CN102771042B - 控制多相电机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

多相电机(30)通过至少两个并联逆变器(101，102)控制，每个逆变器带有若干个支路(101a，101b，101c；102a，102b，102c)，所述支路数量等于电机的相位数，所述逆变器通过脉宽调制(PWM)来控制。为了检测故障逆变器支路，故障支路(102a)被隔离，所述相位由对应的另一个逆变器支路(101a)来供电。修正脉宽调制(PWM)，使所述的另一个支路(101a)的电源开关相继导电，且无需切换，同时，所述相电流(Ia)的绝对值大于或等于阈值，该阈值的范围在(n-1)Imax/n的80％至120％之间，其中n是逆变器的数量，而Imax是相电流的最大幅度。为此，可以继续在每个相位上产生大体正弦的电压，与此同时，避免增大电源开关体积，以确保在故障的情况下，电源开关能够输送的电流的幅度比正常工作时高。

Description

控制多相电机的方法和装置
技术领域
本发明涉及通过多个并联逆变器来控制多相电机。
本发明特别适用于这种控制必须具有高度可靠性的环境中，例如，航空领域。
背景技术
图1所示为人们已知的三相电机控制装置。这种装置带有两个三相逆变器1，分别向电机4的相绕组提供交流电，每个逆变器提供每个相电流的大约一半。每个逆变器在桥电路中带有开关5，例如，功率晶体管。每个逆变器带有三个支路6，每个支路包括两个串联在直流(DC)电源两个相对端子+V和-V之间的电源开关5，以及这些开关连接到点7的相对两边，而点7则连接到电机的各个相位上。在每个逆变器和电机之间连接有三极隔离开关8。电路9通过驱动电路来控制电源开关5的转换，从而对直流电源进行调制，以产生交流电Ia，Ib和Ic。通常，利用脉宽调制(PWM)技术。
如果逆变器支路出现故障，故障逆变器就会通过断开相关隔离开关而被隔断，而后，相电流则必须全部由另一个逆变器来输送。那么，另一个逆变器的每个支路则会传输所有相应的相电流，而不再只是该相电流的一半。因此，电源开关必须设计成能够转换的电流的幅度是其通常传输(在无故障时)电流幅度的两倍。
图2所示为已知的三相电机控制装置的另一个实施例。该实施例不同于图1所示实施例，其增加了一个逆变器，带有相关隔离开关。在正常工作时，两个逆变器在工作，每个逆变器分别输送相电流的一半，而第三个逆变器则处于被隔离状态。在逆变器支路出现故障时，故障逆变器会通过断开相关隔离开关而被隔断，此时，附加逆变器会投入工作，其相关隔离开关闭合。
在上述两种布置方案中，不论电源开关的转换性能，还是逆变器的数量，都必然涉及到增大体积。
发明内容
本发明的目的是通过多个并联逆变器来对多相电机进行控制，可靠性高，不需要增大尺寸。
根据本发明的一个方法，上述目的可通过至少两个并联的多相逆变器控制多相电机的方法来实现，每个逆变器包括若干个支路，所述支路数量等于电机的相位数，而且，每个支路包括两个串联在直流电源两个相对端子之间电源开关，另外，所述电源开关连接到点的相对两边，该点连接到电机的相位上，
所述方法包括通过脉宽调制来控制逆变器，从而控制电源开关的转换，并包括检测逆变器支路故障，
按照这种方法，为了检测逆变器支路是否出现故障，对所述故障支路进行隔离，电机的对应于故障支路的相位由另一个相应的逆变器支路来供电，以及对脉宽调制控制进行修改，特别是，可使另一个对应逆变器支路的电源开关相继导电，并无需转换，与此同时，有关的相电流的绝对值大于或等于阈值，该阈值的范围在的80％到120％之间，其中，n是逆变器的数量，Imax是最大相电流的绝对值，同时，继续在电机每个相位上产生大体正弦电压。
为此，在接替相电流部分的逆变器支路中(所述相电流部分原来由故障支路提供)，在流过该支路的电流幅度大于阈值时，电源开关不需要进行转换，所述阈值大体上等于(20％内)无故障时的最大电流值。显然，对于仍在工作的其它逆变器支路来讲，与发现故障前应用的脉宽调制相比，还必须对脉宽调制(PWM)进行修改，从而可继续输送均衡的相电流。
为此，很显然，本发明所述方法可以缓解故障逆变器支路的情况，无需增大电源开关的体积，这样，电源开关就可以转换幅度大于正常工作时的电流，且也无需增加逆变器的数量。
优选地，在通过两个并联逆变器来控制三相电机时，在对应于故障逆变器支路的相电流的每个周期期间，所对应的另一个逆变器支路的电源开关就会相继导电，而无需转换大约1/3的所述周期。
在一个实施例中，故障逆变器支路就会通过断开逆变器支路和电机相应相位之间连接的支路隔离开关而予以隔断。
在另一个实施例中，故障逆变器支路会通过抑制故障支路电源开关的驱动电路而隔断。
在本发明的另一个方面，本发明还提供了控制多相电机和适合实施上述方法的控制装置。
通过控制装置可以实现上述目标，控制装置包括：
·至少两个并联的多相逆变器，每个逆变器带有若干个支路，所述支路数量等于需要输出的相电流数量，且每个支路带有两个串连在直流电源两个相对端子之间的电源开关，而所述电源开关连接到点的相对两边，该点则又连接到各个相电流输出端上；
·通过脉宽调制来控制逆变器的控制电路，控制电源开关的转换；以及
·检测逆变器支路的故障并连接到控制电路上的系统；
在所述装置中，为了检测故障逆变器支路，逆变器的控制电路布置成：
·隔离故障逆变器支路，这样，对应相位的电流就由相应的另一个逆变器支路来输送；以及
·修改脉宽调制，特别是，使相应的另一个逆变器支路的电源开关相继导电，当所述相电流的绝对值大于或等于阈值时，无需转换，所述阈值在的80％到120％范围，其中，n是逆变器的数量，而Imax是最大相电流的绝对值，与此同时，在电机的每个相位上继续产生大体正弦的电压。
有利的是，在通过的并联两个逆变器控制三相电机时，控制装置布置成可通过修改脉宽调制来检测故障逆变器支路，特别是，使相应的另一个逆变器支路的电源开关相继导电，无需在等于大约1/3的相电流周期内进行各个持续时间的转换。
在一个实施例中，所述控制装置包括各个隔离开关，连接到每个逆变器支路上，目的是能够有选择地从相应相电流输出中隔离任何逆变器支路。
在另一个实施例中，逆变器支路的电源开关经由驱动电路来控制，而逆变器控制电路布置成可通过抑制故障支路电源开关驱动电路的工作来检测出现故障的支路。
还是在本发明的另一个方面，本发明提供了起动航空发动机的系统，所述系统包括采用电动机方式控制工作的多相电机，以驱动发动机的轴，所述系统还包括控制多相电机的上述装置。
通过阅读以非限定性示例并参照附图给出的如下说明，本发明的其它特性和优点会显现出来。
附图说明
图1和图2为两个实施例的示意图，具体示出了现有技术的多相电机高可靠性控制装置；
图3为本发明的多相电机控制装置实施例的示意图；
图4为图3所示控制装置一个逆变器支路的详图；
图5为脉冲负载比的变化情况，所示脉冲用来控制图3所示装置中逆变器支路的电源开关的转换，所示为未出现任何故障情况；
图6示出了图3控制装置在检测到故障逆变器支路后的情况；
图7为脉冲负载比的变化情况，所示脉冲用来控制图3所示装置中逆变器支路的电源开关的转换，所示为在检测到逆变器支路出现故障并隔离后电源开关仍在工作；
图8为检测逆变器支路故障和处理所述故障的流程的连续步骤；
图9为本发明实施例控制装置中逆变器控制电路的示意图，所示为控制带扭矩调节的同步电机。
具体实施方式
图3示出了本发明控制装置的实施例，所示控制装置通过并联的两个三相逆变器101和102来控制三相电机30。
如上所述，本发明特别适用于航空领域。电机30可以是一种起动航空发动机(例如，涡轮发动机)的系统。电机机械地联接到发动机的轴上，从而在启动时驱动发动机，为此，电机采用电动机方式控制。电机30还可以是一种用来起动辅助动力装置(APU)或起动执行机构的机器。
逆变器101带有三个支路101a，101b和101c，分别通过控制装置输出端12a，12b和12c输送交流电I1a，I1b，和I1c。同样，逆变器102带有三个支路102a，102b和102c，也分别通过输出端12a，12b和12c输送交流电I2a，I2b，和I2c。这样，输送到电机30定子绕组上的相电流Ia，Ib和Ic便是Ia＝I1a+I2a，Ib＝I1b+12b，和Ic＝I1c+I2c。逆变器101和102的结构相同，而且在正常工作时，它们采用相同方式控制，这样，电流I1a和I2a实际上同相，等于Ia/2。同样，电流I1b和I2b实际上同相，等于Ib/2，以及电流I1c和I2c实际上同相，等于Ic/2。
逆变器支路都相似。每个支路，例如，支路101a(图3和图4)，包括两个开关1021a和1041a，串联在直流电源轨道+V和-V之间，并连接到点1061a的相对两边，在该点处，输送电流I1a。开关1021a和1041a通常都是由功率晶体管构成的电子开关，例如，隔离栅双极晶体管(IGBTs)。其它类型的功率开关也可使用，例如，MOSFET，COOLMOSJFET晶体管，或闸流管。直流电源通过功率晶体管1021a和1041a的转换而调制，从而获得大体正弦的交流电I1a。通常，采用脉宽调制(PWM)。在晶体管1021a和1041a的栅极和发射极之间通过驱动电路1081a来施加转换脉冲，从而控制晶体管的相继转换，其中一个晶体管导电，与此同时，另一个不导电。续流二极管1101a和1121a连接在晶体管1021a和1041a的集电极和发射极之间，以便使桥接旁路能在由输出电压和输出电流轴线构成的四个象限内工作。
去饱和检测器电路1141a连接到功率晶体管1021a，1041a上，目的是当晶体管被控制进行导电时收集代表该晶体管集电极和发射极之间的电压信息。当该信息表示集电极-发射极电压大于最大阈值时，那么，检测器电路1141a就会发出逆变器支路晶体管故障信号。
电路1081a和1141a连接到逆变器控制电路40上，后者包括执行脉宽调制(PWM)的脉冲发生器，例如，矢量型发生器。例如，图5的曲线(a)表示，在相位A电流整个电周期期间，对应于该相位的转换脉冲负载比变化情况，即施加到支路101a和102a的其中一个功率晶体管上的脉冲负载比变化情况，控制同一支路内其它功率晶体管的转换的脉冲负载比是互补性的。持续时间T表示逆变器输送的电流的电周期。曲线(b)和(c)表示对应于电机另外两个相位B和C的转换脉冲的负载比变化情况，而曲线(n)则表示对应于电机中性点的负载比。曲线(a)，(b)，和(c)的变化看上去相同，但是，它们彼此之间相互偏移2π/3。曲线(a)，(b)，和(c)看上去不是正弦的，脉宽调制选择用来优化直流电源的电位的利用。电机中性点(曲线(n))负载比变化说明，在中性和每个相位之间重构实际正弦的电压。
上述种类的三相电机控制装置本身为人们所熟知。
在本发明中，在逆变器支路发现故障的情况下，可选择将故障支路隔离，修改脉宽调制，使对应于另一个逆变器中相同相位的支路来输送所述相位的所有电流，但是，无需因为需要电源开关转换而加大尺寸，与此同时，这些开关输送电流的幅度则大于正常工作时的幅度。
为了选择隔离故障逆变器支路，在支路101a，101b和101c和输出端12a，12b和12c之间插装了单极支路隔离接触器141a，141b和141c，而在支路102a，102b和102c和输出端12a，12b和12c之间插装了单极接触器142a，142b和142c，这些接触器都选择由控制电路40来控制。
在逆变器支路(例如，支路102a)检测到故障时，电路40就会使相应的支路隔离接触器142a断开，如图6所示。相位Ia的所有电流而后就由支路101a来输送，与此同时，相电流Ib和Ic则继续从支路101b，102b和101c，102c的各个交流电I1b，I2b和I1c，I2c来获得。
对脉宽调制进行修改，这样，支路101a的功率晶体管就会保持在导电状态下，只要流过的电流Ia的绝对值大于阈值，则无需转换，所述阈值大体等于Imax/2，其中，Imax是相电流的最大绝对值。例如，该阈值可以在0.8(Imax/2)到1.2(Imax/2)范围内。
图7所示曲线(a′)给出了对应于相位A的转换脉冲负载比在应用脉宽调制时随着时间的推移的变化情况，所述脉宽调制在发现对应于相位A的逆变器支路出现故障后进行修正。接替了相位A所有电流的逆变器支路的每个功率晶体管保持导电状态，在对应于周期T(该时间对应于具有大约Imax/2值的上述阈限)的大体三分之一的持续时间上无需转换。例如，范围t+和t-对应于导电的持续时间，无需分别转换位于电源轨道+V旁边功率晶体管1101a和位于电源轨道-V旁边的功率晶体管1121a。为此，在周期T期间，对于T/3(范围t+)，晶体管1101a持续导电，而晶体管1121a则处于非导电状态(负载比等于1)，在随后的持续时间T/6期间，负载比从1降至0，而在随后的T/3期间，晶体管1121a持续导电，晶体管1101a处于非导电状态(负载比等于0)，而在剩余的持续时间T/6期间，负载比从0增加到1。
如上示例，在支路102a内检测到故障情况下，流过支路101a的电流增加，并相对于无故障正常工作来讲，通常为双倍电流。然而，这不会引起耗散加倍，因为与正常工作相比，切换损失降低了。在采用IGBT类型功率晶体管时，在这种晶体管中，导电损失与切换损失一样，为数量级，每个功率晶体管的总损耗增加比率约为1.4。从可靠性角度来讲，结温的相应增加是可以接受的，因为其通常在功率晶体管的安全工作范围内，而且因为故障工作方式及时限制到在进行维修工作之前所需的时间内。此外，因为采用了无需切换的范围，接替全部相电流的逆变器支路的续流二极管的损耗会大大降低。
在图7中，曲线(b′)和(c′)表示对应于电机相位A和C的负载比变化情况，而曲线(n′)表示电机中性的负载比变化情况。曲线(b′)和(c′)所表示的变化看上去很相似，并相对于图5曲线(b)和(c)的变化进行了修改，从而可以重构中性和相位之间电压的大体正弦变化情况。为此，脉宽调制(PWM)的修改必须不仅要与对应于故障逆变器支路的相位相关，而且也要与其它相位相关，这样，就可确保这些变化保持大体正弦。优选地，当使用修改后的脉宽调制(PWM)时，不向故障支路施加切换脉冲，而该支路中的功率晶体管的栅极电压保持在对应于非导电状态的水平上。
显然，图7示出了在出现故障后如何修改脉宽调制(PWM)的诸多可能示例中的一个示例。
图8示出了检测和处理故障的流程的各个步骤，该流程可以通过控制电路40来实施。
故障检测步骤51包括监测由与逆变器支路相连的去饱和检测器电路所发布的任何信号，诸如图4中的电路1141a。在另一个方式中，通过监测该支路产生的电流电平可检测到逆变器支路的故障。
当检测出故障时(步骤52)，便可以确认(步骤53)。该故障可以通过中断逆变器的工作然后将逆变器再投入运行来确认，从而观察该故障是否存在。当通过检测功率晶体管的去饱和而检测到故障时，对怀疑有故障的逆变器支路所产生的电流进行测量，从而予以确认。
当确认出故障时(步骤54)，便可通过中断脉宽调制(PWM)来抑制逆变器的工作及其控制，并断开与该故障支路相连的隔离开关(步骤56)。应该注意的是，优选使用隔离开关，这样，如果功率晶体管出现短路故障，可防止该故障对控制装置其余部分工作带来影响。然而，如果这种短路的概率相对于预期使用可靠性可忽略不计时，那么这种开关也可不用。
此后，重构脉宽调制(PWM)，重新起动除故障支路外的逆变器支路，从而进行这种修改(步骤57)。
图9给出了图3所示控制装置如何置入扭矩调节器60内以控制同步电机30的一个示例。
电路62连接到与电机30轴相连的角度位置传感器32上，角度位置传感器或者与被迫与之一起转动的轴上，目的是提供代表电机30转子转速和角度位置的信息。
电路641a，641b和641c连接到安装在逆变器101支路输出线上的电流传感器上，以便输送代表电流I1a，I1b和I1c的信息。同样，电路642a，642b和642c连接到安装在逆变器102支路输出线上的电流传感器上，以便提供代表电流I2a，I2b和I2c的信息。加法电路66提供代表相电流Ia，Ib和Ic的信息。根据相电流值而做出反应的计算电路68接收该信息，产生出代表电机所测扭矩电流和所测磁通电流的信息Iqm和Idm。
调节器电路70向逆变器控制电路40提供电机每个相位电压电平和角度信息，以便伺服控制Iqm和Idm值至设定值Iqc(表示设定扭矩)和Idc，同时确保相对于电机30转子角度位置的定子通量的最佳位置。为此，调节器电路70接收计算电路68所输送的信息Iqm和Idm、设定信息Iqc和Idc，以及电路62所输送的速度和角度位置信息。
上述扭矩调节器的原理本身已为人们所熟知。
数字控制装置42使用逆变器控制电路40所接收的有关电压和频率的设定信息来控制在检测无故障情况下产生脉宽调制脉冲的装置44，即，正常PWM产生器，其脉冲并行应用到逆变器101和102的各个支路上。
PWM工作方式从正常PWM方式转换到修改后的PWM方式可以由数字控制装置42来实施，从而可断开正常PWM产生器44并将修改后的PWM产生器46投入工作，两种PWM工作方式之间的转换可通过开关48来实现。修改后的PWM产生器带有与逆变器支路101和102相连的输出端。在检测到故障的情况下，正常PWM产生器44可以退出工作，修改的PWM产生器46在数字控制装置42的控制下进入程序，在其输出端产生脉冲，该脉冲根据逆变器支路故障的情况而对其宽度进行调制，然后，转换到修改后的PWM产生器46工作。
上面，所述介绍涉及到对带有两个并联逆变器的三相电机的控制。
显然，本发明可适用于多相电机，其相位数可超过三个，通过匹配相同数量的逆变器支路即可。
另外，本发明还适用于通过两个以上并联逆变器来控制多相电机，每个逆变器支路产生对应相位大体1/n的电流，其中n是逆变器的数量。在逆变器支路出现故障的情况下，那么，有关的相电流必须由其它逆变器对应的其它n-1支路来接替。对PWM进行修改，这样，在所述的其它每个支路中，可使电源开关保持导电，只要流过的电流绝对值的幅度大于阈值，无需进行切换，所述阈值大体等于
其中Imax是最大相电流绝对值。例如，可以选择阈值在的80％到120％范围内。

Claims (9)

1.一种通过至少两个并联的多相逆变器控制多相电机的方法，每个逆变器包括若干个支路，支路数量等于电机相位数，而且，每个支路包括串联在直流电源两个相对端子之间的两个电源开关，所述两个电源开关的相对两边与所述端子相连，并且该两个电源开关的另外相对两边一起连接到一个与电机相位相连接的点上，
所述方法包括通过脉宽调制来控制逆变器，从而控制电源开关的转换，并检测逆变器支路故障，
所述方法的特征在于，为了检测故障逆变器支路，对该故障支路进行隔离，对应于故障支路的电机的相位通过另一个对应的逆变器支路来供电，对脉宽调制控制进行修正，使另一个对应的逆变器支路的电源开关相继导电，且无需切换，与此同时，有关的相电流的绝对值大于或等于阈值，该阈值的范围在Imax的80％至120％，其中n是逆变器的数量，而Imax是最大相电流的绝对值，而且与此同时，继续在电机的每个相位上产生正弦的电压。
2.根据权利要求1所述的方法，为了通过两个并联的三相逆变器来控制三相电机，所述方法的特征在于，在对应于故障逆变器支路的相电流的每个周期期间，使所对应的另一个逆变器支路的电源开关相继导电，无需进行1/3所述周期的切换。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，故障逆变器支路通过断开逆变器支路和电机对应相位之间连接的支路隔离器开关来隔离。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，故障逆变器支路通过抑制故障支路电源开关驱动电路来隔离。
5.一种控制多相电机的装置，所述装置包括：
至少两个并联的多相逆变器(101,102)，每个逆变器带有若干个支路，所述支路数量等于需要输送的相电流数量，每个支路带有串联在直流电源两个相对端子之间的两个电源开关，所述两个电源开关的相对两边与所述端子相连，并且该两个电源开关的另外相对两边一起连接到一个与电机相位相连接的点上；
通过脉宽调制来控制逆变器的控制电路(40)，控制电源开关的切换；以及
检测逆变器支路故障并连接到控制电路的系统；
所述装置的特征在于，为了检测故障逆变器支路，逆变器的控制电路布置成：
隔离故障逆变器支路，从而使对应相位的电流由另一个对应的逆变器支路来输送；以及
修正脉宽调制，使另一个对应的逆变器支路的电源开关相继导电，且无需切换，同时，所述相电流的绝对值大于或等于阈值，该阈值的范围在Imax的80％至120％，其中n是逆变器的数量，而Imax是最大相电流绝对值，而且与此同时，继续在电机的每个相位上产生正弦电压。
6.根据权利要求5所述的装置，为了通过两个并联三相逆变器(101,102)来控制三相电机，所述装置的特征在于，为了检测故障逆变器支路，逆变器的控制电路(40)布置成能修正脉宽调制，使另一个对应的逆变器支路电源开关相继导电，无需进行等于1/3相电流周期的各个持续时间的转换。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，其包括连接到每个逆变器支路上的各个隔离开关(14)，目的是能够有选择地将任何逆变器支路与对应的相电流输出端相隔离。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，逆变器支路的电源开关经由驱动电路控制，逆变器控制电路(40)布置成通过抑制故障支路电源开关驱动电路的工作来检测故障支路。
9.一种起动航空发动机的系统，所述系统包括多相电机(30)，被控制在电动机方式下工作，以驱动发动机的轴，和根据权利要求5到8任一项所述的控制多相电机的装置。
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