CN101427456B - 电机用驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于永久磁铁励磁电机(1)的驱动系统及相应的方法。当驱动系统的功能计算器(30)和/或监控计算器(4)识别出错误时，使电机(1)停机。本发明的目的是减小已被停机但仍在旋转的电机(1)的制动转矩。根据本发明，如果转速D1不低于可规定的阈值GR1或者输出级(2)的电压U_DC超过阈值Umax，则使输出级(2)三相短路以使电机(1)停机，当转速D1低于可规定的阈值GR1并且输出级(2)的电压UDC不超过阈值Umax时，打开输出级(2)的所有断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)以使电机(1)停机。

Description

电机用驱动系统
技术领域
本发明涉及一种用于永久磁铁励磁电机的驱动系统/控制系统(Ansteuersystem)，以及一种用于控制永久磁铁励磁电机的方法。 
背景技术
DE 10205963公开了一种用于驱动/控制永久磁铁励磁的机械的方法和驱动系统，其中，该电机的各相分别配设有半桥结构/半桥电路，该半桥结构包括第一和第二开关元件以经由中间电路供电。驱动系统的工作状态受到监控并与一阈值相比较。如果超过阈值，则检测到错误/故障状态，在电机各相之间生成短路。 
永久磁铁励磁电机例如用作车辆的驱动电机，所述驱动电机在混合动力系统中接收来自能量供给装置的电能。能量供给例如通过经由变流器和中间电路连接的电池进行，对于纯电动驱动的车辆通过所谓的牵引电池或由内燃机驱动的发电机进行。 
由于永久磁铁励磁电机的设计，这种电机的主要问题是：由于在运行期间出现电枢绕组与永久磁铁之间的相对运动而在电枢绕组中感应出称为感应器电压/极电压的反向电压(反电动势)。这种感应电压随着转速增加而增加，可以达到并超过电机的供电电压的值。如果在这种具有永久磁铁励磁电机的传动系统中出现错误，例如用于削弱磁场或使绕组短路的驱动电子设备运转不正常，则会导致电能从电机反馈到能量供给装置。结果，可能产生车辆中的电机运行所不希望的制动转矩。此外，在低转速下也可能产生这种制动转矩，例如由于通过识别出的错误激活的三相短路而产生(制动转矩)。 
发明内容
本发明的目的是减小已被停机但仍在旋转的电机的制动转矩。 
根据本发明，所述目的通过一种用于电机的驱动系统实现，在所述驱动系统中，当转速D1不低于可规定的阈值GR1或者输出级的电压U_DC超过阈值Umax时，可通过使三个上断路器或三个下断路器短路来使输出级三相短路从而使电机停机。在这种情况下，输出级的开关元件称为断路器。 
根据本发明的解决方案的优点是，三相短路仅在不会产生干扰的制动转矩的边界条件下进行。在永久磁铁励磁电机三相短路的情况下，在较高的转速(在高于每分钟数百转的范围内)下不产生明显的制动转矩。另外，避免了损坏各种部件，如电池、变流器及其半导体构件。 
在本发明的一种实施形式中，当转速D1低于阈值GR并且输出级的电压U_DC低于阈值Umax时，可以打开输出级的所有断路器以使电机停机。 
在永久磁铁励磁电机三相短路的情况下，在很低的转速(在少于每分钟几百转的范围内)下产生干扰的制动转矩。然而，在低转速下，可以通过打开输出级的所有断路器从而在没有干扰的制动转矩的情况下使电机停机。这样的优点是，当不存在用于执行制动转矩低的三相短路的边界条件时，也可以在没有干扰的制动转矩的情况下使电机停机。 
附图说明
由从属权利要求、结合附图可得到本发明的其它有利实施形式，其中： 
图1示出与永久磁铁励磁电机相连接的根据本发明的驱动系统的示意性电路图， 
图2示出与转速有关的错误反应和相关的制动转矩的示例图。 
具体实施方式
图1示出具有根据本发明的驱动系统的实施例的电机1。 
电机1与输出级2相连接。输出级2可设计成变频器或变流器。所示的输出级2具有三个上开关元件2o1、2o2、2o3和三个下开关元件2u1、2u2、2u3。开关元件通常设计成断路器。这些开关元件构成三个半桥结构，所述半桥结构分别由所述开关元件中的两个2o1、2u1；2o2、2u2和2o3、2u3构成，并分别驱动电机1的三相中的一相。 
输出级2经由一主接触器(图1中未示出)与电机1的也未在图1中示出的供电装置(例如电池)相连接。供电装置以电压U_DC向输出级2供电。通过该主接触器能够接通或切断该供电装置。 
输出级2与一逻辑模块5相连接，并由该逻辑模块驱动。此外，输出级2将关于供电电压U_DC的信息和关于正确转换三相短路的信息传送到逻辑模块5。同样能够将关于正确转换开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2或2u3的打开的信息或关于开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2或2u3的电压U_CE的信息传送到逻辑模块5。 
逻辑模块5与功能计算器3和监控计算器4相连接，并从功能计算器3和监控计算器4接收数据。功能计算器3与监控计算器4也互相连接，并互相交换数据。这里，监控计算器4监控功能计算器3的无错误运行。当功能计算器3识别出功能计算器3的错误或者监控计算器4识别出功能计算器3的或监控计算器4的错误时，使电机1停机。 
功能计算器3接收转速传感器6的信息，该转速传感器优选检测电机1的转速D1。 
此外，也可设置一个或多个另外的转速传感器7以检测一个或多个转速D2。例如，也可检测电机1的转速作为转速D2。同样可检测与电机1相连接的传动装置的转速、车轮的轮速或其它相关转速。优选地，转速传感器7是电子稳定程序中的车轮轮速传感器。 
在图1中，转速传感器7与功能计算器3相连接。功能计算器3经由该连接结构接收转速传感器7的关于所检测的转速D2的信息。 
功能计算器3具有一区域8。该区域8在两级监控系统或三级监控系统中称为第一级。在这种情况下，第一级受第二级、可能还有第三级的监控。在功能计算器3的区域8中计算用于驱动电机1的当前驱动信号。这些驱动信号由功能计算器3的区域8传送到逻辑模块5的开关10。 
逻辑模块5的开关10经由一控制线将驱动信号传送到逻辑模块5的开关14。逻辑模块5的开关14经由一控制线将驱动信号传送到逻辑模块5的开关16。逻辑模块5的开关16经由一控制线将驱动信号传送到输出级2。输出级2根据驱动信号的值设定其开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3，并根据该驱动信号来控制电机1。 
功能计算器3经由一停机线路与逻辑模块5的元件9相连接。其中，将能够选择性地传送通路信号或停机信号的连接结构称为停机线路。 
监控计算器4同样经由停机线路与逻辑模块5的元件9相连接。 
在一优选实施例中，该停机信号是无压缺省状态。如果由于错误而使功能计算器3或监控计算器4不向逻辑模块5传送信号，则逻辑模块5将这种情况解释成停机信号。 
在图1所示的实施例中，元件9设计成“逻辑与”。元件9也可以与逻辑模块5中的所有元件一样是电子构件，是逻辑模块内的结构或软件结构。如果“逻辑与”9既从功能计算器3又从监控计算器4接收到通路信号，则“逻辑与”9向开关10传送通路信号，否则传送停机信号。 
在一替代实施例中，元件9设计成“逻辑或”等。在这种情况下，如果元件9从功能计算器3或监控计算器4或从二者都接收到停机信号，便将停机信号传送到开关10。 
如果开关10从元件9接收到停机信号，则开关10进行切换并中断对由功能计算器3的区域8计算的驱动信号的传送。此时传送的是逻辑模块5的元件11的驱动信号，而不是来自区域8的驱动信号。此时，元件11通常是其中固定存储用于三相短路的驱动信号的非易失性存储器。 
元件11的这些驱动信号经由开关10传入该控制线，并经由开关14和开关16传送到输出级2。输出级2根据用于三相短路的驱动信号的值来设定其开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3，并使电机1三相短路。 
这里，驱动信号能够使开关元件2o1、2o2、2o3或开关元件2u1、2u2、 2u3三相短路。另外可规定，如果关于开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3的工作状态的信息得出无法无错误地执行或尚未无错误地执行所选择的三相短路的结论，则也可以改变成三相短路的各其它变型。 
开关14与元件19相连接。元件19是一逻辑装置，当存在预定的输入数据时，该逻辑装置将停机信号发送到开关14。这里，该停机信号使开关14转换成闭合状态，在该闭合状态中开关14可传送相应的用于打开输出级2的所有开关元件2o1、2o2、203、2u1、2u2、2u3的驱动信号以使电机1停机。 
元件19经由元件20与转速传感器6相连接。元件20从转速传感器6接收关于由转速传感器6检测的转速D1的信息。转速D1优选是电机1的转速。元件20检查转速D1是否低于一阈值GR1。在一实施例中，在这种情况下元件20包括一传送到元件19的信号。 
在该实施例的一种改进方案中，检查转速传感器6和D1值的信号传送是否无错误地工作。在图1中，该检查在元件18中进行。这里，仅当元件18向元件19发出转速传感器6和D1值的信号传送无错误地工作的信号时，元件19才评价由元件20传出的关于传感器6的转速D1的信息。如情况不是这样，则在一改进方案中可替代地取一固定存储的转速值。 
在图1所示的实施例中，元件19经由元件17与功能计算器3相连接。元件17从功能计算器3接收来自附加传感器7的转速信息D2。这里，作为图1所示的实施例的替代方案，元件17也可布置在功能计算器3内。 
在一改进方案中，仅当转速信息D2低于阈值GR2时，元件17才向元件19传送信号。在一种替代的简化实施例中，在这种情况下，元件19向元件14传送信号。 
在该替代实施例的一种改进方案中，当功能计算器3识别到转速传感器7或转速传感器7的数据传送发生错误时，从附加转速传感器7传送到功能计算器3的转速信息D2被从转速传感器6传送到功能计算器3的转速信息D1取代。在这种情况下，根据一种优选改进方案，仅当功能计算器3中所检测的转速信息D1低于阈值GR1时，元件17才向元件19传送 信号。 
在一优选实施例中，当元件17和20分别识别出低于阈值(的情况)并且不存在关于低于阈值的信号的检测错误或传送错误的信息时，元件19包括传送到元件14的信号。 
开关10经由控制线传送到开关14的驱动信号也被传送到元件12。元件12根据来自开关10的驱动信号识别出，是否应当激活三相短路。元件12将该信息传送到功能计算器3和逻辑模块5的元件19。 
元件12还与输出级2相连接，并从该输出级接收关于该输出级的工作状态或其开关元件2o1、2o2、203、2u1、2u2、2u3的工作状态的信息。这里通常传送的是，开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3的电压U_CE是否取容许值。元件12根据来自输出级2的信息识别出，输出级2是否使电机1三相短路。如果已经按规定执行三相短路，则元件12将该信息传送到功能计算器3和逻辑模块5的元件19。 
如果三相短路的执行出现错误，则使三相短路从开关元件2o1、2o2、2o3的短路改变成开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3的短路或反过来。 
在图1所示的实施例中，如果元件19接收到信息：功能计算器3已经经由元件17识别出转速D2或D1低于其相应的阈值GR2或GR1并且元件12已经识别出输出级2的三相短路和元件9没有向开关10传送停机信号，则元件19向开关14发送停机信号。这里，可根据元件19中存在的信号推断出功能计算器3的无错误地运行。因此，可信任经由元件17继续传送的信号，如果D2或D1不超过相应的阈值GR2或GR1，则通过向开关14发送停机信号而启动打开开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3的转换。可利用这种行为，以在该方法中结合由外部控制器提供而不是基于计算器3或监控计算器4的错误识别的停机指令。由此使外部停机指令能够根据转速和/或根据电压U_DC、通过打开所有开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3而激活三相短路或电机停机过程。 
在图1所示实施例中，如果元件19收到信息：元件20已经识别出转 速D1低于相应的阈值GR1并且元件12已经识别出输出级2的三相短路和存在从元件9输送到开关10的停机信号，则元件19向开关14发送停机信号。如果存在从元件9传向开关10的停机信号，则可不再信任来自功能计算器3和监控计算器4的数据。因此在这种情况下合适的是，不再应用从功能计算器3传送到元件17的转速信号，而是信任从传感器6直接传送到逻辑模块5的转速信号D1。 
在这种情况下，在图1所示实施例中，元件18必须另外向元件19发出信号：传感器6无错误地工作。否则，可替代地取固定存储的转速值。这还适用于以下情况：元件17以替代的方式让位给转速D1并且元件18识别出传感器6的错误。 
如果开关14从元件19接收到停机信号，则该开关切换并中断来自元件10的驱动信号的继续传送。此时继续传送逻辑模块5的元件13的信息而不是这些驱动信号。这里，元件13通常是非易失性存储器，其中固定存储有用于打开输出级2的所有开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3的驱动信号。 
元件13的这些驱动信号经由开关14传入该控制线中，并经由开关16传送到输出级2。输出级2根据向其传送的驱动信号运行参数的值打开其开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3，从而驱动电机1。 
开关14经控制线传送到开关16的信息也传送到元件21。元件21根据来自开关14的信息识别出：是否应当打开所有开关元件2o1、2o2、2o3、2u1、2u2、2u3。该信息由元件21传送到功能计算器3。 
输出级2将关于输出级上存在的电压U_CE的信息传送到元件22。元件22是一比较器，该比较器比较电压U_CE的值与值Umax，并当U_CE大于Umax时将停机信号传送到开关16。 
如果开关16从元件22接收到停机信号，则开关16切换并中断来自元件14的驱动信号的继续传送。此时继续传送逻辑模块5的元件15的驱动信号信息而不是这些驱动信号。这里，元件15通常是非易失存储器，其中固定存储用于输出级2的三相短路的驱动信号。
图2示例性地示出：根据本发明的取决于转速的对错误(做出)的反应是如何影响制动转矩的。 
图2示意性地示出根据本发明的设备的工作电压U_DC、感应电压U_ind和感应引起的制动转矩M_ind的曲线，其中设置在电压供给设备与输出级2之间的主接触器闭合，也就是说，为输出级2供给恒定的电压U_DC。如图所示，在这种情况下感应电压U_ind与转速成比例地增加。 
在图2所示的实施例中，如果对D1的转速检测正常地进行，也就是说，低于转速阈值GR1，则通过打开所有断路器使电机1停机，而在高于阈值转速的情况下通过三相短路(使电机1停机)。在较高的转速(>GR1)下，通过三相短路仅引起很低的制动转矩。 
如虚线所示，在低转速下，在三相短路中产生很高的制动转矩。其原因是电机1中的短路电流。 
如果在较低的转速(<GR1)下通过打开断路器进行停机，则制动转矩降低。在这个区域中，感应电压低于供电电压U_DC。因此不会产生从U_ind到U_DC的、能够引起显著的制动转矩M_ind的电流。结果，阈值GR1(以及相应的阈值DR2)适合于位于其中U_ind低于U_DC的转速范围内。 
另外，提供一电压阈值Umax，当该电压阈值被超过时，在任何情况下都使电机1的停机转换成三相短路。这样保护电机免于承受过高的供电电压U_DC。因此，与错误的转速识别无关地，保护电机1和输出级2免受在切断电源装置时以及可能的出现感应时产生的过高的供电电压。

Claims (15)

1.一种用于永久磁铁励磁电机(1)的驱动系统，具有
-功能计算器(3)，
-监控计算器(4)，
-可编程逻辑模块(5)，
-转速传感器(6)，所述转速传感器用于检测电机(1)的转速D1，以及
-可切断的输出级(2)，所述输出级具有三个上断路器(2o1，2o2，2o3)和三个下断路器(2u1，2u2，2u3)，
其中，当功能计算器(3)或监控计算器(4)识别出错误时，能够使电机(1)停机，
其特征在于，
当转速D1不低于可规定的阈值GR1或者输出级(2)的电压U_DC超过阈值Umax时，可通过使三个上断路器(2o1，2o2，2o3)或三个下断路器(2u1，2u2，2u3)短路来使输出级(2)三相短路从而使电机(1)停机；并且
当转速D1低于阈值GR1并且输出级(2)的电压U_DC不超过阈值Umax时，可以将输出级(2)的所有断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)打开以使电机(1)停机。
2.根据权利要求1所述的驱动系统，
其特征在于，
设置至少一个另外的转速传感器(7)用于检测转速D2。
3.一种用于控制永久磁铁励磁电机(1)的方法，在所述方法中，当功能计算器(3)识别出功能计算器(3)的错误或者监控计算器(4)识别出功能计算器(3)的或监控计算器(4)的错误时，使电机(1)停机，其特征在于，
-电机(1)的转速D1被一独立的逻辑装置(5)监控，并与阈值GR1 相比较，
-当转速D1不低于阈值GR1或者输出级(2)的电压U_DC超过阈值Umax时，激活输出级(2)的三个上断路器(2o1，2o2，2o3)或三个下断路器(2u1，2u2，2u3)的三相短路；并且
-当转速D1低于阈值GR1并且输出级(2)的电压U_DC不超过阈值Umax时，可以将输出级(2)的所有断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)打开以使电机(1)停机。
4.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
当转速传感器(6)的转速D1降到低于阈值GR1时，使输出级(2)从三相短路转换到打开断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)；并且当输出级(2)的电压U_DC超过值Umax时，使输出级(2)从打开断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)转换到三相短路。
5.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
当输出级(2)的电压U_DC再降到低于所述值Umax并且当前不需要停机时，停止对输出级(2)的切断。
6.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
输出级(2)的断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)的开关状态被逻辑模块(5)传送到功能计算器(3)。
7.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
从逻辑模块(5)的元件(12)向功能计算器(3)进行反馈：是否需要以及实施三相短路。
8.根据权利要求3所述的方法，
其特征在于，
当电机(1)起动时进行停机线路试验，在该试验中测试停机线路在不 同转速下的正确切断和改变。
9.一种用于控制永久磁铁励磁电机(1)的方法，在所述方法中，当功能计算器(3)识别出不是发生在功能计算器(3)中的错误时，使电机(1)停机，
其特征在于，
-由第二转速传感器(7)检测的转速D2被功能计算器(3)监控，以及
-当转速D2不低于阈值GR2或者输出级(2)的电压U_DC超过阈值Umax时，激活输出级(2)的三个上断路器(2o1，2o2，2o3)或三个下断路器(2u1，2u2，2u3)的三相短路；并且
-当转速D2低于阈值GR2并且输出级(2)的电压U_DC不超过阈值Umax时，可以将输出级(2)的所有断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)打开以使电机(1)停机。
10.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
当第二转速传感器(7)的转速D2降到低于阈值GR2时，使输出级(2)从三相短路转换到打开断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)；并且
当输出级(2)的电压U_DC超过值Umax时，使输出级(2)从打开断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)转换到三相短路。
11.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，当
-不能评价转速信号D2，以及
-在功能计算器(3)中对第一转速传感器(6)的转速D1的评价识别出低于阈值GR1时，
使输出级(2)从三相短路转换到打开断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)；并且
当输出级(2)的电压U_DC超过值Umax时，使输出级(2)从打开 断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)转换到三相短路。
12.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
当输出级(2)的电压U_DC再降到低于所述值Umax并且当前不需要停机时，停止对输出级(2)的切断。
13.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
输出级(2)的断路器(2o1，2o2，2o3，2u1，2u2，2u3)的开关状态被逻辑模块(5)传送到功能计算器(3)。
14.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
从逻辑模块(5)的元件(12)向功能计算器(3)进行反馈：是否需要以及实施三相短路。
15.根据权利要求9所述的方法，
其特征在于，
当电机(1)起动时进行停机线路试验，在该试验中测试停机线路在不同转速下的正确切断和改变。 
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