CN106374686A - 电机控制器 - Google Patents

Abstract

一种用于放置处于丧失能力状态的电机的控制器，所述控制器包括，当电机的转子以高于或等于预定速度的速度旋转时，设置为将逆变器放置于第一结构的机构；以及当电机的转子以低于预定速度的速度旋转时，设置为将逆变器放置于第二结构的机构，其中，所述逆变器的第一结构使得电机产生的电流被重新导向返回所述电机，并且所述逆变器的第二结构使得由电机产生的电压被切换通过电池。

Description

电机控制器

技术领域

本发明涉及一种控制器，特别是电机控制器。

背景技术

电机的工作原理在于，载流导线将在磁场的存在下受力。当载流导线垂直于磁场放置时，载流导线的受力与磁场的通量密度(flux density)成正比。通常情况下，在电机中载流导线的受力形成为旋转扭矩。

三相电机通常包括三个线圈组，其中每个线圈组被设置为生成与交流电压的三相之一相关的磁场。

为了增加在电机内形成的磁极的数量，每个线圈组通常会具有多个子线圈组(coil sub-sets)，所述子线圈组分布在电机周围，所述子线圈被驱动产生旋转磁场。

举例而言，图1示出典型的有三个线圈组14、16、18的三相电机10。每个线圈组由4个串联的子线圈组构成，其中对于给定的线圈组，由各自的子线圈组产生的磁场将具有共同的相位。

三相电机的三个线圈组通常配置为字母Δ结构或字母Y结构。

具有直流电源的三相电机的控制单元通常包括产生用于驱动电机的三相电压电源的三相桥式逆变器。每个相应的电压相位被应用于电机的相应的线圈组。

三相桥式逆变器包括多个开关装置，例如诸如用于从直流电压电源产生交流电压的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关之类的电力电子开关。

已知类型的电机的例子包括感应电机、无刷永磁电机、开关磁阻电机以及滑环式同步电机，正如本领域技术人员所熟知的，所述电机具有转子和定子。

用于永磁电机的转子通常包括多个永磁体，其中，所述多个永磁体被安装在转子护铁(back-iron)上或在转子护铁中，以使得磁场围绕转子的周围交替改变极性。当转子相对于定子旋转时，多个永磁体被设置为扫过多个线圈绕组的端部，所述线圈绕组安装在定子上。所述线圈绕组的电流的适当的转换使得永磁体的极性的同步吸引和排斥产生转子的旋转。

因为载流导线的受力以及因此形成的电机的力矩，与磁场的通量密度成正比，因此使用具有尽可能高的通量密度的磁体的同步永磁牵引电机是可取的，其中力矩是电机的一个重要标准。

然而，当转子相对于线圈绕组旋转时，产生反电动势，又称为反EMF，以反抗原来施加的电压，并且从而反抗引起转子旋转的电流流动，从而限制转子的最大转速。

对于给定的电池电压，通过采用弱磁方法以增加转子的最大转速，从而使反电动势增加上述电池电压。

然而，如果将用于对电机提供电流的逆变器放于第一非切换模式，其中所述逆变器用于将所述电机放置于开路结构中，并且所述电机的转子处于高速旋转，如果反电动势高于电池电压，电流会从电机流进电池，导致如图7所示的制动力矩，所述制动力矩可能会产生车辆稳定性问题。

或者，如果将用于对电机提供电流的逆变器放于第二非切换模式，其中所述逆变器用于将所述电机放置于短路结构中，由反电动势导致的电机线圈绕组中的感应电流能够造成如图8所示的拖曳力矩，所述拖曳力矩也可能会影响车辆稳定性。

这种情况有待改善。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种根据所附技术方案的控制器和方法。

所要求保护的本发明具有以下优点：将逆变器放置于一种结构中，该结构为丧失能力(disabled)或不工作(non-operational)的电机或不产生驱动力矩的电机将拖曳力矩减到最小，其中所述逆变器的结构基于电机的转子速度。此外，可以将电机放置于非驱动工作模式中，而不从所述电机的电源中吸取任何电力，同时也尽可能减少拖曳力矩。

附图说明

本发明的实施例将通过举例的方式参考下列附图进行说明，其中：

图1示出现有技术中的电机；

图2示出根据本发明的一个实施例的转子的分解图；

图3示出根据本发明的一个实施例的转子；

图4示出根据本发明的一个实施例的控制装置；

图5示出根据本发明的一个实施例的控制装置的分解图；

图6示出现有技术中的逆变器；

图7示出根据本发明的一个实施例的第一拖曳力矩的图；

图8示出根据本发明的一个实施例的第二拖曳力矩的图；

图9示出根据本发明的一个实施例的第三拖曳力矩的图；

图10示出根据本发明的一个实施例的切换第一和第二结构时，拖曳力矩变化的图。

具体实施方式

本发明所说明的实施例是用于控制逆变器的结构和操作的控制器，其中所述逆变器用于在电机的线圈绕组内控制电流。出于本实施例的目的，电机用于车辆的车轮中，但电机可以位于车辆内的任何地方。所述电机的类型具有一组作为安装到车辆的定子部分的线圈，所述定子由携带安装到车轮的一组磁体的转子径向环绕。为免生疑问，本发明的各种方面同样适用于具有相同的设置的发电机。因此，电机的定义意图包括发电机。此外，本发明的一些方面适用于具有安装在径向环绕线圈内中央的转子的结构。正如将由本领域技术人员理解的是，本发明也适用于与其它类型的电机一起使用。

出于本实施例的目的，如在图2和图3所示，轮内电机包括定子252，所述定子252包括散热器253、多个线圈254、安装在散热器253上的位于所述定子的后部上用于驱动线圈的两个控制装置400以及安装在所述定子上的位于所述控制装置400的内径内的环形电容器，又称为直流链路电容器(DC link capacitor)。所述线圈254形成于定子齿部叠片上，从而形成线圈绕组。定子盖256被安装在所述定子252的后部，包围所述控制装置400以形成所述定子252，所述定子252然后可以固定于车辆并在使用过程中不相对于车辆旋转。

每个控制装置400包括两个逆变器410和控制逻辑420，所述控制逻辑420在本实施例中包括用于控制逆变器410的操作的处理器，所述控制装置400在图4中被示意性地表示。

虽然出于本实施例的目的，轮内电机包括两个控制装置，其中，每个控制装置包括控制逻辑，换句话说包括用于控制逆变器的操作的控制器，但是也可以使用控制逻辑和逆变器组合的任何结构，所述结构包括将控制逻辑和/或逆变器离电机远程放置。

所述环形电容器连接逆变器410和电机直流电源，用于减小电机供电线路上的电压纹波又称为直流母线上的电压纹波，以及减小电机操作期间的电压过冲。对于减小的电感，所述电容器安装于与所述控制装置400相邻的地方。

转子240包括前部220以及形成盖的圆筒部221，所述转子240基本上围绕所述定子252。所述转子包括多个围绕圆筒部221的内侧设置的永磁体242。出于本实施例的目的，32个磁体对被安装在所述圆筒部221的内侧。然而，可以使用任何数量的磁体对。

所述磁体紧密靠近所述定子252上的线圈绕组，使得由线圈产生的磁场与设置在转子240的圆筒部221的内侧的磁体242相互作用，以使转子240旋转。由于永磁体242被用于产生用于驱动电机的驱动力矩，永磁体通常被称为驱动磁体。

转子240通过轴承座223连接到定子252。轴承座223可以是将用于车辆中的标准轴承座，此电机组件将被安装于所述车辆。所述轴承座包括两个部分，固定于定子的第一部分和固定于转子的第二部分。所述轴承座被固定于定子252的壁的中心部253，并且也被固定于转子240的壳壁的中心部225。因此转子240被可旋转地固定于所述车辆，随着所述车辆，所述转子240将通过位于转子240的中心部225上的轴承座223被使用。这种设置的优点在于，可以使用普通车轮螺栓将轮辋固定于所述转子的中心部，从而牢固地固定在所述轴承座223的可旋转侧上，从而则使得轮辋和轮胎固定在转子240的中心部225。所述车轮螺栓本身可以贯穿转子的中心部225穿入轴承座而被装配。随着转子240和车轮都被安装于轴承座223，转子和车轮的旋转角之间存在一一对应的关系。

图3从相反侧示出图2中所说明的相同的电机组件的分解图。转子240包括外转子壁220和圆周壁221，磁体242环向设置于所述圆周壁221内。如前所述，定子252通过在转子壁和定子壁的中心部的轴承座连接于转子240。

字母V形的密封件设置于转子的圆周壁221和定子的外边缘之间。

所述转子还包括一组用于感测位置的磁体227，又称为换相磁体，所述换相磁体(commutation magnets)与安装在定子上的传感器结合，能够使得转子磁通角被估算。所述转子磁通角规定了所述驱动磁体与所述线圈绕组的位置关系。或者，代替一组单独的磁体，所述转子可以包括具有多个极性的磁体材料环，起到一组单独的磁体的作用。

为了使得换相磁体可以用于计算转子磁通角，优选地每个驱动磁体具有相关联的换相磁体，其中通过校准所测量的换相磁体磁通角，从与该组换相磁体相关联的磁通角推导出所述转子磁通角。为了简化换相磁体磁通角和转子磁通角之间的相关性，优选地，该组换相磁体具有与该组驱动磁体对的相同数量的磁体对或磁极对，其中所述换相磁体和相关联的驱动磁体基本上彼此径向对齐。因此，出于本实施例的目的，该组换相磁体有32个磁体对，其中每个磁体对与相应的驱动磁体对大致径向对齐。

将传感器安装在定子上，在本实施例中所述传感器是霍尔传感器。定位所述传感器以使得当转子旋转时形成所述换相磁体环的换相磁体的每一个分别旋转经过该传感器。

当所述转子相对于所述定子旋转时，所述换相磁体相应地旋转经过输出交流电压信号的所述霍尔传感器，其中所述传感器为每个经过传感器的磁体对输出360电角度的完整电压周期。

对于改进的位置检测，优选地，所述传感器包括放置于距离第一传感器移位90电度的位置的相关联的第二传感器。

在本实施例中，所述电机包括4个线圈组，其中每个线圈组具有3个子线圈组，所述3个子线圈组以字母Y的结构偶联，以形成三相子电机，从而使得电机具有4个三相子电机。通过如下所述的两个控制装置400之一控制各自的子电机的操作。然而，虽然本实施例描述了具有4个线圈组(即四个子电机)的电机，所述电机可以同样具有一个或多个带有相关联的控制装置的线圈组。在一个优选的实施例中，所述电机包括8个线圈组60，其中每个线圈组具有3个子线圈组，所述3个子线圈组以字母Y的结构偶联，以形成三相子电机，从而使得所述电机具有8个三相子电机。类似地，每个线圈组可具有任何数量的子线圈组，从而使每个子电机具有两个或更多个相位。

图4示出各自的线圈组60和控制装置400之间的连接，其中各自的线圈组60被连接于相应的三相逆变器410，在控制装置400上包括有所述三相逆变器410，以用于控制相应的线圈组内的电流流动。正如本领域技术人员所熟知的，三相逆变器包括6个开关，其中，可以由6个开关的受控操作来产生三相交流电压。然而，开关的数量将取决于要施加到相应的子电机的电压相位的数量，其中子电机可以被构造成具有任意数量的相位。

优选地，控制装置400是模块化构造。图5示出一个优选实施例的分解图，其中，每个控制装置400，又被称为电源模块，包括其中安装有两个电源基板组件510的电源印刷电路板500、控制印刷电路板520、用于连接到直流电池的4个电源母线530以及用于连接到各自的线圈绕组的6相绕组母线540。随着4个电源母线530被安装在所述控制装置壳体550的与所述相位绕组母线540相对的一侧，每个控制装置的构件被安装在控制装置壳体550内。

每个电源基板510被设置为安装在形成于电源印刷电路板500中的相应的孔中。

所述电源印刷电路板500包括各种构件，所述构件包括用于逆变器开关的驱动器，该逆变器在电源基板组件510上形成，其中所述驱动器通常用于将控制信号转换为一个合适的形式，以开启和关闭所述逆变器开关。

所述控制印刷电路板520包括用于控制逆变器开关的操作的处理器。此外，每个控制印刷电路板520包括接口装置，以使得通过通信总线可以进行各控制装置400之间的通信，其中一个控制装置400被设置为与安装于电机外部的车辆控制器进行通信。每个控制装置400上的处理器420被设置为处理接口装置上的通信。

如上所述，在各控制装置400上的处理器420被设置为控制安装在控制壳体550内的各电源基板520上的逆变器开关的操作，从而使得每个电机线圈组60通过三相电压供电来供应，以使得各子线圈组产生旋转磁场。如上所述，虽然本实施例描述了各线圈组60为具有三个子线圈组，但是本发明不限于此，可以理解的是，各线圈组60可以具有一个或多个子线圈组。

在各处理器420的控制下，每个三相桥式逆变器410被设置为提供通过各子线圈组的脉宽调制PWM电压控制，从而产生各子线圈组中的电流，用于通过各子电机提供所需力矩。

PWM控制的工作原理是利用电机电感对所施加的脉冲电压平均化，以驱动所需电流进入电机线圈。通过PWM控制，所施加的电压在整个电机绕组中切换。当电压在整个电机线圈中切换的期间，电流以其电感和所施加的电压决定的速率在电机线圈中增大。在电流已增加到超出所需的值之前关闭所述PWM电压控制，从而使得电流的精确控制可以实现。

对于给定的线圈组60，三相桥式逆变器410的开关被设置为通过每个子线圈组61，62，63分别施加单个电压相位。

使用PWM开关，所述多个开关被设置为通过各子线圈组施加交流电压。所述电信号的电压包络和相位角由调制电压脉冲来确定。

逆变器开关可以包括半导体器件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET或绝缘栅双极型晶体管IGBT。在本例中，所述开关包括IGBT。然而，任何合适的已知的开关电路都可以用于控制电流。对于具有6个开关的用于驱动三相电机的三相逆变器，所述6个开关被配置为两个开关的三个并联组，每对开关串联放置并形成三相桥式电路的一个腿600，同时反激(fly-back)二极管610，又称为反向二极管，以反向并联方式偶联每个开关620，如图6所示。单相逆变器将具有串联设置的两对开关620，以形成逆变器的两条腿600。

如上所述，每个逆变器腿600在一对电源母线之间电连接。

如上所述，PWM开关用于将交流电压施加于电机线圈绕组，其中转子速度取决于通过线圈绕组施加的电压的振幅，其中，施加到转子的力矩由线圈绕组内的驱动电流引起。

如果一种状态发生，所述状态导致电机变得不工作(non-operational)或需要将电机处在一种电机不会产生实质性的驱动力矩的模式(即电机处在丧失能力(disabled)模式)，则各控制装置内的控制器，或者一个单一的控制器，被设置为根据所述转子旋转的速度,将逆变器开关放置于两种结构中的一种。如下所述，为了避免任何实质电流流回入电池以及为了限制反电动势，而选择逆变器的结构。

在第一结构中，所述逆变器开关620被放置在开路结构中，导致由电机产生的任何电流流过反激二极管610并且流到所述电源母线上，其中所述反激二极管610以反向并联方式偶联每个逆变器开关620。

在该第一结构中，如果由电机产生的反电动势比为电机供电的电压高，电流将经由所述反激二极管610流到所述电源母线上并流入相关的电机电源例如电池中，导致电机产生拖曳力矩。

通过说明的方式，图7示出一个示例，当电机逆变器被放置在电池电压约320V的第一结构中时，与转子的角转速相比，拖曳力矩的变化，即线A,和电机所产生的电流的变化，即线B。

如在图7中可以看出，当转子速度高于900rpm，由电机产生的反电动势超过电池电压，导致电流流到电池，从而造成拖曳力矩。

出于说明的目的，图8提供了示出由电机产生的反电动势电压相对于电机的转子角速度的图。如图所示，对于大约900rpm的转子速度，由电机产生的反电动势对应于大约320V。

在第二结构中，逆变器开关620被放置在导致电机线圈绕组短路的结构中。例如，通过或者关闭低侧逆变器开关620，或者关闭高侧逆变器开关620，由此防止由电机产生的反电动势产生的电压被施加在电源母线上。

通过说明的方式，图9示出了一个示例，与转子的角转速相比，当电机逆变器被放置在电池电压约320V的第二结构中时，拖曳力矩的变化，即线C,和电机所产生的电流的变化，即线D的例子。

如可在图9中看出，在低转子速度时，流过电机线圈绕组的电流产生拖曳力矩，随着由增大的电感引起的转子速度的增加，所述拖曳力矩减小。

在一个优选的实施例中，当使所述电机处于丧失能力状态时，如果所述转子的速度导致电机产生小于供应电机的电源电压的反电动势，所述控制器被设置为将逆变器，或多个逆变器，放置在第一结构中(即，在开路结构中)。

然而，如果转子的速度导致电机产生大于供应电机的电源电压的反电动势，所述控制器被设置为将逆变器，或多个逆变器，放置在第二结构中(即，在短路结构中)，从而使得当电机被禁用时电机产生的拖拽力矩最小化。

例如，如图10所示，如果转子速度大于值E(例如当通过逆变器开关的电源是320V时，为约950rpm)，在正进入的丧失能力状态下，所述控制器被设置为将各逆变器开关620放置于第二结构中。

相应地，如果转子速度小于值E(例如当通过逆变器开关的电源是320V时，为约950rpm)，在正进入的丧失能力状态下，所述控制器被设置为将各逆变器开关620放置于第一结构。

此外，控制器可被配置为使用转子速度信息，例如使用由换相传感器产生的转子速度信息，以基于转子速度在第一结构和第二结构之间切换。例如，当转子速度导致由电机产生的反电动势高于电机供电的电压时，在电机正在处于丧失能力状态中，所述控制器设置为将电机逆变器放置于第二结构中。然而，当转子速度低于第一预定速度值但高于第二预定速度值时，其中由电机产生的反电动势低于电机供电的电压，所述控制器被设置为将逆变器自动从第二结构向第一结构切换。第二预定速度值被选择以使从与电机线圈绕组相关联的电阻性负载产生的拖曳力矩最小化。因此，如上所述，所述预定的速度将取决于供电电压。

虽然本实施例描述了用于确定转子速度的换相传感器的使用，但是任何合适的装置都可被用来确定转子是否正在以高于或低于预定速度的速度旋转。例如，通过测量给定的逆变器结构或电机相电流的拖曳力矩。

例如，如图10所示，如果转子以大于E值，在所述控制器将所述电机处于丧失能力状态时，各逆变器开关被放置在所述第二结构。当转子速度降低到低于E(即第一预定值)时，但在由电阻性负载产生的拖曳力矩开始显著增加(例如值F，换言之第二预定值)之前，各逆变器开关被放置在第一结构。因此，如果控制器被设置为根据转子速度E在第二结构和第一结构之间切换，随着转子速度从1600rpm降低到0rpm，由电机经受的拖曳力矩通过线G示出。线H示出了如果各逆变开关在1600rpm到950rpm之间被放置在第一结构，电机在1600rpm到950rpm之间将经受的拖拽力矩，线I示出了，如果各逆变器开关950rpm到0rpm之间被放置在第二结构，电机在950rpm到0rpm之间将经受的拖拽力矩。

任何合适的机制可被用于选择所述第一预定值和/或第二预定值。例如，所述值可以通过车辆用户手动设置，或在所述车辆的校准阶段中设置，其中选择第一预定值和第二预定值，以避免任何实质的电流流向电机电源或由于电机线圈绕组相关联的电阻性负载造成的拖曳力矩的发生。

因此，通过第一预定值的适当选择，确保当所述电机处于不工作或丧失能力状态或模式时，其中没有拖曳力矩正在被产生，所述电机不产生大于用于给电机供电的电源/电池的反电动势。

Claims (11)

1.一种电机控制器，所述控制器包括，当电机的转子以高于或等于预定速度的速度旋转时，设置为将逆变器放置于第一结构的机构；以及当电机的转子以低于预定速度的速度旋转时，设置为将逆变器放置于第二结构的机构，其中，所述逆变器的第一结构使得电机的线圈绕组被放置在短路结构中，所述逆变器的第二结构使得由电机产生的电压通过电压电源连接。

2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述电压电源是电池。

3.根据权利要求1或2所述的控制器，其中所述预定速度是预定角速度。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，还包括用于判定电机应该被放置在第一操作模式的机构，其中根据所述转子的速度对电机应该被放置在第一操作模式的判定进行响应，所述逆变器被放置于第一状态或第二状态。

5.根据权利要求4的控制器，其中当电机处于所述第一操作模式中时，所述电机被设置为不产生实质性的驱动力矩。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，其中所述逆变器的第二结构对应于开路结构。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，其中所述预定速度对应于转子速度，该转子速度等于或小于，将导致电机产生等于或小于电压电源的反电动势的速度。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，还包括：根据所述转子速度从高于所述预定速度下降至低于所述预定速度，设置为将所述逆变器从第一结构向第二结构切换的机构。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，其中，所述逆变器包括多个开关，所述开关被设置成通过多个电机线圈绕组耦联在一起将所述电机放置在短路结构中。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的控制器，其中，所述逆变器包括多个开关，所述每个开关都具有反向双极管，其中所述多个开关和相关联的反向双极管设置为，通过将多个电机线圈绕组耦联通过电压电源，将所述电机放置于开路结构中。

11.一种用于电机的方法，所述方法包括：当电机的转子以高于或等于预定速度的速度旋转时，将逆变器放置于第一结构；以及当电机的转子以低于预定速度的速度旋转时，将逆变器放置于第二结构的机构，其中，所述逆变器的第一结构使得电机的线圈绕组被放置在短路结构中，所述逆变器的第二结构使得由电机产生的电压通过电压电源连接。