CN103795033A - 一种开关磁阻电机相间短路的检测保护电路及其方法 - Google Patents

Abstract

一种开关磁阻电机相间短路的检测保护电路及其方法，设有非对称半桥功率变换器、电流采样电路、电流采样放大电路、微处理器CPU、二输入与门。CPU内置开关磁阻电机相间短路判别算法根据电机运行状态的检测，通过CPU依次对各运行状态所对应的非工作相的下开关功率管触发短路电流检测脉冲，相间短路引起的短路电流串流至非工作相下开关功率管，经过电流采样电路、电流采样放大电路反馈至CPU，与设定的阈值电流的比较作为依据，判断开关磁阻电机发生短路，从而达到开关磁阻电机相间短路保护。

Description

一种开关磁阻电机相间短路的检测保护电路及其方法

技术领域

本发明涉及非对称半桥功率变换器在开关磁阻电机中的应用，尤其涉及一种开关磁阻电机相间短路的检测保护电路及其方法。

背景技术

开关磁阻电机结构简单坚固，工作可靠，效率高，由其构成的开关磁阻电动机驱动系统与传统交直流调速系统相比，具有许多优点，如：起动转矩大，调速范围宽，控制灵活，可方便实现四象限运行，具有较强的再生制动能力，在宽广的转速和功率范围内都具有高效率，有利于节能降耗；可工作于极高转速；可缺相运行，容错能力强等。非对称半桥功率变换器凭借着各相电路完全独立、控制简单、功率器件耐压低等特性广泛应用于开关磁阻电机控制领域。

正是广泛的应用于工业控制领域，可靠性问题尤其凸显。对于非对称半桥功率变换器在开关磁阻电机中的应用，相间短路故障的判别一直缺少一种简单、可靠的方法。已有技术可以在软件控制中内嵌节点能量计算算法，不过这种方法占用的微处理器资源较大，影响控制系统的实时性能。

发明内容

本发明目的是针对开关磁阻电机相间短路故障的问题，提出一种简单可靠的开关磁阻电机相间短路检测保护电路及其方法。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：一种开关磁阻电机相间短路的检测保护电路，其特征在于：包括非对称半桥功率变换器、电流采样电路、电流采样放大电路、微处理器CPU和二输入与门，非对称半桥功率变换器的输入连接直流电源，输出连接电流采样电路，电流采样电路输出连接电流采样放大电路，电流采样放大电路输出连接微处理器CPU，微处理器CPU有三路输出，一路输出连接非对称半桥功率变换器，另两路输出连接二输入与门，二输入与门输出反馈信号连接非对称半桥功率变换器；其中：

非对称半桥功率变换器包括开关功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6，续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6和开关磁阻电机的三相绕组，其中T1、T3、T5定义为上开关功率管，T2、T4、T6定义为下开关功率管，D1、D3、D5定义为上续流二极管，D2、D4、D6定义为下续流二极管，上开关功率管T1、T3、T5的漏极分别连接上续流二极管D1、D3、D5的阴极并连接直流电源正端，上开关功率管T1、T3、T5的源极分别与下续流二极管D2、D4、D6的阴极连接后接入三相电机绕组一端，三相电机绕组的另一端分别连接下开关功率管T2、T4、T6的漏极和上续流二极管D1、D3、D5的阳极，下开关功率管T2、T4、T6的源极分别连接下续流二极管D2、D4、D6的阳极；

电流采样电路包括电阻R1、R2、R3，电阻R1、R2、R3的一端分别连接非对称半桥功率变换器中下开关功率管T2、T4、T6的源极，电阻R1、R2、R3的另一端连接直流电源负端；

电流采样放大电路包括电阻R4、R5运算放大器U1，运算放大器U1的正端连接电流采样电路中下开关功率管T2、T4、T6的源极，运算放大器U1的负端连接电阻R4和R5的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端与运算放大器U1的输出端连接并作为电流采样放大电路的输出端；

微处理器CPU内嵌脉宽调制PWM模块、输入输出GPIO模块、定时器TIM模块和模数转换ADC模块，脉宽调制PWM模块输出PWM驱动信号，输入输出GPIO模块输出斩波信号和驱动信号，其中驱动信号连接至非对称半桥功率驱动器中下开关功率管T2、T4、T6的栅极，模数转换ADC模块的输入端连接电流采样放大电路中运算放大器U1的输出端；

二输入与门的两个输入端分别连接微处理器CPU中脉宽调制PWM模块输出的PWM驱动信号和输入输出GPIO模块输出的斩波信号，二输入与门的输出端连接至非对称半桥功率驱动器中上开关功率管T1、T3、T5的栅极。

所说非对称半桥功率变换器中的上、下开关管均为金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

上述开关磁阻电机相间短路的检测保护电路的检测保护方法，其特征在于：针对采用非对称半桥结构作为功率变换器的开关磁阻电机，相数N≧3，在开关磁阻电机运行期间，微处理器CPU根据内置开关磁阻电机相间短路判别算法，改变下开关功率管的驱动信号，通过输入输出GPIO口对非工作相的下开关功率管触发短脉冲，电流采样电路测量短脉冲期间非工作相的电流值，通过电流采样放大电路反馈至微处理器CPU，与设定的阈值比较，判断开关磁阻电机发生短路，实现开关磁阻电机相间短路故障的检测保护；

开关磁阻电机相间短路判别算法如下：设磁阻电机的三相绕组的工作顺序为C、B、A，当开关磁阻电机启动，处于CB相工作状态下，通过微处理器CPU获取开关磁阻电机工作状态，捕获电机CB相向B相工作过渡的切换时间点，由输入输出GPIO模块向非工作A相的下开关功率管输出脉宽为T_pulse采样脉冲，脉冲宽度T_pulse由定时器TIM模块配置，模数转换ADC模块接收来自电流采样放大电路的电流采样信号，若C、A两相发生短路，则短路电流串流至非工作相A相下端的采样电阻，采样放大信号大于微处理器CPU设定的短路电流阈值I_ref，则说明开关磁阻电机C、A两相发生相间短路，开关磁阻电机停止工作；三相绕组的其他工作顺序情况类推。

本发明具有如下优点和显著效果：

1）CPU内置开关磁阻电机相间短路判别算法根据电机运行状态的检测，通过CPU依次对各运行状态所对应的非工作相的下开关功率管触发短路电流检测脉冲，相间短路引起的短路电流串流至非工作相下开关功率管，经过电流采样电路、电流采样放大电路反馈至CPU，与设定的阈值电流的比较作为依据，判断开关磁阻电机发生短路，从而达到开关磁阻电机相间短路保护。本发明在不影响开关磁阻电机正常工作的情况下，大大提高了电机运行过程中发生相间短路的判断能力，对于电机内部短路也有一定的保护能力。

2）方法简单，应用系统广泛，无需复杂算法，成本低，可靠性高。

3）应用环境广泛，无论轻载还是重载情况下，都可以可靠地判别相间短路。

4）软件算法简单，可行性高，无需复杂的硬件电路，可以有效防止相间短路对功率变换器以及电机本体的损伤。

附图说明

图1是本发明电路的结构框图；

图2是本发明电路原理图；

图3是开关磁阻电机短路判别算法软件流程图；

图4是开关磁阻电机相间短路保护逻辑图；

图5是开关磁阻电机发生绕组下端短路时电流流向示意图；

图6是开关磁阻电机发生绕组下端短路时相电流示意图；

图7是开关磁阻电机发生相间短路时下开关功率管驱动与相电流波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明电路包括非对称半桥功率变换器1、电流采样电路2、电流采样放大电路3、微处理器（CPU）4和二输入与门5，非对称半桥功率变换器1的输入连接直流电源，输出连接电流采样电路2，电流采样电路2输出连接电流采样放大电路3，电流采样放大电路3输出连接微处理器（CPU）4，微处理器（CPU）4有三路输出，一路输出连接非对称半桥功率变换器1，另两路输出连接二输入与门5，二输入与门5输出反馈信号连接非对称半桥功率变换器1。

如图2所示，非对称半桥功率变换器1包括开关功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6，续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6和开关磁阻电机的三相绕组，其中T1、T3、T5定义为上开关功率管，T2、T4、T6定义为下开关功率管，D1、D3、D5定义为上续流二极管，D2、D4、D6定义为下续流二极管，上开关功率管T1、T3、T5的漏极分别连接上续流二极管D1、D3、D5的阴极并连接直流电源正端，上开关功率管T1、T3、T5的源极分别与下续流二极管D2、D4、D6的阴极相连后接入三相电机绕组一端，三相电机绕组的另一端分别连接下开关功率管T2、T4、T6的漏极和上续流二极管D1、D3、D5的阳极，下开关功率管T2、T4、T6的源极分别连接下续流二极管D2、D4、D6的阳极。

电流采样电路2包括高精度低温度系数康铜丝采样电阻，电阻的上端分别连接非对称半桥功率变换器中下开关功率管T2、T4、T6的源极，电阻的下端连接直流电源负端。

电流采样放大电路3包括电阻R4、R5以及运算放大器U1，运算放大器U1的正端连接电流采样电路中采样电阻的上端（即下开关功率管T2、T4、T6的源极），运算放大器U1的负端连接电阻R4和R5的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端与运算放大器U1的输出端连接并作为电流采样放大电路的输出端。

微处理器（CPU）4内嵌脉宽调制PWM模块6、输入输出GPIO模块7、模数转换ADC模块8和定时器TIM模块9，脉宽调制PWM模块6输出PWM驱动信号，输入输出GPIO模块7输出斩波信号、下开关功率管驱动信号以及对下开关功率管触发的脉宽为Tpulse短路检测脉冲，T_pulse可由定时器TIM模块配置，其中驱动信号连接至非对称半桥功率驱动电路1中下开关功率管T2、T4、T6的栅极，模数转换ADC模块8的输入端连接电流采样放大电路3中运算放大器U1的输出端。

二输入与门5的两个输入端分别连接微处理器（CPU）4中脉宽调制PWM模块6输出的PWM驱动信号和输入输出GPIO模块7输出的斩波信号，二输入与门5的输出端连接至非对称半桥功率驱动电路中上开关功率管T1、T3、T5的栅极。

图5所示为开关磁阻电机发生相间短路电流流向图，当A相停止工作，绕组处于回流状态，此时电流较大，从图中可以看出，如果长时间运行在大电流情况下，对下续流二极管的压力增大，易造成下续流二极管的损坏，从而电机无法正常工作。

通过实施例说明本发明电路的具体工作原理：

1）在非对称半桥功率驱动器1中，以一相为例，T1、T2为主开关功率管，D1、D2为续流二极管。T1接收由二输入与门5输出的上开关功率管驱动信号，T2接受由输入输出GPIO模块7输出的下开关功率管驱动信号。T1、T2同时导通，系统处于励磁状态，T1关断、T2导通，处于续流状态，T1、T2均关断，系统处于换相回流状态。

2)电流采样电路2将相电流转化为电压信号。

3)电流采样放大电路3将电流采样电路2采样的电压放大为微处理器（CPU）4识别的电压。电流采样放大电路3中，同相输入端电位控制由集成运放U1和R4、R5组成的电压源来控制。

4）微处理器CPU为32位，其中通过脉宽调制PWM模块6产生PWM驱动信号，输入输出GPIO模块7产生斩波信号，两者经过二输入与门5相与产生非对称半桥功率驱动电路1中的上开关功率管T1驱动信号。输入输出GPIO模块7还产生非工作相短路电流检测脉冲。模数转换ADC模块8接收电流采样放大电路3输出信号，将模拟信号转化为微处理器CPU所能识别的数字信号，作为判断依据。

开关磁阻电机规格：60V/1000W、12/8结构，开通顺序依次为：C、B、A，即开关

磁阻电机启动时的工作顺序依次为：CB—>B—>BA—>A—>AC—>C—>CB…。

工作过程如下：

电机刚启动时，CB处于工作模式，微处理器CPU内嵌的脉宽调制（PWM）模块根据开关磁阻电机位置传感器输出信号依次输出三相上管的驱动信号，下管驱动由CPU中输入输出（GPIO）模块给出，在一相的工作期间处于常开状态。

若以CB工作状态作为依据对非工作相触发相间短路检测脉冲，由于非工作相此时还残留回流电流，容易引发误触发，所以在C相由CB相切换至B相运行的时间点，此时刻点C相处于回流状态、B相处于开始励磁状态，非工作相A相已完全退磁避免了由于A相回流电流引起的误触发。

电机运行过程中A相、C相绕组下端发生短路，在开关磁阻电机由CB相切换至B相的时间点，C相上、下开关功率管均关断，处于回流阶段，回流电流较大，此时通过输入输出（GPIO）模块向非工作相A相下开关功率管触发脉宽为T_pulse短路检测脉冲，T_pulse可由TIM模块配置，短路电流会串流至A相下端的采样电阻，短路电流流向如图5所示。通过R1将检测电流值转化为电压值，经过采样放大电路将电压采样信号转化为CPU所能识别的电压范围内，反馈至CPU中的模数转换（ADC）模块将模拟量转化为数字量，由于微处理器在采样上的离散化滤波特性，可极大降低受毛刺信号的影响程度，此时与软件中设定的阈值I_ref进行比较。A、C相短路，C相的回流电流串流至A相下端采样电阻的电流大于I_ref阈值电流，则判别开关磁阻电机电机（C、A）发生短路故障，开关磁阻电机停止工作，其中T_pulse、I_ref参数通过测试获得，与电机的具体参数有关。

图3所示为开关磁阻电机相间短路判别算法软件流程图。

图4所示，在C相由CB相切换至B相运行的时刻点，CPU对A相下开关功率管（A_down）输出短路电流的检测脉冲，脉冲宽度为T_pulse。

图5是开关磁阻电机发生绕组下端短路时电流流向示意图，由图5可以明显看出，若未采用短路故障诊断方法，若发生短路故障，则下管会长时间工作在大电流的状态，很容易造成下管以及下续流管的损坏。

图6所示，开关磁阻电机发生绕组下端短路时相电流示意图。由图6可以明显看出当开关磁阻电机发生相间短路时，相电流会出现远高于斩波限的情形，如果开关磁阻电机长时间工作在大电流情况下，极易造成上、下开关功率管以及续流二极管的损坏。

图7是开关磁阻电机发生相间短路时下开关功率管驱动与相电流波形示意图。由图7可以明显看出如果C、A两相发生相间短路，在C相上、下开关功率管均关断时刻，对A相下开关功率管触发脉宽为T_pulse短路电流检测脉冲，在T_pulse脉宽时间内，采样电阻R₁检测到短路电流，通过电流采样放大电路反馈至微处理器，短路电流I_a大于设定的阈值电流I_ref，则断定开关磁阻电机发生相间短路故障，开关磁阻电机停止工作，这样可以有效预防由于短路大电流引起的功率变换器中上、下开关功率管以及续流二极管的损坏。

Claims (3)

1.一种开关磁阻电机相间短路的检测保护电路，其特征在于：包括非对称半桥功率变换器、电流采样电路、电流采样放大电路、微处理器CPU和二输入与门，非对称半桥功率变换器的输入连接直流电源，输出连接电流采样电路，电流采样电路输出连接电流采样放大电路，电流采样放大电路输出连接微处理器CPU，微处理器CPU有三路输出，一路输出连接非对称半桥功率变换器，另两路输出连接二输入与门，二输入与门输出反馈信号连接非对称半桥功率变换器；其中：

非对称半桥功率变换器包括开关功率管T1、T2、T3、T4、T5、T6，续流二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6和开关磁阻电机的三相绕组，其中T1、T3、T5定义为上开关功率管，T2、T4、T6定义为下开关功率管，D1、D3、D5定义为上续流二极管，D2、D4、D6定义为下续流二极管，上开关功率管T1、T3、T5的漏极分别连接上续流二极管D1、D3、D5的阴极并连接直流电源正端，上开关功率管T1、T3、T5的源极分别与下续流二极管D2、D4、D6的阴极连接后接入三相电机绕组一端，三相电机绕组的另一端分别连接下开关功率管T2、T4、T6的漏极和上续流二极管D1、D3、D5的阳极，下开关功率管T2、T4、T6的源极分别连接下续流二极管D2、D4、D6的阳极；

电流采样电路包括电阻R1、R2、R3，电阻R1、R2、R3的一端分别连接非对称半桥功率变换器中下开关功率管T2、T4、T6的源极，电阻R1、R2、R3的另一端连接直流电源负端；

电流采样放大电路包括电阻R4、R5运算放大器U1，运算放大器U1的正端连接电流采样电路中下开关功率管T2、T4、T6的源极，运算放大器U1的负端连接电阻R4和R5的一端，电阻R4的另一端接地，电阻R5的另一端与运算放大器U1的输出端连接并作为电流采样放大电路的输出端；

微处理器CPU内嵌脉宽调制PWM模块、输入输出GPIO模块、定时器TIM模块和模数转换ADC模块，脉宽调制PWM模块输出PWM驱动信号，输入输出GPIO模块输出斩波信号和驱动信号，其中驱动信号连接至非对称半桥功率驱动器中下开关功率管T2、T4、T6的栅极，模数转换ADC模块的输入端连接电流采样放大电路中运算放大器U1的输出端；

二输入与门的两个输入端分别连接微处理器CPU中脉宽调制PWM模块输出的PWM驱动信号和输入输出GPIO模块输出的斩波信号，二输入与门的输出端连接至非对称半桥功率驱动器中上开关功率管T1、T3、T5的栅极。

2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机相间短路的检测保护电路，其特征在于：所说非对称半桥功率变换器中的上、下开关管均为金属-氧化物-半导体场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述开关磁阻电机相间短路的检测保护电路的检测保护方法，其特征在于：针对采用非对称半桥结构作为功率变换器的开关磁阻电机，相数N≧3，在开关磁阻电机运行期间，微处理器CPU根据内置开关磁阻电机相间短路判别算法，改变下开关功率管的驱动信号，通过输入输出GPIO口对非工作相的下开关功率管触发短脉冲，电流采样电路测量短脉冲期间非工作相的电流值，通过电流采样放大电路反馈至微处理器CPU，与设定的阈值比较，判断开关磁阻电机发生短路，实现开关磁阻电机相间短路故障的检测保护；

开关磁阻电机相间短路判别算法如下：设磁阻电机的三相绕组的工作顺序为C、B、A，当开关磁阻电机启动，处于CB相工作状态下，通过微处理器CPU获取开关磁阻电机工作状态，捕获电机CB相向B相工作过渡的切换时间点，由输入输出GPIO模块向非工作A相的下开关功率管输出脉宽为T_pulse采样脉冲，脉冲宽度T_pulse由定时器TIM模块配置，模数转换ADC模块接收来自电流采样放大电路的电流采样信号，若C、A两相发生短路，则短路电流串流至非工作相A相下端的采样电阻，采样放大信号大于微处理器CPU设定的短路电流阈值I_ref，则说明开关磁阻电机C、A两相发生相间短路，开关磁阻电机停止工作；三相绕组的其他工作顺序情况类推。

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