CN102946223A - 车用无刷直流电机温度辅助控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车用无刷直流电机温度辅助控制方法及装置，控制方法为：采集电机本体和电机控制器温度信号，经调理滤波单元送入温度控制器内，温度控制器根据设定的温度限值进行改进PI补偿控制，计算出避免过热时电机的最大输出功率，同时与车辆行驶的需求功率相比较，取其中最小值作为电机输出功率，以此来调节电机本体及电机控制器的温度；控制装置包括设在电机本体和电机控制器上的两组温度传感器、与温度传感器对应连接的信号滤波单元，以及连接信号滤波单元和汽车电机***的温度控制器。与现有技术相比，本发明有效了解决无刷直流电机过热问题，又能在接近限值温度时，保证汽车不过多丧失动力性，最大程度满足驾驶者的驾驶意愿。

Description

车用无刷直流电机温度辅助控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种车用无刷直流电机控制领域，尤其是涉及一种车用无刷直流电机温度辅助控制方法及装置。

背景技术

过热问题一直是车用无刷直流电机***应用的障碍之一。无刷直流电机***包括电机本体和控制器两部分，当电机本体过热时相绕组电阻阻值增大，甚至绕组烧坏；当控制器过热时，控制板尤其是功率开关管在高温下会被损坏而不能正常工作。总之，严重的过热会导致电机***部件损坏而无法正常运转。因而对电机***需要限定一个合适的温度工作范围，这就涉及到温度控制策略。

传统的温度控制策略相对简单，如过热时仅给出警示信号执行靠驾驶员降速降载，如过热时直接关闭电机或限制占空比在某一水平。前者不能有效避免过热问题，毕竟驾驶员意志不能精确控制；后者虽能一定程度上避免过热问题，但电机***的输出容量却不能充分发挥，同时占空比水平要受到工作环境影响。事实上，完全的温度控制即以温度而非转矩转速为主要控制目标的电机***显然可以避免过热，但却以损失转矩等动力性能为代价的，这并非合理的控制策略。

一般地，车用无刷直流电机***功能结构如图2所示，驾驶员根据外界环境和车速等确定驾驶意愿，控制加速踏板即控制电源有效输出电压，进而电机***输出合适的动力。此时，温度***处于开环状态。一旦温度高于相应限值时，若未采取相应措施，***将可能无法正常运行。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以有效防止汽车电机***过热的车用无刷直流电机温度辅助控制方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种车用无刷直流电机温度辅助控制方法，包括以下步骤：

1)温度传感器分别采集电机控制器的控制器温度信息和电机本体的电机本体温度信息，并发送至信号滤波单元；

2)信号滤波单元对控制器温度信息和电机本体温度信息进行调理滤波后发送至温度控制器；

3)温度控制器分别判断信号滤波单元输入的控制器温度信息和电机本体温度信息是否大于过热阈值温度，若至少有一个为是，执行步骤4)；若均为否，则不进行温度调节，根据驾驶员的驾驶意愿控制汽车电机***；

4)温度控制器分别对控制器温度信息和电机本体温度信息进行处理，计算电源输入占空比，输出PWM波至汽车电机***控制无刷直流电机。

步骤4)具体包括以下步骤：

A)温度控制器分别对控制器温度信息和电机本体温度信息进行改进PI补偿控制，获得基于控制器温度信息的第一占空比和基于电机本体温度信息的第二占空比；

B)对第一占空比、第二占空比以及根据驾驶员驾驶意愿(即油门的大小)输入的第三占空比进行比较，取最小占空比作为最终输出，调制PWM波，输送至汽车电机***控制无刷直流电机。

步骤A)中第一占空比和第二占空比根据如下公式计算：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_m=K_{\mathrm{pm}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_m+(\mathrm{\&alpha;}0+K_{\mathrm{im}}{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;}{T}_m\mathrm{d\&tau;})(\mathrm{\&Delta;}{T}_m<0)& \\ {\mathrm{\&alpha;}}_m=1& (\mathrm{\&Delta;}{T}_m\&GreaterEqual;0)\\ {\mathrm{\&alpha;}}_c=K_{\mathrm{pc}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_m+(\mathrm{\&alpha;}0+K_{\mathrm{ic}}{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;}{T}_m\mathrm{d\&tau;})(\mathrm{\&Delta;}{T}_c\&GreaterEqual;0)& \\ {\mathrm{\&alpha;}}_c=1& (\mathrm{\&Delta;}{T}_c\&GreaterEqual;0)\end{array}\right.$

式中，α_c为第一占空比，α_m为第二占空比，K_pm、K_im为电机本体的PI补偿系数，K_pc、K_ic为电机控制器的PI补偿系数，T_m、T_c为电机本体和电机控制器的过热阈值温度，t0为电机控制器及电机本体中任一部件由正常状态转入过热状态的时刻，α0为t0时输入的第三占空比。

一种用于实施上述控制方法的车用无刷直流电机温度辅助控制装置，该装置连接与汽车电机***，包括：

温度传感器，设有两组，分别设置在汽车电机***的电机控制器和电机本体上；

信号滤波单元，与温度传感器连接；

温度控制器，分别连接信号滤波单元和汽车电机***。

与现有技术相比，本发明的温度辅助控制方法在解决过热问题上效果良好，既有效避免过热问题，又能充分发挥电机动力性能尽量满足驾驶者驾驶意愿，因而在车用无刷直流电机***温度控制上具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明控制方法的流程图；

图2为现有车用无刷直流电机***功能结构图；

图3为本发明的控制框图；

图4为本发明的温度控制器对温度信息的控制流图；

图5为本发明控制装置的结构示意图；

图6为本发明控制装置在matlab/simulink下仿真模型图；

图7为电机***的温度在仿真环境下的曲线图；

图8为电源输入占空比在仿真环境下的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1和图3所示，一种车用无刷直流电机温度辅助控制方法，包括以下步骤：

1)温度传感器分别采集电机控制器的控制器温度信息和电机本体的电机本体温度信息，并发送至信号滤波单元；

2)信号滤波单元对控制器温度信息和电机本体温度信息进行调理滤波后发送至温度控制器；

3)温度控制器分别判断信号滤波单元输入的控制器温度信息和电机本体温度信息是否大于过热阈值温度，若至少有一个为是，即当电机控制器或者电机本体中，只要有一个的温度高于过热阈值温度，即执行步骤4)，进行温度辅助控制；若均为否，即汽车电机***未处于过热状态，则温度控制器直接根据驾驶员的操作意愿，输出PWM波控制汽车电机***；

4)温度控制器分别对控制器温度信息和电机本体温度信息进行处理，并输出PWM波至汽车电机***控制无刷直流电机，具体包括了以下几步：首先，温度控制器分别对控制器温度信息和电机本体温度信息进行改进PI补偿控制，获得基于控制器温度信息的第一占空比α_c和基于电机本体温度信息的第二占空比α_m；根据驾驶员的操作意愿计算得到的第三占空比为α，由于这三者要尽量满足需求，既使得电机***不会过热，也不会使驾驶员丧失操纵感，因此取其中的最小值α_f＝min(α，α_c，α_m)，根据最小的占空比调制PWM波，输送至汽车电机***控制无刷直流电机。

电机控制器的温度控制部分和电机本体的温度控制部分的控制原理相同，均采用改进PI补偿控制算法，这也是本发明的核心所在。以电机本体的温度控制为例，记电机***输入占空比到电机本体温度的传递函数为G(s)，一般占空比与电机的发热功率成比例关系，而发热功率影响电机本体温度为一惯性环节，因而G(s)可近似为一阶***，其控制流图如图4所示。

当ΔT_m≥0，即电机本体未过热时，温度控制器不起作用，令α_m＝1≥α，从而α_f＝α即以驾驶意愿驱动电机***，满足控制方法要达到的效果。

一旦ΔT_m＜0时，电机本体过热，***触发PI补偿器工作，该PI补偿器采用改进的PI补偿控制算法，记PI补偿器系数分别为K_p、K_i：

PI补偿器首先记录初值：同时记录下该时刻t＝t0(此时ΔT_m由正到负通过零点)及该时刻下驾驶员意愿占空比α＝α0；

其次，PI补偿器工作，输出占空比

(t为控制器作用的时间)；

由于 $\mathrm{\&Delta;}{T}_m<0,{\mathrm{\&alpha;}}_m=K_p\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_m+(\mathrm{\&alpha;}0+K_i{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;}{T}_m\mathrm{d\&tau;})\&le;\mathrm{\&alpha;},$ 从而α_f＝α_m，这说明电机本体过热时，控制器会自动起作用。而普通PI控制下实际输出α_f＝0，相对于此，改进PI补偿算法可以提升过热时电机输出功率，尽量满足驾驶员的驾驶意愿。

因而电机本体温度控制改进PI补偿器实现如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_m=K_{\mathrm{pm}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_m+(\mathrm{\&alpha;}0+K_{\mathrm{im}}{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;}{T}_m\mathrm{d\&tau;})(\mathrm{\&Delta;}{T}_m<0)& \\ {\mathrm{\&alpha;}}_m=1& (\mathrm{\&Delta;}{T}_m\&GreaterEqual;0)\end{array}\right.$

综上所述，车用无刷直流电机温度辅助控制策略实现如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_m=K_{\mathrm{pm}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_m+(\mathrm{\&alpha;}0+K_{\mathrm{im}}{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;}{T}_m\mathrm{d\&tau;})(\mathrm{\&Delta;}{T}_m<0)& \\ {\mathrm{\&alpha;}}_m=1& (\mathrm{\&Delta;}{T}_m\&GreaterEqual;0)\\ {\mathrm{\&alpha;}}_c=K_{\mathrm{pc}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_m+(\mathrm{\&alpha;}0+K_{\mathrm{ic}}{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;}{T}_m\mathrm{d\&tau;})(\mathrm{\&Delta;}{T}_c\&GreaterEqual;0)& \\ {\mathrm{\&alpha;}}_c=1& (\mathrm{\&Delta;}{T}_c\&GreaterEqual;0)\end{array}\right.$

温度控制器的实际输出值为α_f＝min(α，α_c，α_m)。

上述的方法可以通过如图4所示的装置，该装置连接与汽车电机***4，包括两组温度传感器1、与温度传感器1对应的信号滤波单元2、以及温度控制器3。温度传感器1分别设置在汽车电机***4的电机控制器和电机本体上，信号滤波单元2与温度传感器1连接，对采集到的信号进行滤波处理，使得信号的信噪比较高，温度控制器1分别连接信号滤波单元2和汽车电机***4，对输入的信号作处理并输出控制信号至汽车电机***4控制无刷直流电机。

以电机本体温度控制为例，在matlab/simulink下对车用无刷直流电机***进行过程仿真。仿真条件下：

T_mmax＝84。℃，并且加入了环境温度漂移WP(以0.1℃/s增加)的严苛条件，仿真模型如图5所示，其仿真结果如图6、图7所示。图6显示电机本体温度始终不明显高于限值，因而不会产生过热问题；同时在低温段0～30s，温度控制器不起作用，某一时刻电机温度达到限值时进入高温段，温度控制器产生调节作用，电机本体维持在限值附近；一旦再次进入低温段，控制器自动关闭。图7显示，温度控制器起作用时，输出波形的占空比维持在较高水平，有利于发挥车用无刷直流电机***的输出功率。

Claims (4)

1.一种车用无刷直流电机温度辅助控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)温度传感器分别采集电机控制器的控制器温度信息和电机本体的电机本体温度信息，并发送至信号滤波单元；

2)信号滤波单元对控制器温度信息和电机本体温度信息进行调理滤波后发送至温度控制器；

3)温度控制器分别判断信号滤波单元输入的控制器温度信息和电机本体温度信息是否大于过热阈值温度，若至少有一个为是，执行步骤4)；若均为否，则根据驾驶员的驾驶意愿控制汽车电机***；

4)温度控制器分别对控制器温度信息和电机本体温度信息进行处理，计算出电源输入占空比，输出PWM波至汽车电机***控制无刷直流电机。

2.根据权利要求1所述的车用无刷直流电机温度辅助控制方法，其特征在于，步骤4)具体包括以下步骤：

A)温度控制器分别对控制器温度信息和电机本体温度信息进行PI补偿控制，获得基于控制器温度信息的第一占空比和基于电机本体温度信息的第二占空比；

B)对第一占空比、第二占空比以及根据驾驶员的驾驶意愿输入的第三占空比进行比较，取最小占空比作为输出，调制PWM波，输送至汽车电机***控制无刷直流电机。

3.根据权利要求2所述的车用无刷直流电机温度辅助控制方法，其特征在于，步骤A)中第一占空比和第二占空比根据如下公式计算：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&alpha;}}_m=K_{\mathrm{pm}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_m+(\mathrm{\&alpha;}0+K_{\mathrm{im}}{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;}{T}_m\mathrm{d\&tau;})(\mathrm{\&Delta;}{T}_m<0)& \\ {\mathrm{\&alpha;}}_m=1& (\mathrm{\&Delta;}{T}_m\&GreaterEqual;0)\\ {\mathrm{\&alpha;}}_c=K_{\mathrm{pc}}\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{T}_m+(\mathrm{\&alpha;}0+K_{\mathrm{ic}}{\&Integral;}_{t0}^t\mathrm{\&Delta;}{T}_m\mathrm{d\&tau;})(\mathrm{\&Delta;}{T}_c\&GreaterEqual;0)& \\ {\mathrm{\&alpha;}}_c=1& (\mathrm{\&Delta;}{T}_c\&GreaterEqual;0)\end{array}\right.$

式中，α_c为第一占空比，α_m为第二占空比，K_pm、K_im为电机本体的PI补偿系数，K_pc、K_ic为电机控制器的PI补偿系数，T_m、T_c为电机本体和电机控制器的过热阈值温度，t0为电机控制器及电机本体中任一部件由正常状态转入过热状态的时刻，α0为tO时输入的第三占空比。

4.一种车用无刷直流电机温度辅助控制装置，该装置连接与汽车电机***，其特征在于，包括：

温度传感器，设有两组，分别设置在汽车电机***的电机控制器和电机本体上；

信号滤波单元，与温度传感器连接；

温度控制器，分别连接信号滤波单元和汽车电机***。

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