CN101873078A - 一种可控整流装置以及使用该整流装置的电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可控整流装置以及使用该整流装置的电动机，所述可控整流装置包括：逆变器，该逆变器包括相互并联的3个开关元件组，每个开关元件组包括相互并联的至少两个开关元件，每个开关元件包括上桥臂开关和下桥臂开关；控制板，用于产生PWM波形；以及驱动板，用于根据所述PWM波形产生驱动电压，以驱动每个开关元件的上桥臂开关和下桥臂开关各自导通或断开，并使得同一开关元件组中的上桥臂开关同时导通或者断开、以及同一开关元件组中的下桥臂开关同时断开或者导通。本发明的可控整流装置中的开关元件在不使用大功率级别的开关元件的情况下，相比于现有的开关元件中仅包括单个开关元件的情况，具有更好的抗流性能。

Description

一种可控整流装置以及使用该整流装置的电动机

技术领域

本发明涉及电动机领域，并且尤其涉及可控整流装置以及使用该可控整流装置的电动机。

背景技术

如图1示出了现有的电动机中所使用的可控整流装置的结构示意图。所述可控整流装置通常包括逆变器10，该逆变器10包括相互并联的3个开关元件，每个开关元件包括上桥臂开关和下桥臂开关；控制板20，用于负责采集外围采样信号，并根据控制策略产生PWM波形；以及驱动板30，用于根据所述PWM波形产生驱动电压，以驱动所述3个开关元件的上桥臂开关和下桥臂开关导通或断开，从而产生三相对称电流，驱动电动机转动。

图2示出了现有的3个开关元件的布局结构图。其中3个开关元件分别为IGBT(绝缘栅双极型晶体元件)1、IGBT3以及IGBT5，其中，IGBTa包括上桥臂开关IGBTa′和下桥臂开关IGBTa″(其中a＝1-3)，3个开关元件中的上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点分别连接到电动机的三相绕组U、V、W，驱动板控制开关元件中的上桥臂开关和下桥臂开关以以下顺序导通：IGBT1′-IGBT3″、IGBT1′-IGBT5″、IGBT3′-IGBT1″、IGBT3′-IGBT5″、IGBT5′-IGBT1″、IGBT5′-IGBT3″，从而分别为电动机的U、V、W三相绕组提供交流电。

现有的混合动力汽车一般使用发动机和电动机作为动力输出源，因此电动机可以是小功率的电动机；而在纯电动汽车中，使用电动机作为唯一的动力输出源，因此所使用的电动机必须是大功率的电动机。对于小功率的电动机而言，上述可控整流装置使用一般的IGBT就足以满足交流电的供应了；而对于大功率的电动机而言，如果上述可控整流装置使用一般的小功率IGBT，则会对电动机的转矩和功率造成一定的限制，但是如果直接将小功率IGBT替换成大功率IGBT，则会增加可控整流装置的成本(因为大功率IGBT的价格是小功率IGBT价格的5倍)，同时大功率IGBT的功耗较大，也会对资源造成浪费。

发明内容

为了克服现有的大功率电动机中的可控整流装置需要使用昂贵且功耗大的大功率IGBT的缺陷，本发明提供一种避免了使用大功率IGBT且成本低廉的可控整流装置。

本发明提供的可控整流装置包括：逆变器，该逆变器包括相互并联的3个开关元件组，每个开关元件组包括相互并联的至少两个开关元件，每个开关元件包括上桥臂开关和下桥臂开关；控制板，用于产生PWM波形；以及驱动板，用于根据所述PWM波形产生驱动电压，以驱动所述每个开关元件的上桥臂开关和下桥臂开关各自导通或者断开，并使得同一开关元件组中的上桥臂开关同时导通或者断开、以及同一开关元件组中的下桥臂开关同时断开或者导通。

此外，本发明还提供一种电动机，该电动机包括三相绕组和上述可控整流装置，其中，所述三相绕组中的每相绕组分别与上述可控整流装置中的一个开关元件组中的上桥臂开关与下桥臂开关之间的各个连接点电连接。

在本发明的可控整流装置中，通过驱动板使得开关元件组中相互并联的至少2个开关元件同时导通或者断开，因此可以将由相互并联的至少2个开关元件组成的开关元件组当作一个开关元件。由于相互并联的至少2个开关元件能够对流经整个开关元件的电流起到分流的效果，因此，本发明的可控整流装置中的开关元件在不使用大功率级别的开关元件的情况下，相比于现有的开关元件中仅包括单个开关元件的情况，具有更好的抗流性能(即，抗大电流的性能)。此外，在本发明提供的使用上述可控整流装置的电动机中，可控整流装置通过采用并联小功率级别的开关元件的方式，提高了电动机的功率可控范围，有效地利用了资源，节省了成本。

附图说明

图1是电动机中所使用的可控整流装置的结构示意图；

图2是现有的3个开关元件的布局结构图；

图3是本发明的可控整流装置中的逆变器的结构示意图；

图4是本发明的电动机中的三相绕组的结构示意图；

图5是本发明的电动机中调节d轴电压和q轴电压的流程图；以及

图6示出了电动机的q轴电流、油门响应周期和油门步进值三者的曲线关系。

具体实施方式

下面参考附图详细描述本发明。

如图1所述，本发明提供了一种可控整流装置，该装置包括：逆变器10，该逆变器10包括相互并联的3个开关元件组，每个开关元件组包括相互并联的至少两个开关元件，每个开关元件包括上桥臂开关和下桥臂开关；控制板20，用于产生PWM波形；以及驱动板30，用于根据所述PWM波形产生驱动电压，以驱动每个开关元件的上桥臂开关和下桥臂开关各自导通或者断开，并使得同一开关元件组中的上桥臂开关同时导通或者断开、以及同一开关元件组中的下桥臂开关同时断开或者导通。

图3示出了一个开关元件组包括两个开关元件的情形。在图3中，每个开关元件组包括相互并联的至少两个开关元件，即Q1-Q3分别包括IGBT1-IGBT2、IGBT3-IGBT4以及IGBT5-IGBT6，每个开关元件包括上桥臂开关和下桥臂开关，即开关元件IGBTa包括上桥臂开关IGBTa′和下桥臂开关IGBTa″(其中，a为整数且a＝1～6)。上桥臂开关IGBTa′和下桥臂开关IGBTa″的控制端分别接入来自驱动板30的驱动电压，即PWMa′和PWMa″。其中，驱动电压PWMn′与PWM(n+1)′(n为1、3或5)在n取相同值时是同步的，使得包含在同一开关元件组中的上桥臂开关元件能够同时导通或者断开；PWMn″与PWM(n+1)″(n为1、3或5)在n取相同值时是同步的，使得包含在同一开关元件组中的下桥臂开关能够同时导通或者断开。需要说明的是，本发明提供的可控整流装置中的开关元件组中的上桥臂开关和下桥臂开关的通断方式与现有逆变器中的开关元件的上桥臂开关和下桥臂开关的通断方式相同，即同一开关元件的上桥臂开关和下桥臂开关不能同时导通或者断开，从而本发明逆变器中的开关元件组能够在功能上达到与现有逆变器中的开关元件相同的效果，只是通过并联多个开关元件的方式提高了整个逆变器的抗流性能。例如，在开关元件IGBT1和IGBT2的抗流能力均是900A的情况下，则由开关元件IGBT1和IGBT2组成的开关元件组的抗流能力即为1800A。当然，本发明并不限于图3中所示的一个开关元件组包括2个开关元件的情况，每个开关元件组还可以包括相互并联的多个(多于2个)开关元件，以起到更好的分流作用，从而更好地增强开关元件组的抗流能力。优选的，每个所述开关元件组可以包括相互并联的2-4个开关元件，而且针对这些相互并联的多个开关元件的驱动电压是同步的。

其中，所述驱动板可以为两个独立的驱动板，分别提供驱动电压PWMa′与PWMa″(a为整数且a＝1～6)，其中驱动电压PWMn′与PWM(n+1)′(n为1、3或5)在n取相同值时是同步的，PWMn″与PWM(n+1)″(n为1、3或5)在n取相同值时是同步的。所述驱动电压PWMa′与PWMa″(a为整数且a＝1～6)也可以由单个驱动板提供。

其中，所述开关元件可以是IGBT、或者其他可控开关器件。优选情况下，所述开关元件为智能功率模块(IPM)。IPM是以IGBT为内核的先进混合集成功率部件，由高速低功耗管芯(IGBT)、优化的门极驱动电路、以及快速保护电路构成，具有开关速度快、损耗小的优点，从而提高了可控整流装置的响应速度，减小了功耗。

此外，本发明还提供一种电动机，该电动机包括三相绕组和上述可控整流装置，其中，所述三相绕组中的每相绕组分别与上述可控整流装置中的一个开关元件组中的上桥臂开关与下桥臂开关之间的各个连接点电连接。

优选情况下，如图4所示，所述三相绕组中的每相绕组包括相互并联的至少2个绕组，该至少2个绕组均与上述可控整流装置中的一个开关元件组中的上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点电连接，例如，连接点A可以分别与绕组U1和U2电连接，连接点B可以分别与绕组V1和V2电连接，连接点C可以与绕组W1和W2电连接。在此情况下，提高了电动机的磁通量，使得电动机能够产生更大的转矩。优选地，每相绕组所包括的相互并联的绕组的个数为2-4个。

由于大功率电动机低转速情况下转矩小、高转速情况下功率小的缺点。优选情况下，如图5所示，其中所述电动机根据以下公式调整d轴电压和q轴电压，

当V＜V_N时， $\begin{array}{c}\mathrm{UdGd}=R*\mathrm{IdGd}\\ \mathrm{UqGd}=R*\mathrm{IqGd}\end{array}---\left(1\right)$

当V≥V_N时， $\begin{array}{c}\mathrm{UdGd}=\mathrm{Lq}*v*\mathrm{IqGd}+R*\mathrm{IdGd}\\ \mathrm{UqGd}=-(\mathrm{Ld}*\mathrm{IdGd}+\mathrm{\ψ})*v+R*\mathrm{IqGd}\end{array}---\left(2\right)$

其中，V表示电动机转速，V_N表示预定转速，UdGd和UqGd分别表示d轴电压和q轴电压，R表示电动机三相绕组的电阻，IdGd和IqGd分别表示d轴电流和q轴电流，Ld和Lq分别表示电动机定子产生于d轴和q轴的电感，ψ为转子永磁体磁链。由此提供了一种高虚拟电阻临界转速的控制策略，在电动机启动之后，判断电动机的转速V是否小于V_N，如果小于，则根据公式(1)的计算结果来控制电压加载；电动机启动之后，如果电动机的转速V大于或者等于预定转速V_N，则按照正常的电动机绕组阻值来控制直轴、交轴电压，即根据公式(2)的计算结果来控制电压加载。针对大功率电机的三相绕组的电阻阻值小的特点，通过上述执行上述控制策略，加快了大功率电动机的转矩的提升速度。上述控制策略在电动机运行期间不断地重复执行，保证了电动机启动的稳定性以及动力的持续性。

其中，所述预定转速V_N的设定是由电动机的外特性曲线决定的。因为永磁同步电动机分为恒转矩区和恒功率区，这两者的分界点的转速即取为所述临界转速V_N，即V_N＝9550×P/T，其中，P表示电动机的恒定功率，T表示电动机的恒定转矩。例如，假设所控制的大功率电动机的恒定功率为160Kw，恒定转矩为450Nm(制造时设定)，那么通过公式计算出其临界转速V_N为3396rpm。

图6示出了电动机的q轴电流、油门响应周期和油门步进值三者的曲线关系。如图6所示，在电动机的整个运行过程中，所述电动机根据该电动机的q轴电流调节该电动机的油门响应周期和油门步进值。例如对于采用32位DSP的电动机而言，当0≤|Iq|≤8000时，油门响应周期为1T，油门响应步进值为16；当8000＜|Iq|≤12000时，油门响应周期为2T，油门响应步进值为16；当12000＜|Iq|≤16000时，油门响应周期为3T，油门响应步进值为16；当16000＜|Iq|≤20000时，油门响应周期为4T，油门响应步进值为16；当|Iq|＞20000时，油门响应周期为5T，油门响应步进值为16；其中，T表示控制程序运行一次的时间，这里为100us，Iq表示q轴电流的相对值；所述响应步进值属于值域[0，32768](该值域由电动机所采用的DSP决定，此处所采用的DSP是32位的)，该值域对应着0～100％的实际油门，即响应步进值16代表着16×100/32768≈0.05％的实际油门；Iq属于值域[-32768，32768](该值域由电动机所采用的DSP决定，此处所采用的DSP是32位的)，该值域对应着[-1000A，1000A]的实际电流(根据霍尔电流传感器来采集电动机的三相绕组的实际电流，然后通过Clarke变换和Park变换，将三相电流转换成d-q轴系上的电流，该[-1000A，1000A]即为根据霍尔电流传感器的量程所计算得出的q轴电流的霍尔量程)，即q轴电流8000实际代表着8000×1000/32768≈244A的实际电流。通过q轴电流、油门响应周期和油门响应步进值三者的曲线关系来平滑油门响应速度，可以加快油门响应速度，同时也避免了将剧烈的油门深度变化值直接加到电动机的给定电流上而引起可控整流装置中的开关元件保护或者烧毁。

电动机可以根据上述高虚拟电阻临界转速的控制策略以及油门响应速度平滑策略来调整PI参数，从而保证了电动机启动的稳定性以及动力的持续性、而且在具有很快的油门响应速度的情况下避免了可控整流装置的开关元件保护或烧毁。

Claims (9)

1.一种可控整流装置，其特征在于，该装置包括：

逆变器，该逆变器包括相互并联的3个开关元件组，每个开关元件组包括相互并联的至少两个开关元件，每个开关元件包括上桥臂开关和下桥臂开关；

控制板，用于产生PWM波形；以及

驱动板，用于根据所述PWM波形产生驱动电压，以驱动所述每个开关元件的上桥臂开关和下桥臂开关各自导通或者断开，并使得同一开关元件组中的上桥臂开关同时导通或者断开、以及同一开关元件组中的下桥臂开关同时断开或者导通。

2.根据权利要求1所述的可控整流装置，其中，所述开关元件为绝缘栅双极型晶体元件。

3.根据权利要求1所述的可控整流装置，其中，所述开关元件为智能功率模块。

4.一种电动机，该电动机包括三相绕组和可控整流装置，其特征在于，所述可控整流装置为权利要求1-3中任意一项所述的可控整流装置，所述三相绕组中的每相绕组分别与上述可控整流装置中的一个开关元件组中的上桥臂开关与下桥臂开关之间的各个连接点电连接。

5.根据权利要求4所述的电动机，其中，所述三相绕组中的每相绕组包括相互并联的至少2个绕组，该至少2个绕组均与上述可控整流装置中的一个开关元件组中的上桥臂开关与下桥臂开关之间的连接点电连接。

6.根据权利要求4或5所述的电动机，其中，所述电动机根据以下公式调整d轴电压和q轴电压，

当V＜V_N时， $\begin{array}{c}\mathrm{UdGd}=R*\mathrm{IdGd}\\ \mathrm{UqGd}=R*\mathrm{IqGd}\end{array},$

当V≥V_N时， $\begin{array}{c}\mathrm{UdGd}=\mathrm{Lq}*v*\mathrm{IqGd}+R*\mathrm{IdGd}\\ \mathrm{UqGd}=-(\mathrm{Ld}*\mathrm{IdGd}+\mathrm{\ψ})*v+R*\mathrm{IqGd}\end{array},$

其中，V表示电动机转速，V_N表示预定转速，UdGd和UqGd分别表示d轴电压和q轴电压，R表示电动机三相绕组的电阻，IdGd和IqGd分别表示d轴电流和q轴电流，Ld和Lq分别表示电动机定子产生于d轴和q轴的电感，ψ为转子永磁体磁链。

7.根据权利要求6所述的电动机，其中，所述预定转速V_N根据以下公式计算得出：

V_N＝9550×P/T

其中，P表示电动机的恒定功率，T表示电动机的恒定转矩。

8.根据权利要求4或5所述的电动机，其中，在电动机的整个运行过程中，所述电动机根据该电动机的q轴电流调节该电动机的油门响应周期和油门步进值。

9.根据权利要求8所述的电动机，当0≤|Iq|≤8000时，油门响应周期为1T，油门响应步进值为16；当8000＜|Iq|≤12000时，油门响应周期为2T，油门响应步进值为16；当12000＜|Iq|≤16000时，油门响应周期为3T，油门响应步进值为16；当16000＜|Iq|≤20000时，油门响应周期为4T，油门响应步进值为16；当|Iq|＞20000时，油门响应周期为5T，油门响应步进值为16；

其中，T表示控制程序运行一次的时间，Iq表示q轴电流的相对值；

所述响应步进值属于值域[0，32768]，该值域对应着0～100％的实际油门；

Iq属于值域[-32768，32768]，该值域对应着[-1000A，1000A]的实际电流。

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