專利名稱：一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源汽車的動(dòng)力裝置領(lǐng)域以及永磁電機(jī)的控制領(lǐng)域，具體涉及一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法。
背景技術(shù)：
隨著新能源汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，純電動(dòng)汽車技術(shù)的研發(fā)焦點(diǎn)已經(jīng)逐漸集中在電池、電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)這三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域上。目前，純電動(dòng)汽車用電動(dòng)機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī) (DCM)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(IM)、永磁同步電動(dòng)機(jī)(BLDC和PMSM)和開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)(SRM) 5類。有別于其他領(lǐng)域使用的牽引系統(tǒng)，為了使電動(dòng)汽車滿足爬坡、駐坡啟動(dòng)和加速需要，牽引系統(tǒng)應(yīng)能提供足夠大的峰值轉(zhuǎn)矩。經(jīng)過比較，永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩密度最高，效率最高，而且控制更簡單，成本也相對(duì)低廉，因此成為了電動(dòng)車輛市場上的主流牽引系統(tǒng)電機(jī)。永磁同步電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)有別于其他電機(jī)控制系統(tǒng)，它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主體是三相六橋驅(qū)動(dòng)電路，它通過高頻脈寬調(diào)制波形來控制任意時(shí)刻中三相六橋驅(qū)動(dòng)電路中的不同半橋的上下半橋場效應(yīng)管的導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子中任意兩相或三相繞組的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)電磁能量轉(zhuǎn)換，來牽引永磁體材料的轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。在國家電動(dòng)汽車的人體觸電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)以及電動(dòng)車自身體積的限制下，純電動(dòng)乘用車、純電動(dòng)微型卡車等系統(tǒng)中均采用的是低壓大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一般電池組電壓小于等于 72伏，系統(tǒng)總功率大于10千瓦，這就意味著用來驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率場效應(yīng)管的額定電流至少將會(huì)大于300安培，帶載啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的峰值電流將會(huì)大于 600安培，這意味著在低壓大功率電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，三相六橋電路中的各個(gè)橋臂功率管所受的電流應(yīng)力是非常大的，由于當(dāng)前電子半導(dǎo)體技術(shù)的限制，目前普遍采用了 MOS或者IGBT等功率器件并聯(lián)技術(shù)，這種技術(shù)雖然減輕了各個(gè)橋臂的電流應(yīng)力，但增加了諸多的不穩(wěn)定因素，單個(gè)橋臂中每個(gè)MOS或者IGBT等功率器件受到的電流應(yīng)力不會(huì)是絕對(duì)的均衡，電流應(yīng)力大的功率器件溫升必然會(huì)高于整體功率器件的平均溫升， 從而提高整體驅(qū)動(dòng)電路的溫升。并且有別于工業(yè)及民用領(lǐng)域應(yīng)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電動(dòng)汽車的使用工況非常復(fù)雜，除了過載頻繁啟動(dòng)，強(qiáng)化路面的考驗(yàn)，還需要經(jīng)歷各種惡劣氣候環(huán)境的考驗(yàn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電子元器件除了大電流過溫條件下所帶來的持續(xù)惡性損耗，還會(huì)遭遇高溫、潮濕進(jìn)水等隱患，由于永磁同步電機(jī)的三相定子繞組是通過Y型接法連接在電機(jī)中性點(diǎn)上的，在電動(dòng)汽車控制器運(yùn)行過程中，上述任何一種情況的發(fā)生，都將導(dǎo)致控制器受到過流，過壓，欠壓，相間短路，過溫等故障的影響，這勢(shì)必會(huì)引起電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中電子元器件的損壞，其中包括儲(chǔ)能電容、功率場效應(yīng)管等重要零部件，對(duì)于低壓大功率無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的半橋并聯(lián)驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管造成致命的傷害，造成批量MOS或者IGBT等功率器件損毀，嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車的運(yùn)行穩(wěn)定性和可維護(hù)性。然而目前常用的永磁電機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)控制方法是通過微處理器對(duì)母線電流及相線電流采樣從而對(duì)電流采取閉環(huán)控制的方法，僅限于控制功率場效應(yīng)管內(nèi)流過的平均電流來防止其超過其本身的額定電流指標(biāo)，無法對(duì)直流母線電壓、驅(qū)動(dòng)電壓、瞬時(shí)尖峰電流以及溫度等其他重要性能參數(shù)進(jìn)行全面考慮，來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)持續(xù)性損耗和實(shí)現(xiàn)其對(duì)上述一些致命傷害情況發(fā)生時(shí)的預(yù)防和全面保護(hù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法，它能使大功率電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)避免大電流及惡劣工況條件下帶來的持續(xù)損耗與致命的傷害。為了解決背景技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案它的控制方法為 將對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平均電流、溫度、母線電壓以及峰值電流的在安全范圍內(nèi)的控制理論引入電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)領(lǐng)域，建立了集成數(shù)字信號(hào)處理器與技術(shù)模擬電子技術(shù)的專用模塊，在電機(jī)控制器通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度的PID控制閉環(huán)計(jì)算所得出對(duì)驅(qū)動(dòng)功率器件下一周期脈沖調(diào)制占空比之后，通過過溫保護(hù)控制模塊采集溫度電壓信號(hào)，結(jié)合功率器件及儲(chǔ)能電容的溫度外特性曲線，計(jì)算出最大允許母線相線平均電流標(biāo)準(zhǔn)，輸入到母線、 相線最大平均電流保護(hù)控制模塊，調(diào)整輸出占空比，然后通過過壓欠壓保護(hù)控制模塊判斷后進(jìn)入到PWM輸出模塊，然后配合母線、相線峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷模塊與母線、相線峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)鎖存模塊來判斷是否需要對(duì)PWM輸出進(jìn)行逐周關(guān)斷(CBC方式)還是永久性關(guān)斷(0SH方式)。所述的過溫保護(hù)控制模塊由溫度采樣電路、AD模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與過溫保護(hù)控制算法組成，采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率器件殼溫以及儲(chǔ)能電容的外部溫度，通過臨界危險(xiǎn)溫度的判斷及時(shí)的輸出PWM關(guān)斷信號(hào)，待上述溫度恢復(fù)正常范圍后，恢復(fù)PWM輸出；并且通過臨界危險(xiǎn)溫度的判斷及時(shí)的輸出PWM關(guān)斷信號(hào)，待上述溫度恢復(fù)正常范圍后，恢復(fù)PWM輸出；并且結(jié)合電子元器件的溫度外特性曲線，計(jì)算得出安全范圍內(nèi)的功率器件允許通過的最大平均電流標(biāo)準(zhǔn)，做為母線、相線最大平均電流保護(hù)控制模塊的依據(jù)。所述的母線、相線最大平均電流保護(hù)控制模塊由直流母線電流采樣電路、UV相輸入輸出電流采樣電路、AD模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路及母線、相線最大平均電流保護(hù)控制算法組成； 通過每個(gè)PWM周期固定時(shí)刻對(duì)母線電流以及相線電流的實(shí)際平均電流信號(hào)的采集，與安全范圍下的最大平均電流標(biāo)準(zhǔn)相比較，對(duì)速度與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)輸出的調(diào)制占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，然后輸出到下一個(gè)模塊。所述的過壓欠壓保護(hù)控制模塊由直流母線電壓采樣電路、驅(qū)動(dòng)電壓欠壓采樣判斷電路、AD模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路以及過壓欠壓保護(hù)控制算法組成；通過每個(gè)PWM周期固定時(shí)刻對(duì)母線平均電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，與安全范圍下的最大電壓標(biāo)準(zhǔn)相比較，判斷此時(shí)是否需要清零占空比；通過驅(qū)動(dòng)電壓欠壓采樣判斷電路得到驅(qū)動(dòng)電壓欠壓的信號(hào)，及時(shí)清零占空比。所述的母線、相線峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷模塊由母線電流采樣電路、相線輸入輸出電流采樣電路以及峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷電路組成。其功能在于實(shí)時(shí)對(duì)直流母線電流、 相線瞬時(shí)電流的電壓信號(hào)反饋與峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如超過峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)值，則輸出限流信號(hào)(CBC)到PWM輸出模塊，觸發(fā)PWM的逐周關(guān)斷。所述的母線、相線峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)鎖存模塊由母線電流采樣電路、相線輸入輸出電流采樣電路以及峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)鎖存電路組成；實(shí)時(shí)對(duì)直流母線電流、相線瞬時(shí)電流的電壓信號(hào)反饋與峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如超過峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)值，則輸出鎖存信號(hào)(DRIVE)，觸發(fā)PWM輸出模塊的PWM信號(hào)進(jìn)行永久鎖存關(guān)斷的事件，同時(shí)鎖存信號(hào) (DRIVE)會(huì)傳送至直流母線與電動(dòng)汽車電池上的主吸合器，使主吸合器斷開，需人工復(fù)位才可解鎖。本發(fā)明通過對(duì)電動(dòng)汽車控制器對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平均電流、溫度、母線電壓、驅(qū)動(dòng)電壓以及峰值電流的在安全范圍內(nèi)的控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制工作，使大功率電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)避免大電流及惡劣工況條件下帶來的持續(xù)損耗與致命的傷害。


圖1為本發(fā)明的方法技術(shù)流程示意圖2為本發(fā)明中的過溫保護(hù)控制模塊的溫度采樣電路圖3為本發(fā)明中MOS管最大連續(xù)電流與殼溫的外特性曲線圖4為本發(fā)明中過壓欠壓保護(hù)控制模塊的直流母線電壓采樣電路圖5為本發(fā)明中過壓欠壓保護(hù)控制模塊的驅(qū)動(dòng)電壓欠壓采樣電路圖6為本發(fā)明中U相峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷電路圖7為本發(fā)明中峰值電流過流信號(hào)鎖存電路圖8為本發(fā)明中PWM信號(hào)三態(tài)門鎖存電路圖9為本發(fā)明中IRFS4010的最大連續(xù)電流與殼溫的外特性曲線圖10為本發(fā)明中最大平均電流控制效果圖11為本發(fā)明中PWM信號(hào)逐周關(guān)斷時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
參照?qǐng)D1-11，本具體實(shí)施方式
采取以下技術(shù)方案它的控制方法為將對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平均電流、溫度、母線電壓以及峰值電流的在安全范圍內(nèi)的控制理論引入電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)領(lǐng)域，建立了集成數(shù)字信號(hào)處理器與技術(shù)模擬電子技術(shù)的專用模塊，在電機(jī)控制器通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度的PID控制閉環(huán)計(jì)算所得出對(duì)驅(qū)動(dòng)功率器件下一周期脈沖調(diào)制占空比之后，通過過溫保護(hù)控制模塊采集溫度電壓信號(hào)，結(jié)合功率器件及儲(chǔ)能電容的溫度外特性曲線，計(jì)算出最大允許母線相線平均電流標(biāo)準(zhǔn)，輸入到母線、相線最大平均電流保護(hù)控制模塊，調(diào)整輸出占空比，然后通過過壓欠壓保護(hù)控制模塊判斷后進(jìn)入到PWM輸出模塊，然后配合母線、相線峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷模塊與母線、相線峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)鎖存模塊來判斷是否需要對(duì)PWM輸出進(jìn)行逐周關(guān)斷(CBC方式)還是永久性關(guān)斷(0SH方式)。所述的過溫保護(hù)控制模塊由溫度采樣電路、AD模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與過溫保護(hù)控制算法組成，采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率器件殼溫以及儲(chǔ)能電容的外部溫度，通過臨界危險(xiǎn)溫度的判斷及時(shí)的輸出PWM關(guān)斷信號(hào)，待上述溫度恢復(fù)正常范圍后，恢復(fù)PWM輸出；并且通過臨界危險(xiǎn)溫度的判斷及時(shí)的輸出PWM關(guān)斷信號(hào)，待上述溫度恢復(fù)正常范圍后，恢復(fù)PWM輸出；并且結(jié)合電子元器件的溫度外特性曲線，計(jì)算得出安全范圍內(nèi)的功率器件允許通過的最大平均電流標(biāo)準(zhǔn)，做為母線、相線最大平均電流保護(hù)控制模塊的依據(jù)。對(duì)功率器件殼溫及儲(chǔ)能電容的外部溫度的溫度采樣電路主要由熱敏電阻與線性放大器組成。如圖2所示，R2為NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其位置安裝在功率器件固定散熱片及儲(chǔ)能電容的附近的殼體上。當(dāng)溫度升高時(shí)，R2的阻值會(huì)越來越小，其上的電源分壓也會(huì)越來越小，通過R3、C2的RC低通濾波后，接入線性運(yùn)算放大器，然后通過R6，R7分壓嵌位后進(jìn)入DSP的AD轉(zhuǎn)換通道。
權(quán)利要求
1.一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法，其特征在于它的控制方法為將對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)平均電流、溫度、母線電壓以及峰值電流的在安全范圍內(nèi)的控制理論引入電動(dòng)汽車的永磁同步電機(jī)的控制技術(shù)領(lǐng)域，建立了集成數(shù)字信號(hào)處理器與技術(shù)模擬電子技術(shù)的專用模塊，在電機(jī)控制器通過對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度的PID控制閉環(huán)計(jì)算所得出對(duì)驅(qū)動(dòng)功率器件下一周期脈沖調(diào)制占空比之后，通過過溫保護(hù)控制模塊采集溫度電壓信號(hào)，結(jié)合功率器件及儲(chǔ)能電容的溫度外特性曲線，計(jì)算出最大允許母線相線平均電流標(biāo)準(zhǔn)，輸入到母線、相線最大平均電流保護(hù)控制模塊，調(diào)整輸出占空比，然后通過過壓欠壓保護(hù)控制模塊判斷后進(jìn)入到PWM輸出模塊，然后配合母線、相線峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷模塊與母線、相線峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)鎖存模塊來判斷是否需要對(duì)PWM輸出進(jìn)行逐周關(guān)斷還是永久性關(guān)斷。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法，其特征在于所述的過溫保護(hù)控制模塊由溫度采樣電路、AD模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路與過溫保護(hù)控制算法組成，采集電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的功率器件殼溫以及儲(chǔ)能電容的外部溫度，通過臨界危險(xiǎn)溫度的判斷及時(shí)的輸出PWM關(guān)斷信號(hào)，待上述溫度恢復(fù)正常范圍后，恢復(fù)PWM輸出；并且通過臨界危險(xiǎn)溫度的判斷及時(shí)的輸出PWM關(guān)斷信號(hào)，待上述溫度恢復(fù)正常范圍后，恢復(fù)PWM輸出；并且結(jié)合電子元器件的溫度外特性曲線，計(jì)算得出安全范圍內(nèi)的功率器件允許通過的最大平均電流標(biāo)準(zhǔn)，做為母線、相線最大平均電流保護(hù)控制模塊的依據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法，其特征在于所述的母線、相線最大平均電流保護(hù)控制模塊由直流母線電流采樣電路、UV相輸入輸出電流采樣電路、AD模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路及母線、相線最大平均電流保護(hù)控制算法組成； 通過每個(gè)PWM周期固定時(shí)刻對(duì)母線電流以及相線電流的實(shí)際平均電流信號(hào)的采集，與安全范圍下的最大平均電流標(biāo)準(zhǔn)相比較，對(duì)速度與轉(zhuǎn)矩閉環(huán)輸出的調(diào)制占空比進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，然后輸出到下一個(gè)模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法，其特征在于所述的過壓欠壓保護(hù)控制模塊由直流母線電壓采樣電路、驅(qū)動(dòng)電壓欠壓采樣判斷電路、AD模數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路以及過壓欠壓保護(hù)控制算法組成；通過每個(gè)PWM周期固定時(shí)刻對(duì)母線平均電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，與安全范圍下的最大電壓標(biāo)準(zhǔn)相比較，判斷此時(shí)是否需要清零占空比；通過驅(qū)動(dòng)電壓欠壓采樣判斷電路得到驅(qū)動(dòng)電壓欠壓的信號(hào)，及時(shí)清零占空比。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法，其特征在于所述的母線、相線峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷模塊由母線電流采樣電路、相線輸入輸出電流采樣電路以及峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷電路組成；其功能在于實(shí)時(shí)對(duì)直流母線電流、 相線瞬時(shí)電流的電壓信號(hào)反饋與峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如超過峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)值，則輸出限流信號(hào)到PWM輸出模塊，觸發(fā)PWM的逐周關(guān)斷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法，其特征在于所述的母線、相線峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)鎖存模塊由母線電流采樣電路、相線輸入輸出電流采樣電路以及峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)鎖存電路組成；實(shí)時(shí)對(duì)直流母線電流、相線瞬時(shí)電流的電壓信號(hào)反饋與峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，如超過峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)值，則輸出鎖存信號(hào)，觸發(fā)PWM輸出模塊的PWM信號(hào)進(jìn)行永久鎖存關(guān)斷的事件，同時(shí)鎖存信號(hào)會(huì)傳送至直流母線與電動(dòng)汽車電池上的主吸合器，使主吸合器斷開，需人工復(fù)位才可解鎖。
全文摘要
一種電動(dòng)汽車的控制器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的全面保護(hù)控制方法，它涉及新能源汽車的動(dòng)力裝置領(lǐng)域以及永磁電機(jī)的控制領(lǐng)域。它的控制方法為計(jì)算所得出對(duì)驅(qū)動(dòng)功率器件下一周期脈沖調(diào)制占空比之后，通過過溫保護(hù)控制模塊采集溫度電壓信號(hào)，結(jié)合功率器件及儲(chǔ)能電容的溫度外特性曲線，計(jì)算出最大允許母線相線平均電流標(biāo)準(zhǔn)，輸入到母線、相線最大平均電流保護(hù)控制模塊，調(diào)整輸出占空比，然后通過過壓欠壓保護(hù)控制模塊判斷后進(jìn)入到PWM輸出模塊，然后配合母線、相線峰值電流限流標(biāo)準(zhǔn)判斷模塊與母線、相線峰值電流過流標(biāo)準(zhǔn)鎖存模塊來判斷是否需要對(duì)PWM輸出進(jìn)行逐周關(guān)斷還是永久性關(guān)斷。它能避免大電流給電動(dòng)汽車帶來傷害。
文檔編號(hào)B60L3/00GK102490614SQ201110360960
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者張炎, 彭軍, 楊操, 陸輝 申請(qǐng)人:上海三運(yùn)電機(jī)控制技術(shù)有限公司