CN103378778A - 一种电动车、无刷直流电机及其驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电机驱动技术领域，提供了一种电动车、无刷直流电机及其驱动控制系统。其中的驱动控制系统包括由功率开关构成的驱动单元，还包括故障检测单元，用于检测无刷直流电机的电机绕组中每相绕组的线电流，并当任一相绕组在预设时间内无线电流时发出故障信号；控制单元，用于在接收到故障检测单元发出的故障信号后，控制驱动单元中的功率开关执行相应动作，以使得所述电机绕组工作在故障工况下；该故障工况是指，电机绕组中的故障绕组在正常工况下的通电期间内，电机绕组中的非故障绕组代替故障绕组通电，利用通电的非故障绕组拖动磁钢的继续转动，从而保证无刷直流电机在缺相的状态下能够安全运行，避免事故的发生。

Description

一种电动车、无刷直流电机及其驱动控制系统

技术领域

本发明属于电机驱动技术领域，尤其涉及一种电动车、无刷直流电机及其驱动控制系统。

背景技术

电动车是以电力为驱动的机车，包括电动自行车、电动摩托车、电动三轮车/四轮车等。目前通用的电动车采用三相无刷直流电机，包括三相定子绕组、转子磁钢、以及驱动控制系统。驱动控制系统利用功率开关控制绕组通电与否、以及控制绕组中的电流方向，进而推动转子磁钢转动。

图1A至图1F以一对转子磁钢、定子绕组为星形连接为例，示出了现有技术提供的三相无刷直流电机在正常工况下，电机绕组与转子磁钢之间的关系。可以看出，在正常工况下，三相绕组在任一时刻两两导通，每隔60度电角度换相一次，每相绕组持续导通120度电角度，整个工作周期包括有6种工作状态。

当该三相无刷直流电机工作在大功率大电流的应用条件下，而出现任一项电机绕组开路，即：该三相无刷直流电机处于缺相状态时，电机会出现抖动、转动无力、噪声大等现象，甚至烧毁驱动控制系统，进而导致电动车整车失控，极易造成交通安全事故。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种无刷直流电机的驱动控制系统，旨在解决现有技中，在三相无刷直流电机处于缺相状态时，易导致应用该三相无刷直流电机的电动车失控，造成交通安全事故的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种无刷直流电机的驱动控制系统，所述系统包括由功率开关构成的驱动单元，所述系统还包括：

故障检测单元，用于检测无刷直流电机的电机绕组中每相绕组的线电流，并当任一相绕组在预设时间内无线电流时发出故障信号；

控制单元，用于在接收到所述故障检测单元发出的所述故障信号后，控制所述驱动单元中的所述功率开关执行相应动作，以使得所述电机绕组工作在故障工况下；在所述故障工况下，所述电机绕组中的故障绕组在正常工况下的通电期间内，所述电机绕组中的非故障绕组代替所述故障绕组通电。

本发明实施例的另一目的在于提供一种无刷直流电机，所述无刷直流电机包括一如上所述的无刷直流电机的驱动控制系统；

当所述无刷直流电机是是三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机的三相电机绕组是星形连接时，所述三相电机绕组的相线中心点引出有一导线，所述导线用于连接所述驱动单元。

本发明实施例的另一目的在于提供一种电动车，包括一无刷直流电机，所述无刷直流电机又包括一如上所述的无刷直流电机的驱动控制系统；

当所述无刷直流电机是三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机的三相电机绕组是星形连接时，所述三相电机绕组的相线中心点引出有一导线，所述导线用于连接所述驱动单元。

本发明提供的无刷直流电机的驱动控制系统在检测到任一相绕组故障后切换到故障运行模式，由控制单元控制驱动单元中功率开关执行相应动作，以在正常工况下故障绕组的通电期间内，利用非故障绕组代替故障绕组通电，利用通电的非故障绕组拖动磁钢的继续转动，从而保证无刷直流电机在缺相的状态下能够安全运行，避免事故的发生。当该无刷直流电机的驱动控制系统应用于电动机时，可避免因缺相而导致的电动车失控，极大减少交通安全事故的发生。

附图说明

图1A至图1F是现有技术提供的三相无刷直流电机在正常工况下，电机绕组与转子磁钢之间的关系图；

图2是本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统的原理图；

图3是图2中控制单元的结构图；

图4A至图4F是本发明提供的三相无刷直流电机在故障工况下，电机绕组与转子磁钢之间的关系图；

图5是三相无刷直流电机的正常工况和本发明实施例的故障工况之间各状态之间的对比关系图；

图6是图2中驱动单元的电路图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决现有技术存在的问题，本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统在检测到任一相绕组故障后切换到故障运行模式，由控制单元控制驱动单元中功率开关执行相应动作，以在正常工况下故障绕组的通电期间内，利用非故障绕组代替故障绕组通电。

图2是本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统的原理，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统包括：由功率开关构成的驱动单元13，用于利用功率开关的开关状态，控制无刷直流电机的电机绕组中每相绕组的通电与否及电流方向；故障检测单元12，用于检测无刷直流电机的电机绕组中每相绕组的线电流，并当任一相绕组在预设时间内无线电流时发出故障信号；控制单元11，用于在接收到故障检测单元12发出的故障信号后，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，以使得电机绕组工作在故障工况下，即：在正常工况下故障绕组的通电期间内，利用非故障绕组代替故障绕组通电，利用通电的非故障绕组拖动磁钢的继续转动，从而保证无刷直流电机在缺相的状态下能够安全运行，避免事故的发生。若控制单元11未接收到故障检测单元12发出的故障信号，则控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，以使得电机绕组工作在正常工况下。

进一步地，为了及时提示现场人员当前无刷直流电机的单相缺相状态，本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统还可以包括故障提示单元14；控制单元11还用于在接收到故障检测单元12发出的故障信号后，控制故障提示单元14发出语音报警提示或光报警提示。

另外，由于过高的温度会影响无刷直流电机的运行性能及使用寿命，为此，本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统还可以包括温度检测单元15，用于检测无刷直流电机的环境温度值并发送；此时，控制单元11还用于接收该环境温度值，并当该环境温度值超过预存温度阈值时，控制驱动单元13中的功率开关断开，以使得电机绕组失电，停止推动转子磁钢转动。同时，控制单元11还可以在该环境温度值超过预存温度阈值时，控制故障提示单元14发出语音报警提示或光报警提示。

图3示出了图2中控制单元11的结构。

具体地，控制单元11可以包括：信号接收模块111，用于接收故障检测单元12发送的故障信号；位置检测模块112，用于实时检测转子磁钢的转动位置；控制模块113，用于在根据信号接收模块111接收到的故障信号，并结合位置检测模块112检测到的转子磁钢的转动位置，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，以使得电机绕组工作在故障工况下，即：在正常工况下故障绕组的通电期间内，利用非故障绕组代替故障绕组通电。若信号接收模块111未接收到故障检测单元12发出的故障信号，则控制模块113控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，以使得电机绕组工作在正常工况下。

当本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统还包括故障提示单元14时，控制模块113还用于在接收到故障检测单元12发出的故障信号后，控制故障提示单元14发出语音报警提示或光报警提示。

当本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统还包括温度检测单元15时，信号接收模块111还可以用于接收温度检测单元15发送的环境温度值；控制模块113还用于当信号接收模块111接收到的该环境温度值超过预存温度阈值时驱动单元13中的功率开关断开，以使得电机绕组失电，停止推动转子磁钢转动。同时，控制模块113还可以用于在该环境温度值超过预存温度阈值时，控制故障提示单元14发出语音报警提示或光报警提示。

下面以无刷直流电机为三相无刷直流电机，该三相无刷直流电机的三相定子绕组包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，A相绕组、B相绕组和C相绕组为星形连接，且该三相无刷直流电机包括一对转子磁钢为例说明控制模块113的控制过程，此时的故障信号可以是A相故障信号、B相故障信号或C相故障信号，以A相故障信号为例：

若控制模块113未接收到故障检测单元12发出的故障信号，则控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，以使得电机绕组工作在正常工况下。在正常工况下，电机绕组存在6种通电状态--如图1A所示的状态1、如图1B所示的状态2、如图1C所示的状态3、如图1D所示的状态4、如图1E所示的状态5、如图1F所示的状态6。

若信号接收模块111接收到故障检测单元12发出的A相故障信号，则控制模块113根据该A相故障信号，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，以使得电机绕组工作在故障工况下。在故障工况下，电机绕组同样存在6种顺序执行的通电状态-如图4A所示的第一状态1′、如图4B所示的第二状态2′、如图4C所示的第三状态3′、如图4D所示的第四状态4′、如图4E所示的第五状态5′、如图4F所示的第六状态6′。在第一状态1′中，电流顺次通过B相非故障绕组和C相非故障绕组，且B相非故障绕组和C相非故障绕组持续导通120度电角度；在第二状态2′中，电流经B相非故障绕组流向电机绕组的中心点，B相非故障绕组持续导通30度电角度；在第三状态3′中，电流经C相非故障绕组流向电机绕组的中心点，C相非故障绕组持续导通30度电角度；在第四状态4′中，电流顺次通过C相非故障绕组和B相非故障绕组，且C相非故障绕组和B相非故障绕组持续导通120度电角度；在第五状态5′中，电流由电机绕组的中心点经B相非故障绕组流出，B相非故障绕组持续导通30度电角度；在第六状态6′中，电流由电机绕组的中心点经C相非故障绕组流出，C相非故障绕组持续导通30度电角度；之后，循环第一状态1′至第六状态6′。如图5直观的给出了正常工况和故障工况之间各状态之间的对比关系，其中A为正常工况下的各运行状态，B为故障工况下的各运行状态。

图6示出了图2中驱动单元13的电路。

具体地，驱动单元13可以包括：功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4、功率开关S5、功率开关S6、功率开关S7、功率开关S8。功率开关S1和功率开关S2串联在电源VCC和地之间，功率开关S3和功率开关S4串联在电源VCC和地之间，功率开关S5和功率开关S6串联在电源VCC和地之间，功率开关S7和功率开关S8串联在电源VCC和地之间；功率开关S1与功率开关S2连接的一端连接电机绕组中A相绕组的一端，功率开关S3与功率开关S4连接的一端连接电机绕组中B相绕组的一端，功率开关S5与功率开关S6连接的一端连接电机绕组中C相绕组的一端；A相绕组的另一端与B相绕组的另一端和C相绕组的另一端连接，并共同作为中心点连接至功率开关S7与功率开关S8连接的一端。

与现有的驱动单元13不同，本发明实施例中，驱动单元13增加了功率开关S7和功率开关S8，若控制模块113接收到故障检测单元12发出的故障信号，则由功率开关S7和功率开关S8配合其它的功率开关共同动作，以使得电机绕组在故障工况下运行；若控制模块113未接收到故障检测单元12发出的故障信号，则由原有的功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4、功率开关S5、功率开关S6共同动作，以使得电机绕组在正常工况下运行。

下面针对图4A至图4F所示的六种状态，分别说明每一种状态下各功率开关的动作过程：

在第一状态1′中，控制模块113控制驱动单元13中的功率开关S3和功率开关S6闭合，而其它功率开关断开，此时电源VCC发出的电流方向为：VCC-->功率开关S3-->B相绕组-->C相绕组-->功率开关S6-->地。当控制模块113根据转子磁钢的转动位置，识别到转子磁钢转到相应位置时，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，进入第二状态2′。

在第二状态2′中，控制模块113控制驱动单元13中的功率开关S3和功率开关S8闭合，而其它功率开关断开，此时电源VCC发出的电流方向为：VCC-->功率开关S3-->B相绕组-->中心点-->功率开关S8-->地。当控制模块113根据转子磁钢的转动位置，识别到转子磁钢转到相应位置时，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，进入第三状态3′。

在第三状态3′中，控制模块113控制驱动单元13中的功率开关S5和功率开关S8闭合，而其它功率开关断开，此时电源VCC发出的电流方向为：VCC-->功率开关S5-->C相绕组-->中心点-->功率开关S8-->地。当控制模块113根据转子磁钢的转动位置，识别到转子磁钢转到相应位置时，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，进入第四状态4′。

在第四状态4′中，控制模块113控制驱动单元13中的功率开关S5和功率开关S4闭合，而其它功率开关断开，此时电源VCC发出的电流方向为：VCC-->功率开关S5-->C相绕组-->B相绕组-->功率开关S4-->地。当控制模块113根据转子磁钢的转动位置，识别到转子磁钢转到相应位置时，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，进入第五状态5′。

在第五状态5′中，控制模块113控制驱动单元13中的功率开关S4和功率开关S7闭合，而其它功率开关断开，此时电源VCC发出的电流方向为：VCC-->功率开关S7-->中心点-->B相绕组-->功率开关S4-->地。当控制模块113根据转子磁钢的转动位置，识别到转子磁钢转到相应位置时，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，进入第六状态6′。

在第六状态6′中，控制模块113控制驱动单元13中的功率开关S6和功率开关S7闭合，而其它功率开关断开，此时电源VCC发出的电流方向为：VCC-->功率开关S7-->中心点-->C相绕组-->功率开关S6-->地。当控制模块113根据转子磁钢的转动位置，识别到转子磁钢转到相应位置时，控制驱动单元13中的功率开关执行相应动作，重新进入第一状态1′，如此循环，完成电机故障工况的运行。

本发明实施例还提供了一种无刷直流电机，包括一如上所述的无刷直流电机的驱动控制系统。当该无刷直流电机是是三相无刷直流电机，该三相无刷直流电机的三相电机绕组是星形连接时，该三相电机绕组的相线中心点引出有一导线，该导线用于连接驱动单元13。

本发明实施例还提供了一种电动车，包括一如上所述的无刷直流电机；当无刷直流电机是三相无刷直流电机，三相无刷直流电机的三相电机绕组是星形连接时，三相电机绕组的相线中心点引出有一导线，导线用于连接驱动单元。优选地，该电动车是电动汽车、电动摩托车或电动自行车

本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统在检测到任一相绕组故障后切换到故障运行模式，由控制单元控制驱动单元中功率开关执行相应动作，以在正常工况下故障绕组的通电期间内，利用非故障绕组代替故障绕组通电，利用通电的非故障绕组拖动磁钢的继续转动，从而保证无刷直流电机在缺相的状态下能够安全运行，避免事故的发生。再有，本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统还可以利用在检测到电机缺相的同时，控制故障提示单元发出声光提示信号，以使得现场人员可以及时作出响应。另外，本发明实施例提供的无刷直流电机的驱动控制系统还可以包括一检测电机环境温度的温度检测单元，控制单元在温度过高时控制电机停止运行，以提高无刷直流电机的使用寿命。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来控制相关的硬件完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述系统包括由功率开关构成的驱动单元，所述系统还包括：

故障检测单元，用于检测无刷直流电机的电机绕组中每相绕组的线电流，并当任一相绕组在预设时间内无线电流时发出故障信号；

控制单元，用于在接收到所述故障检测单元发出的所述故障信号后，控制所述驱动单元中的所述功率开关执行相应动作，以使得所述电机绕组工作在故障工况下；在所述故障工况下，所述电机绕组中的故障绕组在正常工况下的通电期间内，所述电机绕组中的非故障绕组代替所述故障绕组通电。

2.如权利要求1所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述控制单元包括：

信号接收模块，用于接收所述故障检测单元12发送的所述故障信号；

位置检测模块，用于实时检测所述无刷直流电机中转子磁钢的转动位置；

控制模块，用于根据所述信号接收模块接收到的所述故障信号，并结合所述位置检测模块检测到的所述转子磁钢的转动位置，控制所述驱动单元中的所述功率开关执行相应动作，以使得所述电机绕组工作在所述故障工况下。

3.如权利要求2所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述控制模块还用于在所述信号接收模块未接收到所述故障信号时，控制所述驱动单元中的所述功率开关执行相应动作，以使得所述电机绕组工作在正常工况下。

4.如权利要求2所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述无刷直流电机是三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机包括A相绕组、B相绕组和C相绕组，且所述A相绕组、B相绕组和C相绕组为星形连接；所述三相无刷直流电机包括一对转子磁钢，所述故障信号是A相故障信号；所述故障工况包括顺序执行的第一状态、第二状态、第三状态、第四状态、第五状态和第六状态，且在执行所述第六状态后返回所述所述第一状态；

在所述第一状态下，电流顺次通过B相非故障绕组和C相非故障绕组，且所述B相非故障绕组和所述C相非故障绕组持续导通120度电角度；在所述第二状态下，电流经所述B相非故障绕组流向所述电机绕组的中心点，所述B相非故障绕组持续导通30度电角度；在所述第三状态下，电流经所述C相非故障绕组流向所述电机绕组的中心点，所述C相非故障绕组持续导通30度电角度；在所述第四状态下，电流顺次通过所述C相非故障绕组和所述B相非故障绕组，且所述C相非故障绕组和所述B相非故障绕组持续导通120度电角度；在所述第五状态下，电流由所述电机绕组的中心点经所述B相非故障绕组流出，所述B相非故障绕组持续导通30度电角度；在所述第六状态下，电流由所述电机绕组的中心点经所述C相非故障绕组流出，所述C相非故障绕组持续导通30度电角度。

5.如权利要求4所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述驱动单元包括：功率开关S1、功率开关S2、功率开关S3、功率开关S4、功率开关S5、功率开关S6、功率开关S7、功率开关S8；

所述功率开关S1和所述功率开关S2串联在电源和地之间，所述功率开关S3和所述功率开关S4串联在电源和地之间，所述功率开关S5和所述功率开关S6串联在电源和地之间，所述功率开关S7和所述功率开关S8串联在电源和地之间；所述功率开关S1与所述功率开关S2连接的一端连接所述A相绕组的一端，所述功率开关S3与所述功率开关S4连接的一端连接所述B相绕组的一端，所述功率开关S5与所述功率开关S6连接的一端连接所述C相绕组的一端；所述A相绕组的另一端与所述B相绕组的另一端和所述C相绕组的另一端连接，并共同作为所述中心点连接至所述功率开关S7与所述功率开关S8连接的一端。

6.如权利要求5所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，在所述第一状态下，所述控制模块控制所述功率开关S3和所述功率开关S6闭合，而控制所述功率开关S1、所述功率开关S2、所述功率开关S4、所述功率开关S5、所述功率开关S7、所述功率开关S8断开；在所述第二状态下，所述控制模块控制所述功率开关S3和所述功率开关S8闭合，而控制所述功率开关S1、所述功率开关S2、所述功率开关S4、所述功率开关S5、所述功率开关S6、所述功率开关S7断开；在所述第三状态下，所述控制模块控制所述功率开关S5和所述功率开关S8闭合，而控制所述功率开关S1、所述功率开关S2、所述功率开关S3、所述功率开关S4、所述功率开关S6、所述功率开关S7断开；在所述第四状态下，所述控制模块控制所述功率开关S5和所述功率开关S4闭合，而控制所述功率开关S1、所述功率开关S2、所述功率开关S3、所述功率开关S6、所述功率开关S7、所述功率开关S8断开；在所述第五状态下，所述控制模块控制所述功率开关S4和所述功率开关S7闭合，而控制所述功率开关S1、所述功率开关S2、所述功率开关S3、所述功率开关S5、所述功率开关S6、所述功率开关S8断开；在所述第六状态下，所述控制模块控制所述功率开关S6和所述功率开关S7闭合，而控制所述功率开关S1、所述功率开关S2、所述功率开关S3、所述功率开关S4、所述功率开关S5、所述功率开关S8断开。

7.如权利要求1所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述系统还包括故障提示单元；

所述控制单元还用于在接收到所述故障检测单元发出的所述故障信号后，控制所述故障提示单元发出语音报警提示或光报警提示。

8.如权利要求1所述的无刷直流电机的驱动控制系统，其特征在于，所述系统还包括：

温度检测单元，用于检测所述无刷直流电机的环境温度值并发送；

所述控制单元还用于接收所述环境温度值，并当所述环境温度值超过所述控制单元预存的温度阈值时，控制所述驱动单元中的所述功率开关断开，以使得所述电机绕组失电。

9.一种无刷直流电机，其特征在于，所述无刷直流电机包括一如权利要求1至8任一项所述的无刷直流电机的驱动控制系统；

当所述无刷直流电机是三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机的三相电机绕组是星形连接时，所述三相电机绕组的相线中心点引出有一导线，所述导线用于连接所述驱动单元。

10.一种电动车，包括一无刷直流电机，其特征在于，所述无刷直流电机又包括一如权利要求1至8任一项所述的无刷直流电机的驱动控制系统；

当所述无刷直流电机是三相无刷直流电机，所述三相无刷直流电机的三相电机绕组是星形连接时，所述三相电机绕组的相线中心点引出有一导线，所述导线用于连接所述驱动单元。

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