CN114977982A - 电机控制器主动短路控制方法、装置及电机控制器 - Google Patents

电机控制器主动短路控制方法、装置及电机控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电机控制器主动短路控制方法、装置及电机控制器，在电机控制器检测到故障发生时，执行以下操作：在预设时间段内，控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0；当所述d轴电压、q轴电压变化到0后，进行主动短路操作。本发明通过在执行主动短路前将d轴电压、q轴电压逐步调整变化到0，使得主动短路阶段相电流没有较大的瞬态冲击电流，不会损坏硬件功率器件；并且该方法在主动短路阶段d轴没有较大的弱磁电流，不会使永磁体磁钢失磁；主动短路阶段输出转矩不会在正负之间大幅值震荡，输出转矩平滑。本发明可以直接通过电机控制器的软件实现，不需要额外的硬件方面投入。在当电流传感器失效故障时候，主动短路控制方法仍能实现。

Description

电机控制器主动短路控制方法、装置及电机控制器
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种电机控制器主动短路控制方法、装置及电机控制器。
背景技术
根据车用电机控制器的安全目标，当车用电机控制器检测到出现故障时候，需要通过触发关断路径，关闭电机转矩输出，使电机的输出转矩接近为0。车用电机控制器检测到故障，目前的关断策略是：电机高转速时候，进行主动短路；电机低转速时候，关闭三相桥臂，可以实现输出转矩接近为0，使车辆处于安全状态。
然而，电机高转速的时候进行主动短路，则过渡阶段相电流会产生一个较大的瞬态冲击电流，过大的冲击电流会损坏硬件功率器件。同时d轴较大的弱磁电流会使电机永磁体磁钢失磁，造成不可恢复的损坏。过渡阶段d、q轴电流大幅值震荡，q轴电流在正负之间大幅值震荡，而电机输出转矩在正负之间大幅值衰减震荡，造成了输出转矩不平滑。此时，直接进行ASC(active short circuit-主动短路)的dq轴初始电流分别为Id0＝-150A、Iq0＝30A，电机转速为12000rpm，参考图1为ASC阶段dq轴电流波形，图2为ASC阶段转矩波形，图3为ASC阶段相电流波形，在0.2s时执行ASC操作电流、转矩波形及相电流波形的幅值均激增，波形产生了剧烈震荡)。
相关技术中，如专利CN 108964572A通过两个控制阶段进行过渡，在过渡阶段中，通过检测短路电流，来调整功率器件的开关状态，从而减小电流短路的暂态过渡过程，但该方法依赖硬件实现，需要额外的硬件设计及成本。专利CN 105262059A增加控制模块和逻辑保护电路，侧重于对电池电路故障的处理，而没有对主动短路瞬态过程进行优化。在专利CN107124124A中，主动短路之前，电机转速降低到第一阈值转速内，避免开关管反向耐压过高；电机转速降低到第二阈值转速内进行关管处理，此方法可以达到高速和低速时小转矩制动的目的，但是没有涉及到主动短路瞬间产生大的冲击电流的问题。在专利CN109905068A中，先控制dq轴给定电流调整为特征电流和0，dq轴电流值控制到给定电流值附近时，然后进行主动短路，三相电流就没有冲击电流。但是此方案有局限性，当位置传感器、电流传感器、电压传感器、驱动及功率器件故障失效时候，就不能进行电流控制，ASC之前dq轴电流不能控制到特征电流和0，抑制ASC冲击电流策略就失效了。
发明内容
本发明提供一种电机控制器主动短路控制方法、装置及电机控制器，以解决现有的电机控制器主动短路时所存在的未优化主动短路瞬态过程及容易受到相关器件影响而失效的问题。
根据本发明的第一方面，提供了一种电机控制器主动短路控制方法，电机控制器检测到故障发生时，执行以下操作：
在预设时间段内，控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0；
当所述d轴电压、q轴电压变化到0后，进行主动短路操作。
可选的，控制d轴电压、q轴电压按照等步长变化到0。
可选的，所述预设时间段表示为T，在预设时间段T内第t个时刻的d轴电压Ud(t)、q轴电压Uq(t)按照等步长变化到0的电压表达式为：
Figure BDA0003662776110000021
其中，Ud0为初始时刻d轴电压，Uq0为初始时刻q轴电压。
可选的，主动短路操作时，需要电机电角速度ωe的值比角速度预设值大，电机d轴电感Ld、q轴电感Lq、电机电阻R的值比对应的预设值小，则有t时刻系统响应的时域解为：
Figure BDA0003662776110000031
其中，
Figure BDA0003662776110000032
为系统初始状态；
Figure BDA0003662776110000033
φ(t)为状态转移矩阵，τ∈[0,t]，U(τ)为变量τ对应的控制输入矩阵；
ψf为电机磁链；Id0为初始时刻的d轴电流，Iq0为初始时刻的q轴电流。
可选的，当d轴电压、q轴电压变化到0后，d轴电流、q轴电流分别表示为稳态电流Id(∞)、Iq(∞)，其值分别为：
Figure BDA0003662776110000034
Figure BDA0003662776110000035
可选的，所述电机控制器产生与所述d轴电压、q轴电压逐渐变化到0过程所对应的PWM波，以控制电机定子三相电流对应的功率开关管的通断。
根据本发明的第二方面，提供了一种电机控制器主动短路控制装置，包括：
电压调整模块，用于在电机控制器检测到故障发生时，在预设时间段内，控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0；
主动短路启动模块，用于在所述d轴电压、q轴电压变化到0后，进行主动短路操作。
可选的，所述电压调整模块在电机控制器检测到故障发生时，控制所述d轴电压、q轴电压按照等步长变化到0。
根据本发明的第三方面，提供了一种电机控制器，用于控制电机，包括上述的电机控制器主动短路控制装置。
可选的，所述电机控制器产生与所述d轴电压、q轴电压逐渐变化到0过程所对应的PWM波，以控制电机定子三相电流对应的功率开关管的通断。
本发明提供的电机控制器主动短路控制方法、装置及电机控制器通过在执行主动短路前将d轴电压、q轴电压逐步调整变化到0，使得主动短路阶段相电流没有较大的瞬态冲击电流，不会损坏硬件功率器件；并且该方法在主动短路阶段d轴没有较大的弱磁电流，不会使永磁体磁钢失磁；此外，主动短路阶段输出转矩不会在正负之间大幅值震荡，输出转矩平滑。
同时，本发明方法可以直接通过电机控制器的软件实现，过程简单，不需要额外的硬件方面的投入。
最后，由于该方法由软件装置进行实现，因此，在当电流传感器失效故障时候，主动短路控制方法仍能实现。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有方法进行主动短路的dq轴电流波形；
图2是现有方法主动短路阶段转矩波形；
图3是现有方法主动短路阶段相电流波形；
图4是本发明方法流程图；
图5是本发明方法进行主动短路的dq轴电流波形；
图6是本发明方法主动短路阶段转矩波形；
图7是本发明方法主动短路阶段相电流波形。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
参考图4所示，本发明提供了一种电机控制器主动短路控制方法，该方法在电机控制器检测到故障发生时，执行以下操作：
在预设时间段内，控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0；
当d轴电压、q轴电压变化到0后，进行主动短路操作。
这种逐渐调整d轴电压、q轴电压到0后，再执行主动短路操作的方式使得主动短路阶段相电流不会产生较大的瞬态冲击电流，因此不会损坏硬件功率器件；并且由于主动短路阶段d轴没有较大的弱磁电流，也不会使永磁体磁钢失磁；此外，主动短路阶段的输出转矩不会在正负之间大幅值震荡，输出转矩较为平滑；特别是当电流传感器失效故障时候，该ASC控制策略还能实现。
在优选实施例中，在预设时间段内，控制d轴电压、q轴电压按照等步长变化到0。等步长变化到0的方式简单，易于通过电机控制器的软件进行设置实现。具体地，预设时间段表示为T，在预设时间段T内第t个时刻的d轴电压Ud(t)、q轴电压Uq(t)按照等步长变化到0的电压表达式为：
Figure BDA0003662776110000051
其中，Ud0为初始时刻d轴电压，Uq0为初始时刻q轴电压。
在其他变形实施例中，控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0的过程也可以根据需要设置为其他变化形式，例如，先快速调低电压值至预设值后再缓慢调整电压值至0，又或者，先缓慢调低电压值至预设值后再快速调整电压值至0。当然，本领域的技术人员也可以根据需要采用其他的逐渐调整d轴电压、q轴电压变化到0的具体过程。这种逐渐调低d轴电压、q轴电压变化到0的过程均可以实现有效地降低dq轴电流、转矩及相电流突变幅度的效果。
在具体实施例中，永磁同步电机在dq轴下状态方程表示为：
Figure BDA0003662776110000061
公式(1)中，
Figure BDA0003662776110000062
Figure BDA0003662776110000063
其中，ψf为电机磁链。
当上桥臂主动短路或者下桥臂主动短路时候，对应的零向量为U7(111)、U0(000)。
主动短路时候Uα＝Uβ＝0，由Park变换得到：
Ud＝Uαcosθ+Uβsinθ＝0,Uq＝-Uαsinθ+Uβcosθ＝0。
由于Ud＝0,Uq＝0，所以主动短路时候，系统状态方程中控制输入U为：
Figure BDA0003662776110000064
所以主动短路时候，系统处于初始状态为X(0)在控制作用U(t)下的时域响应。系统响应的解为：
Figure BDA0003662776110000065
主动短路时候，初始时刻的d轴电流为Id0、初始时刻的q轴电流为Iq0，即初始状态为：
Figure BDA0003662776110000071
则有系统响应的时域解为：
Figure BDA0003662776110000072
其中，
Figure BDA0003662776110000073
φ(t)为状态转移矩阵，τ∈[0,t]，U(τ)为变量τ对应的控制输入矩阵。由于主动短路操作时候，需要电机电角速度ωe值相对较大(比角速度预设值大，该预设值根据主动短路操作需要进行设定)，电机d轴电感Ld、q轴电感Lq、电机电阻R的值相对较小(比对应的预设值小，该对应的预设值根据主动短路操作需要进行设定)，另外实际操作中电机电角速度ωe值一般为几千，而λ的取值一般为几十，因而公式(5)可以简化为：
Figure BDA0003662776110000074
由公式(5-2)的dq轴电流时域表达式可以看出，dq轴电流由直流分量和幅值呈指数衰减的三角函数叠加而成。当三角函数幅值趋近于零时候，即当d轴电压、q轴电压变化到0后，此时dq轴电流趋于稳定，稳态值为直流定值。dq轴稳态电流分别为：
Figure BDA0003662776110000081
Figure BDA0003662776110000082
由dq轴电流时域表达式(5-2)可以看出，过渡阶段dq轴电流在稳态电流上下大幅度震荡，这是导致三相冲击电流的根本原因，同时也是d轴产生较大弱磁电流的原因。所以ASC过渡阶段，dq轴电流在稳态电流附近震荡幅值较小时，三相冲击电流强度会减小。
由永磁同步电机dq轴下的方程可以看出，当dq轴电流为稳态电流时候，Ud＝Uq≈0。所以当电机控制器检测到严重故障发生时，进行电压开环控制，此时dq轴电压不能阶跃为0，否则三相电流会产生冲击电流。因此，在dq轴电压由初始电压值Ud0和Uq0，在时间T内，按照等步长变化到0，可以有效地避免冲击电流的产生。所以dq轴给定电压表达式为：
Figure BDA0003662776110000083
当dq轴给定电压变化到0时，进行ASC主动短路操作。这种方式即可有效地避免冲击电流的产生。
在采用上述的电机控制器主动短路控制方法的仿真实验中，初始电流为Id0＝-150A，Iq0＝30A电机转速为12000rpm。在检测在电机控制器检测到故障发生时，控制dq轴给定电压逐渐变化到0时，进行ASC主动短路操作。参考图5所示，采用上述的电机控制器主动短路控制方法后执行ASC控制阶段的dq轴电流波形幅值并未产生激增，dq轴电流在ASC开始后逐渐缓慢变化至稳定状态。同样地，参考图6所示，采用上述的电机控制器主动短路控制方法后执行ASC控制阶段的转矩波形幅值也是逐渐缓慢变化至稳定状态。参考图7所示，采用上述的电机控制器主动短路控制方法后执行ASC控制阶段的三相相电流波形的幅值也是逐渐增加至稳定状态。下表1为采用上述的电机控制器主动短路控制方法进行ASC主动短路控制策略前、后：Id、Iq峰值电流值，转矩峰值，相电流冲击电流峰值，及其降低的百分比。具体数值如表1所示。
表1ASC主动短路控制策略前、后对比数据
ASC主动短路控制策略应用前 ASC主动短路控制策略应用后 数值降低百分比
d轴电流峰值-931.1A d轴电流峰值-556.5A 40.23％
q轴电流峰值-184.2A q轴电流峰值-13.2A 92.83％
转矩峰值-140.1Nm 转矩峰值-9.3Nm 93.36％
相电流冲击电流峰值928.2A 相电流冲击电流峰值555.1A 40.2％
由图5-7及表1所示，可以看出，采用上述的电机控制器主动短路控制方法后，主动短路阶段相电流没有较大的瞬态冲击电流，主动短路阶段d轴没有较大的弱磁电流，主动短路阶段输出转矩不会在正负之间大幅值震荡，输出转矩平滑。
在另一优选实施例中，该电机控制器主动短路控制方法中的电机控制器产生与d轴电压、q轴电压逐渐变化到0过程所对应的PWM波，以控制电机定子三相电流对应的功率开关管的通断。
本发明还提供了一种电机控制器主动短路控制装置，包括：
电压调整模块，用于在电机控制器检测到故障发生时，在预设时间段内，控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0；
主动短路启动模块，用于在d轴电压、q轴电压变化到0后，进行主动短路操作。
其中，电压调整模块在电机控制器检测到故障发生时，控制所述d轴电压、q轴电压按照等步长变化到0。同理，在其他变形实施例中，电机控制器主动短路控制装置在控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0的过程也可以根据需要设置为其他变化形式，例如，先快速调低电压值至预设值后再缓慢调整电压值至0，又或者，先缓慢调低电压值至预设值后再快速调整电压值至0。当然，本领域的技术人员也可以根据需要采用其他的逐渐调整d轴电压、q轴电压变化到0的具体过程。
本发明还提供了一种电机控制器，用于控制电机，包括上面所述的电机控制器主动短路控制装置。此外，电机控制器产生与d轴电压、q轴电压逐渐变化到0过程所对应的PWM波，以控制电机定子三相电流对应的功率开关管的通断。
综上所述，本发明提供的电机控制器主动短路控制方法、装置及电机控制器通过在执行主动短路前将d轴电压、q轴电压逐步调整变化到0，使得主动短路阶段相电流没有较大的瞬态冲击电流，不会损坏硬件功率器件；并且该方法在主动短路阶段d轴没有较大的弱磁电流，不会使永磁体磁钢失磁；此外，主动短路阶段输出转矩不会在正负之间大幅值震荡，输出转矩平滑。
同时，该方法可以直接通过电机控制器的软件实现，过程简单，不需要额外的硬件方面的投入。
最后，由于该方法由软件装置进行实现，因此，在当电流传感器失效故障时候，主动短路控制方法仍能实现。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种电机控制器主动短路控制方法，其特征在于，电机控制器检测到故障发生时，执行以下操作：
在预设时间段内，控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0；
当所述d轴电压、q轴电压变化到0后，进行主动短路操作。
2.根据权利要求1所述的电机控制器主动短路控制方法，其特征在于，控制d轴电压、q轴电压按照等步长变化到0。
3.根据权利要求2所述的电机控制器主动短路控制方法，其特征在于，所述预设时间段表示为T，在预设时间段T内第t个时刻的d轴电压Ud(t)、q轴电压Uq(t)按照等步长变化到0的电压表达式为：
Figure FDA0003662776100000011
其中，Ud0为初始时刻d轴电压，Uq0为初始时刻q轴电压。
4.根据权利要求1所述的电机控制器主动短路控制方法，其特征在于，主动短路操作时，需要电机电角速度ωe的值比角速度预设值大，电机d轴电感Ld、q轴电感Lq、电机电阻R的值比对应的预设值小，则有t时刻系统响应的时域解为：
Figure FDA0003662776100000012
其中，
Figure FDA0003662776100000013
Figure FDA0003662776100000014
为系统初始状态；
Figure FDA0003662776100000015
φ(t)为状态转移矩阵，τ∈[0,t]，U(τ)为变量τ对应的控制输入矩阵；
ψf为电机磁链；Id0为初始时刻的d轴电流，Iq0为初始时刻的q轴电流。
5.根据权利要求4所述的电机控制器主动短路控制方法，其特征在于，当d轴电压、q轴电压变化到0后，d轴电流、q轴电流分别表示为稳态电流Id(∞)、Iq(∞)，其值分别为：
Figure FDA0003662776100000021
Figure FDA0003662776100000022
6.根据权利要求1所述的电机控制器主动短路控制方法，其特征在于，所述电机控制器产生与所述d轴电压、q轴电压逐渐变化到0过程所对应的PWM波，以控制电机定子三相电流对应的功率开关管的通断。
7.一种电机控制器主动短路控制装置，其特征在于，包括：
电压调整模块，用于在电机控制器检测到故障发生时，在预设时间段内，控制d轴电压、q轴电压逐渐变化到0；
主动短路启动模块，用于在所述d轴电压、q轴电压变化到0后，进行主动短路操作。
8.根据权利要求7所述的电机控制器主动短路控制装置，其特征在于，所述电压调整模块在电机控制器检测到故障发生时，控制所述d轴电压、q轴电压按照等步长变化到0。
9.一种电机控制器，其特征在于，用于控制电机，包括权利要求7或8所述的电机控制器主动短路控制装置。
10.根据权利要求9所述的电机控制器，其特征在于，所述电机控制器产生与所述d轴电压、q轴电压逐渐变化到0过程所对应的PWM波，以控制电机定子三相电流对应的功率开关管的通断。
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