CN113472270B - 电机电路保护方法及其系统 - Google Patents

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CN113472270B CN202010243166.1A CN202010243166A CN113472270B CN 113472270 B CN113472270 B CN 113472270B CN 202010243166 A CN202010243166 A CN 202010243166A CN 113472270 B CN113472270 B CN 113472270B
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Abstract

本发明涉及电机电路保护方法及其系统，所述方法包括：获取电机控制器的供电电压、车轮转速，并根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态；若车辆处于拖车状态，则执行母线电压闭环控制。在拖车过程中，采用电机控制器的母线电压闭环控制，通过控制逆变电路工作，将母线电压控制在一个安全水平或以下，不仅能避免电机控制器进入ASC而导致逆变器烧坏的情况，同时仍然能达到避免直流母线上出现过高电压的风险。

Description

电机电路保护方法及其系统
技术领域
本发明涉及电动汽车技术领域，具体涉及电机电路保护方法及其系统。
背景技术
电动汽车因高压上电故障导致车辆失去动力，需要进行拖车操作。由于目前大部分的新能源汽车驱动电机与传动轴间没有脱离装置，驱动轮着地拖车时永磁同步电机将产生反电势，在直流母线上产生高压，引发潜在触电风险。
图1为逆变器的电路图，车辆在滑行或拖车时，电机系统主动进入ASC模式(ActiveShort Circuit，有源短路)，即将三相逆变桥的全部3个上管导通，或者把全部下管导通，以防止母线电压过高造成的高压触电，此时不再有发电能量给直流母线充电，也就不会产生高压。电动汽车因高压上电故障使得动力丢失，在驱动轮着地拖车时永磁同步电机将产生反电势，为防止高压触电，系统主动进入ASC模式，使得电机三相绕组短路，将反电势电能通过电机定子绕组释放，起到保护用电器安全。
图2为搭载于某款新能源电动汽车的驱动电机在不同车速下相电流的曲线图，由图2中可以看出，ASC模式下，车速在0-6km/h范围内，电机相电流随车速迅速增大。由图2可知，电机系统在ASC模式下会有较大电流流过电机和控制器，此时因为12V低压蓄电池不工作，所以冷却液水泵不工作，流过电机控制器的大电流会造成逆变器严重温升，导致功率开关管烧毁。
发明内容
本发明旨在提出一种电机电路保护方法及其系统，实现避免直流母线上出现过高电压的风险的同时，避免电机控制器进入ASC而导致逆变器烧坏。
本发明一实施例提出一种电机电路保护方法，所述方法包括：获取电机控制器的供电电压、车轮转速，并根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态；若车辆处于拖车状态，则执行母线电压闭环控制；
其中，所述母线电压闭环控制包括：
获取当前母线电压，根据所述当前母线电压与预设安全母线电压的差值进行闭环控制输出期望电机驱动转矩，并根据所述期望电机驱动转矩获得对应的期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*；
根据所述期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*获得用于输入SVPWM发生器的电压uα、uβ；
根据所述电压uα、uβ生成SVPWM波，并根据所述SVPWM波控制逆变器的IGBT的通断。
根据上述方法，其中，根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态，具体包括：
当供电电压小于等于预设电压阈值，且车轮转速大于预设安全转速时，判定车辆处于拖车状态；
当供电电压大于预设电压阈值，或者车轮转速小于等于预设安全转速时，判定车辆不处于拖车状态。
根据上述方法，其中，根据所述期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*获得用于输入SVPWM发生器的电压uα、uβ，具体包括：
获取当前实际d轴电流id、实际q轴电流iq；
根据所述期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*和实际q轴电流iq的差值进行闭环控制，结合前馈解耦控制策略计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*；
将所述期望电压ud*、uq*进行park-1坐标变换得到对应的电压uα、uβ；
根据上述方法，其中，根据所述当前母线电压与预设安全母线电压的差值进行闭环控制输出期望电机驱动电压，具体包括：
e(k)＝Udc_ref(k)-Udc(k)
Figure GDA0004179372180000031
其中，k表示第k次采样，Udc(k)为第k次采样时当前母线电压，Udc_ref(k)为第k次采样时预设安全母线电压，T*(k)为第k次采样时控制输出的期望电机驱动转矩，e(n)为第n次采样时当前母线电压与预设安全母线电压的差值，k≥n≥0，Kp1为预设的第一比例系数，Ki1为预设的第一积分系数。
根据上述方法，其中，获取当前实际d轴电流id、实际q轴电流iq，具体包括：
获取当前电机三相绕组的电流ia、ib、ic；
将所述电流ia、ib、ic进行clark-park坐标变换得到实际d轴电流id、实际q轴电流iq。
根据上述方法，其中，根据所述期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*和实际q轴电流iq的差值进行闭环控制，结合前馈解耦控制策略计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*，具体如下表达式所示：
Figure GDA0004179372180000032
Figure GDA0004179372180000041
其中，k表示第k次采样，
Figure GDA0004179372180000042
为第n次采样时期望d轴电流，id(n)第n次采样时实际d轴电流，/>
Figure GDA0004179372180000043
为第n次采样时期望q轴电流，iq(n)为第n次采样时实际q轴电流，k≥n≥0，Kp2为预设的第二比例系数，Ki2为预设的第二积分系数，Kp3为预设的第三比例系数，Ki3为预设的第三积分系数，ωe为电角速度、Ld为d轴的电感、Lq为q轴的电感、/>
Figure GDA0004179372180000044
为电机永磁体磁链。
本发明一实施例还提出一种电机电路保护系统，所述系统包括：
信号获取单元，用于获取电机控制器的供电电压、车轮转速；
拖车判定单元，用于根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态；以及
母线电压控制单元，用于当车辆处于拖车状态时，执行母线电压闭环控制；
其中，所述母线电压控制单元包括：
第一闭环控制单元，用于获取当前母线电压，根据所述当前母线电压与预设安全母线电压的差值进行闭环控制输出期望电机驱动转矩，并根据所述期望电机驱动转矩获得对应的期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*；
控制电压获得单元，用于根据所述期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*获得用于输入SVPWM发生器的电压uα、uβ；以及
逆变器控制单元，用于根据所述电压uα、uβ生成SVPWM波，并根据所述SVPWM波控制逆变器的IGBT的通断。
根据上述系统，其中，所述拖车判定单元具体包括：
第一判定单元，用于当供电电压小于等于预设电压阈值，且车轮转速大于预设安全转速时，判定车辆处于拖车状态；以及
第二判定单元，用于当供电电压大于预设电压阈值，或者车轮转速小于等于预设安全转速时，判定车辆不处于拖车状态。
根据上述系统，其中，所述控制电压获得单元具体包括：
电流信号获取单元，用于获取当前实际d轴电流id、实际q轴电流iq；
第二闭环控制单元，用于根据所述期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*和实际q轴电流iq的差值进行闭环控制，结合前馈解耦控制策略计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*，以及
电压变换单元，用于将所述期望电压ud*、uq*进行park-1坐标变换得到对应的电压uα、uβ；
根据上述系统，其中，所述电流信号获取单元具体包括：
三相电流获取单元，用于获取当前电机三相绕组的电流ia、ib、ic；以及
坐标变换单元，用于将所述电流ia、ib、ic进行clark-park坐标变换得到实际d轴电流id、实际q轴电流iq。
以上实施例方案具有如下有益效果：在拖车过程中，母线上出现电压，激活电机控制器，电机控制器通过对母线电压进行闭环控制得到期望电压，并将该期望电压作为输入信号输入SVPWM发生器，输出SVPWM波，利用该SVPWM波通过控制逆变器的三相IGBT的通断，从而实现将母线电压控制在一个安全水平，降低功率器件IGBT发热，避免直流母线上出现过高电压的风险的同时，避免电机控制器进入ASC模式而导致逆变器烧坏。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而得以体现。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为逆变器的电路图。
图2为搭载于某款新能源电动汽车的驱动电机在不同车速下相电流的曲线图。
图3为本发明一实施例中一种电机电路保护方法流程图。
图4为本发明一实施例中一种电机电路保护方法原理图。
图5本发明另一实施例中一种电机电路保护系统框架图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的手段未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
参阅图3-4，本发明一实施例提出一种电机电路保护方法，所述方法包括：
步骤S1、获取电机控制器的供电电压、车轮转速，并根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态；
步骤S2、若车辆处于拖车状态，则执行母线电压闭环控制；
其中，所述母线电压闭环控制包括：
步骤S21、获取当前母线电压，根据所述当前母线电压与预设安全母线电压的差值进行闭环控制输出期望电机驱动转矩，并根据所述期望电机驱动转矩获得对应的期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*；
具体而言，所述当前母线电压可以通过设置于母线上的电压传感器检测得到，根据母线电压差值进行PI闭环控制可以得到一期望电机驱动转矩，而电机的转矩与电流的对应关系可以通过某一控制策略进行确定，如id＝0控制、功率因数
Figure GDA0004179372180000071
控制、最大转矩电流比控制、弱磁控制等，因此，可以基于一转矩-电流模块，根据所述电机驱动转矩获得对应的期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*。
步骤S22、根据所述期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*获得用于输入SVPWM发生器的电压uα、uβ；
步骤S23、根据所述电压uα、uβ生成SVPWM波，并根据所述SVPWM波控制逆变器的IGBT的通断。
具体而言，本实施例中采用SVPWM波控制逆变器的IGBT的通断，SVPWM是空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation)的简称，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形，相对于SPWM而言，SVPWM技术的电机绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化。步骤中可以利用SVPWM发生器生成SVPWM波，具体地，将所述电压uα、uβ输入SVPWM发生器，输出对应的SVPWM波。
在一具体实施例中，所述步骤S1具体包括：
当供电电压小于等于预设电压阈值，且车轮转速大于预设安全转速时，判定车辆是否处于拖车状态；
当供电电压大于预设电压阈值，或者车轮转速小于等于预设安全转速时，判定车辆不处于拖车状态。
具体而言，所述预设电压阈值为一非常小的值，当供电电压小于等于预设电压阈值时，表示供电电压≈0；其中，车轮在所述预设安全转速以下时，因反电动势产生的母线电压低于安全电压，反之，则因反电动势产生的母线电压会高于安全电压。
在一具体实施例中，步骤S22具体包括：
步骤S221、获取当前实际d轴电流id、实际q轴电流iq；
步骤S222、根据所述期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*和实际q轴电流iq的差值进行闭环控制，结合前馈解耦控制策略计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*；
具体而言，当将本实施例方法应用于任一车型的电机电路保护时，车辆的电机电路参数为已知，因此，基于期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*与实际q轴电流iq的差值分别进行PI计算，利用已知的电机参数(例如永磁体磁链、电感等参数信息)，结合前馈解耦控制策略，可以计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*。
步骤S223、将所述期望电压ud*、uq*进行park-1坐标变换得到对应的电压uα、uβ；
具体而言，park-1坐标变换指的是两相旋转坐标系变换为两相静止坐标系。
在一具体实施例中，所述步骤S21具体包括：
e(k)＝Udc_ref(k)-Udc(k)
Figure GDA0004179372180000091
其中，k表示第k次采样，Udc(k)为第k次采样时当前母线电压，Udc_ref(k)为第k次采样时预设安全母线电压，T*(k)为第k次采样时控制输出的期望电机驱动转矩，e(n)为第n次采样时当前母线电压与预设安全母线电压的差值，k≥n≥0，Kp1为预设的第一比例系数，Ki1为预设的第一积分系数。
在一具体实施例中，所述步骤S221具体包括：
获取当前电机三相绕组的电流ia、ib、ic；
将所述电流ia、ib、ic进行clark-park坐标变换得到实际d轴电流id、实际q轴电流iq。
具体而言，三相绕组的电流ia、ib、ic可以通过设置于三线绕组的电流传感器检测得到，所述clark-park坐标变换是指从三相静止坐标系变换为两相旋转坐标系。
在一具体实施例中，所述步骤S222，具体如下表达式所示：
Figure GDA0004179372180000092
Figure GDA0004179372180000093
其中，k表示第k次采样，
Figure GDA0004179372180000101
为第n次采样时期望d轴电流，id(n)第n次采样时实际d轴电流，/>
Figure GDA0004179372180000102
为第n次采样时期望q轴电流，iq(n)为第n次采样时实际q轴电流，k≥n≥0，Kp2为预设的第二比例系数，Ki2为预设的第二积分系数，Kp3为预设的第三比例系数，Ki3为预设的第三积分系数，ωe为电角速度、Ld为d轴的电感、Lq为q轴的电感、/>
Figure GDA0004179372180000103
为电机永磁体磁链。
本实施例方法在拖车时，驱动轮带动电机转子旋转，产生反电势，利用电机控制器进行母线电压闭环控制，得到SVPWM波，利用SVPWM波控制逆变器中IGBT的开通和关断，使母线电压值得到控制。采用本实施例方法，电机的三相电流极小，几乎可以忽略不计(比如2～3A)，不会造成控制器功率开关管过温。于此同时，直流母线电压也被限制在安全电压之下。
如图5所示，本发明一实施例还提出一种电机电路保护系统，所述系统包括：
信号获取单元1，用于获取电机控制器的供电电压、车轮转速；
拖车判定单元2，用于根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态；以及
母线电压控制单元3，用于当车辆处于拖车状态时，执行母线电压闭环控制；
其中，所述母线电压控制单元3包括：
第一闭环控制单元31，用于获取当前母线电压，根据所述当前母线电压与预设安全母线电压的差值进行闭环控制输出期望电机驱动转矩，并根据所述期望电机驱动转矩获得对应的期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*；
控制电压获得单元32，用于根据所述期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*获得用于输入SVPWM发生器的电压uα、uβ；
以及
逆变器控制单元33，用于根据所述电压uα、uβ生成SVPWM波，并根据所述SVPWM波控制逆变器的IGBT的通断。
在一具体实施例中，所述拖车判定单元2具体包括：
第一判定单元21，用于当供电电压小于等于预设电压阈值，且车轮转速大于预设安全转速时，判定车辆是否处于拖车状态；以及
第二判定单元22，用于当供电电压大于预设电压阈值，或者车轮转速小于等于预设安全转速时，判定车辆不处于拖车状态。
在一具体实施例中，所述控制电压获得单元32具体包括：
电流信号获取单元321，用于获取当前实际d轴电流id、实际q轴电流iq；
第二闭环控制单元322，用于根据所述期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*和实际q轴电流iq的差值进行闭环控制，结合前馈解耦控制策略计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*，
电压变换单元323，用于将所述期望电压ud*、uq*进行park-1坐标变换得到对应的电压uα、uβ；
在一具体实施例中，所述电流信号获取单元321具体包括：
三相电流获取单元，用于获取当前电机三相绕组的电流ia、ib、ic；以及
坐标变换单元，用于将所述电流ia、ib、ic进行clark-park坐标变换得到实际d轴电流id、实际q轴电流iq。
以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
需说明的是，上述实施例所述系统与上述实施例所述方法对应，因此，上述实施例所述系统未详述部分可以参阅上述实施例所述方法的内容得到，此处不再赘述。
并且，上述实施例所述电机电路保护系统如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种电机电路保护方法，其特征在于，所述方法包括：获取电机控制器的供电电压、车轮转速，并根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态；若车辆处于拖车状态，则执行母线电压闭环控制；
其中，所述母线电压闭环控制包括：
获取当前母线电压，根据所述当前母线电压与预设安全母线电压的差值进行闭环控制输出期望电机驱动转矩，并根据所述期望电机驱动转矩获得对应的期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*；
根据所述期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*获得用于输入SVPWM发生器的电压uα、uβ；
根据所述电压uα、uβ生成SVPWM波，并根据所述SVPWM波控制逆变器的IGBT的通断。
2.根据权利要求1所述的电机电路保护方法，其特征在于，根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态，具体包括：
当供电电压小于等于预设电压阈值，且车轮转速大于预设安全转速时，判定车辆处于拖车状态；
当供电电压大于预设电压阈值，或者车轮转速小于等于预设安全转速时，判定车辆不处于拖车状态。
3.根据权利要求1所述的电机电路保护方法，其特征在于，根据所述期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*获得用于输入SVPWM发生器的电压uα、uβ，具体包括：
获取当前实际d轴电流id、实际q轴电流iq；
根据所述期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*和实际q轴电流iq的差值进行闭环控制，结合前馈解耦控制策略计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*；
将所述期望电压ud*、uq*进行park-1坐标变换得到对应的电压uα、uβ。
4.根据权利要求3所述的电机电路保护方法，其特征在于，根据所述当前母线电压与预设安全母线电压的差值进行闭环控制输出期望电机驱动转矩，具体包括：
e(k)＝Udc_ref(k)-Udc(k)
Figure FDA0004179372170000021
其中，k表示第k次采样，Udc(k)为第k次采样时当前母线电压，Udc_ref(k)为第k次采样时预设安全母线电压，T*(k)为第k次采样时控制输出的期望电机驱动转矩，e(n)为第n次采样时当前母线电压与预设安全母线电压的差值，k≥n≥0，Kp1为预设的第一比例系数，Ki1为预设的第一积分系数。
5.根据权利要求3所述的电机电路保护方法，其特征在于，获取当前实际d轴电流id、实际q轴电流iq，具体包括：
获取当前电机三相绕组的电流ia、ib、ic；
将所述电流ia、ib、ic进行clark-park坐标变换得到实际d轴电流id、实际q轴电流iq。
6.根据权利要求3所述的电机电路保护方法，其特征在于，
根据所述期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*和实际q轴电流iq的差值进行闭环控制，结合前馈解耦控制策略计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*，具体如下表达式所示：
Figure FDA0004179372170000031
Figure FDA0004179372170000032
其中，k表示第k次采样，
Figure FDA0004179372170000033
为第n次采样时期望d轴电流，id(n)第n次采样时实际d轴电流，/>
Figure FDA0004179372170000034
为第n次采样时期望q轴电流，iq(n)为第n次采样时实际q轴电流，k≥n≥0，Kp2为预设的第二比例系数，Ki2为预设的第二积分系数，Kp3为预设的第三比例系数，Ki3为预设的第三积分系数，ωe为电角速度、Ld为d轴的电感、Lq为q轴的电感、/>
Figure FDA0004179372170000035
为电机永磁体磁链。
7.一种电机电路保护系统，其特征在于，所述系统包括：
信号获取单元，用于获取电机控制器的供电电压、车轮转速；
拖车判定单元，用于根据所述供电电压、车轮转速判定车辆是否处于拖车状态；以及
母线电压控制单元，用于当车辆处于拖车状态时，执行母线电压闭环控制；
其中，所述母线电压控制单元包括：
第一闭环控制单元，用于获取当前母线电压，根据所述当前母线电压与预设安全母线电压的差值进行闭环控制输出期望电机驱动转矩，并根据所述期望电机驱动转矩获得对应的期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*；
控制电压获得单元，用于根据所述期望d轴电流id*、期望q轴电流iq*获得用于输入SVPWM发生器的电压uα、uβ；
以及
逆变器控制单元，用于根据所述电压uα、uβ生成SVPWM波，并根据所述SVPWM波控制逆变器的IGBT的通断。
8.根据权利要求7所述的电机电路保护系统，其特征在于，所述拖车判定单元具体包括：
第一判定单元，用于当供电电压小于等于预设电压阈值，且车轮转速大于预设安全转速时，判定车辆处于拖车状态；以及
第二判定单元，用于当供电电压大于预设电压阈值，或者车轮转速小于等于预设安全转速时，判定车辆不处于拖车状态。
9.根据权利要求7所述的电机电路保护系统，其特征在于，所述控制电压获得单元具体包括：
电流信号获取单元，用于获取当前实际d轴电流id、实际q轴电流iq；
第二闭环控制单元，用于根据所述期望d轴电流id*与实际d轴电流id的差值、期望q轴电流iq*和实际q轴电流iq的差值进行闭环控制，结合前馈解耦控制策略计算得到对应的期望电压ud*和期望电压uq*，以及
电压变换单元，用于将所述期望电压ud*、uq*进行park-1坐标变换得到对应的电压uα、uβ。
10.根据权利要求9所述的电机电路保护系统，其特征在于，所述电流信号获取单元具体包括：
三相电流获取单元，用于获取当前电机三相绕组的电流ia、ib、ic；以及
坐标变换单元，用于将所述电流ia、ib、ic进行clark-park坐标变换得到实际d轴电流id、实际q轴电流iq。
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