电动汽车用电机控制器过电流保护方法.doc

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 S320L F2407A 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 : TM 33文献标识码 : A文章编号 : 1004 - 7018( 2011) 08 - 0061 - 03O ver - C urren t Pro tec t ion M e thod s of E lec tr ic Veh ic le M o tor C on tro llerW AN G S hu - w ang, X I S h i - hong, SUN C hun - zhe, ZHOU Z heng, GU I X ing - x ing( H efe i U n ive rsity of Techno logy, H efe i 230009 , Ch ina)A b stra c t: Th is p ap e r system a tica lly ana lyzed the cau se s of ove r - cu rren t in mo to r con tro lle r, bu ilt the p la tfo rm of the e lec tron ic con tro l ba sed on TM S320L F2407A D SP, and e stab lished the cu rren t de tec tion, samp ling, ove r - cu rren t ha rdwa re p ro tec tion c ircu it and ove r - cu rren t softwa re p ro tec tion stra tegy. W ith the se, the system effec tive ly so lve s the p rob lem of ove r- cu rren t in mo to r con tro lle r, and p ropo se s som e sugge stion s on how to reduce the ove r - cu rren t fau lt of mo to r con tro lle r.Key word s: e lec tric veh ic le; mo to r con tro lle r; ove r - cu rren t p ro tec tion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 IGB 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 IGB T过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 、EMC 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 。电 动 汽 车 用 电 机 控 制 器 过 电 流 保 护 方 法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61收稿日期 : 2011 - 02 - 15Dr驱vie动an控d制control2011 年第 8 期电流 ;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 D SP 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 。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 D SP 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 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 IDC 、相 线电 流图 3 IA _ re检测采样电路以应用某型号 800 A 的电流传感器为例 ,实际 电流 IP 和输出电压 VOU T的关系用如下 :VC=P )( )V( 2. 5 + G I1OU T5式中 : G为灵敏度 , G = 2. 5 mV /A; IP 为检测到的实际电流值 ; VC 为电路传感器供电电压 ; VOU T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 2CAD 的仿真 ,仿真图形如图 4 所示 。 如图 4 所示 , 电 流采样 仿 真 输 入 信 号 取频率 500 H z (如 6 对极图 1 电机控制器主电路I 和 I。A _ re 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机5 000r /m in 时 电电路 ,得到电 流 比较 信号IA _comp ,IA _comp 一 路 信号 经图 4 IA _ re采样仿真数据流频 率 即 为 500 H z) ,过差分电路得到 D SP芯片可接受的 0 313 V 的信号 IA _D SP , IA _D SP通过 A /D 转换后得到实际的电流值 ,幅值取电流传感器输出电压值 0. 5 4. 5 V ,直流偏置 2. 5 V。输入信号经过 RC 滤波并经过跟随后通 过差分放大至 D SP可接受电压范围 03. 3 V。图 4的 IA _ 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 D SP可接受的电压信号 。图 5为 IA _ re单周期 采样 仿 真 数 据 。信 号 放大 观 测 输 入 输 出 延时较小 ( tde lay 10 s) ,通过软件程序进行判断是否过流 。另一路IA _comp 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 Iove r ,然后 Iove r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 ; PD P IN 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 PWM 输出引脚 ( EVA )置为高阻态 ,通过 D SP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 ,通过硬件电电 动 汽 车 用 电 机 控 制 器 过 电 流 保 护 方 法图 5 IA _ re单周期采样仿真数据表明相位基本不变 , 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 IGB T 器件来说 是致 命 的 ,62图 2 过电流硬件处理D 驱动控制 2011 年第 8 期rvieandcontrol短路发生时强大的电流流过 IGB T,若不及时采取保护 ,将会直接导致器件损毁 。 1 ED 020 I12 - 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 600 V /1 200 V 的 IGB T 或 IGB T 模块 ,该驱动 器提供了过流保护功能 , 通过检测 Vce电压来实 现 IGB T短路保护 。1 ED020 I12 - FA 的短路保护包括两部分 : 一部 分是对 IGB T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 IGB 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 IGB T集电极端的饱和电压来实现的 。 IG2B T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 7 V 以上 ,产生退饱和现象 。检 测电路 如 图 6 所 示 , 电 路 中 , 芯 片 D ESA T 引 脚 与Ilim , 当 电 流 值 超 过 了Ilim值时就采用降低电 机控制器工作频率 fX 的方 法 处 理 (降 功 率 处理 ) ,当电流值小于 Ilim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 出图 7 软件保护流程现过电流 ,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 Ilim 时就保持电机控制器工作 频率 fX 不变 ,等到电流值小于 Ilim时 ,再增加电机控 制器的工作频率 fX ,保证电机控制器的安全 。图 9 6 CB lank 、RD ESA T 和DD ESA T 构 成 了 退 饱 和 检 测 电 路 ,为延长时间保护策略。D ESA T引脚端电压变化可用下式表示 := 250 RD ESA T+ UDD ESA T+ U ce( 2 )UD ESA T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 。参考文献图 6 1 ED020 I12 - FA 驱动保护电路在退饱和检测时 ,当 UD ESA T高于门限值 9 V 时 ,即表明 IGB T出现了短路或者过流 , 此时芯片输出 故障信号 ,同时 OU T输出低电平来及时关闭 IGB T,同时在延时 2 s后上传故障信号 。因为 IGB T导通 时 Vce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 IGB T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IA _D SP ,该信号采集后通过模数转换输入到 D SP 中 ,经过平滑处理 ,转换为实际值后进行判断故障 ,图 7为软