CN103999352A - 用于在故障情况下运行电子换向的电机的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在故障情况下运行多相的电机(2)的方法，其中，该电机(2)借助驱动电路(3)被驱动，其中，该驱动电路(3)具有半桥电路(31)和桥支路(32)，该半桥电路(31)分别分配给一相(U、V、W)，该桥支路(32)用于将预先确定的多个电位与电机(2)的相应的相(U、V、W)电连接或者从其分开，其中，当确定故障时，多条桥支路(32)中的一条或者多条按照第一故障运行方式运行，其中，在该第一故障运行方式下如此控制一条或者多条桥支路(32)，使得其通过预先确定的电阻使预先确定的多个电位中的第一个与该相(U、V、W)相连接。

Description

用于在故障情况下运行电子换向的电机的方法和装置
技术领域
本发明涉及电子换向的电机，尤其涉及多相的电机，其借助驱动电路来控制。本发明此外涉及用于在故障情况下控制电机的方法。
背景技术
电子换向的电机，例如在电力驱动中使用的电机，借助驱动电路(变流器)控制。该驱动电路为此具有半导体开关，它们按照一种换向模式彼此错开地接通，以便给电机的多条相支路供给电流。例如一种用于三相的电机的这样的驱动电路能够以所谓的B6电路来实施，该电路具有三个半桥，它们分别包括两个串联连接的半导体开关。该半桥用于分别生成一个相电压。在该半桥上施加供电电压并且在每个半桥的半导体开关之间的相应的节点上截取对应的相电压。
在电机运行中能够发生半导体开关的失效，由此该半导体开关能够进入固定连接的状态。当大的电流通过电机的一个或者多条相支路的相绕组流动时，这能够导致高的制动转矩。
从现有技术知晓多种用于减少制动转矩发生的措施。例如能够在系统中装入附加的开关，例如分相继电器或者星点继电器，它们在故障情况下断开并且禁止电机的相支路中的电流流动。然而这些措施具有以下缺点，由于附加需要的结构元件而增大了电机的结构尺寸。此外通过开关或者继电器产生附加的欧姆损失，这能够起限制功率的作用。由于这些附加需要的结构元件提高了安装花费和成本并且产生附加的故障源，这减小电机的可靠性。
在发生故障的情况下，例如这样的故障，在该故障的情况下低欧姆的电流支路持续地通过半导体开关接通。另外存在这样的可能性，把驱动电路的所有开关接入一种确定的状态并且在该状态下加载。由此例如能够使三相短路或者断开所有开关。
本发明的任务在于，提供一种用于在出现故障的情况下运行电机的方法和装置，通过它们能够避免电机的不期望的行为，尤其由此能够减小制动转矩并且能够避免通过提供附加的结构元件引起的缺点。
发明内容
该任务通过根据权利要求1所述的用于运行电机的方法以及通过根据并列权利要求所述的装置、电动机系统和计算机程序产品解决。
本发明的另外的有利的设计方案在从属权利要求中说明。
根据第一方面，提供一种用于在故障情况下运行多相的电机的方法，其中该电机借助驱动电路被驱动，其中该驱动电路具有半桥电路和桥支路，该半桥电路分别分配给一相，该桥支路用于将预先确定的多个电位与所述电机的相应的相电连接或者从其分开，其中当确定故障时，多条桥支路中的一条或者多条按照第一故障运行方式运行，其中在该第一故障运行方式下如此控制一条或者多条桥支路，使得其通过预先确定的电阻使多个预先确定的电位中的第一个与该相相连接。
上述方法的一种构思在于，在一种故障情况下，其中驱动电路的桥支路持续地使一个相与多个预先确定的电位中的一个连接，即持续地导通，该电机的至少另一个相通过其余的一条桥支路与和故障的桥支路所连接的电位相同的电位连接，并且部分控制地运行相关的桥电路，使得其具有增高的电阻。
已知，在故障发生后在一种相连接的情况下提高电阻相对于一种在一定程度上无电阻的相连接具有以下优点，在相同的转速下制动转矩较小。
尤其该故障能够对应于两相之间的短路、相对电位的短路或者持续断开的桥支路。
根据一种实施方式能够规定，当作为故障确定一条桥支路故障并且电机的一相持续地与第一预先确定的电位连接时，被设置用于将其余的相与第一预先确定的电位连接或者从其分开的其余的多条桥支路中一条或者多条在第一故障运行方式下运行，其中，在该第一故障运行方式下如此控制相应的桥支路，使得其通过一个规定的电阻连接第一预先确定的电位与该相。
能够规定，当电机的转速低于预定的阈值转速时，被设置用于将其余的相与第一预先确定的电位连接或者从其分开的其余的多条桥支路中一条或者多条在第一故障运行方式下运行。
在第一故障运行方式下被设置用于将其余的相与多个预先确定的电位中的第二个连接或者从其分开的其余的多条桥支路从多个相分开。
被设置用于将其余的相与第一预先确定的电位连接或者从其分开的其余的多条桥支路中一条或者多条桥支路在电机的转速位于预先给定的阈值转速之上时能够在第二故障运行方式下运行，其中在该第二故障运行方式下一条或者多条其余的桥支路完全导电接通，以便将其余的相与第一预先确定的电位相连接。
能够规定，一条或者多条在第一故障运行方式下运行的桥支路的规定的电阻依赖于转速和/或依赖于电动机电流和/或依赖于电机的转子的位置改变。
此外，一条或者多条桥支路能够具有多个半导体开关，它们在第一故障运行方式下被部分控制地运行，以便构成预先确定的电阻。
此外，规定的电阻能够位于在将第一预定电位与电机的相应的多个相连接的情况下的桥支路的电阻和在从电机的相应的相分开第一预先确定的电位的情况下的桥支路的电阻之间。
在第一故障运行方式下规定的电阻尤其能够对应于电机的相支路的一半和两倍的支路电阻之间的电阻。
根据另一个方面提供一种用于在故障情况下运行多相的电机的装置，其中，该电机借助驱动电路被驱动，其中，该驱动电路具有半桥电路和桥支路，该半桥电路分别分配给一相，该桥支路用于将预先确定的电位与电机的相应的相电连接或者从其分开，其中，该装置被构造用于，当确定故障时，多条桥支路中的一条或者多条按照第一故障运行方式运行，其中该设备此外构造用于，在第一故障运行方式下如此控制一条或者多条桥支路，使得其通过规定的电阻使预先确定的多个电位中的第一个与该相相连接。
根据另一个方面提供一个电动机系统，其包括：
-多相的电机；
-驱动电路，其具有半桥电路和桥支路，该半桥电路分别分配给电机的一相，该桥支路用于将预先确定的电位与电机的相应的相连接或者从其分开；以及
-上述的装置。
根据另一个方面提供一种计算机程序产品，其包括程序代码，当该程序代码在数据处理装置上被执行时，执行上述的方法。
附图说明
下面根据附图详细说明本发明的优选的实施方式。其中：
图1示出了一个具有电子换向的电机的电动机系统的示意图；
图2a-c示出了用于表示在具有完全导通的半导体开关的三相连接的情况下和在多个半导体开关中的至少一个部分受控地运行的三相连接的情况下的依赖于转速的制动转矩曲线的示意图；以及
图3示出了一个流程图，用于说明一种用于在故障情况下运行电机的方法。
具体实施方式
图1示出一个具有电子换向的电机2的电动机系统1的示意图。电机2例如能够被构造为同步电机、异步电机、磁阻电机等。电机2构造被构造为多相的，在所示的实施例中被构造为三相的并且具有相U、V、W。电机2是电子换向的，也就是说按照一种换向模式向电机2或者电机2的多个相支路施加变化的相电压或者相电流。
相电压UU、UV、UW借助驱动电路3产生，驱动电路3通过控制单元4控制。控制单元4例如能够被构造为微控制器等并且提供控制信号，利用这些控制信号能够控制驱动电路3的半导体开关S1到S6。半导体开关S1到S6优选地被设置为功率半导体开关，例如功率MOSFET、闸流管、IGBT、IGCT等。
控制单元4中的控制按照换向模式进行，所述换向模式取决于关于电机2的转子的位置的信息确定半导体开关S1到S6的开关状态。控制单元4能够按照脉冲宽度调制控制半导体开关S1到S6，以便改变在电机2的相支路上施加的相电压。由此能够仅用两个信号电平可变地控制半导体开关S1到S6。
驱动电路3被实施为所谓的B6电路，用以提供用于向电机2施加的三个相电压。B6电路具有三个半桥电路31，它们设置在供电电压Uvers的第一高供电电位VH和第二低供电电位VL之间。每一个半桥电路31具有一个直接与高供电电位VH连接的第一桥支路32，其包括第一半导体开关S1、S3、S5；以及具有一个直接与低供电电位VL连接的第二桥支路32，其包括第二半导体开关S2、S4、S6。在每一个半桥电路31的彼此连接的第一和第二半导体开关S1、S2、S3、S4、S5、S6之间截取一个相电压并且供给电机2。
在一种故障情况下，其中多个半导体开关S1到S6中的一个持续地闭合，电机2的继续运行通常不再可能。对于许多应用重要的是，使电机2进入一种安全的无电流状态和释放在多个相支路中存储的能量。然而同时由电机2施加的制动转矩尽可能小。例如在用于车辆的转向驱动中使用的情况下这样的特征能够是与安全性相关的，因为过高的制动转矩能够导致车辆的控制性的丧失。
因此规定，通过控制单元4持续地监控多个半导体开关S1到S6中的每一个的功能并且在确定故障的情况下，在发生该故障时多个半导体开关S1到S6中的一个不再能够被断开并且因此持续地停留在闭合的(导电的或者低欧姆的)状态下，产生一种相连接。在该相连接中半导体开关S1到S6中的那些与故障的半导体开关一样地直接与相同的供电电位VH、VL连接的半导体开关闭合，而其余的半导体开关S1到S6，即直接与相应的其它的供电电位VH、VL连接的多个半导体开关断开，使得电机2的多个相支路通过闭合的半导体开关彼此电连接。虽然由此在电机2中存储的电能能够非常快地被释放，然而这导致一个大的电流通过电机2的相支路流动并且由此一个大的制动转矩抵抗电机2的转子的运动。
为减小该制动转矩，现在规定，在发生多个半导体开关S1到S6中的一个持续闭合的故障的情况下，多个半导体开关中的至少一个直接与相同的供电电位连接的半导体开关S1到S6被部分受控地运行，使得其虽然允许电流流动，然而具有电阻，使得通过转子的运动感生的电压仅能够引起通过该相支路的一种减小的电流流动。结果能够限制通过感生的电压引起的电流流动。此外电机2的转子的运动抵抗微小的制动转矩，由此比在完全低阻的相连接的情况下较慢地释放在电机的相绕组中存储的能量。
在本实施例中例如能够假定半导体开关S6故障并且因此持续地导电。这根据通过控制单元4的监控，例如通过监控在半导体开关上的压降识别并且停止电机2的电子换向。同时与故障的半导体开关S6连接不同的供电电位导线的半导体开关S1、S3、S5断开，而与故障的半导体开关连接相同的供电电位的半导体开关S2、S4被部分受控地运行。
该部分控制能够分别根据控制单元4的多种可能性一方面通过施加一个作为控制电压的中间电压实现，其中通过半导体开关S2、S4流动的电流能够通过控制电压的选择来调整。由此产生一种通过相应的半导体开关S2、S4的有效电阻，其高于全控制下的电阻。
如果规定控制单元4不通过相应于一个模拟的电压信号的控制信号进行半导体开关的控制，则也能够规定，应该被部分控制的相应的半导体开关以脉冲宽度调制方式被控制，其中如此选择脉冲宽度调制的占空比，使得平均地调节相应的半导体开关S2、S4的期望的导通电阻。
优选地，这样地选择待部分控制的半导体开关的部分控制，使得它具有一个有效电阻，该有效电阻位于该相支路的支路电阻的一半和两倍之间的范围内并且尤其地对应于该支路电阻。此外通过部分控制确定的有效电阻值由MOSFET的热承载能力限制。
在图2a和2b中示出电机2的转速下的制动转矩，其中在图2a中电机2的相支路通过一种相连接彼此连接，而在图2b的情况下电机2的相支路仅通过部分受控的半导体开关彼此连接，使得在相支路之间设置一个附加的电阻。能够看出，曲线在图2b的情况下向较高转速的区域内移动，使得在低转速的情况下建立一个较小的制动转矩。此外能够看出，制动转矩也在较高转速的区域内又减小。
图3中示出一个流程图，用于说明一种用于在故障情况下运行电机的方法。如果在步骤ST1的询问中确定，发生一种故障，其中多个半导体开关S1到S6中的一个不管相反的控制持续地停留在闭合状态(选择项：是)，则在步骤ST2关于一个预定的或者计算的阈值转速n0检验电机的转速n。否则(选择项：否)在步骤ST1继续等待故障情况。
如果在步骤ST2确定，转速n位于阈值转速n0之上(选择项：是)，则在步骤ST3首先如此控制功能尚完好的半导体开关S1到S6，使得实现一种全相连接，这通过完全闭合所有待闭合的半导体开关S1、S3、S5或者S2、S4、S6实现，使得它们最大地导通。返回步骤ST2的询问。
如果在步骤ST2确定，转速n低于或者位于阈值转速n0(选择项：否)，则在步骤ST4换接到功能尚完好的半导体开关的上述部分受控的运行。
图2c中表示图2a和2b的曲线的重叠。使用上面的方法能够实现，如此选择两种运行方式，使得能够在全部转速范围内实现各自最低的制动转矩。
显而易见地还能够规定，通过相应的控制来调整部分受控的半导体开关的多个有效电阻，由此对要被部分控制的半导体开关提供不同的部分控制。于是它们能够分别在规定的转速范围内(在提供多个阈值转速的情况下)调整。
显而易见地还能够规定，对待部分控制的半导体开关可变地提供部分控制，使得分别如此调整待部分控制的半导体开关，使得在一个大的转速范围内实现在一定程度上保持相同的制动转矩。

Claims (13)

1.用于在故障情况下运行多相的电机(2)的方法，其中，所述电机(2)借助于驱动电路(3)来驱动，其中，所述驱动电路(3)具有半桥电路(31)和桥支路(32)，所述半桥电路(31)分别分配给一相(U、V、W)，所述桥支路(32)用于将预先确定的多个电位与所述电机(2)的相应的相(U、V、W)电连接或者从其分开，
其中，当确定故障时，多条桥支路(32)中的一条或者多条按照第一故障运行方式来运行，
其特征在于，
在所述第一故障运行方式下如此地控制所述桥支路(32)或者所述多条桥支路(32)，使得其通过预先确定的电阻使预先确定的多个电位中的第一个与所述相(U、V、W)相连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述故障对应于多个所述相(U、V、W)中的两个之间的短路、相(U、V、W)和电位的短路或者持续断开的桥支路。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，当作为故障确定多条桥支路(32)中的一条是故障的并且所述电机(2)的一相(U、V、W)持续地与第一预先确定的电位连接时，被设置用于将其余的相(U、V、W)与所述第一预先确定的电位连接或者从其分开的其余的多条桥支路(32)中一条或者多条在第一故障运行方式下运行，
其中，在所述第一故障运行方式下如此地控制相应的桥支路(32)，使得其通过一个规定的电阻将所述第一预先确定的电位与所述相(U、V、W)相连接。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，当所述电机(2)的转速低于预先给定的阈值转速时，被设置用于将其余的相(U、V、W)与所述第一预先确定的电位连接或者从其分开的一条或者多条其余的桥支路(32)在所述第一故障运行方式下运行。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，在所述第一故障运行方式下被设置用于将所述其余的相(U、V、W)与多个预先确定的电位中的第二个连接或者从其分开的所述其余的多条桥支路(32)从多个相(U、V、W)分开。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，被设置用于将其余的相(U、V、W)与所述第一预先确定的电位连接或者从其分开的一条或者多条桥支路(32)在所述电机(2)的转速位于预先给定的阈值转速之上时在第二故障运行方式下运行，其中，在所述第二故障运行方式下一条或者多条其余的桥支路(32)完全导电接通，以便将其余的相与所述第一预先确定的电位相连接。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，一条或者多条在所述第一故障运行方式下运行的桥支路(32)的规定的电阻依赖于转速和/或依赖于电动机电流和/或依赖于所述电机(2)的转子的位置改变。
8.根据权利要求1至7之一所述的方法，其中，所述一条或者多条桥支路(32)具有多个半导体开关(S1、S2、S3、S4、S5、S6)，所述多个半导体开关在所述第一故障运行方式下被部分控制地运行，以便构成所述预先确定的电阻。
9.根据权利要求1至8之一所述的方法，其中，所述预先确定的电阻位于在将所述第一预先确定的电位与所述电机(2)的相应的多个相(U、V、W)连接的情况下的所述桥支路(32)的所述电阻和在从所述电机(2)的所述相应的多个相(U、V、W)分开所述第一预先确定的电位的情况下的所述桥支路(32)的所述电阻之间。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述第一故障运行方式下规定的电阻对应于所述电机(2)的相支路的支路电阻的一半和两倍之间的电阻。
11.用于在故障情况下运行多相的电机(2)的装置，其中，所述电机(2)借助于驱动电路(3)来驱动，其中，所述驱动电路(3)具有半桥电路(31)和桥支路(32)，所述半桥电路(31)分别分配给一相(U、V、W)，所述桥支路(32)用于将预先确定的电位与所述电机(2)的相应的相(U、V、W)电连接或者从其分开，
其中，所述装置被构造用于，当确定故障时，多条桥支路(32)中的一条或者多条按照第一故障运行方式运行，
其特征在于，
所述装置此外被构造用于，在所述第一故障运行方式下如此地控制一条或者多条桥支路(32)，使得其通过预先确定的电阻将预先确定的多个电位中的第一个与所述相相连接。
12.电动机系统，其包括：
-多相的电机(2)；
-驱动电路(3)，其具有半桥电路(31)和桥支路(32)，所述半桥电路(31)分别分配给所述电机(2)的一相，所述桥支路(32)用于将预先确定的电位与所述电机(2)的相应的相(U、V、W)连接或者从其分开；以及
-根据权利要求11所述的装置。
13.计算机程序产品，其包含程序代码，当所述程序代码在数据处理装置上被执行时，执行根据权利要求1至8之一所述的方法。
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