CN105610281A - 开放式绕组变结构电机系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种开放式绕组变结构电机系统，包括主控制器、可变结构驱动器和开放式绕组电机；主控制器接收控制指令和开放式绕组电机的反馈信息，并生成功率驱动和驱动拓扑变结构指令，可变结构驱动器根据驱动拓扑变结构指令将驱动拓扑结构进行变换，可变结构驱动器将开放式绕组电机的多个绕组串联起来成为新的一相绕组，可变结构驱动器根据功率驱动指令驱动开放式绕组电机。本发明的开放式绕组变结构电机系统，充分利用可变结构驱动器和多相电机的结构可变、高功率密度、高可靠性优点，可满足不同的工况需求，相比多电机+离合器结构，能够有效地降低电机驱动系统重量和体积，并有效地提高功率密度和可靠性，消除机械噪声。

Description

开放式绕组变结构电机系统

技术领域

本发明涉及一种开放式绕组变结构电机系统，属于电机领域。

背景技术

随着高功率密度磁铁和功率器件的发展，电机系统尤其是开放式绕组电机(永磁独立绕组电机)系统应用场合不断扩大，比如现在发展出来的全电汽车、全电坦克、全电舰船等，电机系统作为上述系统的关键动力机构和推进动力源，其工况需求往往比较复杂而且经常多变，比如经常会遇到高速、低速、轻载、超载、正常和故障等工况。

现有技术中，为了使得电机系统满足不同的驱动工况要求，通常采用多台电机通过力或者速度综合器进行耦合，比如高速电机+低速电机通过离合器，根据不同的工况需求，切换相应的电机进行工作。该结构虽然能够提高不同的工况需求，但是由于两台电机不是同时工作，而且离合器为了满足多种工况，其体积和重量都非常大，从而造成系统功率密度非常低，而且由于离合器的存在，使得系统效率较低，另外也会产生较大的机械震动和噪声。

电机系统作为机电能量转换系统的核心关键子系统，其性能和可靠性决定并影响着机电能量转换系统的性能和任务完成能力。如何从根本上解决上述矛盾，让电机系统既能够满足多工况需求又能够具有较高的可靠性，是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种充分利用可变结构驱动器和高功率密度的多相开放式绕组电机的结构可变、高功率密度、高可靠性优点的变结构电机系统。

本发明目的通过如下技术方案予以实现：

提供一种开放式绕组变结构电机系统，包括主控制器(10)、可变结构驱动器(20)、电流采集模块和开放式绕组电机(30)；

所述电流采集模块采集开放式绕组电机(30)每个绕组输出的电流并传输给主控制器(10)；

开放式绕组电机(30)具有3×N+3个绕组，其中N≥1，分为N+1组绕组，每组包括第一绕组((N+1)W1)、第二绕组((N+1)W2)和第三绕组((N+1)W3)；

所述可变结构驱动器(20)包括功率管驱动器(22)、开关驱动器(23)、功率管组(24)和电源开关组(25)；

电源开关组(25)包括电源组(60)和4×N+4个功率开关(51)；电源组(60)包括直流功率电源(61)，直流功率电源(61)具有正输出端子(i_Vs)和负输出端子(i_PGND)，分别与所述功率电源接线端子(52)相连；4×N+4个功率开关(51)包括N+1组第一开关管(T(N+1)1)、第二开关管(T(N+1)2)、第三开关管(T(N+1)3)和第四开关管(T(N+1)4)；

功率管组(24)包括N+1个第一变换单元和N+1个第二变换单元；每个第一变换单元包括三组H桥臂(45)，分别为第一H桥臂((3N+1)Q1，(3N+1)Q4)，第二H桥臂((3N+2)Q1，(3N+2)Q4)和第三H桥臂((3N+3)Q1，(3N+3)Q4)，每个H桥臂(45)包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第二功率管的漏极，作为绕组接入端；每个所述第一H桥臂的第一功率管的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，每个第二功率管的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)，第i个第一H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组((N+1)W1)的一端；第i个所述第二H桥臂的第一功率管的漏极与第i个所述第三H桥臂的第一功率管的漏极相连后连接第i个第一开关管的源极，第i个第一开关管的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，第i个所述第二H桥臂的第二功率管的源极与第i个所述第三H桥臂的第二功率管的源极相连后连接第i个第二开关管的漏极，第i个第二开关管的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)，第i个第二H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的一端，第i个第三H桥臂的绕组接入端连接第i个第三绕组的一端；每个第二变换单元包括三组H桥臂(45)，分别为第四H桥臂((3N+1)Q3，(3N+1)Q2)，第五H桥臂((3N+2)Q3，(3N+2)Q2)和第六H桥臂((3N+3)Q3，(3N+3)Q2)，每个H桥臂(45)包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第二功率管的漏极，作为绕组接入端；第i个所述第四H桥臂的第一功率管的漏极与第i个所述第五H桥臂的第一功率管的漏极相连后连接第i个第三开关管的源极，第i个第三开关管(T(N+1)3)的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，第i个所述第四H桥臂的第二功率管的源极与第i个所述第五H桥臂的第二功率管的源极相连后连接第i个第四开关管(T(N+1)4)的漏极，每个第四开关管(T(N+1)4)的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)，第i个第四H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组的另一端，第i个第五H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的另一端；每个所述第六H桥臂的第一功率管的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，第二功率管的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)，第i个所述第六H桥臂绕组接入端连接第三绕组的另一端；其中1≤i≤N+1；

所述功率管驱动器(22)，根据主控制器发送的控制命令驱动功率管组(24)中的第一功率管和第二功率管；

开关驱动器(23)根据主控制器发送的控制命令驱动电源开关组(25)中的4×N+4个功率开关(51)；

所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否发生故障，当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复；接收上位机发送的控制命令，并将控制命令转发给功率管驱动器(22)和开关驱动器(23)。

优选的，所述可变结构驱动器(20)根据控制指令能够将拓扑结构变为第一绕组、第二绕组和第三绕组串联成一相绕组，具体控制方法为：断开第一开关管(T(N+1)1)、第二开关管(T(N+1)2)、第三开关管(T(N+1)3)和第四开关管(T(N+1)4)；断开第二H桥臂、第三H桥臂、第四H桥臂、第五H桥臂中的第一功率管，开启第二功率管，或者开启第二H桥臂、第三H桥臂、第四H桥臂、第五H桥臂中的第一功率管，断开第二功率管。

优选的，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：当拓扑结构为驱动第一绕组、第二绕组和第三绕组串联成一相绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二换单元和第一至第四开关管；改变其他组绕组的输出电流的幅值和相位，保证总输出功率不变。

优选的，所述主控制器接收上位机发送的控制命令还包括电机系统工作模式，分为轻载模式、中载模式和重载模式；

当控制命令为轻载模式时，控制K组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断,1≤K≤(N+1)/3；

当控制命令为中载模式时，控制K组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的左变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断，1/3(N+1)<K≤2(N+1)/3；

当控制命令为重载模式时，控制K组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的左变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断，其中2(N+1)/3<K≤N+1。

优选的，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：

电机系统工作模式为轻载模式、中载模式或重载模式且没有开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管，并开启另一组非工作状态的绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管；

电机系统工作模式为重载模式且开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管；提高其他组绕组的输出电流，保证总输出功率不变。

优选的，所述主控制器接收上位机发送的控制命令还包括电机系统工作模式，分为轻载模式、中载模式和重载模式；

当控制命令为轻载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中1≤K≤(N+1)/3；

当控制命令为中载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中1/3(N+1)<K≤2(N+1)/3；

当控制命令为重载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中2(N+1)/3<K≤N+1。

优选的，当控制命令为轻载模式时工作的所有H桥输出功率为50％额定功率以下；当控制命令为中载模式时工作的所有H桥输出功率为50％至100％额定功率；当控制命令为重载模式时工作的所有H桥输出功率为2-3倍额定功率以上。

优选的，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：

电机系统工作模式为轻载模式、中载模式或重载模式且没有开启全部绕组时，如果故障绕组为第一绕组，则关闭故障所在绕组的第一和第四H桥臂，并开启另一非工作状态的第一绕组的第一和第四H桥臂，导通另一非工作状态的第一绕组的对应的第三和第四开关管；如果故障绕组为第二绕组，则关闭故障所在绕组的第二和第五H桥臂，并开启另一非工作状态的第二绕组的第二和第五H桥臂，导通另一非工作状态的第二绕组的对应的第一至第四开关管；如果故障绕组为第三绕组，则关闭故障所在绕组的第三和第六H桥臂，并开启另一非工作状态的第三绕组的第三和第六H桥臂，导通另一非工作状态的第三绕组的对应的第一至第二开关管；

电机系统工作模式为重载模式且开启全部绕组，K＝N+1时，关闭故障所在绕组的第一至第六H桥臂和第一至第四开关管；提高其他组绕组的输出电流，保证总输出功率不变。

优选的，所述可变结构驱动器(20)还包括过流保护模块和可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器接收主控制器发送的控制命令并发送给H桥臂(45)和电源开关组(25)；所述电流采集模块采集开放式绕组电机(30)每相绕组输出的电流还传输给可变结构驱动器(20)的过流保护模块，当某相某个绕组输出的电流超过设定电流阈值时，过流保护模块将该绕组的过流信号输出给可编程逻辑控制器，关闭故障所在支路的绕组连接H桥臂(45)和关闭故障所在支路的绕组连接功率开关(51)。

优选的，所述可变结构驱动器(20)还包括过热保护模块，过热保护模块采集开放式绕组电机(30)每相绕组的温度，当某相某个绕组输出的温度超过设定温度阈值时，过热保护模块将该相绕组的过热信号输出给可编程逻辑控制器，关闭故障所在支路的绕组连接H桥臂(45)和关闭故障所在支路的绕组连接功率开关(51)。

优选的，所述电流阈值为绕组额定输出的电流值的2-5倍；优选的，所述温度阈值为150°～200°。

优选的，故障诊断算法具体步骤为：

1)电流传感器实时采集的各相电流，将各相电流进行平方处理，并将相邻两相电流平方进行做差求得各相电流相互残差；

2)对正常时各相电流相互残差进行范数计算或数学期望计算，建立正常各相电流相互残差时范数值表或数学期望值表；

3)对步骤1)得到的各相电流相互残差进行范数计算或数学期望计算，通过实时对比各相电流相互残差范数值或数学期望值与正常时各相电流相互残差时范数值或数学期望值，判定故障类型和发生故障的具体位置，并实现故障识别和隔离。

优选的，根据数学期望值判定故障类型和发生位置的具体方法为：

若电流相数为奇数，

若电流相数为偶数，

其中r_a，b，表示a相和b相电流残差，m＝(3N+3)/2。

优选的，根据范数值判定故障类型和发生位置的具体方法为：

若电流相数为奇数，

若电流相数为偶数，

其中r_a，b，表示a相和b相电流残差，m＝(3N+3)/2。

优选的，所述主控制器(10)包括第一控制单元和第二控制单元，所述第一控制单元和第二控制单元互为冗余备份。

优选的，当需要低速大扭矩输出时，所述可变结构驱动器(20)根据控制指令将拓扑结构变为第一绕组、第二绕组和第三绕组串联成一相绕组。

优选的，所述直流功率电源(61)为1个，2个互相并联，或N+1个，每个对应连接一个变换单元。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明的变结构电机系统，通过一套功率管组和功率开关组的不同通断组合，采用一套电机即可实现多种电机的功能，通过进行变换，可满足不同的工况需求，相比多电机+离合器机械式变结构，能够有效地降低电机驱动系统重量和体积，并有效地提高功率密度、可靠性、安全性和系统效率，同时在机械上取消了离合器，从而在根本上消除机械震动和噪声。

(2)本发明设置可变结构驱动器包括H桥串联驱动拓扑结构、轻载H桥驱动拓扑结构、正常H桥驱动拓扑结构、重载H桥驱动拓扑结构共四种驱动拓扑工作状态，可满足多种工况需求；在某一相绕组发生故障的情况下，可以切换为其他工作模式，提高了系统的使用效率和功率密度。

(3)本发明的电机系统能够实现绕组和驱动器造成的相当于绕组故障的故障诊断，并能进行故障处理，不影响后续设备的安全使用。

(4)本发明可以通过不同驱动拓扑的切换，实现故障在线处理，避免了系统完全失效造成的经济损失，为电机系统的故障处理提供了全新的解决方案。赋予了电机系统在恶劣环境中的自我修复能力，尤其适用于航空、航天、航海、核电等对安全性要求较高的应用场合。

(5)本发明根据实际可靠性需求，以及空间、体积与重量限制，可以采用1个或者2个或者N个电源，应用灵活。

附图说明

图1为本发明的变结构电机系统的结构示意图；

图2为本发明可变结构驱动器的结构示意图；

图3为本发明的开放式绕组电机结构示意图；图3(a)为九相永磁开放式绕组电机结构示意图；图3(b)为模块化(三相为一模块)九相永磁开放式绕组电机结构示意图；

图4是根据本发明的3×N+3相变结构驱动拓扑结构的架构图；

图5是根据本发明的九相变结构驱动拓扑结构的架构图；

图6为本发明的故障诊断算法示意图。

具体实施方式

如图1所示，以舰船的主推进控制来说明本发明提出的变结构电机系统。在本发明中，变结构电机系统包括主控制器10、可变结构驱动器20和开放式绕组电机30，其中，所述主控制器10接收控制指令和开放式绕组电机30的反馈信息，并生成功率驱动和驱动拓扑变结构指令，根据不同的工况需求，所述可变结构驱动器20根据驱动拓扑变结构指令将驱动拓扑结构进行变换，所述可变结构驱动器20将所述开放式绕组电机30的多个绕组串联起来成为新的一相绕组，相数为3×N+3时，并由3×N+3个所述H桥42驱动，根据控制指令变换后，可变换为由N+1个H桥42驱动的新的N+1相电机，实现了将电机的多个绕组串联起来进行驱动。

开放式绕组电机30为模块化电机，如图3所示绕组31的两个端子全部引出电机壳外，为了保证各相绕组之间在物理上、热量上完全独立，各相绕组31可采用由容错齿21隔离开的单层集中式绕组结构，如图3(a)所示18槽12极9相永磁电机采用单层集中式绕组结构；以如图3(b)所示的12槽10极9相永磁电机为例，单双层混合集中式绕组结构的每三个所述绕组31组成一个三相绕组整体33，每个所述三相绕组整体33通过容错齿32相互隔离。

主控制器10主要功能包括：接收上级控制系统(例如舰船中央控制系统)发送的控制指令、解调电机转子位置、采集各相电流与温度、闭环控制、驱动拓扑结构变换等；主控制器10根据控制指令和当前驱动拓扑结构对开放式绕组电机30进行驱动控制，实时调整输出给后续可变结构驱动器20的控制指令；主控制器10根据采集的电流与温度，在进行闭环控制同时，对后续可变结构驱动器20进行保护，使得电机处于安全工作状态。

主控制器10包括第一控制单元和第二控制单元，第一控制单元和第二控制单元对接收的控制指令进行核对，能够消除干扰引起的错误指令，同时第一控制单元和第二控制单元对输出的电机驱动控制和拓扑变结构指令相互验证，防止输出错误的控制指令。而且第一控制单元和第二控制单元相互监控，当一个控制单元发生故障后，正常的另一个控制单元能够将故障控制单元的输出进行封锁，实现双核之间相互监控相互备份的功能。两个控制单元可以为两个独立的控制器，也可以是一个控制器中相互独立的两个控制核心，例如双核控制器。

结合图2所示，可变结构驱动器20主要包括可编程逻辑控制器21、功率管驱动器22、开关驱动器23、功率管组24、功率开关组25和过流与过热保护电路26；可编程逻辑控制器21具有与主控制器10连接的输入端，以及控制功率管组24和功率开关组25的输出端；功率管组24和功率开关组25构成的可变结构驱动拓扑输出端，与开放式绕组电机30的绕组31的接线端子数相等，并对应连接；可变结构驱动器20可根据主控制10的控制指令变换结构，将开放式绕组电机30的绕组驱动方式变换多相绕组31串联方式或者每相绕组31单独驱动方式；可变结构驱动器20还包括功率管驱动器22和开关驱动器23，功率管驱动器22和开关驱动器23的输入端与可编程逻辑控制器21的输出端连接，功率管驱动器22和开关驱动器23的输出端分别与功率管组24和功率开关组25的控制端连接；可变结构式驱动器20还包括过流与过热保护电路26，过流与过热保护电路26的输出端与可编程逻辑控制器21的过流与过热保护信号输入端对应连接。

电流采集模块采集开放式绕组电机30每相绕组输出的电流还传输给驱动器20的过流保护模块，当某相绕组输出的电流超过设定电流阈值时，过流保护模块将该绕组的过流信号输出给可编程逻辑控制器；过热保护模块采集开放式绕组电机30每相绕组的温度，当某相绕组输出的温度超过设定温度阈值时，过热保护模块将该相绕组的过热信号输出给可编程逻辑控制器；所述电流阈值为绕组额定输出的电流值的2-5倍；优选的，所述温度阈值为150°～200°。

主控制器发现存在绕组或功率管组24中的功率管故障后，关闭故障所在支路的绕组连接H桥臂45和关闭故障所在支路的绕组连接功率开关51，并采取保持故障前后磁动势不变或者总输出功率不变的策略，调整非故障相的输出电流幅值和相位。

本发明中，开放式绕组电机30采用18槽12极永磁电机；主控制器10根据控制指令和变结构控制指令控制可变结构式驱动器20，进而控制开放式绕组电机30达到所需的工况。

本发明拓扑结构包括H桥组40、电源开关组50和电源组60；所述H桥组40中功率管数量与开放式绕组电机的相数相匹配，如图4所示，开放式绕组电机相数为3×N+3，其中N≥1，功率管41数量为4×(3×N+3)，分为3×N+3个H桥42，每个所述H桥42包含左、右两个桥臂45，将所述桥臂45以开放式绕组电机为界区分左、右，每个所述桥臂45包含上、下各一个所述功率管41，每个所述H桥42共有四个所述功率管41，每个所述桥臂45的中间点设有一个绕组接线端子43，所述绕组接线端子43分别与开放式绕组电机的绕组的两个端子相连，另外，每个所述H桥42还设有两个电源接线端子44，分别与控制所述电源组60的电源开关相连。

所述电源开关组50包括4×N+4个功率开关51，所述功率开关51由分别接电源正和电源负的两个功率开关组成，并设有接所述电源组60的功率电源接线端子52和接所述H桥40的电源接线端子53，所述功率电源接线端子52与所述电源组60的直流功率电源相连，所述电源接线端子53与所述H桥42的电源接线端子44相连。

所述电源组60包括N+1个直流功率电源61，每个所述直流功率电源61有输出正和输出负两个端子，分别与所述功率电源接线端子52相连，并且每个所述直流功率电源61同时供给左、右两个所述桥臂45，这样开放式绕组电机的每相绕组由一个所述H桥42驱动控制。根据实际系统可靠性需求，以及空间、体积与重量限制，可将N+1个所述直流功率电源61配置为1个，2个互相并联，或N+1个每个对应连接一组变换单元。

左、右两边的所述桥臂45每六个一组，第一至第六桥臂45由同一个所述直流功率电源61供电，其中第二和第三个所述桥臂45通过功率开关51由所述直流功率电源61供电，第四至第五个所述桥臂45通过功率开关51由所述直流功率电源61供电，依此类推，直至，第(3N-2)至第(3N+3)个所述桥臂45也由同一个所述直流功率电源61供电。

功率开关51设有与控制器10相连的输入端，还设有与后续电源组60相连的输出端，用于将控制器10输出的驱动控制数字信号，经过信号隔离模块和功率驱动模块，分别实现信号隔离和功率驱动放大功能，输出给电源开关组50中的功率开关51的控制端，从而控制功率开关51的导通状态，以达到控制H桥42与直流功率电源61的通断；

控制器10发送驱动拓扑变结构控制指令给功率开关51，同时发送控制指令将第一开关管T(N+1)1、第二开关管T(N+1)2、第三开关管T(N+1)3和第四开关管T(N+1)4断开，功率开关51将H桥42与直流功率电源61断开；断开第二H桥臂的(3N+2)Q1、第三H桥臂的(3N+3)Q1、第四H桥臂的(3N+1)Q3、第五H桥臂中的(3N+2)Q3，开启第二功率管(3N+2)Q4、(3N+3)Q4、(3N+1)Q2和(3N+2)Q2，或者开启第二H桥臂、第三H桥臂、第四H桥臂、第五H桥臂中的第一功率管，断开第二功率管。如图5所示，从而将由9个H桥42驱动的9相电机串联成由3个H桥42驱动的新3相电机，即每相绕组是原来三个绕组的串联形式，从而实现驱动拓扑变结构功能；当需要低速输出时，可采用这种串联形式。

在串联模式下，如果某个绕组出现故障，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：当拓扑结构为驱动第一绕组、第二绕组和第三绕组串联成一相绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二换单元和第一至第四开关管；改变其他组绕组的输出电流的幅值和相位，保证总输出功率不变。

信号隔离模块设有与控制器10相连的输入端，还设有与后续功率驱动模块相连的输出端，用于将控制器10输出的变结构控制或者驱动控制数字信号，实现与功率信号相互隔离的功能，保护控制器10免受功率信号的干扰；

功率驱动模块设有与信号隔离模块相连的输入端，还设有与后续H桥组40和电源开关组50相连的输出端，用于将信号隔离模块输出的数信号进行功率驱动，实现功率放大的功能，以达到驱动后续功率管41和功率开关51；

控制器10设有接收上层控制器发送控制指令的输入端，并设有输出驱动控制和变结构控制指令的输出端，与信号隔离模块的输入端相连。

本发明中，控制器10可以选择MCU、DSP、CPLD或FPGA，实现控制指令的解算，驱动控制和变结构控制指令生成等功能；信号隔离模块可选择光电耦合或者磁耦合器件，功率驱动模块可选择具有驱动放大功能的器件；H桥组40和电源开关组50中的功率管和功率开关可选择功率MOS管，能够根据驱动控制和变结构控制指令进行通断。

上位机发送的控制命令还包括电机系统工作模式，分为轻载模式、中载模式和重载模式；

当控制命令为轻载模式时，控制1组至(N+1)/3组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断；

当控制命令为中载模式时，控制(N+1)/3组绕组至2(N+1)/3组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的左变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断；

当控制命令为重载模式时，控制2(N+1)/3组至全部绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的左变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断。

通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：电机系统工作模式为轻载模式、中载模式或重载模式且没有开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管，并开启另一组非工作状态的绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管；电机系统工作模式为重载模式且开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管；提高其他组绕组的输出电流，保证总输出功率不变。

第一至第三绕组需要数量相同，但可以选择不同组的绕组。例如，当控制命令为轻载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中1≤K≤(N+1)/3；当控制命令为中载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中(N+1)/3<K≤2(N+1)/3；当控制命令为重载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中2(N+1)/3<K≤N+1。

这种情况下，故障恢复也可采用，单独关断单个故障绕组而不是整组绕组的方式进行。电机系统工作模式为轻载模式、中载模式或重载模式且没有开启全部绕组时，如果故障绕组为第一绕组，为了防止故障蔓延，影响正常相绕组工作，则关闭故障所在绕组的第一和第四H桥臂，并开启另一非工作状态的第一绕组的第一和第四H桥臂，导通第三和第四开关管；如果故障绕组为第二绕组，则关闭故障所在绕组的第二和第五H桥臂，并开启另一非工作状态的第二绕组的第二和第五H桥臂，导通第一至第四开关管；如果故障绕组为第三绕组，则关闭故障所在绕组的第三和第六H桥臂，并开启另一非工作状态的第三绕组的第三和第六H桥臂，导通第一至第二开关管；电机系统工作模式为重载模式且开启全部绕组，K＝N+1时，关闭故障所在绕组的第一至第六H桥臂和第一至第四开关管；提高其他组绕组的输出电流，保证总输出功率不变。

当控制命令为轻载模式时工作的所有H桥输出功率为50％额定功率以下；当控制命令为中载模式时工作的所有H桥输出功率为50％至100％额定功率；当控制命令为重载模式时工作的所有H桥输出功率为2-3倍额定功率以上。

如图5所示，H桥组40中功率管数量与开放式绕组电机的相数相匹配，在开放式绕组电机相数为9时，其中，N＝2，功率管41数量为36个，分为9个H桥。将可变结构的每对功能相同的绕组所在的H桥，采用一个功率电源，比如绕组1W1、1W2和1W3可以采用一个功率电源供电，这样可以节省功率电源的数量。每个H桥42包含左、右两个桥臂45，将桥臂45以开放式绕组电机为界区分左、右，每个桥臂45包含上、下各一个功率管41，每个H桥42共有四个功率管41，每个桥臂45的中间点设有一个绕组接线端子43，绕组接线端子43分别与开放式绕组电机的绕组的两个端子相连，另外，每个H桥42还设有两个电源接线端子44，分别与控制电源组60的电源开关相连；

电源开关组50包括12个功率开关51，功率开关51由分别接电源正和电源负的两个功率开关组成，并设有接电源组60的功率电源接线端子52和接H桥40的电源接线端子53，功率电源接线端子52与电源组60的直流功率电源相连，电源接线端子53与H桥42的电源接线端子44相连；

电源组60包括3个直流功率电源61，每个直流功率电源61有输出正和输出负两个端子，分别与功率电源接线端子52相连，并且每个直流功率电源61同时供给左、右两个桥臂45，这样开放式绕组电机的每相绕组由一个H桥42驱动控制，同时左、右两边的第一个桥臂45和第4个桥臂45也由同一个直流功率电源61供电。

当需要变结构时，例如可将功率开关T11、T12、T13和T14断开，将功率管2Q1、2Q4、3Q1、3Q4、1Q3、1Q2、2Q3和2Q2所在的桥臂从功率电源1VS上断开，同时将功率管2Q1、3Q1、1Q3和2Q3关闭，将功率管2Q4、3Q4、1Q2和2Q2常开，这样绕组1W1的右端经过常开的功率管1Q2和2Q2，连接到绕组1W2的右端，这样就实现了两个绕组的串联，再经过常开的功率管2Q2和4Q2，连接到绕组1W3的左端，这样就实现了三个绕组的串联，形成一个新的绕组，并由功率管1Q1、1Q4、3Q3和3Q2组成新的H桥来驱动，这样就实现了变结构功能；其他相绕组也是类似进行处理。当然，也可以由3个H桥变换为9个H桥驱动，操作过程为上述过程的逆过程。

轻载模式时可以开启任意1组绕组，例如开启1W1，1W2，1W3，也可以开启不同组的绕组，例如开启1W1，2W2，2W3；中载模式时，可以开启任意2组绕组例如开启1W1，1W2，1W3，2W1，2W2，2W3，或者开启不同组的绕组，例如开启1W1，1W2，2W3，2W1，3W2，3W3；重载模式时，三组全部开启。

参见图6，故障诊断算法具体步骤为：

1)电流采集模块中的电流传感器实时采集的各相电流，将各相电流进行平方处理，并将相邻两相电流平方进行做差求得各相电流相互残差；

2)对正常时各相电流相互残差进行范数计算或数学期望计算，建立正常各相电流相互残差时范数值表或数学期望值表；

3)对步骤1)得到的各相电流相互残差进行范数计算或数学期望计算，通过实时对比各相电流相互残差范数值或数学期望值与正常时各相电流相互残差时范数值或数学期望值，判定故障类型和发生故障的具体位置，并实现故障识别和隔离。

步骤1)中若电流相数为奇数，各相电流残差的具体计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{1,2}=i_1^2-i_2^2\\ r_{2,3}=i_2^2-i_3^2\\ \mathrm{...}\\ r_{n-1,n}=i_{n-1}^2-i_n^2\\ r_{n,1}=i_n^2-i_1^2\end{array}\right.$ 其中i_n为第n相电流，1...n为奇数电流相数；

若电流相数为奇数，各相电流残差的具体计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_{1,2}=i_1^2-i_2^2\\ r_{2,2}=i_2^2-i_2^2\\ \mathrm{...}\\ r_{2m-1,2m}=i_{2m-1}^2-u_{2m}^2\\ r_{2m,1}=i_{2m}^2-i_1^2\\ r_{1,m+1}=i_1^2-i_{m+1}^2\\ r_{2,m+2}=i_2^2-i_{m+2}^2\\ \mathrm{...}\\ r_{m-1,2m-1}=i_{m-1}^2-i_{2m-1}^2\\ r_{m,2m}=i_m^2-i_{2m}^2\end{array}\right.$ 其中i_m为第m相电流，1...2m为偶数电流相数。

步骤3)中根据数学期望值判定故障类型和发生位置的具体方法为：

若电流相数为奇数，

若电流相数为偶数，

其中r_a，b，表示a相和b相电流残差，m＝(3N+3)/2。

计算相互残差的范数值，判断故障位置和类型，也是类似判断。

对于奇数相绕组电机，根据相互残差的范数值的故障诊断公式为：

对于偶数相绕组电机，根据相互残差的范数值的故障诊断公式为：

其中r_a，b，表示a相和b相电流残差，m＝(3N+3)/2。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

根据本发明的变结构开放式绕组电机系统，可满足不同的工况需求，相比高速电机+低速电机+离合器结构，能够有效地降低电机驱动系统重量和体积，并有效地提高功率密度和系统效率，消除机械震动和噪声。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (17)

1.一种开放式绕组变结构电机系统，其特征在于，包括主控制器(10)、可变结构驱动器(20)、电流采集模块和开放式绕组电机(30)；

所述电流采集模块采集开放式绕组电机(30)每个绕组输出的电流并传输给主控制器(10)；

开放式绕组电机(30)具有3×N+3个绕组，其中N≥1，分为N+1组绕组，每组包括第一绕组((N+1)W1)、第二绕组((N+1)W2)和第三绕组((N+1)W3)；

所述可变结构驱动器(20)包括功率管驱动器(22)、开关驱动器(23)、功率管组(24)和电源开关组(25)；

电源开关组(25)包括电源组(60)和4×N+4个功率开关(51)；电源组(60)包括直流功率电源(61)，直流功率电源(61)具有正输出端子(i_Vs)和负输出端子(i_PGND)，分别与所述功率电源接线端子(52)相连；4×N+4个功率开关(51)包括N+1组第一开关管(T(N+1)1)、第二开关管(T(N+1)2)、第三开关管(T(N+1)3)和第四开关管(T(N+1)4)；

功率管组(24)包括N+1个第一变换单元和N+1个第二变换单元；每个第一变换单元包括三组H桥臂(45)，分别为第一H桥臂((3N+1)Q1，(3N+1)Q4)，第二H桥臂((3N+2)Q1，(3N+2)Q4)和第三H桥臂((3N+3)Q1，(3N+3)Q4)，每个H桥臂(45)包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第二功率管的漏极，作为绕组接入端；每个所述第一H桥臂的第一功率管的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，每个第二功率管的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)，第i个第一H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组((N+1)W1)的一端；第i个所述第二H桥臂的第一功率管的漏极与第i个所述第三H桥臂的第一功率管的漏极相连后连接第i个第一开关管的源极，第i个第一开关管的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，第i个所述第二H桥臂的第二功率管的源极与第i个所述第三H桥臂的第二功率管的源极相连后连接第i个第二开关管的漏极，第i个第二开关管的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)，第i个第二H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的一端，第i个第三H桥臂的绕组接入端连接第i个第三绕组的一端；每个第二变换单元包括三组H桥臂(45)，分别为第四H桥臂((3N+1)Q3，(3N+1)Q2)，第五H桥臂((3N+2)Q3，(3N+2)Q2)和第六H桥臂((3N+3)Q3，(3N+3)Q2)，每个H桥臂(45)包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第二功率管的漏极，作为绕组接入端；第i个所述第四H桥臂的第一功率管的漏极与第i个所述第五H桥臂的第一功率管的漏极相连后连接第i个第三开关管的源极，第i个第三开关管(T(N+1)3)的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，第i个所述第四H桥臂的第二功率管的源极与第i个所述第五H桥臂的第二功率管的源极相连后连接第i个第四开关管(T(N+1)4)的漏极，每个第四开关管(T(N+1)4)的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)，第i个第四H桥臂的绕组接入端连接第i个第一绕组的另一端，第i个第五H桥臂的绕组接入端连接第i个第二绕组的另一端；每个所述第六H桥臂的第一功率管的漏极连接直流功率电源(61)的正输出端子(i_Vs)，第二功率管的源极连接直流功率电源(61)的负输出端子(i_PGND)，第i个所述第六H桥臂绕组接入端连接第三绕组的另一端；其中1≤i≤N+1；

所述功率管驱动器(22)，根据主控制器发送的控制命令驱动功率管组(24)中的第一功率管和第二功率管；

开关驱动器(23)根据主控制器发送的控制命令驱动电源开关组(25)中的4×N+4个功率开关(51)；

所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否发生故障，当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复；接收上位机发送的控制命令，并将控制命令转发给功率管驱动器(22)和开关驱动器(23)。

2.根据权利要求1所述的变结构电机系统，其特征在于，所述可变结构驱动器(20)根据控制指令能够将拓扑结构变为第一绕组、第二绕组和第三绕组串联成一相绕组，具体控制方法为：断开第一开关管(T(N+1)1)、第二开关管(T(N+1)2)、第三开关管(T(N+1)3)和第四开关管(T(N+1)4)；断开第二H桥臂、第三H桥臂、第四H桥臂、第五H桥臂中的第一功率管，开启第二功率管，或者开启第二H桥臂、第三H桥臂、第四H桥臂、第五H桥臂中的第一功率管，断开第二功率管。

3.根据权利要求2所述的变结构电机系统，其特征在于，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：当拓扑结构为驱动第一绕组、第二绕组和第三绕组串联成一相绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二换单元和第一至第四开关管；改变其他组绕组的输出电流的幅值和相位，保证总输出功率不变。

4.根据权利要求1所述的变结构电机系统，其特征在于，所述主控制器接收上位机发送的控制命令还包括电机系统工作模式，分为轻载模式、中载模式和重载模式；

当控制命令为轻载模式时，控制K组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断,1≤K≤(N+1)/3；

当控制命令为中载模式时，控制K组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的左变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断，1/3(N+1)<K≤2(N+1)/3；

当控制命令为重载模式时，控制K组绕组对应的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管导通，其他组绕组对应的左变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管关断，其中2(N+1)/3<K≤N+1。

5.根据权利要求4所述的变结构电机系统，其特征在于，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：

电机系统工作模式为轻载模式、中载模式或重载模式且没有开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管，并开启另一组非工作状态的绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管；

电机系统工作模式为重载模式且开启全部绕组时，关闭故障所在绕组的第一变换单元和第二变换单元和第一至第四开关管；提高其他组绕组的输出电流，保证总输出功率不变。

6.根据权利要求1所述的变结构电机系统，其特征在于，所述主控制器接收上位机发送的控制命令还包括电机系统工作模式，分为轻载模式、中载模式和重载模式；

当控制命令为轻载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中1≤K≤(N+1)/3；

当控制命令为中载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中1/3(N+1)<K≤2(N+1)/3；

当控制命令为重载模式时，控制K个第一绕组对应的第一H桥臂、第四H桥臂和第三和第四开关管导通，控制K个第二绕组对应的第二H桥臂、第五H桥臂和第一至第四开关管导通，控制K个第三绕组对应的第三H桥臂、第六H桥臂和第一和第二开关管导通，其他绕组对应第一至第六H桥臂的和第一至第四开关管关断，其中2(N+1)/3<K≤N+1。

7.根据权利要求4或6所述的变结构电机系统，其特征在于，当控制命令为轻载模式时工作的所有H桥输出功率为50％额定功率以下；当控制命令为中载模式时工作的所有H桥输出功率为50％至100％额定功率；当控制命令为重载模式时工作的所有H桥输出功率为2-3倍额定功率以上。

8.根据权利要求6所述的变结构电机系统，其特征在于，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的具体方法为：

电机系统工作模式为轻载模式、中载模式或重载模式且没有开启全部绕组时，如果故障绕组为第一绕组，则关闭故障所在绕组的第一和第四H桥臂，并开启另一非工作状态的第一绕组的第一和第四H桥臂，导通另一非工作状态的第一绕组的对应的第三和第四开关管；如果故障绕组为第二绕组，则关闭故障所在绕组的第二和第五H桥臂，并开启另一非工作状态的第二绕组的第二和第五H桥臂，导通另一非工作状态的第二绕组的对应的第一至第四开关管；如果故障绕组为第三绕组，则关闭故障所在绕组的第三和第六H桥臂，并开启另一非工作状态的第三绕组的第三和第六H桥臂，导通另一非工作状态的第三绕组的对应的第一至第二开关管；

电机系统工作模式为重载模式且开启全部绕组，K＝N+1时，关闭故障所在绕组的第一至第六H桥臂和第一至第四开关管；提高其他组绕组的输出电流，保证总输出功率不变。

9.根据权利要求1或2所述的变结构电机系统，其特征在于，所述可变结构驱动器(20)还包括过流保护模块和可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器接收主控制器发送的控制命令并发送给H桥臂(45)和电源开关组(25)；所述电流采集模块采集开放式绕组电机(30)每相绕组输出的电流还传输给可变结构驱动器(20)的过流保护模块，当某相某个绕组输出的电流超过设定电流阈值时，过流保护模块将该绕组的过流信号输出给可编程逻辑控制器，关闭故障所在支路的绕组连接H桥臂(45)和关闭故障所在支路的绕组连接功率开关(51)。

10.根据权利要求9所述的变结构电机系统，其特征在于，所述可变结构驱动器(20)还包括过热保护模块，过热保护模块采集开放式绕组电机(30)每相绕组的温度，当某相某个绕组输出的温度超过设定温度阈值时，过热保护模块将该相绕组的过热信号输出给可编程逻辑控制器，关闭故障所在支路的绕组连接H桥臂(45)和关闭故障所在支路的绕组连接功率开关(51)。

11.根据权利要求10所述的变结构电机系统，其特征在于，所述电流阈值为绕组额定输出的电流值的2-5倍；优选的，所述温度阈值为150°～200°。

12.根据权利要求1或2所述的变结构电机系统，其特征在于，故障诊断算法具体步骤为：

1)电流传感器实时采集的各相电流，将各相电流进行平方处理，并将相邻两相电流平方进行做差求得各相电流相互残差；

2)对正常时各相电流相互残差进行范数计算或数学期望计算，建立正常各相电流相互残差时范数值表或数学期望值表；

3)对步骤1)得到的各相电流相互残差进行范数计算或数学期望计算，通过实时对比各相电流相互残差范数值或数学期望值与正常时各相电流相互残差时范数值或数学期望值，判定故障类型和发生故障的具体位置，并实现故障识别和隔离。

13.根据权利要求12所述的变结构电机系统，其特征在于，

根据数学期望值判定故障类型和发生位置的具体方法为：

若电流相数为奇数，

若电流相数为偶数，

其中r_a，b，表示a相和b相电流残差，m＝(3N+3)/2。

14.根据权利要求12所述的变结构电机系统，其特征在于，根据范数值判定故障类型和发生位置的具体方法为：

若电流相数为奇数，

若电流相数为偶数，

其中r_a，b，表示a相和b相电流残差，m＝(3N+3)/2。

15.根据权利要求1或2所述的变结构电机系统，其特征在于，

所述主控制器(10)包括第一控制单元和第二控制单元，所述第一控制单元和第二控制单元互为冗余备份。

16.根据权利要求2所述的变结构电机系统，其特征在于，当需要低速大扭矩输出时，所述可变结构驱动器(20)根据控制指令将拓扑结构变为第一绕组、第二绕组和第三绕组串联成一相绕组。

17.根据权利要求1或2所述的变结构电机系统，其特征在于，所述直流功率电源(61)为1个，2个互相并联，或N+1个，每个对应连接一个变换单元。