CN103840720A - 用于电机的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于电机的控制系统，该控制系统包括：第一控制装置，被配置为控制电机的第一线圈组中的电流；以及第二控制装置，被配置为控制电机的第二线圈组中的电流；其中第一控制装置包括第一接口构件，第一接口构件用于从第一控制器接收数据，以允许第一控制装置确定第一线圈组中的所需电流，其中第一接口构件被配置为将数据传送至第二控制装置，以允许第二控制装置确定第二线圈组中的所需电流。

Description

用于电机的控制系统

技术领域

本发明涉及控制系统，尤其涉及一种用于电机的控制系统。

背景技术

电机系统通常包括电机和被配置为控制由电机生成的功率/扭矩的控制单元。已知类型的电机的例子包括感应电机、同步无刷永磁电机、开关磁阻电机和直线电机。在商业领域，三相电机是最常用种类的可用电机。

三相电机通常包括三个线圈组，其中，每个线圈组被配置为生成与交流电压的三相中的一个相关联的磁场。

为了增加电机内形成的磁极的数量，每个线圈组通常会具有围绕电机的外围分布的多个子线圈组，其被驱动来产生旋转磁场。

三相电机的三个线圈组通常以三角形结构或Y形结构来配置。

用于具有DC电力供应的三相电机的控制单元通常包括三相桥逆变器，其生成用于驱动电机的三相电压供应。每个相应的电压相位被施加至电机的相应线圈组。

三相桥逆变器包括多个开关装置，例如，诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关的电力电子开关。

然而，电力电子开关通常会表现出开关损耗和传导损耗。

包括开关损耗和传导损耗的总损耗大约与功率的平方成比例。这对电机和逆变器会导致严重的热管理问题，因为例如，双倍的功率翻倍会导致四倍的热损耗。导出该热量而不将装置的温度提高至其安全工作水平之上成为装置能够处理的功率的量的限制因素。实际上，现代较大功率的装置具有例如500A的固有电流处理能力，但由于热约束而被限制为200A。

对于具有给定额定功率的传统三相电机，如果期望更大的额定功率，则可以通过生产具有更大直径的电机来实现。对于较大的电机直径，转子的圆周速度在角速度给定时增大。然而，针对给定的供应电压，需要电机线圈具有减少的匝数。

克服该限制所提出的一个解决方案是开发具有可以相互独立地工作的多个子电机的电机，其中，一个子电机的子线圈组中流动的电流独立于另一子电机的子线圈组中流动的电流（即，相应子线圈组不串联连接）。结果，相比于所有相应子线圈组串联连接的等同电机，每个子线圈组的线圈可以具有较大匝数。每个线圈中增加的匝数增大了电机的总电感。这意味着较低的电流可以在每个子线圈组的线圈中使用，这导致了较少的散热问题，并且允许使用较小的开关装置。较小开关装置的使用由此允许较快的开关速度和较低的开关损耗。

然而，对于具有多个独立子电机的电机，如果每个子电机具有其本身的用于直接与远程安装的车辆控制器通信的通信接口，则将导致额外的通信线路不得不延伸在车辆控制器和电机之间，这将导致车辆的重量和成本的增加。

期望改进这种情形。

发明内容

根据本发明的方面，提供一种根据所附权利要求的控制系统。

所请求保护的发明具有以下优点，提供一种用于控制电机的工作的通信系统，电机具有多个子电机，每个子电机可以经由外部控制器独立控制而仅使用电机的单个通信接口。此外，如果用于控制一个子电机的工作的通信线路发生故障，则子电机仍可以接收控制数据。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述本发明，其中：

图1示出本发明实施例中使用的电机的分解图；

图2示出从另一角度观察的图1所示的电机的分解图；

图3示出根据本发明实施例的电机的线圈组的示例配置；

图4示出根据本发明实施例的电机的第一驱动配置；

图5示出根据本发明实施例的电机的第二驱动配置。

具体实施方式

针对用在车辆的车轮中的电机的控制系统描述了本发明的实施例，但电机可以位于车辆内的任何位置。电机是以下类型：具有一组线圈，该线圈是定子的附接至车辆的一部分并且被转子径向围绕，转子承载一组磁体，用于附接至车轮。为了避免疑问，本发明的各个方面同样可应用于具有相同配置的发电机。这样，电机的定义意欲包括发电机。另外，本发明的一些方面可应用于转子中心地安装在径向围绕的线圈内的配置。如本领域技术人员将理解的，本发明可应用于其他类型的电机。

为了本实施例的目的，如图1所示，轮内电机40包括定子252，定子包括散热片253、多个线圈254以及安装在定子后部以驱动线圈的电子模块255。线圈254形成在定子齿叠片结构上以形成线圈绕组。定子罩256安装在定子252的后部，包封电子模块255以形成定子252，定子252之后可以固定至车辆并在使用期间不相对于车辆旋转。

在优选实施例中，电子模块255包括两个控制装置400，其中，每个控制装置400包括两个逆变器410和控制逻辑420，控制逻辑420在本实施例中包括处理器，用于控制逆变器410的工作，如图4和图5所示。

转子240包括前部220和形成罩的筒形部221，该筒形部大体围绕定子252。转子包括多个永磁体242，它们围绕筒形部221的内部配置。为了本实施例的目的，32个磁体对安装在筒形部221的内部。然而，可以使用任意数量的磁体对。

磁体紧靠定子252上的线圈绕组，以使得由线圈生成的磁场与围绕转子240的筒形部221的内部配置的磁体242相互作用，从而使得转子240旋转。由于利用永磁体242生成用于驱动电机的驱动扭矩，因而永磁体通常被称为驱动磁体。

转子240通过轴承座223附接至定子252。轴承座223可以是该电机组件要装配至的车辆中使用的标准轴承座。轴承座包括两个部件，第一部件固定至定子，第二部件固定至转子。轴承座固定至定子252的壁的中央部分233，并且还固定至转子240的外壳壁220的中央部分224。转子240由此旋转固定至车辆，其将经由转子240的中央部分225处的轴承座223被用于所述车辆。这具有以下优点：轮辋和轮胎之后可以使用通常的车轮螺栓固定至转子240的中央部分225处以将轮辋固定至转子的中央部分并因而稳固地固定至轴承座223的可旋转面。车轮螺栓可以经由转子的中央部分224装配至轴承座本身中。在转子240和车轮都安装至轴承座223的情况下，在转子和车轮的旋转角之间存在一一对应关系。

图2示出从相反侧观察的示出定子252和转子的图1所示的相同组件的分解图。转子240包括外部转子壁220和圆周壁221，磁体242沿圆周配置在圆周壁221内。如前所述，定子252经由转子的中央部分处的轴承座和定子壁连接至转子240。

在转子的圆周壁221和定子的外部边缘之间设置有V形密封件。

转子还包括用于位置感测的一组磁体227，还已知为换向磁体，其与安装在定子上的传感器结合来允许估计转子磁通角。转子磁通角定义了驱动磁体与线圈绕组的位置关系。可替换地，取代一组单独的磁体，转子可以包括磁性材料环，其具有用作一组单独磁体的多个极。

为了允许使用换向磁体计算转子磁通角，优选地，每个驱动磁体具有相关联的换向磁体，其中，根据与该组换向磁体相关联的磁通角，通过校准所测量的换向磁体磁通角得到转子磁通角。为了简化换向磁体磁通角和转子磁通角之间的相关性，优选地，该组换向磁体具有与该组驱动磁体对相同数量的磁体或磁极对，其中，换向磁体和相关联的驱动磁体大约在径向上相互对准。因此，为了本发明的目的，该组换向磁体具有32个磁体对，其中，每个磁体对大约在径向上与相应的驱动磁体对对准。

传感器在本实施例中是霍尔传感器，其安装在定子上。传感器被定位为使得随着转子旋转，形成换向磁体环的换向磁体中的每一个相应地旋转通过传感器。

随着转子相对于定子旋转，换向磁体相应地旋转通过传感器，该霍尔传感器输出AC电压信号，其中，该传感器为通过传感器的每个磁体对输出360电角度的完整的电压周期。

为了帮助确定转子的方向，传感器还可以具有以90电角度分离放置的相关联的第二传感器。

如图3所示，电机40在本实施例中包括8个线圈组60，每个线圈组60具有三个子线圈组61、62、63，它们以Y形结构耦合以形成三相子电机，从而电机具有8个三相子电机。

图4示出各个线圈组60和容纳在电子模块255中的控制装置400之间的连接，其中，各对线圈组60并联连接，每对并联耦合的线圈组60连接至包括在控制装置400上的相应三相逆变器410。如本领域技术人员所公知的，三相逆变器包含六个开关，其中可以通过六个开关的控制操作来生成三相交流电压。

并联耦合的线圈组60的星点（star point）没有电耦合。在可替换实施例中，每个线圈组60可以连接至单独的逆变器。

如上所述，电子模块255包括两个控制装置400，每个控制装置400具有两个逆变器410，这两个逆变器耦合至相对应的一对并联耦合的线圈组60。另外，每个控制装置400包括接口构件，其中在第一实施例中，每个控制装置400上的接口构件被配置为允许容纳在电子模块255中的各控制装置400之间的通信，一个控制装置400被配置为与安装在电机外部的车辆控制器通信，其中每个控制装置400上的处理器420被配置为处理经由接口构件的通信，如下文详细描述的。

各个控制装置400上的处理器420被配置为控制相应控制装置400上包括的逆变器410以允许每个电机线圈组60被供给三相电压供应，从而使得各个子线圈组61、62、63生成旋转磁场。尽管本实施例描述了每个线圈组60具有三个子线圈组61、62、63，但本发明不限于此并且可以理解，每个线圈组60可以具有两个或更多个子线圈组。同样，尽管本实施例描述了电机具有8个线圈组60（即，8个子电机），但电机可以具有与控制装置相关联的一个或多个线圈组。

在各个处理器420的控制下，每个三相桥逆变器410被配置为提供各个子线圈组61、62、63两端的PWM电压控制，从而在各个子线圈组中生成电流以提供各个子电机的所需扭矩。

针对给定线圈组60，三相桥逆变器410的开关被配置为在每个子线圈组61、62、63两端施加单个电压相位。

逆变器开关可以包括诸如MOSFET或IGBT的半导体装置。在本示例中，开关包括IGBT。然而，可以使用任何合适的已知开关电路来控制电流。这种开关电路的一个公知的例子是三相桥电路，其具有六个开关，被配置为驱动三相电机。六个开关被配置为三组并联的两个开关，其中，每对开关串联放置并形成三相桥电路的支线。

多个开关被配置为在各个子线圈组两端施加交流电压。

如上所述，多个开关被配置为形成n相桥电路。因此，如本领域技术人员公知的，开关的数量将取决于要施加至各个子电机的电压相位的数量。尽管当前设计示出每个子电机具有三相构造，但子电机可以被构造为具有任意数量的相位。

子线圈组61、62、63的导线（例如，铜线）可以在合适的情况下直接连接至形成逆变器410的一部分的开关装置。

如下所述，在本实施例中，包括在电子模块255中的一个控制装置400被配置为经由通信线路从外部车辆控制器接收扭矩命令请求，其中在控制装置400处接收到的扭矩命令请求由控制装置400通过不同的通信线路发送至容纳在电子模块155中的另一控制装置400。可选地，状态信息还可以从控制装置400被提供至车辆控制器。

为了使得一个控制装置400与外部车辆控制器通信，用于该控制装置400的接口构件包括控制器局域网（CAN）接口，以允许控制装置400通过CAN总线430与外部车辆控制器通信。耦合至CAN总线430的控制装置400被称为主控制装置，而容纳在电子模块255中的另一控制装置400被称为次级控制装置。

另外，用于容纳在电子模块255中的控制装置400的接口构件包括两个串行外设接口（SPI）装置，用于允许电子模块控制装置之间的通过两个单独SPI总线400的通信。

尽管本实施例的接口构件包括用于通过两个SPI总线440进行通信的两个SPI接口，但第二SPI接口用于增大通信冗余以在第一SPI总线发生故障时使用第二SPI总线。在可替换实施例中，接口构件可以具有单个SPI接口以允许容纳在电子模块内的控制装置400之间的使用单个SPI总线的通信。

如本领域技术人员所公知的，CAN总线是多主控广播串行总线，以及SPI总线是以全双工模式工作的同步串行数据链路标准。

尽管本实施例描述了使用CAN总线来进行控制装置400和外部车辆控制器之间的通信，并使用SPI总线来用于容纳在电子模块中的两个控制装置400之间的通信，但本发明可应用于与其他类型的通信总线一起使用。

在第一工作模式下，车辆控制器被配置为通过CAN总线430将扭矩命令请求发送至主控制装置400。通过CAN总线430发送的扭矩命令请求对应于电机基于驱动器输入、例如基于车辆内生成的油门命令而需要生成的总扭矩。

优选地，由车辆控制器通过CAN总线430发送的控制数据还包括使能信号，其中，使能信号被配置为根据使能信号被设置为活动的还是非活动的来启动或停用电机。

尽管其他数据也可以通过CAN总线430传送，但由于这不专门针对本发明，所以将不再详细描述。

主控制装置400被配置为读取通过CAN总线430传送的使能信号和总扭矩命令请求，并通过SPI总线440中的一个将所接收到的数据，即，使能信号和总扭矩命令请求传送至次级控制装置400。

次级控制装置400被配置为读取通过SPI总线440接收到的总扭矩命令请求和使能信号。

如果将CAN总线430上的使能信号设置为活动的，则主控制装置400上的处理器420被配置为控制主控制装置400上的逆变器开关以控制耦合至主控制装置400的四个线圈组60中的电流，其中基于通过CAN总线430发送的扭矩命令来控制电流以提供所需驱动扭矩。特别地，对于本实施例，其中使用两个控制装置400控制流经多个线圈组60的电流，主控制装置400被配置为控制耦合至主控制装置400的线圈组60中的电流以生成通过CAN总线430接收到的总扭矩命令的一半。相应地，次级控制装置400上的处理器420被配置为控制次级控制装置400上的逆变器开关以控制耦合至次级控制装置400的四个线圈组60中的电流，以使得通过外部车辆控制器发送并由次级控制装置400通过SPI总线440接收的总扭矩命令请求的另一半由次级控制装置400生成。

电子模块255中包括的控制装置400被预先配置为提供由车辆控制器通过CAN总线430发送的总扭矩命令请求的预定比例，其中可以使用任何预定比例。例如，对于具有四个控制装置的电机，针对每个控制装置的预定比例可以是总扭矩命令请求的四分之一。可替换地，由各个控制装置400生成的总扭矩命令请求的比例可以是例如使用外部车辆控制器动态分配的，或者是由一个控制装置400设置的。

因此，在第一工作模式下，由电机外部的车辆控制器生成的扭矩命令请求可以使用单个CAN总线430被提供至一个或多个控制装置400，即电机内的两个或更多个子电机，从而减少车辆内CAN总线的所需数量。

优选地，对于增大的冗余，主控制装置400可以通过两个SPI总线440将总扭矩命令请求和使能信号发送至次级控制装置400，其中如果次级控制装置400检测到一个SPI总线400故障，则次级控制装置400可以读取通过另一SPI总线440传送的总扭矩命令请求和使能信号。

在另一可替换实施例中，如图5所示，为了增大通信冗余，容纳在电子模块225中的每个控制装置400可以包括单独的CAN接口，用于允许两个控制装置400通过CAN总线与外部车辆控制器进行通信，其中，外部车辆控制器被配置为将总扭矩命令请求发送至容纳在电子模块255中的两个控制装置400。

在本实施例中，如前一实施例一样，主控制装置400继续读取通过CAN总线430发送的总扭矩命令请求并将所接收到的数据通过至少一个SPI总线440发送至次级控制装置400。尽管扭矩命令请求和使能信号也通过耦合至次级控制装置400的CAN总线430传送至次级控制装置400，同时主控制装置400能够通过耦合至主控制装置400的CAN总线430接收该数据，但次级控制装置400被配置为不处理通过耦合至次级控制装置400的CAN总线430接收到的数据。

然而，如果主控制装置400检测到与耦合至主控制装置400的CAN总线430相关联的故障，例如，如果在指定时间周期内未接收到数据，则主控制装置400通过至少一个SPI总线440将故障指示符发送至次级控制装置400。

在次级控制装置400通过一个或多个SPI总线440接收到指示主控制装置400检测到连接至主控制装置400的CAN总线430的故障的故障指示符时，次级控制装置400被配置为接管主控制装置400的通信功能。特别地，次级控制装置400被配置为读取通过耦合至次级控制装置400的CAN总线430传送的使能信号和总扭矩命令请求，并通过至少一个SPI总线440将该数据发送至主控制装置400。

主控制装置400被配置为读取通过SPI总线440接收到的总扭矩命令请求和使能信号。

在本实施例中，主控制装置400可以继续监视连接至主控制装置400的CAN总线430以确定与CAN总线430相关联的故障是否被解决。如果主控制装置400确定故障已经被解决，则可以重新建立正常工作模式。

如前一实施例那样，在本实施例中，当将CAN总线430上的使能信号设置为活动时，次级控制装置400上的处理器420被配置为控制次级控制装置400上的逆变器开关以控制耦合至次级控制装置400的四个线圈组60中的电流，从而允许生成通过CAN总线430接收到的扭矩命令请求中包括的总扭矩的一半。

相应地，主控制装置400上的处理器420被配置为控制主控制装置400上的逆变器开关以控制耦合至主控制装置400的四个线圈组60中的电流，从而允许生成通过SPI总线440接收到的扭矩命令请求中包括的总扭矩的一半。

本领域技术人员应该理解，所公开的主题可以以各种方式修改，并且可以假定除如上所述具体列出的优选形式以外的实施例，例如，电子模块255可以包括多于两个的控制装置400，它们被配置为驱动一个或多个线圈组，其中，仅控制装置的子组被配置为直接与外部车辆控制器进行通信。

Claims (10)

1.一种用于电机的控制系统，该控制系统包括：第一控制装置，被配置为控制所述电机的第一线圈组中的电流；以及第二控制装置，被配置为控制所述电机的第二线圈组中的电流；其中所述第一控制装置包括第一接口构件，所述第一接口构件用于从第一控制器接收数据，以允许所述第一控制装置确定所述第一线圈组中的所需电流，其中所述第一接口构件被配置为将数据传送至所述第二控制装置，以允许所述第二控制装置确定所述第二线圈组中的所需电流。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其中，所述第一接口构件包括被配置为与所述控制器通信的第一接口和被配置为与所述第二控制装置通信的第二接口。

3.根据权利要求2所述的控制系统，其中，所述第二接口被配置为通过串行外设接口总线进行通信。

4.根据权利要求2或3所述的控制系统，其中，所述第一接口被配置为通过CAN总线进行通信。

5.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，所述第一控制装置接收到的数据对应于所述电机要生成的扭矩值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的控制系统，其中，所述第二控制装置包括第二接口构件，所述第二接口构件用于从所述第一控制器接收数据以允许所述第二控制装置确定所述第二线圈组中的所需电流，其中所述第二接口构件被配置为将数据传送至所述第一控制装置以允许所述第一控制装置确定所述第一线圈组中的所需电流。

7.根据权利要求6所述的控制系统，其中，所述第二接口构件包括被配置为与所述控制器通信的第三接口和被配置为与所述第一控制装置通信的第四接口。

8.根据权利要求7所述的控制系统，其中，所述第四接口被配置为通过串行外设接口总线进行通信。

9.根据权利要求7或8所述的控制系统，其中，所述第三接口被配置为通过CAN总线进行通信。

10.根据权利要求6至9中任一项所述的控制系统，其中，所述第二控制装置接收到的数据对应于所述电机要生成的扭矩值。

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