基于STM32的开关磁阻电机保护算法设计与验证

013 3 电气传动2013年 第43卷第7期 基于护算法设计与验证 钟锐 ，徐宇柘 ，鲁雪。一，屈严。，彭富林 (1东南大学国家专用集成电路系统工程技术研究中心，江苏南京210096； 2东南大学电子科学与工程学院集成电路学院，江苏南京210096； 3上汽集团商用车技术中心(南汽研究院)，江苏南京210028) 摘要：为提高开关磁阻电机的安全性与可靠性，对其常见故障和保护原理进行研究分析，提出过流、过 载、堵转、过压、欠压异常情况的保护算法，在建立测试系统且对 异常情况进行模拟结果表明算法能在设定时间和阈值内，对异常状态准确判断并迅速做出保护动作。证明算 法的有效性 关键词：开关磁阻电机；保护算法；控制器；异常状况；故障 中图分类号：献标识码：A ，u1enr，10096，210096，3n10028，of RM)to he of in as he up of 引言 作为一种无需稀土材料的无刷直流电机 开关磁阻电机(有结构简单、转矩大、成 本低等突出特点并在宽广的速度和功率范围内 都能保持较高效率1近年来，随着稀土资源的 日益减少，永磁无刷电机成本日益上升，渐引起电动车行业的重视 电机保护技术的发展可以大致分为3个阶 基金项目：江苏省自然科学(作者简介：(1975一)，男，博士，副教授，分别是初级的以熔断器、继电器为主的机电 式保护器采用电子模拟器件的半导体式保护 器以及目前主流的以微处理器为核心的微机式 保护器。电机的微机保护技术的特点是数字化、 智能化以及多功能化 永磁无刷电机和开关磁 阻电机可控参数多一般将电机的驱动和保护功 能集成在一套控制系统中国内外知名企业推出 的无刷电机控制器均实现了电机异常故障保护 的功能。而目前国内外开关磁阻电机的主要研究 3 电气传动2013年 第43卷 第7期 钟锐，等：基于向是应用于高压系统 针对低压系统的研究 相对较少在电动车实际使用过程中恶劣的运 行环境、超技术条件工作以及产品质量得不到保 证将导致电机产生故障影响用户的使用安全 性 如电机会因过载导致温升过高而烧毁：环境 湿度过高往往会使绝缘电阻降低导致泄漏电流 增加甚至发生击穿：电源电压过低也会使电动 机发生堵转或过热而烧毁：低可靠性的控制器在 损坏后造成电机缺相运行，减少电机寿命。对于 电动车用户来说运行过程中驱动系统发生故障 或损坏可能造成损失是相当巨大的 在电动车驱 动系统中，考虑成本、安装空间等因素，电机保护 必须依托开关磁阻电机控制器来实现，同时提高 控制系统中电机和控制器的安全可靠性发挥开 关磁阻电机成本低、控制灵活等优点。本文针对 低压开关磁阻电机的安全可靠性对其过流、过 载、堵转、过压、欠压等电机异常情况进行分析， 提出相应的保护算法并利用验证在上述异常情况下保护算法的正确性及 响应时间。 2开关磁阻电机常见故障及保护原 理分析 21 限流过流保护 开关磁阻电机运行时如果流经电机绕组的 电流正常不超过控制器中开关功率管的耐流值 会造成器件的损坏某相绕组不能正常开通，使得 开关磁阻电机不正常运行长时间处于缺相运行会 使得电机使用效率和寿命减少。因此需要将流经 电机绕阻的电流控制在开关功率管耐流值的安 全范围内从而保证电机可以正常可靠的运行 电压 、相电流，、开通角 和关断角 等，根 据控制参量的不同方式常用的控制方式有角度 位置控制(称为单脉冲控制)、电压 称 为电流角度控制方式是指通过对开 通角 和关断角 的控制，从而调节电流波形 以及波形和相电感的相对位置。在电机正常运行 时，应使电流波形位于电感波形的上升区间。电 压断开关功率管使得电机绕组两端的电压为脉 冲形状并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到 调节相绕组电压和电流的目的。电压 通常保持开通角、关断角以及脉冲周期 固定 改变脉冲信号的占空比则绕组电压和绕组电流 相应改变从而实现转矩和转速的调节 占空比 越大。电压有效值越大，电路导通时间越长绕组 平均电流越大；占空比越小，电压有效值越小，电 路导通时间越短，绕组平均电流越小 减小脉冲 周期，则电流波形平滑，电机力矩增大噪声减 小但开关功率管的工作频率增大增加了功率 管的负担 电流斩波控制保持电机的开通角和关 断角不变根据相电流瞬时值是否超过设定阈 值开通或者关断开关功率管将相电流限制在 设定的范围内 如图1所示，通过调整设定阈值 的范围可以调节限流幅度的大小控制输出转 矩。调节转速，并且能够有效防止相电流过大，保 证控制器和电机的安全 二 一 & 二 一 图1电流斩波逻辑图 of eu机运行中遇到的使用环境比较复杂在异 常情况下电机的相电流瞬时值上升速度很快而 且在软迟滞斩波方式中采样为定时采样采样时 刻不是受控因素并且所以可能会造成电机相电流的瞬时值迅速上 升超出了斩波的相电流上限阈值而没有进入斩 波 因此需要设定一个过流阈值一般为斩波上 限阈值的15倍当相电流瞬时值超出过流阈值 时电机进入保护停止转动，保证电机的运行 三 一 1 一 图2过流保护逻辑图 of cu锐，等：基于气传动2013年 第43卷 第7期 安全性 其保护逻辑如图2所示过流保护可 作为电机运行过程中电流软件斩波控制的后备 保护。 实现精确的电流控制是保证电机正常运行 的重要条件不仅需要将电流控制在开关功率器 件可以承受的安全范围内并且对于异常情况下 的电机过流状况进行停机保护 22堵转，过载保护 电机会因为各种原因(机器故障、负载过大) 使得电机输出力矩 远小于外部施加力矩 ，转 子处于堵转状态在全电压下堵转的电机，散热 条件极差，电流很大 特别容易烧坏1机过载 是指在某种情况下电机的实际功率超过电机的 额定功率。即电机输出力矩 略大于外部施加力 矩 ，电机转子仍可缓慢旋转换相，电机长时间 过负荷运行容易引起电机绝缘老化、电机烧毁以 及发生严重短路故障_11。因此对于这两种情况， 控制系统应该及时采取保护措施对电机进行保 护 简化平均转矩公式 一1 2 ) ，1、 2 堵转故障下由于定转子相对位置几乎固定不变 相电感没有变化而且相电流迅速上升到斩波上 限阈值 进入斩波状态，电机输出力矩与电流 平方成正比。实际使用中，由于电机的输出力矩 不方便计算因此采用电机速度和绕组相电流瞬 时值作为电机堵转的判定条件 当三相相电流任 一项的值超过堵转阈值，同时电机的转速极低， 这种运行状态持续一段时间后电机进入堵转保 护。堵转保护的保护逻辑如图3所示。堵转电流 值可按电动机额定电流的倍数整定 图3堵转保护逻辑图 of 载状态下的电机其运行功率超过额定功 率，电机的输出力矩略大于外部力矩，与堵转不 同的是，电机可以正常换相，以一定的速度运行， 在电动车控制系统的实际使用中爬坡和过负荷 运行均会导致电机处于过载状态。使用电机的有 效电流值作为电机过载的判定条件当电机的有 效电流值超出过载阈值并且持续一定的时间判 定电机运行在过载情况下。对电机进行保护。过 载保护的逻辑图如图4所示当电机过负荷运行 一定时间 后及时关闭电机， 的取值需考虑爬 坡情况即保证电机安全的同时不影响电机的爬 坡性能 图4过载保护逻辑图 of 3过压欠压保护 系统电源电压是很难保证恒定、不出现波动 或其他异常情况的。在其额定电压下，开关磁阻 电机才能正常稳定的运行 当由于某种意外的原因引起系统的电源电 压上升，超过了允许范围比如功率开关管的额 定电压或者电源芯片的额定电压造成开关管甚 至电机绕组的烧毁影响电机的正常运行。在电 机系统的电源电压低于额定电压的情况下控制 器弱电部分的电源电压低于正常工作值有可能 造成控制信号错误或者开关功率管不能正常开 通使得控制系统工作在非正常状态导致电机 不正常工作甚至损坏 因此在电机系统电源电压高于额定电压 25或者低于额定电压25的情况下需要通过 电机控制器采取保护措施，停止电机运行保证 电机运行的安全可靠性 其保护逻辑如图5所 示，电机过压或者欠压运行时间 ，后，电机停机 进入保护 图5过 ，欠压保护逻辑图 of 实测验证 测试平台硬件包括128结构开关磁阻电机 60 V，100 功机，4通道数字示波 5 电气传动2013年 第43卷第7期 钟锐等：基于电流霍耳传感器，开关磁阻电机控制器。示波 器中10 1 A。 控制器采用3内核的 其片上搭载了专为控制电机而生的定时器和 时器最高输入频率可达72 供 139 得更高：在每个有一个附加的中断不会损失分辨率：相互独立可选择并且提供了可编程的、硬件 水平支持的死区产生机制 换模式，采样率可编程，最低1 多时提供卓越的计算性能和先进 的中断系统响应 软件设计中各个中断功能如表 1所示。 表1中断功能列表 of 断 功能 50 嚣 要 比 5O 机换相，电机限流控制 现电机过流保护检测 算电机当前速度 外部中断 校准转子角度 31过流状态测试 测试方案：外加48 N 定阈值140 A。无延迟时间。在电机运行时将A 相绕组与电源正极短接模拟电机运行过程中 控制器上管击穿导致电机过流的情况，并记录 波形如图6所示 图6过流状态下 of 6中通道1为道2为驱动信号低电平为开启。将极短接后相电流快速上升电流达到143 组关断，控制器停止驱动电机，实现了过流保 6 护的功能。时间延迟180 s，造成3 于人为 操作的原因断开的时候产生抖动因此在驱动信 号完全关断后电流下降后再次上升在实际应用 中不存在这种情况 32堵转状态测试 测试方案：外接48 0 N 动后上管00，堵转时间 设定10 S，模拟电机的堵转状 态并记录波形如图7所示 图7堵转状态下 of 7中通道2为道3为 相下 管驱动信号图7中相电流持续l 040 关断控制器停止驱动电机实现了堵转保护 的功能 与设定时间误差40 33过载状态测试 测试方案：外加48 N 载时间 设定25 S电机启动后迅速将上管 模拟电机运 行在过载状态下。记录波形如图8、图9所示。 吾 噪声滤波器关闭 。 j I。s。9 92 釜 矗t 溢 出 - d d s 50000V 4 00 S 160V1012：07：09 图8过载状态下 of 8和图9中通道2为道3为 图8、图9可以看出， 从驱动信号占空比为g电流消失电机运 钟锐。等：基于气传动2013年 第43卷第7期 图9过载状态下上管驱动信号占空比为100的时刻 of 00 WM 了25 S之后控制器停止驱动电机，实现了过 载保护的功能 34过压，欠压状态测试 测试方案：使用测试平台过程中，电压在电 机运行时不能进行调节否则会造成控制器的损 坏。因此模拟电机的过压和欠压状态时，分别外 接35 电源，时间 ，设定5 s，在此电压 下轻载启动并且记录波形如图11所示。 图0 on 1 1 欠压状态下各信号对应波形 1 on 笔采 集缩小10倍)，通道2为道3为A 相下管驱动信号，通道4为保护计时信号(低电 平开始计时)。从中可以看出，电机在过压或者欠 压状态下运行508 电流消失，控制器停止驱动电机，实现了过压欠 压保护的功能。时间误差80 4结论 本文针对低压开关磁阻电机的可靠性问题 分析其控制原理提出常见故障的保护算法并 建立测试系统验证在过流、堵转、过载、过压欠压 异常情况下保护算法的正确性结果表明算法能 在设定时间和阈值内对异常状态准确判断并迅 速做出保护动作提高了电机及控制器的安全可 靠性 参考文献 1， J Cof a 64 J001， 37(3)：9891009 2，48 krn 008：6723，987，32(5)：371379 4001 5 M，et V e 000，36(1)：111121 6刘重轩论我国电机保护的现状和未来J西北纺织工学 院学报，1998，l(12)：2224 7李国岭国内外电机保护控制综述与发展趋势及配套 前景c第6届全国电机保护控制与电