CN106788002A - 电动驱动装置以及电动设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有均流功能的电动驱动装置以及电动设备。本发明提供的电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：多相电机；直流电源；指令发送部；电流传感器；输出传感器；控制器；驱动器；功率变换器，具有这样的特征：其中，多相电机绕组具有j个相互独立的多相绕组单元，功率变换器具有与j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立的功率变换单元，控制器包含j个相互独立的输出电机控制信号的控制单元，驱动器具有j个相互独立的驱动单元，分别与j个功率变换单元相连接，j为大于1的正整数。

Description

电动驱动装置以及电动设备

技术领域

本发明属于电机领域，特别涉及一种具有均流功能的电动驱动装置以及电动设备。

背景技术

在现今的社会，对环境保护的要求越来越高，各种设备的环保标准也随之提高。为了更好地保护环境，国家下发了各种政策并大力推广新能源以及可再生能源。

目前，将电能作为各种设备的动力已是现今设备发展的主流。将电作为能源的电动设备如电动汽车、电动叉车也越来越受到生产商和消费者的青睐。电动设备不但污染小、可以通过可再生能源提供电能，而且，与燃油设备相比，它还具有能源利用率高、结构简单、噪声小、动态性能好和便携性高等优点。在石油资源越来越紧张的形势下，大力发展电驱动装置，特别是大功率电驱动装置如电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰等等，对于国防安全具有深远的意义。

在高性能多相电机控制系统中，为了提高电机的控制精度和动态响应特性，一般都实施电流闭环控制，当电机电枢绕组的连接方式是星形联结或多角形环形联结时，需要检测k相电机至少(k-1)相的线电流，需要配备(k-1)个电流检测单元。

在现行的电动驱动装置中，对功率开关管的要求极为苛刻，在正常工作时，功率开关管必须在最大工作温度、最大工作电流和最大工作电压以下工作，一旦超过任意一个条件，功率开关管就会损坏；此外，当电子电路中的元器件参数的变化超出正常工作范围时，可能在功率开关管中产生过电压或过电流，导致功率开关管损坏进而引起电动设备故障；另外，随着工作时间的增加，功率开关管发生老化，最大工作温度、最大工作电流和最大工作电压都随之降低，极易发生功率开关管损坏失效的情况，进而导致连接该功率开关管的电机电枢绕组断路或短路。

大功率电动驱动装置和电动设备，特别是低压大电流电动驱动装置和电动设备，需要连续工作电流很大的控制器或功率变换器，而相关的技术和产品被个别国家和公司控制和垄断，导致价格很高，而且市场上能够采购到的高性能电机控制器或功率变换器输出的线电流值也仅仅是在一千安培以下。归根到底，就是生成制造水平限制了单个功率开关管的电流值、多个功率开关管的并联均流技术无法满足线性规律或者控制电路和算法过于复杂等原因，严重制约和影响了低压大电流电动驱动装置和电动设备的发展。

另外，在大功率、特别是兆瓦级电机中，电流值远超过功率开关管可承受的最大连续工作电流，所以采用通过增加电机的相数来减小电机的线电流。但是，高相数的电机的设计、制造和控制方法均有别于传统的设计、制造和控制方法，这不仅增加了生产的成本、难度和复杂性，而且在相关技术尚未成熟时，无法进行应用和普及，制约了大功率电机、电动驱动装置和电动设备特别是电动军事设备的发展。

综上，这些问题已经严重影响了高性能大功率电动设备，包括低压大电流的电动车、电动船，甚至国防上的电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰的发展。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种具有均流功能的电动驱动装置以及电动设备。

<结构1>

本发明提供了一种电动驱动装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：多相电机，具有额定线电压和额定线电流；直流电源，具有与多相电机的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与额定线电流相对应的线电流；指令发送部，发送与多相电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；电流传感器，检测构成多相电机绕组的多相绕组单元的线电流值，并发送对应的电流反馈信号；输出传感器，检测多相电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；控制器，根据指令信号、电流反馈信号和输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号；驱动器，在运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据电机控制信号产生驱动信号；功率变换器，在驱动信号的作用下将直流电转换为多相电机需要的线电流，具有这样的特征：其中，多相电机绕组具有j个相互独立的多相绕组单元，功率变换器具有与j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立的功率变换单元，控制器包含j个相互独立的输出电机控制信号的控制单元，驱动器具有j个相互独立的驱动单元，分别与j个功率变换单元相连接，j为大于1的正整数。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，当功率变换单元的单个功率变换电路正常输出的最大连续工作电流有效值为I₁，多相电机的最大线电流有效值为I_N时，多相绕组单元的个数j满足下述条件：

j＞I_N÷I₁，

其中，j为大于1的正整数。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，多相电机为异步电机、同步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机、步进电机中的任意一种，多相电机绕组的并绕根数能被多相绕组单元的个数j整除。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，直流电源为电池组或整流电源，电池组包含至少一个串联电池组或串并联电池组。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，功率变换单元是由智能功率模块构成的或者包含多个功率开关管，功率开关管为电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力双极型晶体管(GTR)和门极换流晶闸管(SGCT)中的任意一种。

<结构二>

进一步，本发明还提供了一种含有上述电动驱动装置的电动设备。

发明的作用和效果

根据本发明所涉及的电动驱动装置以及电动设备，控制单元、驱动单元、功率变换单元、多相绕组单元、电流检测单元均是相互独立的，功率变换单元中同一相的输出线电流的电流检测单元数均为j，每一个控制单元和对应连接的一个驱动单元、一个功率变换单元、一个多相绕组单元和一个电流检测单元构成一个主电路单元，所以不仅保留原来功率变换器的成熟控制算法、电机的成熟技术、成熟的少数几个开关元件并联的技术，而且降低了对很多个半导体开关元件性能一致性的要求，使用普通的半导体开关元件即可满足要求，避免了从大量的半导体开关元件中精挑细选一致性高的很多个开关元件所带来的大量人力和财力的耗费。

另外，也解决了在电动驱动装置中，由于电机、功率变换器、驱动器、控制器和传感器等器件存在死区、时滞、不确定性、扰动和非线性等影响因素、各个功率开关管之间存在开关特性不一致以及各个多相绕组单元由于在电机结构中物理位置不一致和磁场强度不一致导致线电流难以保持一致的问题，所以，在本发明中，每一个主电路单元中的电机线电流由独立的控制单元控制。控制器根据指令信号、输出反馈信号计算分配到每一个主电路单元中的线电流指令值；各个控制单元根据线电流指令值、电流反馈信号计算分配到对应驱动单元的电机控制信号，保证每个多相绕组单元的电流值相等，避免了个别多相绕组单元的电流值过大，引起对应功率开关单元的过热、老化加速和寿命降低，导致电动驱动装置的故障率增加，寿命降低。

而且，在本发明中，针对不同功率变换单元中的不同功率开关管，不需要精挑细选一致性高的很多个开关元件，进一步节约了挑选时人力和物力。

综上，本发明的电动驱动装置具有结构设计简单、合理，成本低，工作性能稳定、安全可靠，使用寿命长等优点。

附图说明

图1是本发明的实施例中电动驱动装置的电路结构示意图；以及

图2是现有技术中常见的大电流多相电机和功率变换器的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

电动驱动装置10设置在电动设备如电动工具、四轴飞行器、电动汽车、电动船舶、电动叉车、电动军事设备内，用于驱动电动设备。

图1是本实施例中的电动驱动装置的电路结构示意图。

如图1所示，电动驱动装置10包括多相电机11、直流电源12、指令发送部13、电流传感器14、输出传感器15、控制器16、驱动器19以及功率变换器20。

多相电机11的相数为k，具有额定线电压以及额定线电流。多相电机11为异步电机、同步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机和步进电机中的任意一种。在本实施例中，多相电机11为异步电机。

多相电机11具有一个电枢以及安装在电枢上的多相电机绕组。在本实施例中，多相电机绕组的组数与电枢的个数相同，当电枢数目为两个及以上时，采用两组及以上的多相电机绕组。每组多相电机绕组包括j个相互独立的多相绕组单元111，j的个数可以通过多相电机11绕组的并绕根数进行平均拆分，j的个数大于等于2。拆分前后，多相电机绕组和j个多相绕组单元的绕组相数、绕组相序和绕组连接方式保持不变。

在本实施例中，k为三，即多相电机11为三相电机，相应地，多相绕组单元111为三相绕组单元，每个三相绕组单元具有三个独立的绕组A、B、C。

直流电源12具有与多相电机11的额定线电压相对应的恒定电压，直流电源12是电池组或整流电源，电池组包含至少一个串联电池组或串并联电池组。

指令发送部13发送与多相电机11输出的转速或转矩的值相对应的指令信号。

电流传感器14检测功率变换单元输出的C相线电流并输出相对应的电流反馈信号。电流反馈信号被控制器16中的控制单元162接收。

输出传感器15检测多相电机输出的转速或力矩并输出相对应的输出反馈信号。输出反馈信号被控制器16接收。

控制器16根据指令发送部13的指令信号和输出传感器15的输出反馈信号计算驱动单元的运行控制信号17和平均分配到每一个正常工作的主电路单元中的线电流指令161；各个控制单元162根据线电流指令161、电流传感器14的反馈信号计算分配到对应驱动单元的电机控制信号18，保证每个多相绕组单元的电流值独立控制并且都对应于同一个线电流指令161的值。

驱动器19在运行控制信号17控制下进入工作状态，驱动器19产生驱动功率变换电路工作的驱动信号。驱动器19根据电机控制信号18产生控制功率变换器20的驱动信号。

驱动器19具有j个相互独立的驱动单元191，驱动单元191接收控制单元162发出的电机控制信号181，j个驱动单元191分别与j个功率变换单元201相连接。驱动单元191根据运行控制信号17进入工作状态或是停止状态。每个驱动单元191都可以发出A相驱动信号、B相驱动信号以及C相驱动信号，该三相驱动信号分别驱动A相功率变换电路、B相功率变换电路以及C相功率变换电路中的功率开关管，使其导通或关闭。

功率变换器20在驱动信号的作用下将直流电转换为多相电机11所需要的电压和电流。功率变换器20包括分别与j个多相绕组单元111相对应的j个功率变换单元201。

每个功率变换单元201都具有三个相互并列连接、结构和参数都相同的A相功率变换电路、B相功率变换电路以及C相功率变换电路。A相功率变换电路连接着绕组单元中A相绕组和C相绕组的连接点，B相功率变换电路连接着绕组单元中B相绕组和A相绕组的连接点，功率变换电路连接着绕组单元中C相绕组和B相绕组的连接点，分别向对应的多相绕组单元提供线电流。

每个功率变换电路含有至少两个功率开关管，当功率开关管多于两个时，是使用了并联均流技术。在本实施例中，每个功率变换电路含有两个功率开关管。两个功率开关管具有相同的最大连续工作电流。工作电流必须小于最大连续工作电流，功率开关管才有可能长期稳定运行，如果工作电流超过这个电流值，功率开关管就会由于过流而被击穿损坏。

在本实施例中，功率变换单元201和202可以由智能功率模块构成，也可以采用多个功率开关管组合而成。

功率开关管为电力场效应晶体管(Power MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力双极型晶体管中(GTR)和门极换流晶闸管(SGCT)中的任意一种。

在本实施例中，j个相互独立的驱动单元191分别与j个相互独立的功率变换单元201相连接并给j个相互独立的多相绕组单元111供电。

本实施例中的多相绕组单元的个数为j，j为整数，且满足如下条件：j＞I_N÷I₁，该式中I₁是功率变换单元的单个功率变换电路正常输出的最大连续工作电流有效值，I_N是多相电机的最大线电流有效值。

本发明中每一个多相绕组单元的线电流都由独立的控制单元控制，且每个控制单元的线电流指令值都相等，在控制单元的作用下可以保证每个多相绕组单元的电流值相等，达到均流的目的，避免了个别多相绕组单元的电流值过大，引起对应功率开关单元的过热、老化加速和寿命降低，增加了电动驱动装置的安全性和可靠性，提高了使用寿命。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的电动驱动装置以及电动设备，控制单元、驱动单元、功率变换单元、多相绕组单元、电流检测单元均是相互独立的，功率变换单元中同一相的输出线电流的电流检测单元数均为j，每一个控制单元和对应连接的一个驱动单元、一个功率变换单元、一个多相绕组单元和一个电流检测单元构成一个主电路单元，所以不仅保留原来功率变换器的成熟控制算法、电机的成熟技术、成熟的少数几个开关元件并联的技术，而且降低了对很多个半导体开关元件性能一致性的要求，使用普通的半导体开关元件即可满足要求，避免了从大量的半导体开关元件中精挑细选一致性高的很多个开关元件所带来的大量人力和财力的耗费。

另外，也解决了在电动驱动装置中，由于电机、功率变换器、驱动器、控制器和传感器等器件存在死区、时滞、不确定性、扰动和非线性等影响因素、各个功率开关管之间存在开关特性不一致以及各个多相绕组单元由于在电机结构中物理位置不一致和磁场强度不一致导致线电流难以保持一致的问题，所以，在本实施例中，每一个主电路单元中的电机线电流由独立的控制单元控制。控制器根据指令信号、输出反馈信号计算分配到每一个主电路单元中的线电流指令值；各个控制单元根据线电流指令值、电流反馈信号计算分配到对应驱动单元的电机控制信号，保证每个多相绕组单元的电流值相等，避免了个别多相绕组单元的电流值过大，引起对应功率开关单元的过热、老化加速和寿命降低，导致电动驱动装置的故障率增加，寿命降低。

而且，在本实施例中，针对不同功率变换单元中的不同功率开关管，不需要精挑细选一致性高的很多个开关元件，进一步节约了挑选时人力和物力。

综上，本实施例的电动驱动装置具有结构设计简单、合理，成本低，工作性能稳定、安全可靠，使用寿命长等优点。

以上实施例仅为本发明构思下的基本说明，不对本发明进行限制。而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电动驱动控制装置，设置在电动设备中，用于驱动所述电动设备，包括：

多相电机，具有额定线电压和额定线电流；

直流电源，具有与所述多相电机的所述额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与所述额定线电流相对应的线电流；

指令发送部，发送与所述多相电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；

电流传感器，检测构成所述多相电机绕组的多相绕组单元的线电流值，并发送对应的电流反馈信号；

输出传感器，检测所述多相电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；

控制器，根据所述指令信号、所述电流反馈信号和所述输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号；

驱动器，在所述运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据所述电机控制信号产生驱动信号；

功率变换器，在所述驱动信号的作用下将所述直流电转换为所述多相电机需要的线电流，

其特征在于：

其中，所述多相电机绕组具有j个相互独立的多相绕组单元，

所述功率变换器具有与所述j个多相绕组单元一一对应连接的j个相互独立的功率变换单元，

所述控制器包含j个相互独立的输出所述电机控制信号的控制单元，

所述驱动器具有j个相互独立的驱动单元，分别与j个功率变换单元相连接，

所述j为大于1的正整数。

2.根据权利要求1所述的电动驱动控制装置，其特征在于：

其中，当所述功率变换单元的单个功率变换电路正常输出的最大连续工作电流有效值为I₁，所述多相电机的最大线电流有效值为I_N时，所述多相绕组单元的个数j满足下述条件：

j＞I_N÷I₁，

其中，j为大于1的正整数。

3.根据权利要求1所述的电动驱动控制装置，其特征在于：

其中，所述多相电机为异步电机、同步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机、步进电机中的任意一种，

所述多相电机绕组的并绕根数能被所述多相绕组单元的个数j整除。

4.根据权利要求1所述的电动驱动控制装置，其特征在于：

其中，所述直流电源为电池组或整流电源，

所述电池组包含至少一个串联电池组或串并联电池组。

5.根据权利要求1所述的电动驱动控制装置，其特征在于：

其中，所述功率变换单元是由智能功率模块构成的或者包含多个功率开关管，

所述功率开关管为电力场效应晶体管(Power MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力双极型晶体管(GTR)和门极换流晶闸管(SGCT)中的任意一种。

6.一种电动设备，其特征在于，包括：

权利要求1～5中任一项所述的电动驱动控制装置。