一种基于滑模控制的IPM模块温度自适应降额控制方法及系统与流程

本发明属于电机驱动控制，具体为一种基于滑模控制的ipm模块温度自适应降额控制方法及系统。

背景技术：

1、在电机驱动系统中，ipm模块作为功率变换核心，其内部结温直接影响器件寿命和系统安全性。为防止过热损坏，现有技术通常采用温度降额策略：当ipm内部ntc传感器检测到的温度接近上限值（如125℃）时，降低输出功率或限制电机转速，以减小模块电流和内部功耗。

2、如公开号为cn121618918a的专利中公开了一种电机过温降额控制方法，通过采集电机实时温度、扭矩、转速等参数判断车辆运行工况，在启动温度降额控制时动态调整电机电动/发电能力。该方案实现了基于工况的动态降额，但其核心逻辑是基于“工况判断+规则映射”的离散决策方式，未采用连续反馈控制律，在环境温度大范围漂移时仍可能出现响应滞后或过度调节。

3、但是现有技术在实际应用中面临以下具体技术问题：

4、（1）响应滞后与转速突变的核心矛盾： 在ipm内置于电机本体的场景中，模块通过电机端盖散热，系统热容极大。传统方案的固定温度阈值无法适应这种漂移：若阈值设得过低，冷态下就会误触发降额；若阈值设得过高，热态下响应严重滞后，温度一旦逼近上限，控制器只能大幅降低占空比来"紧急刹车"，导致转速断崖式下跌。这种转速突变在空调室内机、空调室外风机、压缩机及汽车水泵等应用中会产生噪音、机械冲击，甚至导致系统失稳。

5、（2）模糊控制但其控制精度受限于规则表的分辨率，当温度真正逼近上限时，模糊控制往往已经错失了最佳调节窗口。

6、（3）ipm的热系统具有大惯性、大滞后特性，且环境温度的大范围变化相当于一个持续作用的“外部扰动”，pid的积分项在这种慢时变扰动下容易产生累积误差，导致超调或稳态误差。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了解决上述提出的问题，提供一种基于滑模控制的ipm模块温度自适应降额控制方法及系统。

2、本发明采用的技术方案如下：一种基于滑模控制的ipm模块温度自适应降额控制方法，包括以下步骤：

3、s1：通过ipm内置ntc采集温度，经adc转换后一阶低通滤波，滤波系数取0.2~0.3，输出滤波温度至s3。

4、s2：根据环境温度估计值动态调整目标温度，额定目标115~118℃，参考环境25℃，自适应系数0.3~0.4，下限105℃，输出至s3。

5、s3：以目标温度与滤波温度形成误差，结合误差变化率构造滑模面，使控制器预见温升趋势，输出至s4和s5。

6、s4：用饱和函数替代符号函数设计平滑趋近律，边界层厚3~5℃，使输出连续变化，为s5提供平滑基础。

7、s5：将滑模面映射为降额系数，大于零取零，小于等于零按斜率0.08~0.15映射并限幅，再限每周期变化0.008~0.015，输出至s6。

8、s6：降额系数与速度环输出相乘得最终占空比，设最小占空比5%，经电流环驱动ipm，使温度收敛且转速平滑。

9、在一优选的实施方式中，所述步骤s1中，通过ipm模块内置ntc传感器采集温度电压信号，经adc转换为温度值，采用一阶低通滤波器抑制ntc噪声：

10、

11、其中，为当前周期adc转换后的温度值；为当前周期滤波输出；为上一周期滤波输出；为滤波系数，典型值取。滤波后的送入s3，与s2输出的目标温度形成温度误差。

12、在一优选的实施方式中，所述步骤s2中，根据环境温度估计值动态调整滑模控制器的目标温度：

13、

14、其中，为额定目标温度，取；为参考环境温度，取；为自适应系数，典型值取；表示环境温度高于参考值时才进行负向修正；的下限保护值取。

15、在一优选的实施方式中，所述步骤s2中，环境温度估计由环境温度估计模块完成，有两种实现方式，具体包括：

16、方式一：电机启动初期将ntc首次有效读数作为初值，之后按固定时间常数30分钟递推更新为当前ipm温度的滤波值；

17、方式二：在电机端盖附近布置低成本ntc直接测量。

18、输出至s3，使目标温度随环境温度漂移而调整。

19、在一优选的实施方式中，所述步骤s3中，滑模面构造具体包括：

20、定义温度误差：

21、

22、温度误差变化率：

23、

24、其中，e[k]为当前控制周期温度误差；e[k-1]为上一周期温度误差；为控制周期。

25、构造滑模面：

26、其中，λ为滑模面系数，λ>0，典型值取。滑模面同时包含温度误差和温度变化率，使控制器能够“预见”温升趋势。当温度尚未超标但温升速率较快时，ss提前变化，触发预见性降额。ss输出至s4用于平滑趋近律设计，并输出至s5用于降额系数映射。

27、在一优选的实施方式中，所述步骤s4中，平滑趋近律设计采用饱和函数替代传统滑模控制中的符号函数，设计平滑趋近律。饱和函数为：

28、

29、其中，为边界层厚度，典型值取；为趋近律增益，典型值取，k典型值取。饱和函数在滑模面附近提供线性过渡带，使控制输出在边界层内连续变化，而不是开关式跳变，从数学上保证降额系数的平滑性，避免转速突变。该步骤为s5的降额系数计算提供连续控制基础。

30、在一优选的实施方式中，所述步骤s5中，降额系数计算与限幅

31、将滑模面值映射为降额系数：

32、

33、其中，g为降额斜率增益，g>0，典型值取，根据模块热容调整。

34、在一优选的实施方式中，所述步骤s5中，施加速率限制包括：

35、

36、其中，u[k]为当前周期降额系数；u[k-1]为上一周期降额系数；为每控制周期最大变化量，典型值取；clamp表示将限制在上下限之间。速率限制是保证转速平滑的最后一道防线，即使滑模控制器输出有微小波动，也能被“削峰填谷”。最终输出降额系数u∈[0,1]至s6。

37、分场景适配时，空调室内机增大δ、减小以降低噪音；空调室外风机减小g、增大λ以抗机械冲击。

38、在一优选的实施方式中，所述步骤s6中，降额系数u与速度环输出的目标占空比相乘，得到最终施加到ipm模块的pwm占空比：

39、

40、其中，为速度环输出的目标占空比；u为s5输出的降额系数。最小占空比保护取5%，防止电机完全停转。速度环与电流环采用常规pi控制，其输出不受滑模控制器结构影响；滑模控制器仅通过降额系数u对速度环输出进行“缩放”，无缝集成到现有控制架构中。ipm模块根据输出三相pwm驱动电机本体，使温度稳定收敛在安全范围内，同时保持转速平滑过渡。

41、在一优选的实施方式中，一种基于滑模控制的ipm模块温度自适应降额控制系统，其特征在于：所述系统在运行时使用如权利要求1~9任一项所述的基于滑模控制的ipm模块温度自适应降额控制方法，包括：环境温度估计模块、滑模温度降额控制器、速度环pi控制器、电流环pi控制器、ipm模块、电机和ntc传感器；

42、ntc传感器内置于ipm模块内部，采集模块温度信号，输出至滑模温度降额控制器。

43、环境温度估计模块估计电机内部环境温度，输出环境温度估计值至滑模温度降额控制器，用于动态调整滑模控制器的目标温度。该模块的实现方式包括：

44、纯软件方案：电机启动时将ntc首次有效读数作为初值，之后按固定时间常数30分钟递推更新为当前ipm温度的滤波值；

45、硬件辅助方案：在电机端盖附近布置低成本ntc直接测量环境温度；

46、滑模观测器增强方案：利用smo估计电机参数，进而预测温升趋势。

47、滑模温度降额控制器接收滤波后的ipm温度和环境温度估计值，输出降额系数。该控制器内部执行温度信号采集与滤波、环境温度自适应目标温度计算、滑模面构造、平滑趋近律设计、降额系数计算与限幅。降额系数u与速度环输出的目标占空比相乘，得到最终施加到ipm模块的pwm占空比。

48、速度环pi控制器采用常规pi控制，接收滑模温度降额控制器输出的降额系数u，其输出与降额系数u相乘后输入电流环。速度环输出不受滑模控制器结构影响，滑模控制器仅通过降额系数u对速度环输出进行缩放。

49、电流环pi控制器采用常规pi控制，接收速度环输出与降额系数相乘后的信号，输出驱动信号至ipm模块。

50、ipm模块接收电流环输出的驱动信号，输出三相pwm驱动电机本体。ipm模块内部ntc传感器持续采集模块温度信号，形成闭环控制。

51、电机由ipm模块输出的三相pwm驱动，构成ipm内置式电机驱动系统。

52、ipm模块内部ntc传感器采集模块温度信号，输出至滑模温度降额控制器；环境温度估计模块输出环境温度估计值至滑模温度降额控制器；滑模温度降额控制器输出降额系数u至速度环；速度环输出与降额系数相乘后经电流环驱动ipm模块；ipm模块输出三相pwm驱动电机本体。

53、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

54、1、本发明中，利用饱和函数形成的边界层和速率限制共同作用，使降额系数随时间连续变化，不会出现阶跃式跳变。相比传统模糊控制容易造成的较大转速波动，本方法能够把转速波动限制在较小范围内，从而显著抑制转速突变。在环境温度大范围变化时仍能保持一致的降额性能。无论冷态还是热态，都能避免误触发和响应滞后，使模块温度稳定收敛在安全范围内。

55、2、本发明中，滑模面中引入了温度变化率，使控制器能够感知温升趋势并具备预见性。在负载突然增加时，可以比单纯依靠温度阈值的方案更早触发降额，有效防止温度过冲。滑模控制对参数摄动和外部扰动不敏感。即使散热器热阻因安装工艺差异发生变化，或者环境温度估计存在一定误差，控制器仍能通过趋近律自动调整控制量，维持温度稳定收敛。通过提供可配置的参数组，同一套滑模控制框架可以适配空调室内机、室外风机、压缩机、汽车水泵等多种应用场景，显著降低控制算法的开发和移植成本。