CN107124124B - 一种电机三相定子绕组主动短路***以及方法 - Google Patents
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Abstract
一种电机三相定子绕组主动短路***以及方法，方法包括：S100、检测电机控制器故障并判断故障类型，如果故障类型为下桥驱动芯片检测故障则执行步骤S200，如果故障类型为非下桥驱动芯片检测故障则执行步骤S300；S200、通过第一主动短路通道开通半导体开关管的上桥以主动短路电机三相定子绕组；S300、通过第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组；本发明提供两个主动短路通道，提高了主动短路的可靠性和安全性；在低压侧掉电时也可实现主动短路；在执行主动短路之前，先将电机转速降低到第一阈值转速以内，避免半导体开关管反向耐压过高而且在电机转速降低到第二阈值转速时进入自由停车状态，最终达到高速时良好制动且低速时防止制动扭矩突变的效果。
Description
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其涉及一种电机三相定子绕组主动短路***。
背景技术
在控制器出现故障时，通常采用主动短路电机的三相定子绕组(ASC ， ACTIVESHORT CURRENT)的方式实现快速制动，即将IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)模块的上桥或下桥保持开通。上桥或下桥开通能够主动短路三相电机定子绕组，这种主动短路的策略能够让电机Q轴产生一个负向电流，因此电动汽车能够得到一个有效制动力进入安全停车状态。
具体地，在现有的ASC方案中，利用IGBT模块正常工作时的PWM(Pulse WidthModulation,脉冲宽度调制)发波通道控制上桥或下桥开通，即用高电平替代正常工作时的PWM波发送给IGBT模块的上桥或下桥。具体的，由 MCU(Microcontroller Unit,微控制单元)置高电平给CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)，CPLD再将上桥或下桥的驱动芯片的ASC输入端输入高电平，驱动芯片输出一个高电平给上桥或下桥的门极，让IGBT的上桥或下桥保持开通。如果PWM发波通道中出现其他元器件失效问题，这样会影响主动短路三相定子绕组正常执行。
另外，现有的ASC方案适用于反电动势较低(如低于750V最高转速)的电机控制器领域。因为正常工作的IGBT模块，如果要实现ASC需要先将IGBT 模块全部封管，然后在开通，在封管的过程中会产生与电机转速相关的反向电动势。如果电机在高速情况进入ASC，则会产生较高的反向电动势，而反向电动势过高就会造成IGBT模块的反向耐压过高，这样就会存在反向电压应力过高，在ASC过程中会存在风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种电机三相定子绕组主动短路***以及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电机三相定子绕组主动短路***，包括：
第一主动短路通道，为半导体开关管的上桥的正常工作路径，包括依次连接的MCU、CPLD、用于与半导体开关管的上桥连接的上桥驱动芯片；
第二主动短路通道，包括依次连接的MCU、隔离模块、用于与半导体开关管的下桥连接的下桥驱动芯片；
主动短路执行模块，用于检测电机控制器故障并判断故障类型，如果故障类型为下桥驱动芯片检测故障，则通过第一主动短路通道开通半导体开关管的上桥以主动短路电机三相定子绕组；如果故障类型为非下桥驱动芯片检测故障，则通过第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组。
在本发明所述的电机三相定子绕组主动短路***中，所述第二主动短路通道还包括位于MCU与隔离模块之间的或门，所述或门的两个输入端分别接收 MCU的主动短路信号以及低压侧电压掉电信号；
所述第二主动短路通道还用于在低压侧电压掉电时被触发开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组。
在本发明所述的电机三相定子绕组主动短路***中，所述***还包括：
主动短路预处理模块，用于在主动短路执行模块工作之前，检测电机转速，并在电机转速超出主动短路的第一阈值转速时通知电机控制器撤除扭矩前进动力直至电机转速降低到第一阈值转速；
主动短路终止模块，用于在电机转速降低到第二阈值转速时通知主动短路执行模块终止执行主动短路，进入自由停车状态，其中，第一阈值转速大于第二阈值转速。
在本发明所述的电机三相定子绕组主动短路***中，所述***还包括第一阈值转速确定模块，用于根据与三相定子绕组连接的半导体开关管的最高耐压值计算电机在产生与最高耐压值相同的反向电动势时的阈值工作频率，根据所述阈值工作频率确定第一阈值转速。
在本发明所述的电机三相定子绕组主动短路***中，所述***还包括主动短路启动模块，用于根据电机转速计算电机工作频率，根据电机工作频率计算反向电动势，并根据电机D轴电感、电机工作频率、反向电动势计算电机短路电流，并在电机短路电流超过阈值电流时预测三相定子绕组可以主动短路。
本发明还公开了一种电机三相定子绕组主动短路方法，包括：
S100、检测电机控制器故障并判断故障类型，如果故障类型为下桥驱动芯片检测故障，则执行步骤S200，如果故障类型为非下桥驱动芯片检测故障，则执行步骤S300；
S200、通过第一主动短路通道开通半导体开关管的上桥以主动短路电机三相定子绕组；
S300、通过第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组；
其中，第一主动短路通道为半导体开关管的上桥的正常工作路径，包括依次连接的MCU、CPLD、用于与半导体开关管的上桥连接的上桥驱动芯片；第二主动短路通道包括依次连接的MCU、隔离模块、用于与半导体开关管的下桥连接的下桥驱动芯片。
在本发明所述的电机三相定子绕组主动短路方法中，所述第二主动短路通道还包括位于MCU与隔离模块之间的或门，所述或门的两个输入端分别接收MCU的主动短路信号以及低压侧电压掉电信号；
所述方法还包括：在低压侧电压掉电时触发第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组。
在本发明所述的电机三相定子绕组主动短路方法中，
步骤S100之前还包括：检测电机转速，并在电机转速超出主动短路的第一阈值转速时通知电机控制器撤除扭矩前进动力直至电机转速降低到第一阈值转速；
步骤S200或者S300之后还均包括S400：在主动短路电机三相定子绕组的过程中，当电机转速降低到第二阈值转速时终止执行主动短路，进入自由停车状态，其中，第一阈值转速大于第二阈值转速。
在本发明所述的电机三相定子绕组主动短路方法中，所述步骤S100之前还包括：根据与三相定子绕组连接的半导体开关管的最高耐压值计算电机在产生与最高耐压值相同的反向电动势时的阈值工作频率，根据所述阈值工作频率确定第一阈值转速。
在本发明所述的电机三相定子绕组主动短路方法中，步骤S100之前还包括：根据电机转速计算电机工作频率，根据电机工作频率计算反向电动势，并根据电机D轴电感、电机工作频率、反向电动势计算电机短路电流，并在电机短路电流超过阈值电流时预测三相定子绕组可以主动短路。
实施本发明的电机三相定子绕组主动短路***以及方法，具有以下有益效果：本发明提供两个主动短路通道，根据电机控制器故障的类型启动相应的路径，提高了主动短路的可靠性和安全性；进一步地，在低压侧掉电时也可以通过将半导体开关管开通实现主动短路；更进一步地，在执行主动短路之前，先将电机转速降低到第一阈值转速以内，因此可以避免高速情况进入ASC导致的半导体开关管反向耐压过高的问题，提高了主动短路的安全性，适用的电机控制器领域更广，而且在电机转速降低到第二阈值转速时进入自由停车状态，最终达到高速时良好制动且低速时防止制动扭矩突变的效果。
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的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图：
图1是本发明实施例一的流程图；
图2是两种主动短路通道的示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的典型实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，词语“相等”、“相同”“同时”或者其他类似的用语，不限于数学术语中的绝对相等或相同，在实施本专利所述权利时，可以是工程意义上的相近或者在可接受的误差范围内。词语“相连”或“连接”，不仅仅包括将两个实体直接相连，也包括通过具有有益改善效果的其他实体间接相连。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
实施例一
实施例一公开了一种电机三相定子绕组主动短路方法，方法包括在车辆正常行驶的过程中，执行以下步骤：
S01、根据电机转速计算电机工作频率，根据电机工作频率计算反向电动势，并根据电机D轴电感、电机工作频率、反向电动势计算电机短路电流，并在电机短路电流超过阈值电流时预测三相定子绕组可以主动短路。一般阈值电流为800A，即当电机短路电流大于800A即可进入ASC。
具体的，由于电机的反向电动势与工作频率关系如公式(1)，工作频率与电机转速的关系如公式(2)，电机短路电流的计算公式如公式(3)。可见，通过采样电机转速n，其他参数可以查询电机参数表，再根据公式(1)-(3) 即可计算得到电机短路电流Isc。
E＝2×3.1415×f×Ψ (1)
f＝(p×n)/60 (2)
Isc＝E/2×3.1415×f×Ld (3)
公式中，E代表反向电动势，f代表电机工作频率，Isc代表电机短路电流，Ψ代表磁通量，p是指电机的极对数，n代表电机转速，Ld代表电机D 轴电感。
S02、检测电机转速，并在电机转速超出主动短路的第一阈值转速时通知电机控制器撤除扭矩前进动力直至电机转速降低到第一阈值转速；
其中，撤除扭矩前进动力主要是电机控制器将Q轴电流设为零实现。
其中，第一阈值转速的确定为：根据与三相定子绕组连接的半导体开关管的最高耐压值计算电机在产生与最高耐压值相同的反向电动势时的阈值工作频率，根据所述阈值工作频率确定第一阈值转速。
具体的，由于反向电动势不能超出半导体开关管的最高耐压值，而电机的反向电动势与工作频率关系如步骤S01中的公式(1)，工作频率与电机转速的关系如步骤S01中的公式(2)，因此将反向电动势的最大值(即半导体开关管的最高耐压值)代入只要根据公式(1)，即可确定电机工作频率f的最大值，再根据公式(2)即可确定电机转速n的最大值。
S03、检测电机控制器故障并判断故障类型，如果故障类型为下桥驱动芯片检测故障，则执行步骤S04，如果故障类型为非下桥驱动芯片检测故障，则执行步骤S05；
其中，下桥驱动芯片检测故障包括上桥半导体开关管短路或下桥半导体开关管开路、下桥驱动芯片欠压、下桥驱动芯片过压故障，这些故障都是可以通过下桥驱动芯片检测到的。
其中，非下桥驱动芯片检测故障则包括：上桥驱动芯片检测故障、控制器过流故障(例如大于800A)、母线过压故障(例如大于500V)。具体的，上桥驱动芯片检测故障包括下桥半导体开关管短路或上桥半导体开关管开路、上桥驱动芯片欠压、上桥驱动芯片过压故障。
S04、通过第一主动短路通道开通半导体开关管的上桥以主动短路电机三相定子绕组，进入步骤S06；
S05、通过第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组，进入步骤S06；
S06、在主动短路电机三相定子绕组的过程中，当电机转速降低到第二阈值转速时终止执行主动短路，进入自由停车状态，其中，第一阈值转速大于第二阈值转速。
本领域技术人员可以理解的是，半导体开关包括但不限于IGBT、IGCT或 MOS管，优选为IGBT。
下面结合图2，对两个主动短路通道进行介绍。图中，FALT表示有驱动故障状态产生并通过CPLD回传给MCU。
第一主动短路通道为半导体开关管的上桥的正常工作路径，包括依次连接的MCU201、CPLD 202、用于与半导体开关管的上桥204连接的上桥驱动芯片 203。通过第一主动短路通道开通半导体开关管的上桥具体为：MCU 201发送高电平至CPLD 202，CPLD 202再将上桥驱动芯片203的ASC端口置高电平，上桥驱动芯片203发送高电平至上桥204即可实现上桥204开通。
第二主动短路通道包括依次连接的MCU 201、隔离模块207、用于与半导体开关管的下桥206连接的下桥驱动芯片205。具体的，隔离模块207为三个与下桥206中的三个IGBT对应的光耦隔离器。优选的，所述第二主动短路通道还包括位于MCU 201与隔离模块207之间的或门208，所述或门208的两个输入端分别接收MCU 201的主动短路信号以及低压侧电压掉电信号。由于低压侧电压掉电信号一般为5V，所以在输入至或门208之前，还需要将其经过一个5V-3.3V转换模块209，以将5V的信号转为3.3V的信号。通过第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥206具体为：MCU 201发送主动短路信号 M_ASC至或门208，进而触发隔离模块207输出高电平或者低电平至下桥驱动芯片205，下桥驱动芯片205发送高电平至下桥206即可实现下桥206开通。
相应的，所述方法还包括：在低压侧电压掉电时触发第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组。
另外，优选的，第一主动短路通道、第二主动短路通道还可以都配置双重供电。
实施例二
基于同一发明构思，本实施例公开了一种电机三相定子绕组主动短路***包括：
第一阈值转速确定模块，用于根据与三相定子绕组连接的半导体开关管的最高耐压值计算电机在产生与最高耐压值相同的反向电动势时的阈值工作频率，根据所述阈值工作频率确定第一阈值转速，具体计算原理可以参考实施例一。
主动短路启动模块，用于根据电机转速计算电机工作频率，根据电机工作频率计算反向电动势，并根据电机D轴电感、电机工作频率、反向电动势计算电机短路电流，并在电机短路电流超过阈值电流时预测三相定子绕组可以主动短路。电机短路电流的具体计算原理可参考实施例一。
主动短路预处理模块，用于在主动短路执行模块工作之前，检测电机转速，并在电机转速超出主动短路的第一阈值转速时通知电机控制器撤除扭矩前进动力直至电机转速降低到第一阈值转速。其中，撤除扭矩前进动力主要是电机控制器将Q轴电流设为零实现。
主动短路执行模块，用于检测电机控制器故障并判断故障类型，如果故障类型为下桥驱动芯片检测故障，则通过第一主动短路通道开通半导体开关管的上桥以主动短路电机三相定子绕组；如果故障类型为非下桥驱动芯片检测故障，则通过第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组。
第一主动短路通道，为半导体开关管的上桥的正常工作路径，包括依次连接的MCU、CPLD、用于与半导体开关管的上桥连接的上桥驱动芯片；
第二主动短路通道，包括依次连接的MCU、隔离模块、用于与半导体开关管的下桥连接的下桥驱动芯片。
主动短路终止模块，用于在电机转速降低到第二阈值转速时通知主动短路执行模块终止执行主动短路，进入自由停车状态，其中，第一阈值转速大于第二阈值转速。
其中，下桥驱动芯片检测故障包括上桥半导体开关管短路或下桥半导体开关管开路、下桥驱动芯片欠压、下桥驱动芯片过压故障，这些故障都是可以通过下桥驱动芯片检测到的。
其中，非下桥驱动芯片检测故障则包括：上桥驱动芯片检测故障、控制器过流故障(例如大于800A)、母线过压故障(例如大于500V)。具体的，上桥驱动芯片检测故障包括下桥半导体开关管短路或上桥半导体开关管开路、上桥驱动芯片欠压、上桥驱动芯片过压故障。
两个主动短路通道可以参考实施例一的介绍。
优选的，所述第二主动短路通道还包括位于MCU与隔离模块之间的或门，所述或门的两个输入端分别接收MCU的主动短路信号以及低压侧电压掉电信号。相应的，所述第二主动短路通道还用于在低压侧电压掉电时被触发开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组。
另外，优选的，第一主动短路通道、第二主动短路通道还可以都配置双重供电。
综上所述，实施本发明的电机三相定子绕组主动短路***以及方法，具有以下有益效果：本发明提供两个主动短路通道，根据电机控制器故障的类型启动相应的路径，提高了主动短路的可靠性和安全性；进一步地，在低压侧掉电时也可以通过将半导体开关管开通实现主动短路；更进一步地，在执行主动短路之前，先将电机转速降低到第一阈值转速以内，因此可以避免高速情况进入 ASC导致的半导体开关管反向耐压过高的问题，提高了主动短路的安全性，适用的电机控制器领域更广，而且在电机转速降低到第二阈值转速时进入自由停车状态，最终达到高速时良好制动且低速时防止制动扭矩突变的效果。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种电机三相定子绕组主动短路***，其特征在于，包括：
第一主动短路通道，为半导体开关管的上桥的正常工作路径，包括依次连接的MCU、CPLD、用于与半导体开关管的上桥连接的上桥驱动芯片；
第二主动短路通道，包括依次连接的MCU、隔离模块、用于与半导体开关管的下桥连接的下桥驱动芯片；
主动短路执行模块，用于检测电机控制器故障并判断故障类型，如果故障类型为下桥驱动芯片检测故障，则通过第一主动短路通道开通半导体开关管的上桥以主动短路电机三相定子绕组；如果故障类型为非下桥驱动芯片检测故障，则通过第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组；
主动短路预处理模块，用于在主动短路执行模块工作之前，检测电机转速，并在电机转速超出主动短路的第一阈值转速时通知电机控制器撤除扭矩前进动力直至电机转速降低到第一阈值转速。
2.根据权利要求1所述的电机三相定子绕组主动短路***，其特征在于，所述第二主动短路通道还包括位于MCU与隔离模块之间的或门，所述或门的两个输入端分别接收MCU的主动短路信号以及低压侧电压掉电信号；
所述第二主动短路通道还用于在低压侧电压掉电时被触发开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组。
3.根据权利要求1所述的电机三相定子绕组主动短路***，其特征在于，所述***还包括：
主动短路终止模块，用于在电机转速降低到第二阈值转速时通知主动短路执行模块终止执行主动短路，进入自由停车状态，其中，第一阈值转速大于第二阈值转速。
4.根据权利要求3所述的电机三相定子绕组主动短路***，其特征在于，所述***还包括第一阈值转速确定模块，用于根据与三相定子绕组连接的半导体开关管的最高耐压值计算电机在产生与最高耐压值相同的反向电动势时的阈值工作频率，根据所述阈值工作频率确定第一阈值转速。
5.根据权利要求1所述的电机三相定子绕组主动短路***，其特征在于，所述***还包括主动短路启动模块，用于根据电机转速计算电机工作频率，根据电机工作频率计算反向电动势，并根据电机D轴电感、电机工作频率、反向电动势计算电机短路电流，并在电机短路电流超过阈值电流时预测三相定子绕组可以主动短路。
6.一种电机三相定子绕组主动短路方法，其特征在于，包括：
S100、检测电机控制器故障并判断故障类型，如果故障类型为下桥驱动芯片检测故障，则执行步骤S200，如果故障类型为非下桥驱动芯片检测故障，则执行步骤S300；
S200、通过第一主动短路通道开通半导体开关管的上桥以主动短路电机三相定子绕组；
S300、通过第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组；
其中，第一主动短路通道为半导体开关管的上桥的正常工作路径，包括依次连接的MCU、CPLD、用于与半导体开关管的上桥连接的上桥驱动芯片；第二主动短路通道包括依次连接的MCU、隔离模块、用于与半导体开关管的下桥连接的下桥驱动芯片；
步骤S100之前还包括：检测电机转速，并在电机转速超出主动短路的第一阈值转速时通知电机控制器撤除扭矩前进动力直至电机转速降低到第一阈值转速。
7.根据权利要求6所述的电机三相定子绕组主动短路方法，其特征在于，所述第二主动短路通道还包括位于MCU与隔离模块之间的或门，所述或门的两个输入端分别接收MCU的主动短路信号以及低压侧电压掉电信号；
所述方法还包括：在低压侧电压掉电时触发第二主动短路通道开通半导体开关管的下桥以主动短路电机三相定子绕组。
8.根据权利要求6所述的电机三相定子绕组主动短路方法，其特征在于，
步骤S200或者S300之后还均包括S400：在主动短路电机三相定子绕组的过程中，当电机转速降低到第二阈值转速时终止执行主动短路，进入自由停车状态，其中，第一阈值转速大于第二阈值转速。
9.根据权利要求8所述的电机三相定子绕组主动短路方法，其特征在于，所述步骤S100之前还包括：根据与三相定子绕组连接的半导体开关管的最高耐压值计算电机在产生与最高耐压值相同的反向电动势时的阈值工作频率，根据所述阈值工作频率确定第一阈值转速。
10.根据权利要求6所述的电机三相定子绕组主动短路方法，其特征在于，步骤S100之前还包括：根据电机转速计算电机工作频率，根据电机工作频率计算反向电动势，并根据电机D轴电感、电机工作频率、反向电动势计算电机短路电流，并在电机短路电流超过阈值电流时预测三相定子绕组可以主动短路。
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