CN109328429B - 用于电机的控制器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电机系统的控制器，所述电机系统包括具有多个高侧开关和多个低侧开关的三相逆变器，所述控制器包括这样的机构，该机构布置成当检测到所述高侧开关的其中之一中的故障时,将其余的高侧开关置于闭路的路构造中而将所述多个低侧开关置于开路电路配置中；而当检测到所述低侧开关的其中之一中的故障时,将其余的低侧开关置于闭路电路配置中而将所述多个高侧开关置于开路电路配置中，以使得所述电机的线圈绕组置于短路电路配置中。

Description

用于电机的控制器
技术领域
本发明涉及一种控制器，尤其是用于电机的控制器。
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转矩。
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，所述电机被驱动产生旋转磁场。
举例而言，图1示出了典型的具有三个线圈组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。
三相电机的三个线圈通常配置为字母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，例如是诸如绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGate Bipolar Transistor,IGBT)的电源电子开关，其用于从直流电压电源产生交流电压。
如果在逆变器中发现故障，通常通过将逆变器开关切换至开路—非开关配置，来禁用电动机。然而，取决于逆变器故障的性质，这样的开关配置会使得电机经历由禁用电机产生的逆电动势引起的转矩波动，电机也会产生噪音。
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。
所要求的保护的本发明具有的优点是允许电机在逆变器发生故障后被禁用而不会使得电机经历转矩波动，也不会发生使电机产生可能由转矩波动引起噪音的故障。
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示出了现有技术的电动马达；
图2示出了根据本发明实施例的转子的分解图；
图3示出了根据本发明实施例的转子；
图4示出了根据本发明实施例的控制装置；
图5示出了根据本发明实施例的控制装置的分解图；
图6示出了现有技术的逆变器；
图7示出了根据本发明第一实施例的逆变器故障检测电路；
图8示出了根据本发明第二实施例的逆变器故障检测电路；
图9示出了拖曳转矩的曲线图。
具体实施方式
本发明所说明的实施例适用于控制器，其用于在逆变器经历故障后控制逆变器的结构和操作，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作为安装到车辆的定子一部分的一组线圈，由安装到车轮的承载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居中安装在径向环绕线圈内的转子的装备。正如本领域技术人员所理解的，本发明也能够与其它类型的电机或驱动系统一起使用。
出于本实施例的目的，如图2和图3所示，轮内电机包括定子252，所述定子包括散热器253、多个线圈254、安装在散热器253上的位于所述定子的后部的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内径内的环形电容器，又称为直流支撑电容器(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，所述逆变器410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可组合的任何配置，所述配置包括将控制逻辑和/或逆变器远离电机放置。
所述环形电容器被耦合跨接于(coupled across)逆变器410和电机直流电源，用于减小电机操作期间的电机电源供应线又称为直流母线上的电压纹波，以及减小电压过冲。为减小电感，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与转子的第二部分。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示出了图2所示电机的从相反侧观察的分解图。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。
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，所述多个极性起到一组单独的磁体的作用。
为了使得换相磁体(commutation magnets)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每个形成所述换相磁体环的换相磁体分别旋转经过传感器。
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用霍尔传感器输出交流电压信号的传感器，其中所述传感器对于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电角度的位置的相关联的第二传感器。
在本实施例中，所述电机包括四个线圈组，其中每个线圈组具有三个子线圈组，所述三个子线圈组以字母Y的结构耦接，以形成三相子电机，从而使得所述电机具有四个三相子电机。通过如下所述的两个控制设备400之一控制相应子电机的操作。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，所述电机包括八个线圈组60，其中每个线圈组具有三个子线圈组，所述三个子线圈组以字母Y的结构耦接，以形成三相子电机，从而使得所述电机具有八个三相子电机。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。
图4示出了各个线圈组60和控制装置400之间的连接，其中各个线圈组60连接至各自的三相逆变器410，所述三相逆变器包括于控制各自线圈组中的电流的控制装置400。每个三相逆变器包括构造成三相布置的六个开关，所述三相布置具有三个高侧开关和三个低侧开关，如以下所述，其中三相交流电压能够通过六个开关的受控运行来产生。然而，开关的数量将取决于待应用于相应子电机的电压相位的数量，其中所述子电机可以构造为具有任何数量的相位。
优选地，所述控制装置400具有模块化结构。图5示出了优选实施例的分解图，其中每个控制装置400又称为电源模块，包括在其中装有两个电路基板组件510的电源印刷电路板500、控制印刷电路板520、用于与直流电池连接的四个电源母线530，以及用于与相应线圈绕组连接的六个相位绕组母线540。所述每个控制装置部件被安装在控制装置壳体550内，并且四个电源母线530被安装在所述控制装置壳体550上的与所述相位绕组母线540相反的一侧。
每个电源基板510被设置为安装在形成于所述电源印刷电路板500的相应的孔中。
所述电源印刷电路板500包括各种组件，所述组件包括对形成于所述电源基板组件510上的逆变器开关的驱动器，其中所述驱动器通常用于将控制信号转换为合适的形式以对所述逆变器开关进行开启和关断。
所述控制印刷电路板520包括处理器，用于控制所述逆变器开关的操作。此外，每个控制印刷电路板520包括接口装备以允许相应控制装置400之间经由通信总线通信，并且一个控制装置400设置为与安装在所述电机外部的车辆控制器通信。每个控制装置400上的所述处理器420被设置为处理接口装备上的通信。
如上所述，在相应控制装置400上的所述处理器420被设置为控制所述逆变器开关的操作，在所述控制壳体550内部，所述逆变器开关安装在相应的电路基板520上，由此允许每个电机线圈组60获得三相电源源的供电，引起相应子线圈组产生旋转磁场。如上所述，尽管本实施例将每个线圈组60描述为具有三个子线圈组，本发明并不限于此并且可以理解的是，每个线圈组60可以具有一个或更多的子线圈组。
在相应处理器420的控制下，各个三相桥式逆变器410被设置为提供跨接相应的子线圈组的脉宽调制PWM电压控制，由此通过相应的子电机在相应子线圈组中产生电流以用于提供所需力矩。
PWM控制的工作原理是通过使用电机电感来平均出所施加的脉冲电源从而将所需电流驱动至所述电机线圈中。通过使用PWM控制，所施加的电源在所述多个电机绕组间切换。当电源在所述多个电机绕组间切换时的期间，所述电流在所述电机线圈中以一个比例提高，该比例由它们的电感和所施加电压指定。在所述电流已经增加超过了所需值之前，所述PWM电压控制被关断，由此允许实现对电流的精确控制。
对于所给定的线圈组60，所述三相桥式逆变器410开关被设置为在每个所述子线圈组61，62，63两端施加一个单一电压相位。
通过使用PWM开关，所述多个开关被设置为在相应子线圈组两端施加交流电压。所述电信号的电压包络和相位角由调制电源脉冲确定。
所述逆变器开关可以包括多个半导体装置，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFETs)或绝缘栅门极晶体管(IGBTs)。在本示例中，所述开关包括多个绝缘栅门极晶体管(IGBTs)然而，任何合适的已知的开关电路可以用于控制所述电流。对于配置为驱动三相电机的具有六个开关的三相逆变器，所述六个开关被配置为两个开关的三个并联组，其中所述每对开关被串联并形成所述三相桥式电路的一个腿600，以形成三相桥式。如图6所示，反激(fly-back)二极管610，又称为反向二极管，以反向并联方式耦合跨接于每个开关620。单相逆变器将具有两对串联设置的开关620从而形成逆变器的两个腿600。
如上所述，每个逆变器腿600在一对电源母线之间电耦接。
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在线圈绕组两端施加的电压的振幅，其中施加在转子上的扭矩由线圈绕组中的驱动电流产生。
当故障发生在逆变器开关的其中之一时，会导致其短路，剩余的逆变器开关则不能对线圈绕组提供正确的交流电压，从而有效地使电机不能工作。
如果由于逆变器开关故障而导致电机变得无法运行的条件发生，在各个控制装置中的多个控制器，或者单个控制器，被布置成将剩余的可运行的逆变器开关置于两种配置中的一种中。
在第一配置中，控制器布置成在检测到高侧开关中的一个发生故障时，将剩余的高侧开关置于闭路电路配置中并且将多个低侧开关置于开路电路配置中，以使得电机的线圈绕组置于短路电路配置中。在第二配置中，控制器布置成在检测到低侧开关中的一个发生故障时，将剩余的低侧开关置于闭路电路配置中并且将多个高侧开关置于开路电路配置中，以使得电机的线圈绕组置于短路电路配置中。
为了使逆变器开关的故障得以被检测，优选地每个逆变器开关包括用于检测各自逆变器开关的故障的机构，例如导致开关保持短路电路配置的故障。为了本实施例的目的，逆变器开关包括欠饱和故障检测电路以允许识别各个开关的短路故障。尽管本实施例描述了将欠饱和故障检测电路应用于识别逆变器开关的短路故障，但是任何合适的机构都能够用于识别短路事件。
可替换地，也可以使用分开的故障检测电路。例如，欠饱和故障检测电路能够关联于高侧逆变器开关和低侧逆变器开关，以用于在不对具体哪个逆变器开关故障进行识别时确定故障是发生在高边和低边逆变器开关的哪一边。类似地，饱和故障识别电路可以构造成仅对发生了故障的逆变器开关进行识别，而不识别故障是关联于高侧还是低侧开关。
图7示出了故障检测电路的第一实施例，其中各个三相桥式逆变器开关710的驱动700包括分开的故障线路720，所述故障线路耦联于控制装置内的处理器740的公共故障检测输入端730。
如上所述，控制装置处理器740将把控制信令发送给各个驱动700以使逆变开关710在线圈绕组740两端提供PWM(Pulse Width Modulation,脉冲宽度调制)电压，其中高侧开关直接连接至电池750的正极端，而低侧开关直接连接至电池750的负极端。在逆变器的两侧耦联电容760。
当任一驱动700用它们各自的逆变器开关710检测到欠饱和故障时，驱动将这个检测结果用信号发给控制装置处理器740。将在以下对用于使控制装置判定故障与高侧还是低侧开关有关的机构进行说明。
图8示出了故障检测电路的第二实施例，其中高侧三相桥式逆变器开关710的驱动700包括分开的故障线路，该故障线路耦接在控制装置中的处理器740的第一故障检测输入端770；低侧三相桥式逆变器开关710的驱动700包括分开的的故障线路，该故障线路耦接在控制装置中的处理器740的第二故障检测输入端780。为了参照，图8中与图7中相同的元件以相同的附图标记示出。
当高侧逆变器开关驱动700的任何一个检测到它们各自的逆变器开关710的欠饱和故障时，驱动将这个检测结果用信号发出，以与控制装置处理器740的第一故障检测输入端770进行通信，从而使得控制装置判定开关故障是与高侧逆变器开关相关。
当低侧逆变器开关驱动700的任何一个检测到它们各自的逆变器开关710的欠饱和故障时，驱动将这个检测结果用信号发出，以与控制装置处理器740的第二故障检测输入端780进行通信，从而使得控制装置判定开关故障是与低侧逆变器开关相关。
当导致逆变器开关变为短路的逆变器故障被识别出来时，其余的逆变器开关710被置于如上所述的导致电机线圈绕组短路的电路配置中，从而防止了由电机产生的逆电动势电压置于电源母线上。
图9示出了当电机逆变器置于短路电路配置时，拖曳转矩相对于转子的角转速的变化(线C)以及电机产生的电流相对于转子的角转速的变化(线D)的示例。
如图9所示，在较低的转子速度下，流经电机线圈绕组的电流产生了拖曳转矩，当转子速度由于阻抗的增加而增加时，所述拖曳转矩则减小。
优选地，为了避免电机在低速的情况下发生的逆变器短路故障时经历高拖曳转矩，如果电机的转子超过规定的速度来旋转，则控制器配置成仅在开关的其中之一检测到故障时将电机的线圈绕组置于短路电路配置中。
在欠饱和故障检测电路被构造成仅识别逆变器开关是否发生故障而不识别该故障是否与高侧或低侧开关相关的实施例中，控制器被布置成通过这样的方法来判断故障是否发生在高侧或低侧逆变器开关，即交替关闭高侧和低侧逆变器开关以将电机线圈绕组置于短路电路配置中，与此同时，控制器确定欠饱和故障检测电路是否仍然识别到逆变器开关故障。
例如，最初将控制器布置成在识别欠饱和故障时将高侧开关置于闭路电路配置中并将多个低侧开关置于开路电路配置中。然后确定是否仍然能够检测到欠饱和故障。如果欠饱和故障仍然能被检测到，这表明所述故障与低侧开关的其中之一有关。在这种情况下，控制器布置成将低侧开关置于闭路电路配置中而将多个高边开关置于开路电路配置中，以进一步确定是否仍然能够检测到所述故障。
控制器也能够设置成先将高侧逆变器或低边逆变器置于闭路电路配置中。
例如，在第一实施例中，在欠饱和检测器检测到与其中一个开关相关的欠饱和故障时，控制器先将高侧开关置于闭路电路配置中而将多个低侧开关置于开路电路配置中。一旦逆变器开关被置于其各自的闭路和开路电路配置中，就通过欠饱和检测器确定是否仍然能够检测到欠饱和故障。如果是，则将控制器布置成将低侧开关置于闭路电路配置中并且将多个高边开关置于开路电路配置中，以使得电机的线圈绕组置于短路电路配置中。
在第二实施例中，在欠饱和检测器检测到与其中一个开关相关的欠饱和故障时，控制器先将低侧开关置于闭路电路配置中而将多个高边开关置于开路电路配置中。一旦逆变器开关被置于其各自的闭路和开路电路配置中，就通过欠饱和检测器确定是否仍然能够检测到欠饱和故障。如果是，则将控制器布置成将高侧开关置于闭路电路配置中并且将多个低边开关置于开路电路配置中，以使得电机的线圈绕组置于短路电路配置中。

Claims (5)

1.一种用于电机系统的控制器，所述电机系统包括具有多个高侧开关和多个低侧开关的多相桥式逆变器，所述控制器包括这样的机构，将该机构布置成：当检测到所述高侧开关的其中之一中的故障时，将其余的高侧开关置于闭路电路配置中而将所述多个低侧开关置于开路电路配置中；当检测到所述低侧开关的其中之一中的故障时，将其余的低侧开关置于闭路电路配置中而将所述多个高侧开关置于开路电路配置中，以使得电机的线圈绕组置于短路电路配置中，
所述控制器进一步包括以这样的方式定位故障的机构，即：在检测到与所述开关的其中之一有关的故障时，将所述多个高侧开关和所述多个低侧开关中的一侧各个开关置于闭路电路配置中而将所述多个高侧开关和所述多个低侧开关中的另一侧各个开关置于开路电路配置中；确定是否仍然能够检测到所述故障；如果仍然能够检测到所述故障，则将所述另一侧各个开关置于闭路电路配置中而将所述一侧各个开关置于开路电路配置中；再确定是否仍然能够检测到所述故障。
2.根据权利要求1所述的控制器，其中所述的故障为短路故障。
3.根据权利要求1或2所述的控制器，其中所述故障由关联于所述高侧或低侧开关的欠饱和检测器而检测到。
4.一种控制电机系统的方法，所述电机系统包括具有多个高侧开关和多个低侧开关的多相桥式逆变器以及欠饱和检测器，所述方法包括步骤：在欠饱和检测器检测到与所述开关的其中之一有关的欠饱和故障时，将所述多个高侧开关置于闭路电路配置中而将所述多个低侧开关置于开路电路配置中；确定是否仍然能够通过所述欠饱和检测器检测到所述故障；如果是，则将所述多个低侧开关置于闭路电路配置中并将所述多个高侧开关置于开路电路配置中；再确定是否仍然能够通过所述欠饱和检测器检测到所述故障；如果通过所述欠饱和检测器没有检测到所述故障，则将所述多个低侧开关置于闭路电路配置中并将所述多个高侧开关置于开路电路配置中以使得电机的线圈绕组置于短路电路配置中。
5.一种控制电机系统的方法，所述电机系统包括具有多个高侧开关和多个低侧开关的多相桥式逆变器以及欠饱和检测器，所述方法包括步骤：在欠饱和检测器检测到与所述开关的其中之一有关的欠饱和故障时，将所述多个低侧开关置于闭路电路配置中而将所述多个高侧开关置于开路电路配置中；确定是否仍然能够通过所述欠饱和检测器检测到所述故障；如果是则将所述多个高侧开关置于闭路电路配置中并将所述多个低侧开关置于开路电路配置中；再确定是否仍然能够通过所述欠饱和检测器检测到所述故障；如果通过所述欠饱和检测器没有检测到所述故障，则将所述多个高侧开关置于闭路电路配置中并将所述多个低侧开关置于开路电路配置中以使得电机的线圈绕组置于短路电路配置中。
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