CN107306104A - 控制具有可重配绕组的电驱动装置的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于三相PM电机的电动驱动系统。该驱动系统包括用于该机器的每个相的分段定子绕组，该分段定子绕组包括第一绕组部分和第二绕组部分；以及包括用于每个相的一对逆变器开关的逆变器电路，其中用于每个相的该对逆变器开关电耦接至用于定子中的该相的第一绕组部分和第二绕组部分。该驱动系统还包括具有开关电路的开关系统，其中该开关电路包括用于在全绕组控制模式与半绕组控制模式之间切换的多个开关组件，其中每个开关组件包括第一AC开关装置和第二AC开关装置，且其中每个开关组件电耦接至用于特定相的该对逆变器开关以及第一绕组部分和第二绕组部分。

Description

控制具有可重配绕组的电驱动装置的设备和方法

技术领域

本发明大体上涉及一种用于电机的驱动系统，并且更具体地涉及一种包括分段定子绕组的用于三相永磁体(PM)AC电机的驱动系统，其中该驱动系统将分段绕组在全绕组模式与半绕组模式之间切换以在较高机器速度下降低反电动势EMF并且增大机器的转矩和动力。

背景技术

具有宽广的速度范围的电机对于诸如用于混合动力车辆、电动车、燃料电池车辆等以及用于发电应用的汽车推进系统至关重要。为了将其转矩/安培比最大化，电机通常设计成具有尽可能高的感应电压-速度比。然而，因为尤其随着机器的速度增大，感应电压成正比，所以由机器产生的反电动势(EMF)也随着电机速度增大而增大直至其达到DC总线电压(通常电池电压)，从而造成可用于驱动马达中的电流的EMF损耗，这用于限制机器的速度。

本领域中已知的是，将用于电机的每个相的定子绕组分离为两个分段绕组以在高机器速度下降低反电动势。开关设置并且控制成使得用于每个相的分段绕组针对低机器速度而电串联耦接，并且当机器的速度达到其中反电动势降低机器转矩的点时电并联耦接。然而，通过在定子中提供多达两倍的绕组以及在电串联配置与并联配置之间切换所需要的开关，用于绕组重配这种解决方案将所需要的AC开关的数量增大至9且三相机器的机器引线的总数为10。另外，并联配置中归因于线圈EMF失配而可能有电流流通。另外，对于并联操作要求线圈在相同的定子槽中，且并联操作中的较低线圈电感可需要较高开关频率来降低电流波纹。

Hao等人在2014年8月28日公开、转让给本申请的受让人的美国专利申请公开号2014/0239876公开了一种用于三相PM电机的电驱动系统，其中该机器的每个相包括分离为第一绕组部分和第二绕组部分的定子绕组以及逆变器中电耦接至绕组部分的两个开关。该驱动系统包括用于电耦接至逆变器开关以及第一绕组部分和第二绕组部分的每个相的开关组件，其中该开关组件包括至少两个开关状态。该开关组件的第一开关状态将第一绕组部分和第二绕组部分电串联耦接至逆变器开关，且第二开关状态将第二绕组部分电耦接至逆变器开关并且将第一绕组部分与逆变器开关电断接。

发明内容

本发明公开并且描述了一种用于三相PM电机的电动驱动系统，其中该机器包括定子和转子。该驱动系统包括用于该机器的每个相的分段定子绕组，其中每个定子绕组包括第一绕组部分和第二绕组部分；以及包括用于该机器的每个相的一对逆变器开关的逆变器电路，其中用于每个相的该对逆变器开关电耦接至用于定子中的该相的第一绕组部分和第二绕组部分。该驱动系统还包括具有开关电路的硅控整流器(SCR)开关系统，其中该开关电路包括用于在全绕组控制模式与半绕组控制模式之间切换的多个开关组件，其中每个开关组件包括第一AC开关装置和第二AC开关装置，且其中每个开关组件电耦接至用于特定相的该对逆变器开关以及第一绕组部分和第二绕组部分。该驱动系统还包括响应于转矩命令信号和机器速度信号的控制器，其中该控制器控制该逆变器开关和该开关电路。

根据结合附图取得的以下描述和所附权利要求书，本发明的另外特征将变得显而易见。

附图说明

图1是包括定子和转子的PM电机的剖开端视图；

图2是用于采用反并联SCR AC功率开关的PM电机的六引线、六AC开关驱动系统的示意框图；

图3是用于采用反并联SCR AC功率开关装置的PM电机的九引线、四AC开关的驱动系统的示意框图；

图4是SCRRC缓冲电路的示意图；

图5是用于图2中所示的功率开关的SCR驱动系统的示意框图；

图6是用于图3中所示的功率开关的SCR驱动系统的示意框图；

图7是可在图2和3中所示的驱动系统中使用的反串联IGBT AC功率开关装置的示意图；

图8是可在图2和3中所示的驱动系统中使用的反并联RB-IGBT AC功率开关装置的示意图；

图9是示出用于在用于使用SCR驱动系统的三相PM机器的对称绕组重配全绕组模式与半绕组模式之间切换的控制方案的流程图。

具体实施方式

涉及一种用于三相PM电机的电动驱动系统的本发明的实施例的以下讨论在本质上仅仅是示例性的并且决无限制本发明或其应用或用途的意图。例如，本发明的驱动系统具有用于车辆上的三相PM电机的特定应用。然而，如本领域技术人员将明白的是，本发明的驱动系统将具有用于其它机器的应用。

图1是常规的PM三相电机10的剖开端视图。电机10包括由圆柱形转子14包围并且安装至该圆柱形转子的中心轴12。转子14包括围绕转子14的外圆周设置的多个永磁体16。机器10还包括其间限定狭槽22的定子齿20的圆柱形定子18，其中定子绕组24通过狭槽22缠绕齿20。气隙26将转子14与定子18分离并且允许其相对于定子旋转。

如本领域技术人员众所周知的是，向定子绕组24提供正确相的交流使得通过电流流过绕组24产生的磁场与由永磁体16以使转子14相对于定子18旋转且因此使轴12旋转执行物理作业的方式产生的磁场相互作用。绕组24周围的磁通量路径穿过转子14、永磁体16、气隙26和定子18以形成闭环路径并且链结定子绕组24。定子18的感应电压与链结定子绕组24的总磁通量成正比。永磁体16之间的磁通量与绕组24中的电流的相互作用产生驱动机器10的转矩。

图2是用于诸如机器10的三相PM电机的驱动系统30的示意框图，其中示出机器的定子32的绕组。绕组包括具有用于第一机器相的绕组部分34和36、用于第二机器相的绕组部分38和40，以及用于第三机器相的绕组部分42和44的分段定子绕组。

驱动系统30包括具有多个MOSFET或IGBT开关的逆变器/整流器电路50，该多个MOSFET或IGBT开关选择性地接通和断开以提供耦接至节点52和54的车辆电池(未示出)与定子32中的绕组部分34至44之间的AC和DC逆变和整流。具体地，电路50包括用于控制第一相绕组部分34和36的开关56和58、用于控制第二相绕组部分38和40的开关60和62，以及用于控制第三相绕组部分42和44的开关64和66。当机器操作为马达以(例如)启动车辆时，电路50将来自电池的DC电流转换为AC电流。电路50还包括多个二极管68，其将由绕组部分34至44产生的AC电流整流为DC电流以对电池充电。开关56至66是由控制器80在六根线70上切换，其中控制器80接收线82上的转矩命令信号以及线84上的机器速度信号以按本领域技术人员充分理解的方式提供理想的AC/DC逆变或DC/AC转换。

驱动系统30还包括硅控整流器(SCR)开关系统90，其切换来自逆变器电路50的电流信号使得所有绕组部分34至44在低机器速度下电耦接至逆变器50，且仅绕组部分36、40和44在高机器速度下电耦接至电路50。如上文所讨论，通过减小高机器速度的定子绕组的数量，通过当反电动势足够高至通过以类似于上文引用的’876申请中公开的方式的方式限制电流通过定子绕组降低机器速度时减少磁通量来降低机器的反电动势。

为了设置此绕组重配操作，开关系统90包括开关电路92，其具有用于切换第一相绕组部分34和36的第一开关组件120、用于切换第二相绕组部分38和40的第二开关组件122，以及用于切换第三相绕组部分42和44的第三开关组件124。第一开关组件120包括分别耦接至节点A2和A1的AC开关装置94和96，用于将第一相绕组部分34和36在全绕组模式与半绕组模式之间切换。第二开关组件122包括分别耦接至节点B2和B1的AC开关装置98和100，用于将第二相绕组部分38和40在全绕组模式与半绕组模式之间切换。第三开关组件124包括分别耦接至节点C2和C1的AC开关装置102和104，用于将第三相绕组部分42和44在全绕组模式与半绕组模式之间切换。开关装置94、96、98、100、102和104中的每一个包括一对相对晶闸管开关106和108，其提供低接通电压(例如，1伏特至1.5伏特)、极坚固、提供高过载能力并且具有小于10ms开关时间。

开关装置94、96、98、100、102和104受SCR驱动电路110控制，该SCR驱动电路从控制器80接收命令以在由线112上的命令提供的全绕组模式与由线114上的命令提供的半绕组模式之间切换。六根控制线116耦接至开关电路92以将开关装置96、100和102切换为全绕组模式且六根控制线118耦接至开关电路92以将开关装置94、98和104切换至半绕组模式。下文对SCR驱动电路110如何控制开关装置94至104以提供全绕组模式和半绕组模式提供更详细讨论。

SCR驱动系统90中所示的绕组开关拓扑要求六根引线耦接在开关装置94、96、98、100、102和104与节点A1、A2、B1、B2、C1和C2之间。在本发明的范围内可以采用替代实施例，其提供全绕组模式与半绕组模式之间的相同类型的AC切换，但是需要更少开关和/或更少引线。

图3是包括采用九根引线和四个AC开关装置的绕组开关拓扑架构的驱动系统130的示意图，其中与驱动系统30相同的元件具有相同的附图标号。为了清楚起见的目的，已经从图3中移除了控制器80和开关系统90。在此实施例中，六个AC开关装置94、96、98、100、102和104已经被四个AC开关装置(即，电耦接在节点B1与B2之间的AC开关装置132、电耦接在节点C1与C2之间的AC开关装置134、电耦接在节点B2与B3之间的AC开关装置136，以及电耦接在节点C2与C3之间的AC开关装置138)取代了，如所示。在此实施例中，控制线116、118的数量各自为四。对于全绕组模式，AC开关装置134和138保持导通，且AC开关装置132和136保持断开。这本质上产生将节点C1、C2和C3连接在一起的零压点，其中穿过节点A1、B1和C1的绕组部分34和36、穿过节点A2、B2和C2的绕组部分38和40以及穿过节点A3、B3和C3的绕组部分42和44携带由电路50产生的电流。对于半绕组模式，AC开关装置132和136保持导通，且AC开关装置134和138保持断开。这本质上产生将节点B1、B2和B3连接在一起的零压点，其中仅穿过节点A1和B1的绕组部分34、穿过节点A2和B2的绕组部分38以及穿过节点A3和B3的绕组部分42携带由电路50产生的电流，且其中穿过节点B1和C1的绕组部分36、穿过节点B2和C2的绕组部分40以及穿过节点B3和C3的绕组部分44为开路并且并未携带任何电流，这是因为开关装置134和138断开。下文对SCR驱动电路110如何控制开关装置132至138以提供全绕组模式和半绕组模式提供更详细讨论。

对于上文讨论的采用SCR驱动系统的实施例，可能需要电路元件来限制AC开关的电压变化dV/dt和最大电压V_max。图4是包括上文讨论的类型的AC开关装置172和用于限制电压变化dV/dt和最大电压V_max的电路元件的SCR缓冲电路170的示意图。缓冲电路170可包括作为系统30或130中的SCR驱动电路中的每个AC开关装置的部分。缓冲电路170包括限定RC电路的电阻器174和电容器176，该RC电路将电压变化dV/dt限制为例如小于1kV/μs。对于此实施例，电阻器174是低电感电阻器，诸如Ls<0.4μH，且电容器176是产生大于2kV/μs的电压变化dV/dt的高脉冲额定缓冲电路。电压变化率dV/dt可由等效电路限定为：

其中R是电阻器174的电阻，V是开关172两端的电压，L是电阻器174的电感，I_RM是通过电阻器174和电容器176的电流，且τ是SCR逆恢复电流从其峰值I_RM衰减的时间常数。

缓冲电路170还包括金属氧化物变阻器(MOV)178，其提供电压钳位以限制最大电压V_max，且在一个实施例中将SCR电压限制为低于1.2kV。另外，AC开关装置可安装至经液体冷却的板以将温度维持在0.01℃/W以下。

图5是可用作用于图2中所示的AC开关配置的驱动电路110的SCR驱动系统180的框图。系统180包括隔离式十二输出电源182，其接收线184上的12VDC并且在此实例中对每根输出线186按每个电源1瓦特提供3.3伏特。驱动系统180还包括具有接收十二个输入的逻辑输入块188的隔离式驱动器，其中每个输入将开关装置94至104中的晶闸管开关106和108中的一个接通。具体地，块188接收控制半绕组模式的输入192的组190，其中输入192中的每一个将开关装置94、98和104中的每一个中的晶闸管开关106和108中的具体开关接通；以及控制全绕组模式的输入196的组194，其中输入196中的每一个将开关装置96、100和102中的每一个中的晶闸管开关106和108中的一个接通。来自逻辑输入块188的信号接着传递至具有控制AC开关装置94、96、98、100、102和104以如上文讨论般在全绕组模式与半绕组模式之间切换的十二个输出的门驱动器输出块198。

可对图3中所示的绕组拓扑提供类似类型的SCR驱动器系统，其包括四个AC开关装置132至138。图6是示出此设计的驱动系统200的示意框图，其中与驱动系统180相同的元件是由相同附图标号来标识。在此实施例中，电源182被隔离式八输出电源202取代，具有逻辑输入块188的隔离式驱动器被具有逻辑输入块204的隔离式驱动器取代，且门驱动器输出块198被具有八个输出的门驱动器输出块206取代。输入210的组208控制半绕组模式，其中每个输入210将开关装置132和136中的晶闸管开关106或108中的一个接通，且输入214的组212控制全绕组模式，其中每一个输入214将开关装置134和138中的晶闸管开关106或108中的一个接通。

在上文所讨论的实施例中，开关装置94、96、98、100、102、104、132、134、136和138采用SCR开关。在替代实施例中，晶闸管开关106和108可被绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关取代。例如，图7是包括如所示般电耦接的可使用来代替AC开关装置94、96、98、100、102、104、132、134、136和138的两个反串联IGBT开关152和154以及两个相对二极管156和158的AC开关电路150的示意图。

替代地，图8是包括如所示般电耦接的可使用来代替AC开关装置94、96、98、100、102、104、132、134、136和138的两个反并联反向阻断(RB)-IGBT开关162和164的AC开关电路160的示意图。

图9是示出用于在用于使用上文所讨论的SCR驱动系统的三相PM机器的对称绕组重配全绕组控制模式与半绕组控制模式之间切换的控制方案的流程图220。在框222处，该算法读取分别提供至线82和84上的控制器80的马达速度和转矩命令信号，并且识别可以影响机器性能和操作的任何诊断故障代码。该算法接着确定在判决菱形框224处是否清除逆变器电路50的所有可能故障，且如果否，那么在框226处禁止门信号发送至逆变器开关56至66并且在框228处等待故障重置。

如果在判决菱形框224处清除所有逆变器电路故障，那么该算法在框230处读取绕组配置位以确定马达速度和转矩命令信号是需要全定子绕组模式还是半定子绕组模式，其中绕组配置位可通过读取外部数字半绕组输入/输出线来设定或基于机器的速度和转矩误差来确定。一旦在框230处读取绕组配置位，该算法在判决菱形框232处确定是否将绕组配置位设定为全绕组模式，且如果是，那么提供用于全绕组模式的开关控制方案。具体地，该算法首先在判决菱形框234处确定绕组配置是否刚刚从半绕组模式转变为全绕组模式，意指绕组控制模式在先前采样时间处于半绕组模式中。如果在判决菱形框234处，绕组配置并未从半绕组模式转变为全绕组模式，那么该算法在框236处对全定子绕组的正确直轴电流I_d、交轴电流I_q以及电流回路增益K_ip和K_ii使用开关控制，其中电流回路增益K_ip和K_ii是针对直轴和交轴电流控制而设定且从查找表中提供电流I_d和I_q。本领域技术人员应理解的是，直轴和交轴电流控制中的K_ip和K_ii是不同的。直轴电流I_d、交轴电流I_q以及电流回路增益K_ip和K_ii是用于PID控制的公知变量。接着在框238处提供基于速度和转矩命令的全绕组模式的电流I_d和I_q的输出命令，且该算法返回至框222以读取马达速度和转矩命令信号。

如果在判决菱形框234处，绕组配置从半绕组模式转变为全绕组模式，那么该算法首先在框240处将直轴电流I_d和交轴电流I_q设定为零，且接着在框242处等待每个定子绕组中的相电流小于预定最小电流ε。该算法还在框244处禁止向AC开关装置中的晶闸管开关的栅极端子提供逆变器电路开关信号和半绕组开关信号。该算法接着在框246处等待通常是从1msec至10msec的刻度数的某个预定时间延迟T_delay，并且接着在框248处设定全绕组模式的直轴电流I_d、交轴电流I_q以及电流回路增益K_ip和K_ii。该算法接着在框250处使得能够向AC开关装置中的晶闸管开关的栅极端子提供逆变器开关信号和全绕组模式开关信号，并且在框238处输出用于全绕组模式的直轴电流命令和交轴电流命令。

如果在判决菱形框232处没有对全绕组模式设定绕组配置位，那么该算法在判决菱形框252处确定是否对半绕组模式设定绕组配置位，且如果否，那么返回至框222以等待读取马达速度和转矩命令。

如果在判决菱形框252处对半绕组模式设定绕组配置位，那么该算法提供用于半绕组模式的开关控制方案。具体地，该算法首先在判决菱形框254处确定绕组配置是否刚刚从全绕组模式转变为半绕组模式，意指绕组控制模式在先前采样时间处于全绕组模式中。如果在判决菱形框254处，绕组配置并未从全绕组模式转变为半绕组模式，那么该算法在框256处对半定子绕组的直轴电流I_d、交轴电流I_q以及电流回路增益K_ip和K_ii使用开关控制，其中电流回路增益K_ip和K_ii是针对部分定子绕组的直轴和交轴电流控制而设定且从查找表中提供电流I_d和I_q。应理解的是，本文在部分定子绕组的直轴和交轴电流控制中的增益K_ip和K_ii是不同的，但是对于全定子绕组的d轴或q轴电流控制中的增益也是不同的。接着在框258处提供基于速度和转矩命令的半绕组模式的电流I_d和I_q的输出命令，且该算法返回至框222以读取马达速度和转矩命令信号。

如果在判决菱形框254处，绕组配置从全绕组模式转变为半绕组模式，那么该算法首先在框260处将直轴电流命令和交轴电流命令设定为零，且接着在框262处等待每个定子绕组中的相电流小于预定最小电流ε。该算法还在框264处禁止向AC开关装置中的晶闸管开关的栅极端子提供逆变器电路开关信号和全绕组开关信号。该算法接着等待预定时间延迟T_delay，并且接着在框268处设定半绕组模式的直轴电流I_d、交轴电流I_q以及电流回路增益K_ip和K_ii。该算法接着在框270处使得能够向AC开关装置中的晶闸管开关的栅极端子提供逆变器开关信号和半绕组模式开关信号，并且在框258处输出用于半绕组模式的直轴电流命令和交轴电流命令。

如本领域技术人员将充分理解的是，本文讨论为描述本发明的若干和各种步骤和程序可以指代由计算机、处理器或使用电现象操控和/或变换数据的其它电子计算装置执行的操作。该计算机和电子装置可以采用各种易失性和/或非易失性存储器，其包括上面存储包括能够由计算机或处理器执行的各种代码或可执行指令的可执行程序的非暂时性计算机可读媒介，其中存储器和/或计算机可读媒介可以包括所有形式和类型的存储器以及其它计算机可读媒介。

前述讨论仅仅公开并且描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员将容易从此讨论和附图以及权利要求书认识到，在不脱离如以下权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下可在其中作出各种改变、修改和变动。

Claims (10)

1.一种用于多相永磁体(PM)电机的驱动系统，所述机器包括定子和转子，所述驱动系统包括：

分段定子绕组，其用于所述机器的每个相，其中每个定子绕组包括第一绕组部分和第二绕组部分；

逆变器电路，其包括用于所述机器的每个相的一对逆变器开关，其中用于每个相的所述对逆变器开关电耦接至所述定子中的所述相的所述第一绕组部分和第二绕组部分；

开关系统，其包括开关电路，所述开关电路包括用于在全绕组控制模式与半绕组控制模式之间切换的多个开关组件，其中每个开关组件电耦接至所述对逆变器开关以及用于具体相的所述第一绕组部分和第二绕组部分，且其中每个开关组件包括第一交流(AC)开关装置和第二交流(AC)开关装置；以及

控制器，其响应于转矩命令信号和机器速度信号，所述控制器控制所述逆变器开关和所述开关电路。

2.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述电机是三相机器且所述开关电路包括三个开关组件，且其中所述第一交流(AC)开关装置电耦接至所述逆变器开关以及所述第一绕组部分和第二绕组部分这二者以提供所述全绕组控制模式，且所述第二交流(AC)开关装置电耦接至所述逆变器开关和仅所述第一绕组部分以提供用于每个相的所述半绕组控制模式。

3.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述电机是三相机器且所述开关电路包括两个开关组件，其中第一开关组件包括电耦接在第一绕组的所述第一绕组部分和第二绕组部分与第二绕组的第一绕组部分和第二绕组部分之间的第一交流(AC)开关装置以及电耦接至所述第一绕组的所述第一绕组部分和所述第二绕组的所述第一绕组部分的第二交流(AC)开关装置，且第二开关组件包括电耦接在所述第二绕组的所述第一绕组部分和第二绕组部分与第三绕组的所述第一绕组部分和第二绕组部分之间的第一交流(AC)开关装置以及电耦接至所述第二绕组的所述第一绕组部分和所述第三绕组的所述第一绕组部分的第二交流(AC)开关装置。

4.根据权利要求1所述的驱动系统，其中每个交流(AC)开关装置包括第一和第二相对晶闸管开关。

5.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述开关系统是硅控整流器开关系统且所述开关组件是硅控整流器开关组件。

6.根据权利要求5所述的驱动系统，其中每个交流(AC)开关装置包括相对的反并联硅控整流器二极管开关。

7.根据权利要求1所述的驱动系统，其中每个交流(AC)开关装置包括一对反串联绝缘栅双极晶体管。

8.根据权利要求1所述的驱动系统，其中每个交流(AC)开关装置包括一对反并联反向阻断绝缘栅双极晶体管。

9.根据权利要求1所述的驱动系统，其中每个交流(AC)开关装置包括缓冲电路，其与所述开关装置电并联耦接以便限制所述开关装置两端的电压变化并且限制所述开关装置两端的最大电压。

10.根据权利要求9所述的驱动系统，其中所述缓冲电路包括限制电压变化的RC电路以及限制所述最大电压的金属氧化物变阻器。