CN112787568A - 一种用于电机主动短路控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于电机主动短路控制的方法，该方法在电机主动短路时能够抑制暂态电流，该方法的具体步骤为：a、当电机需要进入安全状态时，电机控制器记录电机在当前时刻的转子位置角θi，并计算反电动势线电压；b、计算电机在下一时刻的反电动势线电压；c、通过判断任意两相的反电动势线电压处于波峰或波谷时，先进行两相短路，剩余第三相为开路相并进入步骤d；否则回到步骤a；d、计算电机的开路相在当前时刻的反电动势相电压；e、计算电机的开路相在下一时刻的反电动势线电压；f、通过判断开路相的反电动势相电压处于波峰或波谷时，对开路相进行短路；否则回到步骤d。本发明的方法通过判断反电动势线电压在波峰或波谷时刻进行短路。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车控制技术领域，尤其涉及电动汽车的电机控制技术，具体地说是一种用于电机主动短路控制的方法。
背景技术
电动汽车(纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车等)的驱动电机大部分采用永磁同步电机，以追求更高的效率、能量密度和可靠性。
当车辆行驶过程中，若整车系统出现严重不可控故障时(例如电池过温、控制器自身器件失效等)，控制器需要立即停止对永磁电机的控制。如果故障前，车辆正在行驶过程中，永磁电机处于高速旋转状态，停机后失去控制的高速永磁电机，其转子上的永磁体就会在电机三相端产生过高的反电动势电压，如图1所示的Ea、Eb、Ec。该反电动势电压与电机转速成正比，也即故障前车速越高，电机转速越大，则反电动势电压也越高。
过高的反电动势电压，会通过控制器内部的功率器件反并联二极管D1～D6不控整流，对控制器内的直流电容进行充电，并对产生一个失控的制动转矩，该制动转矩会危害到车辆的操控，增加翻车危险。同时反电动势整流到控制器内的直流电容C1上，会冲高直流电容的电压，损坏控制器内部的功率器件，甚至引起电池包爆炸，产生不可控的安全隐患。
从安全角度考虑，为抑制永磁电机高速停机后过高的反电动势电压，停机后应该让电机进入主动短路状态。例如闭合控制器下部功率器件S2/S4/S6，使得电机的三相电压短接在直流负极，反电动势就只作用在电机内部的三相绕组上，产生短路电流，而且短路电流只在电机内部绕组和功率器件的下管中存在，不会流到直流电容C1或电池上，不影响后级直流侧的安全。同理，也可以闭合控制器上部功率器件S1/S3/S5，使得电机的三相输出端短接在直流正极。将电机短接到电池正极或负极，其效果没有差别，实际应用中可以根据控制器的上管S1/S3/S5还是下管S2/S4/S6的故障状态来决定。
如果故障后，立即直接将电机三相同时短路，则电机内部绕组L1～L3上的电流，会经历从暂态到稳态的过渡过程。其中稳态电流受电机设计参数的影响，属于不可控因素；而暂态电流则受短路前电流幅值、短路时刻、短路方式的影响，属于可控因素。
稳态和暂态电流的叠加，会产生较大的电流冲击，如图2所示。过大的冲击电流会损坏控制器功率器件，同时会让永磁电机磁钢失磁，造成不可恢复的损坏，达不到安全停机的初衷。
为了尽量减小短路造成暂态危害，CN109905068A中，完全短路前先控制电机的dq轴给定电流调整为特征电流，以在主动短路动作前将电机输出转矩降为0，并且确保主动短路动作时不会产生过大的冲击电流；再在电机的dq轴给定电流已经调整为特征电流后，进行完全的短路。
另外在CN 108964572 A中，通过两段控制阶段进行过渡，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。
这些方法本质都是在完全短路前，通过控制器的控制策略，来驱动功率器件反复开关，达到控制暂态电流的目的。这些方法需要严重依赖电流传感器、转速位置传感器，且得保证功率器件的驱动电路处于的良好工作状态。主动短路的初衷是在车辆系统发生失效后，采用简单可靠的方式快速进入安全状态。在失效后，如果控制器本身还能进行复杂的控制策略，就没必要进行主动短路了。
综上，现有技术均太复杂，安全短路前所需的步骤太多。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种用于电机主动短路控制的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：该方法在电机主动短路时能够抑制暂态电流，该方法的具体步骤为：
a、当电机需要进入安全状态时，电机控制器记录电机在当前时刻的转子位置角θi，并计算电机在当前时刻的反电动势线电压；
b、电机控制器计算电机在下一时刻的转子位置角θi+1，并根据θi+1计算电机在下一时刻的反电动势线电压；
c、在步骤a和步骤b的基础上，通过判断任意两相的反电动势线电压处于波峰或波谷时，先进行两相短路，剩余第三相为开路相并进入步骤d；否则回到步骤a；
d、电机控制器记录电机在当前时刻的转子位置角θi，并计算电机的开路相在当前时刻的反电动势相电压；
e、电机控制器计算电机在下一时刻的转子位置角θi+1，并根据θi+1计算电机的开路相在下一时刻的反电动势相电压；
f、在步骤d和步骤e的基础上，通过判断开路相的反电动势相电压处于波峰或波谷时，对开路相进行短路；否则回到步骤d。
所述步骤a中的电机在当前时刻的反电动势线电压为：
式(1)中，UAB(i)表示当前时刻的AB相反电动势线电压；UBC(i)表示当前时刻的BC相反电动势线电压；UCA(i)表示当前时刻的CA相反电动势线电压；UL表示线电压幅值；90°表示反电动势相电压领先转子位置角θi的度数；表示；30°表示反电动势线电压落后反电动势相电压的度数。
所述步骤b和步骤e中的电机在下一时刻的转子位置角θi+1与所述步骤a和步骤d中的电机在当前时刻的转子位置角θi的相互关系为：θi+1＝2θi-θi-1，式中θi-1为上一时刻转子位置角。
所述步骤b中的电机在下一时刻的反电动势线电压为：
式(2)中，UAB(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压；UBC(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压；UCA(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压。
所述步骤c中的两相短路的判定条件具体为：
若UAB(i-1)≤UAB(i)≤UAB(i+1)，则AB相反电动势线电压为波峰，AB相满足短路条件；
或者若UAB(i-1)≥UAB(i)≥UAB(i+1)，则AB相反电动势线电压为波谷，AB相满足短路条件；
或者若UBC(i-1)≤UBC(i)≤UBC(i+1)，则BC相反电动势线电压为波峰，BC相满足短路条件；
或者若UBC(i-1)≥UBC(i)≥UBC(i+1)，则BC相反电动势线电压为波谷，BC相满足短路条件；
或者若UCA(i-1)≤UCA(i)≤UCA(i+1)，则CA相反电动势线电压为波峰，CA相满足短路条件；
或者若UCA(i-1)≥UCA(i)≥UCA(i+1)，则CA相反电动势线电压为波谷，CA相满足短路条件。
所述步骤d中的电机的开路相在当前时刻的反电动势相电压为：
U开(i)＝UPcos(θi+90°+120°) (3)
式(3)中，U开(i)表示当前时刻的开路相反电动势相电压；UP表示相电压幅值；90°表示反电动势相电压领先转子位置角θi的度数；120°表示开路相相电压领先120°。
所述步骤e中的电机的开路相在下一时刻的反电动势相电压为：
U开(i+1)＝UPcos(θi+1+90°+120°) (4)
式(4)中，U开(i+1)表示下一时刻的开路相反电动势相电压。
所述步骤f中的开路相进行短路的判定条件具体为：
若U开(i-1)≤U开(i)≤U开(i+1)，则开路相反电动势相电压为波峰，开路相满足短路条件；
或者若U开(i-1)≥U开(i)≥U开(i+1)，则开路相反电动势相电压为波峰，开路相满足短路条件。
本发明相比现有技术有如下优点：
本发明的提出了一种电机主动短路时能够抑制暂态电流的控制方法，电机控制器通过电机的转子位置角来计算反电动势的相位，通过判断反电动势线电压，在波峰或波谷时刻先进行两相短路；当第三相反电动势相电压在波峰或波谷时，再进行三相短路。
本发明根据当前周期的转子位置角θi计算当前周期的反电动势和下一周期的转子位置角θi+1，然后根据下一周期的转子位置角θi+1计算下一周期的反电动势，结合当前周期和上一周期的反电动势计算值，判断电压处于波峰或波谷。
本发明的方法进行短路决策所需要的外界条件少、可靠性高，短路决策过程简单、计算量少，便于电机控制器在驱动系统紧急故障的情况下快速响应，提高系统的安全性。
本发明的方法能快速的让电机系统进入稳态短路状态，而且避免了短路过程中造成的暂态电流，从而能保护控制器在短路过程中造成二次故障。
附图说明
附图1为现有技术中的电动汽车的电机控制系统示意图；
附图2为电动汽车的电机直接短路造成的暂态电流过冲模拟曲线图；
附图3为本发明采用的单相短路状态示意图；
附图4为本发明的反电动势的瞬时角度为90°时短路状态下的反电动势电压和短路电流的模拟曲线图；
附图5为本发明的反电动势的瞬时角度为270°时短路状态下的反电动势电压和短路电流的模拟曲线图；
附图6为本发明的反电动势的瞬时角度为180°时短路状态下的反电动势电压和短路电流的模拟曲线图；
附图7为本发明的反电动势的瞬时角度为0°时短路状态下的反电动势电压和短路电流的模拟曲线图；
附图8为本发明的用于电机主动短路控制的方法的短路流程图；
附图9为按照本发明提供的用于电机主动短路控制的方法实施时的短路电流模拟曲线图。
具体实施方式
下面首先说明本发明提供的用于电机主动短路控制的方法所采用的控制原理。
如图3所示，对永磁电机主动短路的本质，就是通过一个开关Sw，在t0时刻把交流电源E短接到一个电感L上，E为电机的反电动势、L为电机内部绕组、Sw为电机控制器内部的功率器件。永磁电机的反电动势随时间t的变化为E(t-t0)＝ωφcos(ω(t-t0)+θE0)，其中ω为电机转子旋转角速度，θE0为t0时刻反电动势的瞬时角度，φ为永磁电机磁链。
根据电路原理，短路后的电流表达式为：
式(5)中的
为稳态交流分量表达式，其幅值只跟电机参数有关；式中的
为暂态直流分量表达式，其幅值不仅跟电机参数有关，更主要和短路时刻反电动势的瞬时角度θE0有关。若要暂态分量尽可能小，让短路电流直接进入稳态，只需要在θE0为0°或180°时，也即反电动势为最大或最小值时进行短路。
图4-图7中分别画出了不同短路时刻的反电动势电压和短路电流的模拟曲线图，能够看到如果在反电动势最大或最小时刻短路，电流立即进入了稳态，没有暂态电流；如果在反电动势过零点附近短路，电流的暂态分量会很大。
由于三相电机的短路逻辑与单相原理类似。但三相电机没有统一的角度，故需要先短路两相，再短路三相。
下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。
如图8-9所示：一种用于电机主动短路控制的方法，具体包括如下步骤：
a、当车辆需要进入安全状态时，电机控制器记录电机在当前时刻的转子位置角θi；
b、电机控制器计算电机在当前时刻的反电动势线电压：
式(1)中，UAB(i)表示当前时刻的AB相反电动势线电压；UBC(i)表示当前时刻的BC相反电动势线电压；UCA(i)表示当前时刻的CA相反电动势线电压；UL表示线电压幅值；90°表示反电动势相电压领先转子位置角θi的度数；表示；30°表示反电动势线电压落后反电动势相电压的度数；
c、电机控制器计算电机在下一时刻的转子位置角θi+1，θi+1＝2θi-θi-1，式中θi-1为上一时刻转子位置角；
d、电机控制器计算电机在下一时刻的反电动势线电压：
式(2)中，UAB(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压；UBC(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压；UCA(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压；
e、判断当前是否有满足两相短路的条件：
若UAB(i-1)≤UAB(i)≤UAB(i+1)，则AB相反电动势线电压为波峰，AB相满足短路条件；
或者若UAB(i-1)≥UAB(i)≥UAB(i+1)，则AB相反电动势线电压为波谷，AB相满足短路条件；
或者若UBC(i-1)≤UBC(i)≤UBC(i+1)，则BC相反电动势线电压为波峰，BC相满足短路条件；
或者若UBC(i-1)≥UBC(i)≥UBC(i+1)，则BC相反电动势线电压为波谷，BC相满足短路条件；
或者若UCA(i-1)≤UCA(i)≤UCA(i+1)，则CA相反电动势线电压为波峰，CA相满足短路条件；
或者若UCA(i-1)≥UCA(i)≥UCA(i+1)，则CA相反电动势线电压为波谷，CA相满足短路条件；
f、将满足条件的两相进行短路，剩余第三相为开路相并进入步骤g；否则回到步骤a并重复步骤a～步骤f；
例如：如果AB相满足短路条件，则短路AB相，C相仍开路；如果BC相满足短路条件，则短路BC相，A相仍开路；如果CA相满足短路条件，则短路CA相，B相仍开路；
下面步骤以已经短路AB相为例：
g、电机控制器计算电机的C相在当前时刻的反电动势相电压：
UC(i)＝UPcos(θi+90°+120°) (3)
式(3)中，UC(i)表示当前时刻的C相反电动势相电压；UP表示相电压幅值；90°表示反电动势相电压领先转子位置角θi的度数；120°表示C相相电压领先120°。
h、电机控制器计算电机的C相在下一时刻的反电动势相电压：
UC(i+1)＝UPcos(θi+1+90°+120°) (4)
式(4)中，UC(i+1)表示下一时刻的C相反电动势相电压；
i、判断当前是否有满足三相短路的条件：
若U开(i-1)≤U开(i)≤U开(i+1)，则C相反电动势相电压为波峰，C相满足短路条件；
或者若U开(i-1)≥U开(i)≥U开(i+1)，则C相反电动势相电压为波峰，C相满足短路条件；
若上述两个条件皆不满足，则回到步骤g并重复步骤g～步骤i；
j、将ABC三相均短路，完成短路过程。
通过图9能够看到，从两相短路到三相短路过程中，电流没有暂态过程超限。
本发明的方法进行短路决策所需要的外界条件少、可靠性高，短路决策过程简单、计算量少，便于电机控制器在驱动系统紧急故障的情况下快速响应，提高系统的安全性；而且能快速的让电机系统进入稳态短路状态，避免了短路过程中造成的暂态电流，从而能保护控制器在短路过程中造成二次故障。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。
Claims (8)
1.一种用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：该方法在电机主动短路时能够抑制暂态电流，该方法的具体步骤为：
a、当电机需要进入安全状态时，电机控制器记录电机在当前时刻的转子位置角θi，并计算电机在当前时刻的反电动势线电压；
b、电机控制器计算电机在下一时刻的转子位置角θi+1，并根据θi+1计算电机在下一时刻的反电动势线电压；
c、在步骤a和步骤b的基础上，通过判断任意两相的反电动势线电压处于波峰或波谷时，先进行两相短路，剩余第三相为开路相并进入步骤d；否则回到步骤a；
d、电机控制器记录电机在当前时刻的转子位置角θi，并计算电机的开路相在当前时刻的反电动势相电压；
e、电机控制器计算电机在下一时刻的转子位置角θi+1，并根据θi+1计算电机的开路相在下一时刻的反电动势相电压；
f、在步骤d和步骤e的基础上，通过判断开路相的反电动势相电压处于波峰或波谷时，对开路相进行短路；否则回到步骤d。
2.根据权利要求1所述的用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：所述步骤a中的电机在当前时刻的反电动势线电压为：
式(1)中，UAB(i)表示当前时刻的AB相反电动势线电压；UBC(i)表示当前时刻的BC相反电动势线电压；UCA(i)表示当前时刻的CA相反电动势线电压；UL表示线电压幅值；90°表示反电动势相电压领先转子位置角θi的度数；表示；30°表示反电动势线电压落后反电动势相电压的度数。
3.根据权利要求2所述的用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：所述步骤b和步骤e中的电机在下一时刻的转子位置角θi+1与所述步骤a和步骤d中的电机在当前时刻的转子位置角θi的相互关系为：θi+1＝2θi-θi-1，式中θi-1为上一时刻转子位置角。
4.根据权利要求3所述的用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：所述步骤b中的电机在下一时刻的反电动势线电压为：
式(2)中，UAB(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压；UBC(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压；UCA(i+1)表示下一时刻的AB相反电动势线电压。
5.根据权利要求4所述的用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：所述步骤c中的两相短路的判定条件具体为：
若UAB(i-1)≤UAB(i)≤UAB(i+1)，则AB相反电动势线电压为波峰，AB相满足短路条件；
或者若UAB(i-1)≥UAB(i)≥UAB(i+1)，则AB相反电动势线电压为波谷，AB相满足短路条件；
或者若UBC(i-1)≤UBC(i)≤UBC(i+1)，则BC相反电动势线电压为波峰，BC相满足短路条件；
或者若UBC(i-1)≥UBC(i)≥UBC(i+1)，则BC相反电动势线电压为波谷，BC相满足短路条件；
或者若UCA(i-1)≤UCA(i)≤UCA(i+1)，则CA相反电动势线电压为波峰，CA相满足短路条件；
或者若UCA(i-1)≥UCA(i)≥UCA(i+1)，则CA相反电动势线电压为波谷，CA相满足短路条件。
6.根据权利要求1所述的用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：所述步骤d中的电机的开路相在当前时刻的反电动势相电压为：
U开(i)＝UPcos(θi+90°+120°) (3)
式(3)中，U开(i)表示当前时刻的开路相反电动势相电压；UP表示相电压幅值；90°表示反电动势相电压领先转子位置角θi的度数；120°表示开路相相电压领先120°。
7.根据权利要求6所述的用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：所述步骤e中的电机的开路相在下一时刻的反电动势相电压为：
U开(i+1)＝UPcos(θi+1+90°+120°) (4)
式(4)中，U开(i+1)表示下一时刻的开路相反电动势相电压。
8.根据权利要求7所述的用于电机主动短路控制的方法，其特征在于：所述步骤f中的开路相进行短路的判定条件具体为：
若U开(i-1)≤U开(i)≤U开(i+1)，则开路相反电动势相电压为波峰，开路相满足短路条件；
或者若U开(i-1)≥U开(i)≥U开(i+1)，则开路相反电动势相电压为波峰，开路相满足短路条件。
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