电动汽车用电机控制器过电流保护方法

2011年第8期

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电动汽车用电机控制器过电流保护方法

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收稿日期:2011-02-15

电动汽车用电机控制器过电流保护方法

王淑旺,郗世洪,孙纯哲,周 政,桂星星

(合肥工业大学,安徽合肥230009)

摘 要:系统地分析了电机控制器过电流故障产生的原因,建立了基于TM S320LF2407A 的电控平台,搭建了电流的检测、采样、硬件过流保护电路和软件过流保护策略,从而有效地解决了电机控制器过电流故障的保护问题,并且提出了减少过流故障的几点建议。

关键词:电动汽车;电机控制器;过电流保护

中图分类号:T M 33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2011)08-0061-03

Over-Current Prot ecti o n M et hods of E lectric V ehicle M ot or Controller WANG Shu -w ang,X I Shi -hong,SU N Chun -zhe ,Z HOU Zheng,GUI X ing -xing

(H efeiUn iversity of Techno logy ,H e fei 230009,China)

Abstract :Th is paper syste m aticall y analyzed the causes o f over-curren t i n m oto r contro ller ,bu ilt the platfo r m o f the electronic contro l based on TM S320LF2407A D SP ,and establis hed the current detection ,samp li ng ,ov er-cu rrent ha rd w are protection circu it and ov er-current so ft w are protec ti on strategy .W ith these ,the system effecti ve l y so lves the prob l e m of over -current i n m otor controll e r ,and proposes som e suggesti ons on how to reduce t he over-current f ault of mo tor contro ller .

K ey word s :electr i c vehic l e ;m oto r contro ller ;over-curren t protec tion

0引 言

随着能源危机的日益加剧和环境压力的增加,

电动汽车代替传统的燃油汽车已经成为一个必然的趋势

[1]

。电驱动系统是电动汽车的心脏,是提高电

动汽车的驱动性能、行驶里程及可靠性的根本保证[2]

,电机控制器是电驱动系统的关键部件,在复

杂极限路况下使电机控制器内部的电流、电压值可能达到所设定的值,内部的元器件承受能力有限,尤其是对功率模块的损害巨大,需要对其采取相应的措施。其中过电流故障是电动车电机控制器的常见故障,主要是突变性和峰值性的电流值,该故障的保护在电机控制器中极其重要。

目前电机控制器过电流保护一般可通过延长加速时间和减速时间,减少负载突变,加强绝缘水平,外加能耗制动元件、E MC 滤波器

[3]

。下面从电机控

制器产生过电流的原因、电流值的信号检测、采样、硬件保护电路和软件保护策略角度对该电机控制器进行过电流分析和保护。

1电机控制器过电流故障产生原因

过电流故障是电动车电机控制器的常见故障,主要是突变性和峰值性的电流值,一般表现为:

(1)电动汽车电机控制器输出端三相线出现短

路,导致过电流;

(2)电动车出现冲击负载或者电动车爬坡出现驱动电机堵转时,导致驱动电机的两相长时间接通,相线电感饱和,导致过电流;

(3)电动车急加速(急刹车)时,车子本身负载惯性较大,升速(降速)时间设定太短,电机控制器的工作频率上升太快,同步电机的转速迅速上升(下降),同步电机原来处于转子产生的磁场与定子产生的旋转磁场同步,当出现急加速(急刹车)时,电机的转子转速因惯性较大,转子速度仍处于高速旋转,转子产生的磁场与定子的旋转磁场出现转差过大,导致绕组切割磁感线太快,产生过大的感应电动势,导致产生过电流;

(4)电机控制器电源侧缺相、输出侧断线、电动机内部故障引起过电流故障;

(5)驱动电机受电磁干扰的影响,漏电流变大,产生轴电流、轴电压,引起电机控制器过电流;

(6)电机控制器的控制电路遭到电磁干扰,导致控制信号错误,速度反馈信号丢失或非正常时,也会引起过电流;

(7)电机控制器的容量选择与负载特性不匹配,引起电机控制器功能和工作异常,造成过电流;(8)电机控制器参数设定不正确和硬件电路出问题,也导致过电流;

(9)短时间内I G B T 电流值变化过大也会导致

过电流;如瞬时断电,电流产生尖峰,导致I GBT 过

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电流;电机控制器复位后再起动造成过电流。

电机控制器过电流主要是加减速时间太短、负载发生突变、电压过低或过高、断相、短路、漏电流、

电磁干扰及电机控制器内部元件故障等引起[3]

。

2电机控制器的保护方法

电动汽车电机控制器过电流故障是常见故障,故障的保护显得非常重要,对车用电机控制器的过电流保护主要从硬件处理和软件处理进行。硬件处理主要包括对传感器的选择,如:灵敏度和精确度;对DSP 处理器能力的选择;电流信号的检测和处理,主要是包括滤波、判断和保护。软件处理主要是基于得到过流信号后通过程序的比较分析进行的保护。下面从多个角度分别介绍过流保护的措施。

2.1硬件检测及保护

硬件电路的保护实现反应速度较快,在电流信号的检测、采集和电机控制器功率模块保护几个环节中起到很重要的作用。

电机控制器的电流检测通过电流传感器检测母图1 电机控制器主电路

线电流和相线电流。电机控制器主电路如图1所示。图中显示为检测的线电流I D C 、相线电流I A _re 和I C _re 。

如图2所示,以A 相线检测为例,通过电流传感器检测到的电压信号通过RC 滤波电路和电压跟随电路,得到电流比较信号I A _comp ,I A _co m p 一路信号经过差分电路得到DSP 芯片可接受的0~3 3V 的信号I A

_DSP ,I A _D SP 通过A /D 转换后得到实际的电流值,通过软件程序进行判断是否过流。另一路I A _co m p 信号通过与基准电路的比较,进行判断是否过流

,若过流,得到过流信号I over ,然后I over 信号进入过流锁存

电路,出现故障后就进行停机保护,防止故障信号复位导致在有故障的条件下运行车辆;PDPI N TA 为功率驱动保护中断输入引脚,在确定出现故障后,该中断有效,将P WM 输出引脚(EVA )置为高阻态,通过DSP 关断六路驱动信号;同时确定出现故障后直接把驱动信号的与门电路进行置低电平,通过硬件电

图2 过电流硬件处理

路直接关断驱动信号,确保车辆的安全。

电流传感器的检测及数据的处理十分重要,不同的厂家或型号的传感器电气特性不同。如何通过检测电路把传感器的信号高精度地调理成DSP 处理器可以接受的电压信号,是需要进行严格的理论计算和电路仿真的。如图3所示。

图3 I A _re 检测采样电路

以应用某型号800A

的电流传感器为例,实际电流I P 和输出电压V OUT 的关系用如下:

V OUT =

V C

5

(2.5+G I P )(1)式中:G 为灵敏度,G =2.5mV /A;I P 为检测到的实

际电流值;V C 为电路传感器供电电压;V OUT 为电流传感器输出电压。

现对图3的电流检测处理电路进行基于OR-C AD 的仿真,仿真图形如图4所示。

图4 I A

_re 采样仿真数据

如图4所示,电流采样仿真输入信号取频率500H z(如6对极电机5000r /m in 时电流频率即为500H z),

幅值取电流传感器输出电压值0.5~4.5V,直流偏置2.5V 。输入信号经过RC 滤波并经过跟随后通过差分放大至DSP 可接受电压范围0~3.3V 。图4的I A _re 采样仿真数据将检测电流传感器的电压信号等比例缩小为DSP 可接受的电压信号。

图5 I A _re 单周期采样仿真数据

图5为I A _re 单周期采样仿真数据。信号放大观测输入输出延时较小(t delay 10 s),表明相位基本不变,达到了检测数据准确,误差较小,可有效地检测到实际

的电流变化。

电流在永磁同步电机运行每一相位内将发生波动,引起扭矩的周期性波动,而电流出现的峰值也容易引起过流现象

[4]

,在电机控制器中采用了电流闭

环控制,有效解决了上述问题。

短路过流故障对于I G BT 器件来说是致命的,

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短路发生时强大的电流流过I GBT ,若不及时采取保护,将会直接导致器件损毁。1ED020I12-FA 驱动芯片采用了特有的无芯变压器隔离技术,能够驱动耐压600V /1200V 的I G B T 或I GBT 模块,该驱动器提供了过流保护功能,通过检测V ce 电压来实现I G BT 短路保护。

1ED020I 12-F A 的短路保护包括两部分:一部分是对I GBT 集电极端进行退饱和检测以判断是否有短路过流故障;另一部分是在关断I G B T 过程中对栅极进行短路箝位。短路过流故障识别,主要是通过检测I G B T 集电极端的饱和电压来实现的。I G -BT 正常工作时,集电极饱和压降很低;但当短路过流故障产生时,U ce 会明显增至高于正常导通时的饱和压降水平,一般为7V 以上,产生退饱和现象。检测电路如图6所示,电路中,芯片DESAT 引脚与C B lank 、R DESAT 和DDESAT 构成了退饱和检测电路,DESAT 引脚端电压变化可用下式表示:

U DESAT =250 R D ES AT +U DDES AT +U ce

(

2)

图6 1ED 020I12-FA 驱动保护电路

在退饱和检测时,当U DES AT 高于门限值9V 时,即表明I G B T 出现了短路或者过流,此时芯片输出

故障信号,同时OUT 输出低电平来及时关闭I G BT,同时在延时2 s 后上传故障信号。因为I GBT 导通时V ce 电压下降有一定的延迟,通常退饱和检测要设定一定的保护盲区,以防止退饱和误判断[5]

。

2.2软件策略及保护

软件上实现了对数据的处理和分析,对各工况下的故障信号做出相应的处理。故障安全保护在电机控制器中采用分等级处理,对不同的故障信号采用不同级别的措施,这样更有效地保护电机控制器。

在电机控制器保护后,需要确保车辆的安全,当关断器件后需要产生一个毫秒级的关断时间,使I G BT 在电流下降到安全水平后再次开通,在保护器件的同时,也不影响电动汽车退出过流状态后的正常行驶。

如图3所示,该电路经过滤波、跟随和差分得到I A _D SP ,该信号采集后通过模数转换输入到DSP 中,经过平滑处理,转换为实际值后进行判断故障,图7为软件保护流程。

下面对几种过电流在软件进行保护处理:

(1)电机控制器工作中因过载出现过电流故障,

根据驱动电机和负载能力的大小确定电流限制

图7 软件保护流程

I li m ,当电流值超过了I li m 值时就采用降低电机控制器工作频率f X 的方法处理(降功率处理),当电流值小于I li m 的值时再恢复到额定值。图8为降功率

保护策略[6]

。电动车出现堵转时,也会出

现过电流,此时可通过该方法进行处理。

(2)对电动车急加速或急刹车的条件下,可采用延长急加速和急减速的时间来降低电流值。当超过所设置的过电流值I li m 时就保持电机控制器工作频率f X 不变,等到电流值小于I li m 时,再增加电机控制器的工作频率f X ,保证电机控制器的安全。图9为延长时间保护策略

[6]

。

图8 降功率保护策略图9 延长时间保护策略

3结 语

通过对电动车用电机控制器的过电流保护分析,可见电机控制器的过电流出现的原因很多,必须从数据的检测、采集和数据处理,再到硬件电路和软件控制策略等方面分别进行保护,才能达到预期的目的。

电动汽车用电机控制器的过电流保护非常重要,故障保护从电机控制器的设计之初到最终的产品,整个设计、研发、采购、加工、调试都需要注意,系统地考虑故障问题。参考文献

[1] 陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术[M ].北京:北京

理工大学出版社,2002.

[2] 陈清泉.环境保护和电动车的开发[J ]江苏机械制造与自动

化,2000(1):3-7.

[3] 李锐.变频器过流原因分析[M ].印刷杂志出版社,2006.[4] Bolton H R.Investi gati on i nto a class of bru s h less DC m otor w it h

quasis quare volt age and cu rrent [J ].I EE PROC,P t 2B ,1986,133(2):103-111.

[5] 施贤能,吴庚泽,朱元.1ED020I12-FA 在驱动中大功率I GBT

中的应用[J].企业技术开发(学术版),2010,29(5):4-6.[6] 张燕宾.SP WM 变频调速应用技术[M ].北京:机械工业出版

社,2001.

作者简介:王淑旺(1978-),男,博士,副教授,硕士生导师,研究方向为电动汽车电驱动系统和汽车自动化装备。