CN111262503A - 一种直流无刷电机热保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了直流无刷电机热保护方法，包括以下步骤：根据能量守恒定律计算电机绕组阻值，进而计算出电机绕组的温度；测得电机热力学模型，使用电机热力学模型估计电机绕组温度；结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，并对下一时刻电机绕组温升进行预测；根据绕组温度推定值以及预测值判断是否达到电机绕组温度保护阈值范围；若达到温度保护条件，驱动器降低输出功率，降低电机绕组温升，保证电机绕组温度处于允许绝缘温度之下。本发明无需额外温度传感器、无需记录电机过载运行时间，实时推定电机绕组温度，在提升电机性能的基础上有效防止电机热损坏，增加电机使用寿命。

Description

一种直流无刷电机热保护方法
技术领域
本发明属于电机领域，涉及一种直流无刷电机热保护方法。
背景技术
近年来机器人技术发展突飞猛进，特别是协作机器人越来越受到人们的广泛关注，协作机器人的一个突出的特点是质量轻、体积小、输出力矩大，即协作机器人需有较高的功率密度，使用小电机可输出大扭矩，为满足上述要求需将电机的性能发挥到极致，需要电机短时超过载运行。
电机在协作机器人领域的应用中经常会阶段性输出较大扭矩，考虑到轻便性以及成本等因素期望使用小功率廉价电机即可达到预期效果，为达到这个目的，不限制电机的峰值电流，使电机可瞬间输出高转矩，又保证电机不被烧坏，电机热保护方法是较好的选择。
电机过载运行时保证电机的正常使用是非常关键的，特别是在人机协作机器人领域中，如果电机在运行过程中损坏，会给用户的生命安全带来威胁。
目前电机保护通常是使用硬件实现，例如在电机内部加热保护继电器，或者是在电机内部使用热敏电阻来监测电机内部的温度，这两种方法都会额外增加空间及成本，而且热敏电阻检测温度的方法虽然精确但是对于电机内部绕组温度来说存在一定的延迟。
现有的基于热模型的方法对绕组温度进行估计，在达到预设的温度值时降低输出电流直至电机停止运行，未考虑达到热平衡时的状态，而且热力学模型较为复杂，精确性较差。
发明内容
为解决上述问题，本发明的技术方案为一种直流无刷电机热保护方法，电机采用SVPWM调制方式驱动，位置、速度、力矩控制使用PID控制器，驱动器中内置温度保护单元，包括以下步骤：
S1，根据能量守恒定律计算电机绕组阻值，进而计算出电机绕组的温度；
S2，测得电机热力学模型，使用电机热力学模型估计电机绕组温度；
S3，结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，并对下一时刻电机绕组温升进行预测；
S4，根据绕组温度推定值以及预测值判断是否达到电机绕组温度保护阈值范围；
S5，若达到温度保护条件，驱动器降低输出功率，降低电机绕组温升，保证电机绕组温度处于允许绝缘温度之下。
优选地，所述S1，根据能量守恒定律计算电机绕组阻值，进而计算出电机绕组的温度中，绕组温度计算公式为：
Psl＝Pmech+RJ (1)
Figure BDA0002384798630000021
Figure BDA0002384798630000022
RT＝R25(1+αcu(T-Tu)) (4)
Figure BDA0002384798630000023
其中，Pel为电能，Pmech为机械能，PJ为绕组焦耳热损耗，Imot为电机电流，Umot为电机电压，RT为T温度下绕组阻值，Ru为环境温度u下绕组阻值，n为电机转速，M为机械转矩，αcu是铜材料的热阻系数，Tu为环境温度，T为绕组温度，单位是℃。
优选地，所述S2，测得电机热力学模型为下式：
T(t)＝τ1I2(t)+τ2T(t-1) (6)
其中，I(t)为t时刻电机电流，T(t)为t时刻绕组温度，系数τ1和τ2通过实验测得。
优选地，所述S3，结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，根据绕组阻值计算出的温度值和电机热力学模型估计的温度值取均值推定绕组温度。
优选地，所述S3，结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，并对下一时刻电机绕组温升进行预测，使用之前保存的50个采样时刻内温升值的平均值，预测下一时刻温升值，采样间隔为1ms。
本发明的有益效果如下：通过电机热力学模型对电机内部绕组温度实时推定并预测下一时刻温度，在电机达到绕组可承受最高温度阈值附近时启动绕组温度保护策略，使电机可继续运行直至达到热平衡状态，并可保证电机不被烧坏。该方法的优点在于电机热力学模型简单易测得，方便灵活，不需要在电机内部增加温度传感器节省电机内部空间及成本，而且只用控制器即可实现，可高效智能化应用在机器人关节控制器中，保证电机在多种工况下安全运行。
附图说明
图1为本发明方法具体实施例的直流无刷电机热保护方法的步骤流程图；
图2为本发明方法具体实施例的直流无刷电机热保护方法的硬件结构图；
图3为本发明方法具体实施例的直流无刷电机热保护方法的电机驱动控制结构图；
图4为本发明方法具体实施例的直流无刷电机热保护方法的电机超载运行时温升变化曲线图；
图5为本发明方法具体实施例的直流无刷电机热保护方法的电机超载运行时电机电流变化曲线图；
图6为本发明方法具体实施例的直流无刷电机热保护方法的电机停止时降温曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1，为本发明实施例的直流无刷电机热保护方法的步骤流程图，电机采用SVPWM调制方式驱动，位置、速度、力矩控制使用PID控制器，驱动器中内置温度保护单元，包括以下步骤：
S1，根据能量守恒定律计算电机绕组阻值，进而计算出电机绕组的温度；
S2，测得电机热力学模型，使用电机热力学模型估计电机绕组温度；
S3，结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，并对下一时刻电机绕组温升进行预测；
S4，根据绕组温度推定值以及预测值判断是否达到电机绕组温度保护阈值范围；
S5，若达到温度保护条件，驱动器降低输出功率，降低电机绕组温升，保证电机绕组温度处于允许绝缘温度之下。
所述S1，根据能量守恒定律计算电机绕组阻值，进而计算出电机绕组的温度中，根据能量守恒定理：
Pel＝Pmech+PJ (1)
其中Pel为电能，Pmech为机械能，PJ为绕组焦耳热损耗。
进一步可得：
Figure BDA0002384798630000041
其中Imot为电机电流，Umot为电机电压，R为绕组阻值，n为电机转速，M为机械转矩。
由中式(5)可求得T时刻下的绕组阻值式(3)，
Figure BDA0002384798630000051
Figure BDA0002384798630000052
其中n为电机转速，M为电机的机械转矩，一般由电机厂家给出。
电机绕组的材料为铜，绕组的阻值随着温度的变化存在下式关系：
RT＝R25(1+αcu(T-Tu)) (4)
其中αcu是铜材料的热阻系数，Tu为环境温度，单位是℃。
所述S2，测得电机热力学模型可由一阶微分方程表示。
Figure BDA0002384798630000053
其中τcool为散热系数，C为电机热容，一般由电机厂家提供，I(t)为t时刻电机电流，T(t)为t时刻绕组温度。
由下式可求得t时刻的绕组温度T(t)
Figure BDA0002384798630000054
上式可简化为：
T(t)＝τ1I2(t)+τ2T(t-1) (6)
其中Δt为采样时间间隔。
式(8)中τcool多数是未知的，精确值不好测得，R为电机绕组的阻值，是随温度变化的，因此使用简化的热力学模型(6)，近似的系数τ1和τ2可通过实验测得，I(t)为t时刻电机电流，T(t)为t时刻绕组温度。
S3，结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，根据绕组阻值计算出的温度值和电机热力学模型估计的温度值取均值推定绕组温度。
具体实施例中，使用之前保存的50个采样时刻内温升值的平均值，预测下一时刻温升值，采样间隔为1ms。
参见图2、3为本发明对应的硬件结构的一具体实施例的框图，主要控制策略采用PID控制器50，给定期望信号，根据直流无刷电机10反馈的位置、速度、力矩等经PID控制器50给定电机驱动控制单元22输入。目标指令由UDP通讯模块60向PID控制器50输入。
电机驱动控制单元22通过直流无刷电机10获取霍尔传感器信号经逆变桥电路30使用SVPWM调制方式控制直流无刷电机10，同时经驱动器20获取直流无刷电机10电流。
通过获取到的直流无刷电机10电流信号以及环境温度传感器40获取的环境温度信号输入到驱动器20中的温度保护单元21，温度保护单元21中根据估计的温度做出判断是否要启动保护，如若估计的温度达到启动电机保护阈值，输入信号到PID控制器50，PID控制器50减少到电机驱动控制单元22的输入，从而降低电机电流以及电机转速。
驱动器20采集到电机的电压(Umot)及电流(Imot)，根据(2)式计算出电能。
通过增量式编码器获取电机输出端的位置可求出电机转速n，并与电机转矩常数M一并带入式(3)可求出电机绕组在温度T下的阻值。
将绕组阻值带入(6)式求出绕组此时的温度值T。
根据采集到的环境温度及实验测得电机热力学模型；根据测得的电机热力学模型估计当前绕组的温度。
结合测得的绕组温度对当前时刻绕组温度估计值进行校正，以及预测下一采样时刻绕组的温度，
若测得的电机电流为0时，此时绕组只降温不升温，则仅使用热力学模型估计电机绕组的温度。
根据当前校正的温度估计值以及下一时刻的温度预测值判断是否达到温度保护阈值范围。
若达到温度保护阈值范围，根据下一时刻温升预测值估计需要降低的电流值范围。
将电机电流指令发送给驱动器，驱动器进行相关动作，而后重复以上所述步骤。
参见图4为电机超载运行时温升变化曲线图，T1为绕组温度、T2为环境温度、T3为电机温度、T4为驱动器温度。
图5为电机超载运行时电机电流变化曲线图，I1为绕组电流、I2为电机电流。
图6为电机停止时降温曲线图，T1为绕组温度、T2为环境温度、T3为电机温度、T4为驱动器温度。
所使用的电机绕组最大允许绝缘温度值为155℃，温度保护阈值范围设置在150℃左右，采样频率为1ms。
采用的电机参数为如下：
额定电压：12V
额定电流：0.456A
额定转矩：3.23mNm
堵转转矩：5.95mNm
堵转电流：0762A
相间电阻：15.7Ω
转矩常数：7.8Nm/A
最大绕组温度：+155℃。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种直流无刷电机热保护方法，其特征在于，电机采用SVPWM调制方式驱动，位置、速度、力矩控制使用PID控制器，驱动器中内置温度保护单元，包括以下步骤：
S1，根据能量守恒定律计算电机绕组阻值，进而计算出电机绕组的温度；
S2，测得电机热力学模型，使用电机热力学模型估计电机绕组温度；
S3，结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，并对下一时刻电机绕组温升进行预测；
S4，根据绕组温度推定值以及预测值判断是否达到电机绕组温度保护阈值范围；
S5，若达到温度保护条件，驱动器降低输出功率，降低电机绕组温升，保证电机绕组温度处于允许绝缘温度之下。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1，根据能量守恒定律计算电机绕组阻值，进而计算出电机绕组的温度，绕组温度计算公式为：
Pel＝Pmech+PJ (1)
Figure FDA0002384798620000011
Figure FDA0002384798620000012
RT＝R23(1+αcu(T-Tu)) (4)
Figure FDA0002384798620000013
其中，Pel为电能，Pmech为机械能，PJ为绕组焦耳热损耗，Imot为电机电流，Umot为电机电压，RT为T温度下绕组阻值，Ru为环境温度u下绕组阻值，n为电机转速，M为机械转矩，αcu是铜材料的热阻系数，Tu为环境温度，T为绕组温度，单位是℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2，测得电机热力学模型为下式：
T(t)＝τ1I2(t)+τ2T(t-1) (6)
其中，I(t)为t时刻电机电流，T(t)为t时刻绕组温度，系数τ1和τ2通过实验测得。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3，结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，根据绕组阻值计算出的温度值和电机热力学模型估计的温度值取均值推定绕组温度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3，结合计算出的电机绕组温度和电机热力学模型估计出的电机绕组温度，对电机绕组实时温度进行推定，并对下一时刻电机绕组温升进行预测，使用之前保存的50个采样时刻内温升值的平均值，预测下一时刻温升值，采样间隔为1ms。
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