本发明具体实施方式下实时结温计算的步骤框图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其操作步骤包括如下：

S10)、采用损耗计算模块实时计算得到伺服驱动器功率模块的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗，并将瞬时该开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗作为输出信号传送给损耗选择模块；S20)、门极状态判断模块判断伺服驱动器功率模块的门极实时状态，并将该门极实时状态信号传送给损耗选择模块；S30)、损耗选择模块根据门极实时状态选择性向累加损耗模块输出伺服驱动器功率模块的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗；S40)、累加损耗模块累加计算在目标计算周期内的所有瞬时损耗得到累加损耗；S50)、采用结温计算模块基于上述步骤S40)的累加损耗计算得到损耗结温值，然后将该损耗结温值与伺服驱动器功率模块的外壳温度相加得到伺服驱动器功率模块的实时结温。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参见图1所示，伺服驱动器功率模块1包括呈并联连接的A相开关管电路、B相开关管电路和C相开关管电路，各相开关管电路均包括串接的P1开关管和P2开关管，各开关管输入门极实时信号(即PWM信号)，伺服驱动器功率模块1向伺服电机2输出三相交流电用于实现对伺服电机2的驱动，请进一步参见图2和图3所示，一种伺服驱动器功率模块1的实时结温计算方法，其操作步骤包括如下：

S10)、采用损耗计算模块10实时计算得到伺服驱动器功率模块1的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗，并将瞬时该开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗作为输出信号传送给损耗选择模块；优选地，在本步骤S10)中，损耗计算模块10的输入信号为伺服驱动器的输出电流和直流电压，损耗计算模块基于输出电流和直流电压计算伺服驱动器功率模块的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗；

优选地，在本步骤S10)中，损耗计算模块10采用计算器计算或查表计算；瞬时开通损耗的计算公式采用：

瞬时关断损耗的计算公式采用：

瞬时导通损耗的计算公式采用：

E_COND＝((V_CE0+r₀×I_OUT)×I_OUT)*Δt；

其中，E_ON为瞬时开通损耗，E_OFF为瞬时关断损耗，E_COND为瞬时导通损耗，I_NOM是伺服驱动器的额定输出电流，V_NOM为伺服驱动器的额定直流电压，V_DC为伺服驱动器的实时检测直流电压，I_OUT为伺服驱动器的实时检测输出电流，E_ON(I_NOM，V_NOM，150)是伺服驱动器处于额定直流电压(已知参数)、额定输出电流(已知参数)以及150℃温度条件下的瞬时开通损耗测试值，E_ON(I_NOM，V_NOM，25)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及25℃温度条件下的瞬时开通损耗测试值，E_OFF(I_NOM，V_NOM，150)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及150℃温度条件下的瞬时关断损耗测试值，E_OFF(I_NOM，V_NOM，25)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及25℃温度条件下的瞬时关断损耗测试值；T是伺服驱动器功率模块1在上次计算周期得出的实时结温，V_CE0是伺服驱动器功率模块1的固定饱和压降，r₀为伺服驱动器功率模块的导通内阻(已知参数)，Δt为实时结温的计算周期，，相当于步骤S40)中的目标计算周期；

S20)、门极状态判断模块20判断伺服驱动器功率模块1的门极实时状态，并将该门极实时状态信号传送给损耗选择模块10；优选地，在本步骤S20)中，门极状态判断模块20的输入信号为伺服驱动器功率模块1的门极实时信号，门极状态判断模块20基于门极实时信号输出门极实时状态，门极实时状态包括上升沿状态、下降沿状态、高电平状态和低电平状态；

具体优选地，门极状态判断模块20的判断方法采用如下判断条件：

S30)、损耗选择模块30根据门极实时状态选择性向累加损耗模块40输出伺服驱动器功率模块1的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗；优选地，在本步骤S30)中，损耗选择模块30的输入信号包括瞬时该开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗以及门极实时状态，损耗选择模块的选择性输出瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗的方法采用如下判断条件：

当门极实时状态处于上升沿状态时，向累加损耗模块40输出瞬时开通损耗；

当门极实时状态处于下降沿状态时，向累加损耗模块40输出瞬时关断损耗；

当门极实时状态处于高电平状态时，向累加损耗模块40输出瞬时导通损耗；

当门极实时状态处于低电平状态时，判定瞬时损耗为0，不向累加损耗模块40输出损耗。

S40)、累加损耗模块40累加计算在目标计算周期内的所有瞬时损耗得到累加损耗，优选地，目标计算周期范围可以为0.2-3秒，具体优选地，在本步骤S40)中，目标计算周期设定为1秒；

S50)、采用结温计算模块50基于上述步骤S40)的累加损耗计算得到损耗结温值，然后将该损耗结温值与伺服驱动器功率模块1的外壳温度(为伺服驱动器功率模块自身检测的已知温度)相加得到伺服驱动器功率模块1的实时结温T；优选地，在本步骤S50)中，损耗结温值的计算方法为：损耗结温值＝累加损耗×伺服驱动器功率模块的热阻，伺服驱动器功率模块1的热阻是通过公知技术手段检测得到的公知参数，其具体检索过程，本实施例不再具体展开说明。

需要说明的是，本实施例涉及的检测周期可以根据实际情况进行设定，例如范围可以设定在0.1-1秒，也可以设置在其他周期范围，这些属于本领域技术人员的公知常识。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，其操作步骤包括如下：

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，在所述步骤S10)中，所述损耗计算模块的输入信号为伺服驱动器的输出电流和直流电压，所述损耗计算模块基于所述输出电流和直流电压计算伺服驱动器功率模块的瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗。

3.根据权利要求2所述的伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，所述瞬时开通损耗的计算公式采用：

所述瞬时关断损耗的计算公式采用：

所述瞬时导通损耗的计算公式采用：

E_COND＝((V_CEO+r₀×I_OUT)×I_OUT)*Δt；

其中，E_ON为瞬时开通损耗，E_OFF为瞬时关断损耗，E_COND为瞬时导通损耗，I_NOM是伺服驱动器的额定输出电流，V_NOM为伺服驱动器的额定直流电压，V_DC为伺服驱动器的实时检测直流电压，I_OUT为伺服驱动器的实时检测输出电流，E_ON(I_NOM，V_NOM，150)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及150℃温度条件下的瞬时开通损耗测试值，E_ON(I_NOM，V_NOM，25)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及25℃温度条件下的瞬时开通损耗测试值，E_OFF(I_NOM，V_NOM，150)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及150℃温度条件下的瞬时关断损耗测试值，E_OFF(I_NOM，V_NOM，25)是伺服驱动器处于额定直流电压、额定输出电流以及25℃温度条件下的瞬时关断损耗测试值；T是伺服驱动器功率模块在上次计算周期得出的实时结温，V_CEO是伺服驱动器功率模块的固定饱和压降，r₀为伺服驱动器功率模块的导通内阻，Δt为实时结温的计算周期。

4.根据权利要求1所述的伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，在所述步骤S20)中，所述门极状态判断模块的输入信号为伺服驱动器功率模块的门极实时信号，所述门极状态判断模块基于所述门极实时信号输出门极实时状态，所述门极实时状态包括上升沿状态、下降沿状态、高电平状态和低电平状态。

5.根据权利要求4所述的伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，所述门极状态判断模块的判断方法采用如下判断条件：

6.根据权利要求4所述的伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，在所述步骤S30)中，所述损耗选择模块的输入信号包括瞬时该开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗以及门极实时状态，所述损耗选择模块的选择性输出瞬时开通损耗、瞬时关断损耗和瞬时导通损耗的方法采用如下判断条件：

7.根据权利要求1所述的伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，在所述步骤S40)中，所述目标计算周期范围可以为0.2-3秒。

8.根据权利要求1所述的伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，在所述步骤S50)中，所述损耗结温值的计算方法为：损耗结温值＝累加损耗×伺服驱动器功率模块的热阻。

9.根据权利要求1所述的伺服驱动器功率模块的实时结温计算方法，其特征在于，所述损耗计算模块采用计算器计算或查表计算。