CN113972864B - 一种助推器停机中断控制方法 - Google Patents

Abstract

一种助推器停机中断控制方法，包括步骤：检测保险栓信号的电平跳变状态，若跳变进入紧急停机控制步骤，通过PWM信号关断上臂、打开下臂，且调制占空比10%，若未跳变进入正常停机步骤，判断输出电压、电流及相关温度值与分别对应的最大值的误差值，以误差值比较高幅值，置欠压保护、过流保护、过温保护标志位，或置欠压报警限速、过流报警限速、过温报警限速标志位，或置正常标志位。实现紧急停机、自由停机、正常停机控制，实现水面助推器精确停机，利于驾驶人员平稳驾驶和编队训练，适用于驾驶人员落水、主动紧急避险或者正常操作停机等不同工况。

Description

一种助推器停机中断控制方法

技术领域

本发明涉及助推器控制技术，尤其涉及一种助推器停机中断控制方法。

背景技术

水面助推器可用于淡水域或浅海域登陆、助力泅渡使用。水面助推器采用三相高频无刷直流电机直接驱动驱动螺旋桨作为执行机构，无需增速箱，工质可兼容淡水或海水。

机械式停机装置容易磨损，导致停机失效或水面自由滑行距离不受控，不利于水面助推器编队。由于水面助推器一般采用锂离子电池组，集成有电池输出保护装置，能量反馈电源增加了电池组供电装置复杂性和故障率。因此，水面助推器需要应用于特殊用途，例如急停避险、组队巡航、军用等情况，不能采用机械式停机和高速发电制动策略。这就需要利用合理的控制逻辑来保护水面助推器设备安全，保障驾驶人员安全巡航、特殊工况紧急避险，还有助于正常训练时驾驶人员控制停机距离、停机位置、水面助推器转弯半径和回旋距离。基于此，提出本申请。

发明内容

针对上述现状，本发明提供一种助推器停机中断控制方法，实时检测保险栓信号，利用逻辑控制实现中断控制，实现水面助推器精确停机，利于驾驶人员平稳驾驶和编队训练，适用于驾驶人员落水、主动紧急避险或者正常操作停机等不同工况。

为了实现本发明的目的，拟采用以下方案：

一种助推器停机中断控制方法，应用于助推器的三相高频无刷直流电机，三相高频无刷直流电机连接三相逆变桥，三相逆变桥用于将电池组输出并经过电容组滤波后的电压转换为三相电压以驱动三相高频无刷直流电机，三相逆变桥通过三相逆变桥驱动电路连接微控制器，三相逆变桥驱动电路根据微控制器的PWM信号对三相逆变桥的进行控制，微控制器通过GPIO端口实时获取保护栓电平信号，所述停机中断控制方法包括步骤：

检测当前保险栓信号，若保险栓信号从高电平跳变为低电平，则运行紧急停机控制步骤，利用多路PWM信号通过三相逆变桥驱动电路传输至三相逆变桥的功率管门级，关断上臂功率管输出，打开下臂功率管调制输出，且PWM信号为预定调制占空比和预定调制频率，中断返回，其中所述电平跳变，是指保险栓信号电平由高电平跳变到低电平，此时保险栓处于被拔出状态，对应为驾驶人员已落水或主动选择紧急停机；若保险栓信号保持高电平未发生变化，则运行正常停机控制步骤；

进入正常停机控制步骤后：计算当前电池组输出电压与最小电压值U_min之间的电压误差值△U，电池组输出电流与最大电流值I_max之间的电流误差值△I，以及电容组温度T₁、三相逆变桥温度T₂、三相高频无刷直流电机温度T₃与分别对应的最大温度值T_1max、T_2max、T_3max之间的温度误差值△T₁、△T₂、△T₃；

若满足电压误差值△U小于低幅值电压误差阈值U_L，欠压保护标志置位，或满足电流误差值△I大于高幅值电流误差阈值I_H，过流保护标志置位，或满足温度误差值△T₁大于高幅值温度误差阈值T_H1、或温度误差值△T₂大于高幅值温度误差阈值T_H2、或温度误差值△T₃大于高幅值温度误差阈值T_H3其中一个条件，过温保护标志置位，进入自由停机步骤，停机标志置位，关闭PWM信号输出，中断返回；

若均不满足，则继续正常停机控制步骤：

若电压误差值△U小于高幅值电压误差阈值U_H，欠压报警限速运行标志置位，否则电压正常标志置位；若电流误差值△I大于低幅值电流误差阈值I_L，则过流报警限速运行标志置位，否则电流正常标志置位；若满足温度误差值△T₁大于低幅值温度误差阈值T_L1、或温度误差值△T₂大于低幅值温度误差阈值T_L2、或温度误差值△T₃大于低幅值温度误差阈值T_L3其中一个条件，则过温报警限速运行标志置位，否则温度正常标志置位；

当电压正常标志置位、且电流正常标志置位、且温度正常标志置位时，实时获取当前电机转速，并在转速大于阈值转速时，持续递减PWM占空比，当电机转速小于等于阈值转速时，停机标志置位，关闭PWM信号输出，中断返回；

当欠压报警限速运行标志置位、或过流报警限速运行标志置位、或过温报警限速运行标志置位时，限制PWM信号占空比幅值为预设值以使电机转速降低至预定上限，然后在电机转速小于等于阈值转速之前，持续递减PWM占空比，当电机转速小于等于阈值转速时，停机标志置位，关闭PWM信号输出，中断返回。

本发明的有益效果在于：

1、实时检测保险栓信号，根据高低电平选择停机逻辑，确认紧急停机或者正常停机；适用于驾驶人员落水、主动紧急避险或者正常操作停机等不同工况。

2、可精确控制三相高频无刷直流电机电流，实现水面助推器精确停机，利于驾驶人员平稳驾驶和编队训练。

3、根据锂离子电池组电压保护阈值、驱动电流保护阈值和温度保护阈值范围，当出现欠压报警、过温报警或者过流报警等异常工况时，微控制器器将选择限速运行策略，保障驾驶人员安全返航；当出现欠压保护、过温保护或者过流保护等异常工况时，微控制器将选择自由停机策略，保护水面助推器设备安全。

附图说明

图1为本申请实施例的助推器通讯中断程序接收停机信号逻辑流程图。

图2为本申请实施例的助推器AD中断程序采集信号逻辑流程图。

图3为本申请实施例的助推器停机时PWM中断程序逻辑流程图。

图4为本申请实施例的助推器停机中断控制的驱动电路。

图5为本申请实施例的助推器三种停机逻辑三相高频无刷直流电机相电流波形图。

图6为本申请实施例的助推器三种停机逻辑三相逆变桥正负两端电压波形图。

图7为本申请实施例的助推器三种停机逻辑三相高频无刷直流电机降速波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述。

本申请实施例提供一种助推器停机中断控制方法，应用于助推器的三相高频无刷直流电机，具体的，采用如图4所示的驱动控制电路结构来进行实现。

三相高频无刷直流电机连接三相逆变桥，三相逆变桥用于将电池组输出并经过电容组滤波后的电压转换为A、B、C三相电压以驱动三相高频无刷直流电机。电池组可以采用锂离子电池组，直流电压范围为40V至58.8V，可提供最大持续电流为200A，最大峰值电流为300A。三相逆变桥通过三相逆变桥驱动电路连接微控制器PWM信号输出端口，三相逆变桥驱动电路根据微控制器的PWM信号对三相逆变桥的进行控制，微控制器通过GPIO端口实时获取保护栓电平信号。微控制器采用通讯接口与远程/机旁上位机进行数据交互。

三相逆变桥包括三相六桥臂：上桥臂Q1、上桥臂Q3、上桥臂Q5、下桥臂Q2、下桥臂Q4、下桥臂Q6，每个桥臂包括多个功率管MOSFET并联组成，三相逆变桥驱动电路用于将微控制器通过PWM端口输出的六路PWM信号放大后传输至三相逆变桥，以控制三相逆变桥各桥臂的MOSFET高频开通/关断。

电容组处设有温度传感器TP1，用于获取电容组温度T₁并传输给微控制器的AD端口，三相逆变桥处设有温度传感器TP2，用于获取三相逆变桥温度T₂并传输给微控制器的AD端口，三相高频无刷直流电机处设有温度传感器TP3，用于获取三相高频无刷直流电机温度T₃并传输给微控制器的AD端口。

电池组输出端并联有电压检测单元，包括两个串联的分压电阻，与电池组负极连接的分压电阻两端并联有一个电容，两个分压电阻之间的连接处与微控制器的AD端口连接，以供微控制器获取当前电池组输出电压。

电池组负极输出端串联有电流检测电阻，电流检测电阻两端并联有一运放，运放输出端连接微控制器的AD端口，以供微控制器获取当前电池组输出电流。

电容组包括一电解电容组和一磁介质电容组，电解电容组和磁介质电容组并联后，并联于电池组两端。电容组耐压为100V，其中电解电容组组容量不小于3000μF，磁介质电容组容量不小于75μF。

阻容网络检测三相反电势信号作为三相高频无刷直流电机换相信号，简称三路换相信号。微控制器根据比较端口CMP获取的三路换相信号后，运行换相逻辑，进而调整PWM端口输出的六路驱动信号。阻容网络包括3个阻容单元，分别连接在三相逆变桥的一相输出端与微控制器之间，阻容单元包括两个电阻，一个电阻一端连接在三相逆变桥的对应相输出端，另一端连接至微控制器的比较端口CMP，另一个电阻串联于一个电阻的另一端，另一个电阻两端并联有一个电容。

微控制器通过AD端口将所接收到的模拟量转换为数字量。将电容组两端直流电压通过电压检测单元的电阻分压和电容组滤波后获得电压检测值，一路电压数字量存储在AD寄存器1。将电池组输出负极通过电流检测单元的电路板铜皮电阻检测获得电流检测值，一路电流数字量存储在AD寄存器2。采用三个PT100温度传感器TP1、温度传感器TP2、温度传感器TP3分别进行电容组、三相逆变桥和三相高频无刷直流电机进行温度检测，三路温度数字量电容组温度T₁、三相逆变桥温度T₂、三相高频无刷直流电机温度T₃分别存储在AD寄存器3、AD寄存器4、AD寄存器5。微控制器接收远程/机旁上位机起动、调速和停机信号，并向远程/机旁上位机传输电池组电压、电流和相关温度等信息。

停机中断控制详细实施步骤说明如下：

助推器高速运行工况下需要正常停机时，远程/机旁上位机通过通讯端口向微控制器发送停机信号。

助推器通讯中断逻辑，如图1所示，微控制器通过通讯端口接收到通讯中断触发信号，并进入通讯中断程序。首先清除通讯中断标志位，用于下次进入中断。然后，微控制器将接收到的远程/机旁上位机所发送给定转速信号存储在通讯数据寄存器，且该信号为零。最后，通讯中断返回。

助推器AD中断逻辑，如图2所示，助推器在任意运行工况下，微控制器均通过AD中断程序进行电压检测、电流检测和温度检测。微控制器进入AD中断入口后，首先清除AD中断标志位，用于下次进入中断。然后，微控制器转换AD端口所接受到的模拟量为数字量，并将一路电压值、一路电流值和三路温度值分别存储在AD寄存器1、AD寄存器2和AD寄存器3、AD寄存器4、AD寄存器5。最后，AD中断返回。

助推器PWM中断逻辑，如图3所示，微控制器进入PWM中断，清除PWM中断标志位，用于下次进入PWM中断。微控制器检测保险栓信号，当保险栓信号电平由高电平跳变到低电平时，表示保险栓被拔出即驾驶人员已落水或主动选择紧急停机，微控制器需运行紧急停机逻辑。当保险栓信号电平未发生变化，保持为高电平时，表示保险栓正常即驾驶人员可操作正常停机，微控制器将运行正常停机逻辑。

当微控制器运行紧急停机逻辑时，微控制器输出六路PWM控制信号。该六路PWM控制信号通过三相逆变桥驱动电路传输至三相逆变桥功率管门极，实现关断上桥臂Q1、上桥臂Q3和上桥臂Q5功率管输出，同时同步打开下桥臂Q2、下桥臂Q4和下桥臂Q6功率管调制输出，且PWM控制信号调制占空比为10%，调制频率为12kHz。当执行完紧急停机操作后PWM中断返回。

当微控制器运行正常停机逻辑时，微控制器将读取AD数据寄存器1，获取电池组输出电压值U，计算U与最小电压值U_min之间电压误差值∆U。将电压误差值∆U与低幅值电压误差阈值U_L进行比较。当∆U<U_L为真时，则将欠压保护标志位置位；当∆U<U_L为假时，将电压误差值∆U继续与高幅值电压误差阈值U_H进行比较。当∆U<U_H为真时，微控制器发出欠压报警，且将限速运行标志位置位；当∆U<U_H为假时，则表示电池组输出电压正常，微控制器发出电压正常标志。

同理，微控制器将读取AD数据寄存器2，进行温度补偿后获取电池组输出电流值I。计算I与最大电流值I_max之间电流误差值∆I，将电流误差值∆I与高幅值电流误差阈值I_H进行比较。当∆I>I_H为真时，则微控制器将过流保护标志位置位；当∆I>I_H为假时，则电流误差值∆I继续与低幅值电流误差阈值I_L进行比较。当∆I>I_L为真时，微控制器发出过流报警，且将限速运行标志位置位；当∆I>I_L为假时，则表示电池组输出电流正常，微控制器发出电流正常标志。

同理，微微控制器分别读取AD数据寄存器3、AD数据寄存器4、AD数据寄存器5，获取三路温度值T(·)=T₁T₂T₃。微控制器分别计算T(·)与最大温度值T_max(·)=T_1maxT_2maxT_3max之间温度误差值∆T(·)=∆T₁∆T₂∆T₃，即，∆T₂=T_2max-T₂、∆T₂=T_2max-T₂、∆T₃=T_3max-T₃。分别设置低幅值温度误差阈值T_L(·)=T_L1T_L2T_L3和高幅值温度误差阈值T_H(·)=T_H1T_H2T_H3。当∆T(·)>T_H(·)为真时，即判断∆T₁>T_H1、∆T₂>T_H2、∆T₃>T_H3中至少有一个满足/成立时对应为∆T(·)>T_H(·)为真，则微控制器将过温保护标志位置位；当∆T(·)>T_H(·)为假时，即∆T₁>T_H1、∆T₂>T_H2、∆T₃>T_H3均不成立时，则继续与∆T(·)与T_L(·)进行比较。当∆T(·)>T_L(·)为真时，即判断∆T₁>T_L1、∆T₂>T_L2、∆T₃>T_L3中至少有一个满足/成立时对应为∆T(·)>T_L(·)为真，则微控制器发出过温报警，并将限速标志位置位；当∆T(·)>T_L(·)为假时，即∆T₁>T_L1、∆T₂>T_L2、∆T₃>T_L3均不成立时，则表示助推器专用驱动器工作温度正常，微控制器发出温度正常标志。

当电压标志正常、电流标志正常且温度标志正常时，微控制器读取通讯数据寄存器获取上位机给定转速信号，并转换为三相逆变桥调制占空比信号更新数据。微控制器读取换相标志位，并计算电机当前转速。电机当前转速大于阈值300r/min时，微控制器递减PWM占空比，逐渐减小三相高频无刷直流电机绕组电压，并实现平稳降速。电机当前转速小于等于阈值300r/min时，微控制器将电机停机标志位置位，同时关断三相逆变桥桥臂PWM输出，此时三相高频无刷直流电机自由停机。采用正常停机逻辑时，最长停机距离不超过4米。

当欠压报警、过流报警或者过温报警时，微控制器将限速运行标志位置位，同时限制PWM占空比幅值Duty_max，实测中该数值可设置为50%，且该数值可根据实际需求进行修改。微控制器读取通讯数据寄存器获取上位机给定转速信号，转换为三相逆变桥调制占空比信号数据，并限定其幅值上限为PWM占空比幅值Duty_max。微控制器逐渐降低PWM占空比值，直至助推器专用驱动器和三相高频无刷直流电机停机。

当欠压保护标志位置位、过流保护标志位置位或者过温保护标志位置位时，微控制器将电机停机标志位置位，同时关断三相逆变桥桥臂PWM输出，此时三相高频无刷直流电机自由停机。

助推器三种停机逻辑三相高频无刷直流电机相电流波形图如图5所示。微控制器选择正常停机逻辑停机时，三相高频无刷直流电机相电流受控减小直至为零。微控制器选择紧急停机逻辑停机时，三相高频无刷直流电机相电流受控减小直至为零，在停机瞬间，电流峰值瞬态值超过500A。该电流峰值对应PWM控制信号调制占空比为10%。微控制器选择自由停机逻辑停机时，三相逆变桥所有功率管关断，三相高频无刷直流电机相电流瞬间变为零。

助推器三种停机逻辑三相逆变桥正负两端电压波形图如图6所示。微控制器选择正常停机和自由停机逻辑停机时，三相逆变桥正负两端电压保持恒定。微控制器选择紧急停机逻辑停机时，三相逆变桥正负两端电压略微上升，幅值未超过77V，低于电容组耐压幅值100V。

助推器三种停机逻辑三相高频无刷直流电机降速波形图如图7所示。微控制器选择三种停机逻辑停机时，均完成了停机逻辑。正常停机时长约1.62秒，自由停机时长约1.08秒，紧急停机时长约0.55秒。

以上仅为本发明的优选实施例，并不表示是唯一的或是限制本发明。本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围情况下，对本发明进行的各种改变或同等替换，均属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种助推器停机中断控制方法，应用于助推器的三相高频无刷直流电机，其特征在于，三相高频无刷直流电机连接三相逆变桥，三相逆变桥用于将电池组输出并经过电容组滤波后的电压转换为三相电压以驱动三相高频无刷直流电机，三相逆变桥通过三相逆变桥驱动电路连接微控制器，三相逆变桥驱动电路根据微控制器的PWM信号对三相逆变桥的进行控制，微控制器通过GPIO端口实时获取保护栓电平信号；

所述控制方法包括如下步骤：

在检测到当前保险栓信号存在电平跳变时，运行紧急停机控制步骤，利用多路PWM信号通过三相逆变桥驱动电路传输至三相逆变桥的功率管门级，关断上臂功率管输出，打开下臂功率管调制输出，且PWM信号为预定调制占空比和预定调制频率，中断返回；若保险栓信号电平未发生变化，运行正常停机控制步骤；

进入正常停机控制步骤后：计算当前电池组输出电压与最小电压值U_min的电压误差值△U，电池组输出电流与最大电流值I_max的电流误差值△I；

若满足电压误差值△U小于低幅值电压误差阈值U_L，欠压保护标志置位，或满足电流误差值△I大于高幅值电流误差阈值I_H，过流保护标志置位，进入自由停机步骤，停机标志置位，关闭PWM信号输出，中断返回；

若均不满足，则继续正常停机控制步骤：若电压误差值△U小于高幅值电压误差阈值U_H，欠压报警限速运行标志置位，否则电压正常标志置位；若电流误差值△I大于低幅值电流误差阈值I_L，则过流报警限速运行标志置位，否则电流正常标志置位；

当欠压报警限速运行标志置位、或过流报警限速运行标志置位时，限制PWM信号占空比幅值为预设值以使电机转速降低至预定上限，然后在电机转速小于等于阈值转速之前，持续递减PWM占空比，当电机转速小于等于阈值转速时，停机标志置位，关闭PWM信号输出，中断返回。

2.根据权利要求1所述的助推器停机中断控制方法，其特征在于，在紧急停机控制步骤，PWM信号调制占空比为10%，调制频率12kHz。

3.根据权利要求1所述的助推器停机中断控制方法，其特征在于，进入正常停机控制步骤后，还计算电容组温度T₁、三相逆变桥温度T₂、三相高频无刷直流电机温度T₃与分别对应的最大温度值T_1max、T_2max、T_3max之间的温度误差值△T₁、△T₂、△T₃；

若满足温度误差值△T₁大于高幅值温度误差阈值T_H1、或温度误差值△T₂大于高幅值温度误差阈值T_H2、或温度误差值△T₃大于高幅值温度误差阈值T_H3其中一个条件，过温保护标志置位，进入自由停机步骤，停机标志置位，关闭PWM信号输出，中断返回；

在继续正常停机控制步骤时，若满足温度误差值△T₁大于低幅值温度误差阈值T_L1、或温度误差值△T₂大于低幅值温度误差阈值T_L2、或温度误差值△T₃大于低幅值温度误差阈值T_L3其中一个条件，则过温报警限速运行标志置位，否则温度正常标志置位；

当过温报警限速运行标志置位时，限制PWM信号占空比幅值为预设值以使电机转速降低至预定上限，然后在电机转速小于等于阈值转速之前，持续递减PWM占空比，当电机转速小于等于阈值转速时，停机标志置位，关闭PWM信号输出，中断返回。

4.根据权利要求3所述的助推器停机中断控制方法，其特征在于，当电压正常标志置位、且电流正常标志置位、且温度正常标志置位时，实时获取当前电机转速，并在转速大于阈值转速时，持续递减PWM占空比，当电机转速小于等于阈值转速时，停机标志置位，关闭PWM信号输出，中断返回。

5.根据权利要求1所述的助推器停机中断控制方法，其特征在于，三相逆变桥包括功率管MOSFET组成的三相六桥臂：上桥臂Q1、上桥臂Q3、上桥臂Q5、下桥臂Q2、下桥臂Q4、下桥臂Q6，每个桥臂包括多个功率管MOSFET并联组成，三相逆变桥驱动电路用于将微控制器通过PWM端口输出的六路PWM信号放大后传输至三相逆变桥，以控制三相逆变桥各桥臂的MOSFET高频开通/关断。

6.根据权利要求5所述的助推器停机中断控制方法，其特征在于，运行紧急停机控制步骤时，利用六路PWM信号通过三相逆变桥驱动电路传输至三相逆变桥的功率管门级，关断上桥臂Q1、上桥臂Q3、上桥臂Q5的功率管MOSFET，打开下桥臂Q2、下桥臂Q4、下桥臂Q6的功率管MOSFET。

7.根据权利要求1所述的助推器停机中断控制方法，其特征在于，所述电平跳变，是指保险栓信号电平由高电平跳变到低电平，此时保险栓处于被拔出状态，对应为驾驶人员已落水或主动选择紧急停机。