CN104052373B - 电机故障保护系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是电机故障保护系统和方法。揭示一种电机驱动系统，其包括电源，驱动电路，电机，控制器和保护电路。驱动电路与该电源相连接，驱动电路包括至少一个开关装置。电机与驱动电路相连接，电机包括多个电机绕组，电机可被该驱动电路驱动。控制器在正常模式时，用于给驱动电路的至少一个开关提供第一开关信号。保护电路与控制器相连接，在故障模式时，保护电路基于故障判断信号产生第二开关信号并且提供第二开关信号给驱动电路的至少一个开关装置，以用于在驱动电路和多个电机绕组之间重构电路回路。本发明还揭示了一种电机驱动方法。本发明揭示的电机驱动系统和电机驱动方法，可在驱动电路和电机之间重构电路回路，从而减小电机的反电动势。

Description

电机故障保护系统和方法
技术领域
本发明公开的实施方式涉及电机故障保护系统和方法。
背景技术
永磁电机广泛应用于多种系统，如电动汽车系统。永磁电机在运行时会产生反电动势。当永磁电机高速运行时，反电动势会大于直流母线上的电压，如果在这种条件下，控制器无法控制永磁电机，永磁电机将会工作在一种不可控发电运行模式。需要采用合适的控制或保护方法来避免电源，直流母线电容或电力开关器件被损坏。
因此，有必要提供一种改进的系统和方法来解决上述技术问题。
发明内容
鉴于上面提及的技术问题，本发明的一个方面在于提供一种电机驱动系统，其特征在于：该电机驱动系统包括电源，驱动电路，电机，控制器和保护电路。该驱动电路与该电源相连接，该驱动电路包括至少一个开关装置。该电机与该驱动电路相连接，该电机包括多个电机绕组，该电机被该驱动电路驱动；该控制器在正常模式时，用于给该驱动电路的至少一个开关提供第一开关信号；该保护电路与该控制器相连接，在故障模式时，该保护电路基于故障判断信号产生第二开关信号并且提供该第二开关信号给该驱动电路的至少一个开关装置，以用于在该驱动电路和该多个电机绕组之间构成电路回路。
如上所述的电机驱动系统，其中，该电机包括永磁电机，该故障模式包括不可控发电运行模式，在该故障模式下，当电机转速高于预设速度值时，故障判断信号为故障值。
如上所述的电机驱动系统，其中，该驱动电路包括直流/交流逆变器和至少一个接触器，该交流逆变器包括多个桥臂，每个桥臂包括一个上桥臂开关和一个下桥臂开关，该多个上桥臂开关共同连接到该电源的高电压端子，该多个下桥臂开关共同连接到该电源的低电压端子，相对应的上桥臂开关与下桥臂开关中间的节点与相对应的电机绕组相连接；该至少一个接触器与该电源相串联。该保护电路接收到为故障值的该故障判断信号，其中，该控制器提供的该第一开关信号被停止提供。该保护电路产生的该第二开关信号包括第一开通信号，打开信号和第二开通信号，其中，该第一开通信号提供给该上桥臂开关或该下桥臂开关，在该上桥臂开关或该下桥臂开关和该多个电机绕组中形成电路回路，该打开信号提供给该至少一个接触器用以切断该电源与该电机之间的电连接，该第二开通信号提供给该下桥臂开关或该上桥臂开关，在该下桥臂开关或该上桥臂开关和该多个电机绕组中形成电路回路。
如上所述的电机驱动系统，其中，该驱动电路包括直流/直流变换器，直流/交流变换器和至少一个接触器，其中，该直流/直流变换器包括H桥，第一电感和第二电感；该H桥的左桥臂包括第一上桥臂开关和第一下桥臂开关相串联，该H桥的右桥臂包括第二上桥臂开关和第二下桥臂开关相串联；该第一电感连接在该电源的高电压端子和该第一上桥臂开关与该第一下桥臂开关中间的节点之间；该第二电感连接在该电源的高电压端子和该第二上桥臂开关与该第二下桥臂开关中间的节点之间；该至少一个接触器与该电源相串联。该保护电路接收到为故障值的该故障判断信号，其中，该控制器提供的该第一开关信号被停止提供；该保护电路产生的该第二开关信号包括关断信号，打开信号和开通信号，其中，该关断信号提供给该直流/交流逆变器的开关，该打开信号提供给该至少一个接触器用以切断该电源与该电机之间的电连接，该开通信号提供给该第一上桥臂开关和该第二下桥臂开关或者该开通信号提供给该第二上桥臂开关和该第一下桥臂开关，用以在该第一电感，该第二电感和该多个电机绕组之间形成电路回路。
如上所述的电机驱动系统，其中，该驱动电路包括多个直流/直流变换器和至少一个接触器；该多个直流/直流变换器分别于电机的各个绕组相连接，每个直流/直流变换器包括一个上桥臂开关，一个下桥臂开关，一个电感和一个电容，每个上桥臂开关与相对应的电机绕组相连接，下桥臂开关共同连接到该电源的低电压端子，每个电感都连接在该电源和每个上桥臂开关与下桥臂开关中间相对应的节点之间，每个电容都连接在相对应的上桥臂开关和该电源的低电压端子之间；该至少一个接触器与该电源相串联。该保护电路接收到为故障值的该故障判断信号，其中，该控制器提供的该第一开关信号被停止提供；该保护电路产生的该第二开关信号包括开通信号，打开信号和关断信号，其中，该开通信号提供给每个直流/直流变换器的每个上桥臂开关，该打开信号提供给该至少一个接触器用以切断该电源与该电机之间的电连接，该关断信号提供给每个直流/直流变换器的每个下桥臂开关，用以在该每个上桥臂开关和该多个电机绕组之间形成电路回路。
如上所述的电机驱动系统，其中，该控制器用于在电压控制环中实施一种比例谐振控制算法。
本发明的另一个方面在于提供一种电机驱动方法，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：在正常模式下，提供第一开关信号给驱动电路；以及在故障模式下，提供第二开关信号给驱动电路用以在该驱动电路和多个电机绕组之间重构电路回路。
如上所述的电机驱动方法，其中，该故障模式包括不可控发电运行模式；该电机驱动方法包括根据该第二开关信号减小电机的反电动势。
如上所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括停止提供控制器产生的该第一开关信号；以及在电机转速高于预设速度值的故障模式下使能保护电路。
如上所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括：提供第一开通信号给直流/交流逆变器的上桥臂开关或下桥臂开关；提供打开信号给至少一个接触器来切断电源；以及提供第二开通信号给直流/交流逆变器的下桥臂开关或上桥臂开关。
如上所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括同时提供该第一开通信号和该打开信号。
如上所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括：提供关断信号给该直流/交流逆变器的开关；提供打开信号给至少一个接触器来切断电源；以及提供开通信号给第一上桥臂开关和第二下桥臂开关或提供开通信号给第二上桥臂开关和第一下桥臂开关，用以导通第一电感和第二电感。
如上所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括：提供开通信号给每个直流/直流变换器的每个上桥臂开关；提供打开信号给至少一个接触器来切断电源；以及提供关断信号给每个直流/直流变换器的每个下桥臂开关。
如上所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括在电压环实施一种比例谐振控制算法。
本发明的另一方面在于提供一种一种电动汽车动力系统，其特征在于：该电机驱动系统包括电源，驱动电路，电机，控制器和保护电路；该驱动电路与该电源相连接，该驱动电路包括多个直流/直流变换器和至少一个接触器；该多个直流/直流变换器分别与电机的各个绕组相连接，每个直流/直流变换器包括一个上桥臂开关，一个下桥臂开关，一个电感和一个电容，每个上桥臂开关与相对应的电机绕组相连接，下桥臂开关共同连接到该电源的低电压端子，每个电感都连接在该电源和每个上桥臂开关与下桥臂开关中间相对应的节点之间，每个电容都连接在相对应的上桥臂开关和该电源的低电压端子之间；该至少一个接触器与该电源相串联；该电机与该驱动电路相连接，用于将电能转换为机械能；该控制器在正常模式时，用于给该驱动电路提供第一开关信号；该保护电路与该控制器相连接，在故障模式时，该保护电路基于故障判断信号产生第二开关信号并且提供该第二开关信号给该驱动电路，以用于在该多个直流/直流变换器和该多个电机绕组之间构成电路回路。
如上所述的电动汽车动力系统，其中，该保护电路接收到为故障值的故障判断信号，该控制器提供的该第一开关信号被停止提供；该保护电路产生的该第二开关信号包括开通信号，打开信号和关断信号；其中，该开通信号提供给每个直流/直流变换器的每个上桥臂开关，该打开信号提供给该至少一个接触器用以切断该电源与该电机之间的电连接，该关断信号提供给每个直流/直流变换器的每个下桥臂开关，用以在该每个上桥臂开关和该多个电机绕组之间形成电路回路。
本发明提供的电机驱动系统以及电机驱动方法与传统的方法相比，将可提供故障保护开关信号的故障保护电路应用于该电机驱动系统中，并根据保护电路提供的开关信号在驱动电路和电机之间重构电路回路。该电路回路可允许电机中过大的能量在驱动电路中消耗，以降低过高的反电动势，从而保证电机可安全制动。因此，故障发生时，该电机驱动系统以及电机驱动方法可保证功率开关，电源等器件不被损坏。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为电机驱动系统的一种实施方式的模块图；
图2所示为对如图1所示驱动电路的具体结构进行详细说明的电机驱动系统的一种实施方式的示意图；
图3所示为对如图1所示驱动电路的具体结构进行详细说明的电机驱动系统的另一种实施方式的示意图；
图4所示为图3所示电机驱动系统在故障模式下形成的电路回路的等效示意图；
图5所示为对如图1所示驱动电路的具体结构进行详细说明的电机驱动系统的另一种实施方式的示意图；
图6所示为将比例谐振控制算法用于控制如图5所示直流/直流变换器的控制框图；
图7所示为用于图5所示电机驱动系统的如图6所示的比例谐振控制器的波特图；
图8所示为图5所示电机驱动系统在故障模式下形成的电路回路的等效示意图；
图9所示为一种控制如图1所示的电机驱动系统的方法流程图；
图10所示为阐明如图9所示提供第二开关信号步骤的一种实施方式的子步骤流程图；
图11所示为阐明如图9所示提供第二开关信号步骤的另一种实施方式的子步骤流程图；以及
图12所示为阐明如图9所示提供第二开关信号步骤的另一种实施方式的子步骤流程图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。此外，“电路”以及“控制模块”等可以包括单一组件或者由多个主动元件或者被动元件直接或者间接相连的集合，例如一个或者多个集成电路芯片，以提供所对应描述的功能。
本发明中使用的“可”、“可以”与“可能”等词语表明在某些环境中事件发生的可能性；拥有一种特定属性、特征或功能；和/或通过与某一合格动词结合表示一个或多个能力、性能或可能性。相应地，“可能”的使用表明：被修饰的术语对于所示的能力、功能或用途是明显适当、可匹配或合适的；同时考虑到在某些情况的存在，被修饰的术语有时可能不适当，不匹配或不合适。例如，在某些情况下，可能预期出现某一结果或性能；而在其他情况下，该结果或性能可能不出现。这一区别由表示“可能”的词语体现。
图1所示为本发明揭示的电机驱动系统10的一种实施方式的模块图。该电机驱动系统10包括电源11，驱动电路17，电机19，控制器21和保护电路23。
该电源11可包括直流电源或交流电源，用于提供电能。在一些实施方式中，该电机19包括带有多相绕组的永磁电机。在一些实施方式中，该电机19包括其他种类的电机如感应电机。
在本实施方式中，该驱动电路17连接在该电源11和该电机19之间。该驱动电路17包括至少一个开关装置18，该至少一个开关装置18用于构成特定的结构。该驱动电路17用于将该电源11提供的电能转换成合适的电能，以提供给该电机19。该驱动电路17中的至少一个开关装置18可被开通或关断以用于控制电机转速。
在本实施方式中，该驱动电路17还可以包括开关驱动装置（图未示出），其可以是与该至少一个开关装置18集成在一起的内部器件。在其他实施方式中，该开关驱动装置也可以是与该至少一个开关装置18连接在一起的外部器件。该开关驱动装置用于驱动该至少一个开关装置18。
该至少一个开关装置18、可以包括但不限于如下器件：金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET），绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和其他任何合适的元件。
该控制器21至少与该电源11，该驱动电路17和该电机19相连接并通讯。在一些实施方式中，该控制器21可以包括任何合适的可编程电路或者装置，包括数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、现场可编程门阵列（Field Programmable GateArray，FPGA）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）以及专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）等。在一些实施方式中，该控制器21可以通过硬件或软件或软硬件结合的形式实现。在一种实施方式中，该控制器21用于产生第一开关信号22和故障判断信号24。
在正常模式时，根据该第一开关信号22可控制该驱动电路17以用于调节电机转速。在故障模式时，发生在该电机驱动系统10的故障会造成该电源11，该驱动电路17和/或该电机19的损坏。例如，当该电机转速高于上限预设速度值时，该电机驱动系统10的一个或多个元件可被在高速状态下产生的大电压/大电流和/或高温故障损坏。因此，本实施方式采用保护电路23用于安全地操控该电机驱动系统10。
在正常模式时，该故障判断信号24是正常值，该正常值表明该电机驱动系统10中没有发生任何故障。该保护电路23接收到该正常值的故障判断信号24并起导线的作用，用以允许该第一开关信号22直接提供给该至少一个开关装置18。该第一开关信号22用于开通或关断该至少一个开关装置18来控制该电机转速。
在故障模式时，该故障判断信号24是故障值，该故障值表明该电机驱动系统10中至少发生一种故障。该故障可包括速度过大，过电压，过电流或者其他可导致该电机19失控的不正常情况。
该保护电路23接收到该故障值的故障判断信号24并被使能。该保护电路23用于停止提供该第一开关信号22并产生第二开关信号26。该第二开关信号26提供给该至少一个开关装置18。该第二开关信号26被用于在该驱动电路17和该电机19的绕组之间重构电路回路。在一些实施方式中，该电路回路以短路回路的形式被重构，这样通过短路回路可消耗电机19中过大的能量，从而过电压，过电流和高速故障就可以被减弱。然后该电机驱动系统10可从故障模式恢复到正常模式。
更具体地，当电机转速降到低于预设速度值时，该第一开关信号22可通过该保护电路23提供给该驱动电路17来驱动该至少一个开关装置18。在一些实施方式中，该电机19可根据该第一开关信号22被安全的制动。
该保护电路23可以通过硬件或软件或软硬件结合的形式实现。在一些实施方式中，该保护电路23是与该控制器21相连接的独立电路。在一些实施方式中，该保护电路23是该控制器21的内部模块。该第二开关信号26的形式与该驱动电路17的结构有关。接下来将对该第一开关信号22和该第二开关信号26产生的过程进行具体描述。
图2所示为对如图1所示驱动电路的具体结构进行详细说明的电机驱动系统的一种实施方式的示意图。在如图2所述的实施方式中，该电机驱动系统100包括蓄电池111，驱动电路17，永磁电机191，控制器21和保护电路23。
如上所述实施方式中，该蓄电池被用作该电源11。在其他实施方式中，飞轮储能电池，超级电容和燃料电池可被用作该电源11。该蓄电池通过高电压端子112和低电压端子114与该驱动电路17相连接。该永磁电机191被用作该电机19。该蓄电池111用于给该永磁电机191提供电能或通过该驱动电路17从该永磁电机191吸收电能。在一种实施方式中，该驱动电路17包括直流/交流逆变器171，电容173和至少一个接触器175。该电容173与该蓄电池111相并联。
更具体地，在本实施方式中，该永磁电机191是带有第一绕组195，第二绕组196和第三绕组197的三相永磁电机。
如上所述实施方式中，该直流/交流逆变器171是三相直流/交流逆变器。该三相直流/交流逆变器171包括三个桥臂。每个桥臂包括两个开关装置。该直流/交流逆变器171被用于将该蓄电池111提供的直流电转换为三相交流电并提供给该永磁电机191。在其他实施方式中，该直流/交流逆变器171可包括单相或多相逆变器，该单相或多相逆变器被用于提供单相或多相交流电给该永磁电机191。
每个开关装置都与一个反并联二极管相连接。第一桥臂包括第一开关Q1和第二开关Q2。第二桥臂包括第三开关Q3和第四开关Q4。第三桥臂包括第五开关Q5和第六开关Q6。该第一，第三，第五开关Q1，Q3，Q5（称为上桥臂开关）共同连接到该高电压端子112。该第二，第四，第六开关Q2，Q4，Q6（称为下桥臂开关）共同连接到该低电压端子114。该第一绕组195与该第一开关Q1和该第二开关Q2之间的节点170相连接。该第二绕组196与该第三开关Q3和该第四开关Q4之间的节点172相连接。该第三绕组197与该第五开关Q5和该第六开关Q6之间的节点174相连接。
该至少一个接触器175串联连接在该蓄电池111和该直流/交流逆变器171之间。如图2所示，该至少一个接触器175可包括与该高电压端子112相串联的单个接触器。在一些实施方式中，该至少一个接触器175可包括分别与该高电压端子112和该低电压端子114相串联的第一接触器和第二接触器。在故障模式时，该至少一个接触器175可被手动或自动断开以切断该蓄电池111和该永磁电机191之间的电连接以保护该蓄电池111。
在正常模式时，该第一开关信号22可通过一种或多种控制算法如PWM调制算法来产生。该第一开关信号22被用于开通或关断多个开关装置Q1，Q2，Q3，Q4，Q5和Q6来调节提供给该永磁电机191的电压和/或电流。
在故障模式尤其是不可控发电运行模式时，当永磁电机191的转速高于预设速度值时，该故障判断信号24为故障值。当接受到该故障值的故障判断信号24时，该保护电路23被使能。保护过程可通过如下步骤实施：该控制器21产生的该第一开关信号22被停止提供。该保护电路23产生该第二开关信号26。如图2所示的实施方式中，该第二开关信号26包括第一开通信号261，打开信号262和第二开通信号263。
该第一开通信号261提供给该直流/交流逆变器171的第一部分开关。例如，在一些实施方式中，该第一开通信号261可以多个开通信号的方式实施，该多个开通信号中的每个开通信号可提供给对应的开关装置。在一种实施方式中，该第一开通信号261提供给该上桥臂开关Q1，Q3，Q5（或提供给该下桥臂开关Q2，Q4，Q6）。第一短路回路可在该上桥臂开关Q1，Q3，Q5（或该下桥臂开关Q2，Q4，Q6）和该永磁电机191中形成。即每个桥臂中有一个开关可与该永磁电机191分享短路电流。
该打开信号262提供给该至少一个接触器175用以切断该蓄电池111与该永磁电机191之间的电连接。在一些实施方式中，该第一开通信号261和该打开信号262可同时分别提供给该直流/交流逆变器171的第一部分开关和该至少一个接触器175。
在该至少一个接触器175被打开后。该第二开通信号261提供给该直流/交流逆变器171的第二部分开关。在一些实施方式中，该第二开通信号263可以多个开通信号的方式实施，该多个开通信号中的每个开通信号可提供给对应的开关装置。例如，在一种实施方式中，该第一开通信号261提供给该下桥臂开关Q2，Q4，Q6（或提供给该上桥臂开关Q1，Q3，Q5）。第二短路回路可在该下桥臂开关Q2，Q4，Q6（或该上桥臂开关Q1，Q3，Q5）和该永磁电机191中形成。即此时每个桥臂中的两个开关都与该永磁电机191分享短路电流。
在错误运行时，该永磁电机191产生的能量可在由该一个或多个被导通的开关装置和该多个电机绕组之间形成的一个或多个短路回路中被消耗。最终，永磁电机191的反电动势可以被减小，永磁电机191的转速也相应地降低到一个安全值。在这种情况下，该直流/交流逆变器171的所有开关装置可被安全地关断。
图3所示为对如图1所示驱动电路的具体结构进行详细说明的电机驱动系统的另一种实施方式的示意图。与如图2所示的电气驱动系统100相比，相似地，该蓄电池111被用作该电源11，该永磁电机191被用作该电机19。因此关于该蓄电池111和该永磁电机191的描述在此省略。
然而，该电机驱动系统200中的驱动电路17采用两级结构来对该蓄电池111和该永磁电机191之间的电能进行转换。更具体地，该电机驱动系统200中的驱动电路17包括直流/交流逆变器171，直流/直流变换器177，该至少一个接触器175和该电容173。在本实施方式中，该直流/直流变换器177包括双向直流/直流变换器来进行电能变换。在其他实施方式中，该直流/直流变换器177包括单向直流/直流变换器。
在如上所述实施方式中，该直流/直流变换器177包括H桥，第一电感179和第二电感181。该H桥的左桥臂包括串联连接的第一上桥臂开关S1和第一下桥臂开关S2。该H桥的右桥臂包括串联连接的的第二上桥臂开关S3和第二下桥臂开关S4。该上桥臂开关S1和S3与节点160相连接。该下桥臂开关S2和S4共同连接到该低电压端子114。该第一电感179连接在该高电压端子112和该第一上桥臂开关S1与该第一下桥臂开关S2中间的节点176之间。该第二电感181连接在该电源的高电压端子112和该第二上桥臂开关S2与该第二下桥臂开关S4中间的节点178之间。
本实施方式中的直流/交流逆变器与如图2所示的该直流/交流逆变器171相类似。但是该上桥臂开关Q1，Q3，Q5共同与该节点160相连接。因此，关于该直流/交流逆变器171的详细描述在此省略。该电容173通过两个端子与该节点160和该低电压端子114相连接。该电容173连接在该直流/直流变换器177和该直流/交流逆变器171之间。该至少一个接触器175与该蓄电池111和该直流/直流变换器177相串联。
在正常模式时，该第一开关信号22可通过一种或多种控制算法如PWM调制算法来产生。该第一开关信号22用于开通或关断该直流/直流变换器177和该直流/交流逆变器171的多个开关装置。然后该直流/直流变换器177用于将该蓄电池111产生的直流电转换成该电容173两端合适的直流电压。该直流/交流逆变器171用于将该合适的直流电转换成直流电并提供给该永磁电机191。最后，提供给该永磁电机191的电压和/或电流可被调节并且该永磁电机191的转速可被控制。在接收到该正常值的故障判断信号24之后，该保护电路23被用作导线以允许该第一开关信号22被直接提供给该直流/交流逆变器171和该直流/直流变换器177。
在故障模式尤其是不可控发电运行模式时，当永磁电机的转速高于预设速度值时，该故障判断信号24为故障值。当接受到该故障值的故障判断信号24时，该保护电路23被使能。保护过程可通过如下步骤实施：该控制器21产生的该第一开关信号22被停止提供。该保护电路23产生该第二开关信号26。在图3所示的实施方式中，该第二开关信号26包括关断信号264，打开信号262和开通信号265。
该关断信号264提供给该直流/交流逆变器171的所有开关，此时，该直流/交流逆变器171被用作全桥整流器。在一些实施方式中，该关断信号264可以多个关断信号的方式实施，该多个关断信号中的每个关断信号可提供给对应的开关装置。该打开信号262提供给该至少一个接触器175用以切断该蓄电池111与该永磁电机191之间的电连接。该开通信号265提供给该直流/直流变换器177的第一上桥臂开关S1和第二下桥臂开关S4或提供给该提供给该直流/直流变换器177的第二上桥臂开关S3和第一下桥臂开关S2用以导通该第一电感179和该第二电感181。在一些实施方式中，该开通信号265可以多个开通信号的方式实施，该多个开通信号中的每个开通信号可提供给对应的开关装置。该第一电感179，该第二电感181，该直流/交流逆变器171和该多个电机绕组可构成短路回路。在一些实施方式中，该关断信号264，该打开信号262和该关断信号265可同时分别提供给该驱动电路17。
如图3所示的电机驱动系统200在故障模式或不可控发电运行模式下的等效电路如图4所示。在如图3所示的该第二开关信号26提供给该驱动电路17之后，二极管（D1到D6），该第一电感179，该第二电感181，该电容173和该永磁电机191在该电机驱动系统200中形成短路回路。
如图4所示，在该不可控发电运行模式下，该永磁电机191上的电能会流入该第一电感179和该第二电感181。因此由过高反电动势产生的大电能可在该第一电感179和该第二电感181上消耗。最终，永磁电机191的反电动势可以被减小，永磁电机191的转速也相应地降低到一个安全值。在这种情况下，该直流/交流逆变器171和该直流/直流变换器177的所有开关装置可被安全地关断。
图5所示为对如图1所示驱动电路的具体结构进行详细说明的电机驱动系统的另一种实施方式的示意图。与如图2所示的电气驱动系统100相比，相似地，该蓄电池111被用作该电源11，该永磁电机191被用作该电机19。因此关于该蓄电池111和该永磁电机191的描述在此省略。
然而，如图5所示的该驱动电路17包括第一直流/直流变换器183，第二直流/直流变换器185，第三直流/直流变换器187和至少一个接触器175。该第一，第二，第三直流/直流变换器183，185，187共同作为单级变换器。该单级变换器具有将该蓄电池111提供的直流电转换为另一种直流电并同时升压的功能。在一种实施方式中，该单级变换器可以进行双向电能变换。在其他实施方式中，该单级变换器也可以进行单向电能变换，即将蓄电池111提供的直流电转换成该永磁电机191所需的电能。
该第一，第二，第三直流/直流变换器183，185，187当中的任何一个直流/直流变换器（如183）包括一个上桥臂开关（如Sa1）一个下桥臂开关（如Sa2），一个电感（如182）和一个电容（如192）。每个上桥臂开关都与该永磁电机192中一个相对应的绕组相连接。该下桥臂开关共同连接到该低电压端子114。每个电感都连接在该蓄电池111和相对应的上桥臂开关和下桥臂开关中间的节点之间。每个电容都与相对应的上桥臂开关和该低电压端子114相连接。通过采用多个独立的直流/直流变换器，该永磁电机的每相绕组可被独立的控制。该至少一个接触器连接在该蓄电池111和该独立的直流/直流变换器（183，185，187）之间。
在正常模式时，该第一开关信号22可通过一种或多种控制算法如PWM调制算法来产生。该第一开关信号22被用于开通或关断该多个独立的直流/直流变换器（183，185，187）中的多个开关装置。每个电容两端的电压（相电压）包括两个分量：直流电压分量（每相的直流电压分量数值相等）和交流电压分量。每相的交流分量的幅值相等，每相相位相差120°。可根据以下计算式得到相电压：
Vph_A＝Vbias+Vmsin(ωt) (1),
Vph_B＝Vbias+Vmsin(ωt-120°) (2),
Vph_C＝Vbias+Vmsin(ωt+120°) (3).
其中，Vph_A，Vph_B和Vph_C分别表示电容192，194和196两端的电压。Vbias表示直流电压分量。Vm表示交流电压分量的幅值。该控制器21用于产生该第一开关信号22，该第一开关信号22被用于提供给该直流/直流变换器183，185，和187来跟踪相应的给定电压信号以得到Vph_A，Vph_B和Vph_C。即，每个直流/直流变换器的给定电压信号之间相位差120°。该给定电压信号可以是直流量或交流量。当Vm小于Vbias时，该给定电压信号为直流电压，否则，该给定电压信号为交流电压。可根据以下计算式得到线电压：
其中VAB，VBC和VCA分别表示AB，BC和CA之间的线电压。因此，该第一，第二，和第三直流/直流变换器183，185和187可被用于将该蓄电池111产生的直流电转换为交流电并提供给该永磁电机191。最后，提供给该永磁电机191的电压和/或电流可被调节并且该永磁电机191的转速可被控制。在接收到该正常值的故障判断信号24之后，该保护电路23被用作导线以允许该第一开关信号被直接提供给该多个独立的直流/直流变换器。
图6所示为将比例谐振控制算法用于控制如图5所示直流/直流变换器的控制框图。该控制方法可用于每相的驱动模块。例如，第一相驱动模块由该蓄电池111，该直流/直流变换器183和该第一绕组195组成。采用多个传感器来检测该电容192的电压和该电感182的电流。然后分别输出电容电压信号VC523和电感电流信号IL525。该控制框图500用于让VC519跟踪给定电压信号VC_cmd501。
如图6所述实施方式中，第一偏差信号505通过一个求和元件503由VC_cmd501和VC523作差得到。该第一偏差信号505通过比例谐振（PR）控制器507进行调节。可通过以下传递函数得到该比例谐振算法：
其中，Kp表示比例系数。KR表示谐振系数。ω0表示谐振频率。然后比例谐振控制器507产生的信号被用作电流给定信号IL_cmd509。
第二偏差信号513通过一个求和元素511由IL_cmd509和IL525做差得到。该第二偏差信号513通过比例积分（PR）控制器515进行调节。在一些实施方式中，该PR控制器515可用其他控制算法的控制器代替。然后该PI控制器515的输出提供给调制解调器517来获得该第一开关信号22。该第一开关信号22提供给该驱动电路17。（例如该直流/直流变换器183）。
图7所示为用于图5所示电机驱动系统的如图6所示的比例谐振控制器的波特图。根据如表达式（7）所示的PR算法的谐振部分在谐振频率点ω0，该传函G(s)的增益可达到无穷大值，在除了该谐振频率点ω0以外的频率点，该传函G(s)的增益没有或者有很小的变化。在该谐振频率点ω0，该传函G(s)的频率响应有一个快速下降。因此该PR控制器可用于增加该电机驱动系统300的增益或者带宽，同时，通过选择合适的谐振频率ω0，调节相位裕度可保证该电机驱动系统300的稳定性。
在故障模式尤其是不可控发电运行模式时，当永磁电机的转速高于预设速度值时，该故障判断信号24为故障值。当接受到该故障值的故障判断信号24时，该保护电路23被使能。保护过程可通过如下步骤实施：该控制器21产生的该第一开关信号22被停止提供。该保护电路23产生该第二开关信号26。在图5所示的实施方式中，该第二开关信号26包括开通信号266，打开信号262和关断信号267。
该开通信号266提供给每个直流/直流变换器的每个上桥臂开关。在一些实施方式中，该开通信号266可以多个开通信号的方式实施，该多个开通信号中的每个开通信号可提供给对应的开关装置。该打开信号262提供给该至少一个接触器175用以切断该蓄电池111与该永磁电机191之间的电连接。该关断信号267提供给每个直流/直流变换器的每个下桥臂开关。电感182，184，186和该多个电机绕组可构成短路回路。在一些实施方式中，该关断信号267可通过以多个关断信号的方式实施，该多个关断信号中的每个关断信号可提供给对应的开关装置。在一些实施方式中，该开通信号266，该打开信号262和该关断信号267可同时分别提供给该驱动电路17。
如图5所示的电机驱动系统300在故障模式或不可控发电运行模式下的等效电路如图8所示。在如图5所示的该第二开关信号26提供给该驱动电路17之后，电感182，184，186和该永磁电机191在该电机驱动系统300中形成短路回路。
如图8所示，在该不可控发电运行模式下，该永磁电机191上的电能会流入该电感182，184，186中。因此由过高反电动势产生的大电能可在该电感182，184，186上消耗。最终，永磁电机191的反电动势可以被减小，永磁电机191的转速也相应地降低到一个安全值。在这种情况下，该多个独立的直流/直流变换器逆变器中的所有开关装置可被安全地关断。
图9所示为一种控制如图1所示的电机驱动系统方法的流程图。结合图1所示的电机驱动系统10，该方法可从步骤1001开始执行。在步骤1001中，应用传感器检测电压、电流或电机转速并输出反馈信号提供给控制器21。
通过比较该反馈信号和一个预设值来得到一个故障判断信号24。例如，当速度传感器用于测量电机转速时，速度反馈信号与一个预设速度值相比较。当该反馈速度信号大于该预设速度值时，该控制器21输出一个故障值的故障判断信号24。当该反馈速度信号小于该预设速度值时，该控制器21输出一个正常值的故障判断信号24。该故障值的故障判断信号24表明电机工作在故障模式，该正常值的故障判断信号24表明电机工作在正常模式。当电机19采用永磁电机时，如果电机转速过大而导致过大的反电动势时，该故障模式为不可控发电运行模式。
当该故障判断信号24为正常值时，该电机驱动系统10工作在正常模式，该方法转向步骤1003。在步骤1003中，该控制器21产生的第一开关信号22提供给该驱动电路17。保护电路23作为导线允许该第一开关信号22直接提供给该驱动电路17。然后通过开通或关断该驱动电路17的至少一个开关装置18来调节提供给该电机19的电压和/或电流从而起到调节电机转速的目的。基于该驱动电路17的不同结构，该第一开关信号22有不同的形式。
当该故障判断信号24为故障值时，该电机驱动系统10工作在故障模式，该方法转向步骤1005。在步骤1005中，接收到该故障值的故障判断信号24后，该保护电路23被使能。该第一开关信号22被停止提供。然后该方法转向步骤1007。在步骤1007中，该保护电路23产生的第二开关信号26提供给该驱动电路17，用以在该驱动电路17和多个电机绕组间重构电路回路。基于该驱动电路17的不同结构，该第二开关信号26有不同的形式。
图10所示为阐明图9所示提供第二开关信号步骤的一种实施方式的子步骤流程图。结合如图2所示的电机驱动系统100，采用该第二开关信号26控制该电机驱动系统100的方法步骤如下。
在步骤1101中，第一开通信号261提供给直流/交流逆变器171的上桥臂开关或下桥臂开关，这样在上桥臂开关（或下桥臂开关）和多个电机绕组之间形成第一短路回路。
在步骤1103中，打开信号262提供给至少一个接触器175用以切断蓄电池111与永磁电机191之间的电连接。在一些实施方式中，步骤1101和步骤1103同时进行。
在步骤1105中，第二开通信号263提供给直流/交流逆变器171的下桥臂开关或上桥臂开关，这样在下桥臂开关（或上桥臂开关）和多个电机绕组之间形成第二短路回路。然后，该永磁电机191中的能量可通过该第一短路回路和该第二短路回路进行消耗。最后，随着转速的下降，反电动势下降，永磁电机191可安全制动。
图11所示为阐明图9所示提供第二开关信号步骤的另一种实施方式的子步骤流程图。结合如图3所示的电机驱动系统200，采用该第二开关信号26控制该电机驱动系统200的方法步骤如下。
在步骤1201中，关断信号264提供给该直流/交流逆变器171的所有开关，该直流/交流逆变器可工作于全桥整流状态。在步骤1203中，打开信号262提供给至少一个接触器175用以切断蓄电池111与永磁电机191之间的电连接。在步骤1205中，开通信号265提供给该直流/直流变换器177的第一上桥臂开关S1和第二下桥臂开关S4或提供给该直流/直流变换器177的第二上桥臂开关S3和第一下桥臂开关S2用以导通该第一电感179和该第二电感181。在一些实施方式中，步骤1201，步骤1203和步骤1205同时进行。
在该第一电感179，该第二电感181和该多个电机绕组之间可形成短路回路。然后，随着转速的下降，反电动势下降，永磁电机191可安全制动。
图12所示为阐明图9所示提供第二开关信号步骤的另一种实施方式的子步骤流程图。结合如图5所示的电机驱动系统300，采用该第二开关信号26控制该电机驱动系统300的方法步骤如下。
在步骤1301中，开通信号266提供给每个直流/直流逆变器的每个上桥臂开关。在步骤1303中，打开信号262提供给至少一个接触器175用以切断蓄电池111与永磁电机191之间的电连接。在步骤1305中，关断信号267提供给每个直流/直流逆变器的每个下桥臂开关。
在一些实施方式中，步骤1301，步骤1303和步骤1305同时进行。这样在上桥臂开关，电感和多个电机绕组之间可形成短路回路。然后，随着转速的下降，反电动势下降，永磁电机191可安全制动。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (16)

1.一种电机驱动系统，其特征在于：
该电机驱动系统包括电源，驱动电路，电机，控制器和保护电路；
该驱动电路与该电源相连接，该驱动电路包括至少一个开关装置；
该电机与该驱动电路相连接，该电机包括多个电机绕组，该电机被该驱动电路驱动；
该控制器在正常模式时，用于给该驱动电路的至少一个开关提供第一开关信号；
该保护电路与该控制器相连接，在故障模式时，该保护电路基于故障判断信号产生第二开关信号并且提供该第二开关信号给该驱动电路的至少一个开关装置，以用于在该驱动电路的第一部分开关装置和该多个电机绕组之间构成电路回路且切断该电源与该电机之间的电连接，及用于在该电源与该电机之间的电连接被切断之后，在该驱动电路的第二部分开关装置和该多个电机绕组之间构成电路回路，使得所述第一部分开关装置和所述第二部分开关装置均同所述电机形成短路回路。
2.如权利要求1所述的电机驱动系统，其中，该电机包括永磁电机，该故障模式包括不可控发电运行模式，在该故障模式下，当电机转速高于预设速度值时，该故障判断信号为故障值。
3.如权利要求2所述的电机驱动系统，其中，
该驱动电路包括直流/交流逆变器和至少一个接触器，该直流/交流逆变器包括多个桥臂，每个桥臂包括一个上桥臂开关和一个下桥臂开关，该多个上桥臂开关共同连接到该电源的高电压端子，该多个下桥臂开关共同连接到该电源的低电压端子，相对应的上桥臂开关与下桥臂开关中间的节点与相对应的电机绕组相连接；该至少一个接触器与该电源相串联；
该保护电路接收到为故障值的该故障判断信号，
该控制器提供的该第一开关信号被停止提供；
该保护电路产生的该第二开关信号包括第一开通信号，打开信号和第二开通信号，其中，该第一开通信号提供给该上桥臂开关或该下桥臂开关，以在该上桥臂开关或该下桥臂开关和多个电机绕组中形成电路回路，该打开信号提供给该至少一个接触器用以切断该电源与该电机之间的电连接，该第二开通信号提供给该下桥臂开关或该上桥臂开关，以在该下桥臂开关或该上桥臂开关和该多个电机绕组中形成电路回路。
4.一种电机驱动系统，其特征在于：
该电机驱动系统包括电源，驱动电路，电机，控制器和保护电路；
该驱动电路与该电源相连接，该驱动电路包括至少一个开关装置；
该电机与该驱动电路相连接，该电机包括多个电机绕组，该电机被该驱动电路驱动；
该控制器在正常模式时，用于给该驱动电路的至少一个开关提供第一开关信号；
该保护电路与该控制器相连接，在故障模式时，该保护电路基于故障判断信号产生第二开关信号并且提供该第二开关信号给该驱动电路的至少一个开关装置，以用于在该驱动电路和该多个电机绕组之间构成电路回路；
其中，该驱动电路包括直流/直流变换器，直流/交流变换器和至少一个接触器，其中，该直流/直流变换器包括H桥，第一电感和第二电感；该H桥的左桥臂包括串联连接的第一上桥臂开关和第一下桥臂开关，该H桥的右桥臂包括串联连接的第二上桥臂开关和第二下桥臂开关；该第一电感连接在该电源的高电压端子和该第一上桥臂开关与该第一下桥臂开关中间的节点之间；该第二电感连接在该电源的高电压端子和该第二上桥臂开关与该第二下桥臂开关中间的节点之间；该至少一个接触器与该电源相串联，该保护电路接收到为故障值的该故障判断信号，其中，
该控制器提供的该第一开关信号被停止提供；
该保护电路产生的该第二开关信号包括关断信号，打开信号和开通信号，其中，该关断信号提供给该直流/交流逆变器的开关，该打开信号提供给该至少一个接触器用以切断该电源与该电机之间的电连接，该开通信号提供给该第一上桥臂开关和该第二下桥臂开关，或者该开通信号提供给该第二上桥臂开关和该第一下桥臂开关，用以在该第一电感，该第二电感和该多个电机绕组之间形成电路回路。
5.一种电机驱动系统，其特征在于：
该电机驱动系统包括电源，驱动电路，电机，控制器和保护电路；
该驱动电路与该电源相连接，该驱动电路包括至少一个开关装置；
该电机与该驱动电路相连接，该电机包括多个电机绕组，该电机被该驱动电路驱动；
该控制器在正常模式时，用于给该驱动电路的至少一个开关提供第一开关信号；
该保护电路与该控制器相连接，在故障模式时，该保护电路基于故障判断信号产生第二开关信号并且提供该第二开关信号给该驱动电路的至少一个开关装置，以用于在该驱动电路和该多个电机绕组之间构成电路回路；
其中，该驱动电路包括多个直流/直流变换器和至少一个接触器；该多个直流/直流变换器分别与电机的各个绕组相连接，每个直流/直流变换器包括一个上桥臂开关，一个下桥臂开关，一个电感和一个电容，每个上桥臂开关与相对应的电机绕组相连接，下桥臂开关共同连接到该电源的低电压端子，每个电感都连接在该电源和每个上桥臂开关与下桥臂开关中间相对应的节点之间，每个电容都连接在相对应的上桥臂开关和该电源的低电压端子之间；该至少一个接触器与该电源相串联，该保护电路接收到为故障值的该故障判断信号，其中，
该控制器提供的该第一开关信号被停止提供；
该保护电路产生的该第二开关信号包括开通信号，打开信号和关断信号，其中，该开通信号提供给每个直流/直流变换器的每个上桥臂开关，该打开信号提供给该至少一个接触器用以切断该电源与该电机之间的电连接，该关断信号提供给每个直流/直流变换器的每个下桥臂开关，用以在该每个上桥臂开关和该多个电机绕组之间形成电路回路。
6.如权利要求5所述的电机驱动系统，其中，该控制器用于在电压控制环中实施一种比例谐振控制算法。
7.一种电机驱动方法，其特征在于：该方法至少包括如下步骤：
在正常模式下，提供第一开关信号给驱动电路；以及
在故障模式下，提供第二开关信号给该驱动电路用以在该驱动电路的第一部分开关装置和多个电机绕组之间构成电路回路且切断电源与该电机之间的电连接，及在该电源与该电机之间的电连接被切断之后，在该驱动电路的第二部分开关装置和该多个电机绕组之间构成电路回路，使得所述第一部分开关装置和所述第二部分开关装置均同所述电机形成短路回路。
8.如权利要求7所述的电机驱动方法，其中，该故障模式包括不可控发电运行模式，该电机驱动方法包括根据该第二开关信号减小电机的反电动势。
9.如权利要求8所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括：
停止提供控制器产生的该第一开关信号；以及
在电机转速高于预设速度值的故障模式下使能保护电路。
10.如权利要求8所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括：
提供第一开通信号给直流/交流逆变器的上桥臂开关或下桥臂开关；
提供打开信号给至少一个接触器来切断该电源；以及
在该电源被切断之后，提供第二开通信号给直流/交流逆变器的下桥臂开关或上桥臂开关。
11.如权利要求10所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括同时提供该第一开通信号和该打开信号。
12.一种电机驱动方法，包括：
在正常模式下，提供第一开关信号给驱动电路；以及
在故障模式下，提供第二开关信号给该驱动电路用以在该驱动电路和多个电机绕组之间重构电路回路，包括如下步骤：
提供关断信号给直流/交流逆变器的开关；
提供打开信号给至少一个接触器来切断电源；以及
提供开通信号给直流/直流变换器的左桥臂的第一上桥臂开关和该直流/直流变换器的右桥臂的第二下桥臂开关或提供开通信号给该右桥臂第二上桥臂开关和该左桥臂的第一下桥臂开关，用以导通第一电感和第二电感。
13.一种电机驱动方法，包括：
在正常模式下，提供第一开关信号给驱动电路；以及
在故障模式下，提供第二开关信号给该驱动电路用以在该驱动电路和多个电机绕组之间重构电路回路；
其中，该驱动电路包括多个直流/直流变换器和至少一个接触器；该多个直流/直流变换器分别与电机的各个绕组相连接，每个直流/直流变换器包括一个上桥臂开关，一个下桥臂开关，一个电感和一个电容，每个上桥臂开关与相对应的电机绕组相连接，下桥臂开关共同连接到电源的低电压端子，每个电感都连接在该电源和每个上桥臂开关与下桥臂开关中间相对应的节点之间，每个电容都连接在相对应的上桥臂开关和该电源的低电压端子之间；该至少一个接触器与该电源相串联；
所述提供第二开关信号的步骤包括：
提供开通信号给每个直流/直流变换器的每个上桥臂开关；
提供打开信号给至少一个接触器来切断电源；以及
提供关断信号给每个直流/直流变换器的每个下桥臂开关。
14.如权利要求13所述的电机驱动方法，其中，该电机驱动方法包括在电压环实施一种比例谐振控制算法。
15.一种电动汽车动力系统，其特征在于：
该电动汽车动力系统包括电源，驱动电路，电机，控制器和保护电路；
该驱动电路与该电源相连接，该驱动电路包括多个直流/直流变换器和至少一个接触器；该多个直流/直流变换器分别与电机的各个绕组相连接，每个直流/直流变换器包括一个上桥臂开关，一个下桥臂开关，一个电感和一个电容，每个上桥臂开关与相对应的电机绕组相连接，下桥臂开关共同连接到该电源的低电压端子，每个电感都连接在该电源和每个上桥臂开关与下桥臂开关中间相对应的节点之间，每个电容都连接在相对应的上桥臂开关和该电源的低电压端子之间；该至少一个接触器与该电源相串联；
该电机与该驱动电路相连接，用于将电能转换为机械能；
该控制器在正常模式时，用于给该驱动电路提供第一开关信号；
该保护电路与该控制器相连接，在故障模式时，该保护电路基于故障判断信号产生第二开关信号并且提供该第二开关信号给该驱动电路，以用于在该多个直流/直流变换器和该多个电机绕组之间构成电路回路。
16.如权利要求15所述的电动汽车动力系统，其中，
该保护电路接收到为故障值的故障判断信号，该控制器提供的该第一开关信号被停止提供；
该保护电路产生的该第二开关信号包括开通信号，打开信号和关断信号；其中，该开通信号提供给每个直流/直流变换器的每个上桥臂开关，该打开信号提供给该至少一个接触器用以切断该电源与该电机之间的电连接，该关断信号提供给每个直流/直流变换器的每个下桥臂开关，用以在该每个上桥臂开关和该多个电机绕组之间形成电路回路。
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