CN109495054B - 一种多绕组电机绕组切换装置和控制方法 - Google Patents

一种多绕组电机绕组切换装置和控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多绕组电机绕组切换装置和控制方法，所述控制方法包括：S1、获取当前运行绕组对应的T‑N绕组特性曲线和待替换绕组对应的T‑N绕组特性曲线的重合点；S2、在当前运行绕组的T‑N绕组特性曲线的重合点处，沿输出力矩变化趋势的前方设置切换点；S3、获取当前运行绕组运行时电机主轴的当前转速和当前输出力矩；S4、判断当位于当前运行绕组的T‑N特性曲线上的点是否位于切换点处或位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；S5、若是，关闭当前运行绕组，开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组,若否返回执行S3。本发明进一步还公开了相应的切换装置。本发明实现了多个绕组间的有效衔接，使得电机运行切换更加顺畅。

Description

一种多绕组电机绕组切换装置和控制方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种多绕组电机绕组切换装置和控制方法。
背景技术
在电机驱动系统中(如：电动汽车、机床设备等)，通常要求在低速时能提供大转矩，在高速时具有较宽的调速范围以及系统效率；但由于电机固有的特性所限，很难兼顾重载时的大扭矩输出和轻载时的高速度运行，因此实际的应用系统常常采用多绕组电机方式加以实现。
现有的多绕组电机多采用手动切换方式，由操作者根据速度进行绕组切换，无法准确控制切换位置，造成速度波动和冲击。一般在两个绕组所对应的T-N特性曲线的重合点出切换，其中T为电机主轴输出力矩，N为电机主轴转速。但直接在重合点处切换绕组，那么基于负载的变换，重合点处左右两侧的点的输出扭矩和转速差别较大，如电机已经经过一次切换，运行待替换的一个绕组，但是由于负载变化，换绕组后的运行特性曲线上无法达到相应的转速或力矩要求，那么系统会自动切换到原来的运行绕组，即会在重合点出来回振荡的现象，影响到系统运行的稳定性和可靠性。
进一步的，现有的多绕组电机切换控制技术存在可靠性差，寿命短的问题。现有的多绕组电机切换控制技术，大多采用电控机械触点开关方式。其优点是：价格低、内阻小、容量大、过载力强，缺点是：用电控机械触点开关存在电弧打火、寿命低、反应时间长；使用电子开关存在内阻大、发热多、过载能力差等缺点。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明公开了一种可靠性高、稳定性更好、能够实现稳定切换的多绕组电机绕组切换装置和控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种多绕组电机绕组控制方法，包括顺序执行以下步骤：
S1、获取当前运行绕组和待替换绕组在各自运行时，当前运行绕组对应的T-N绕组特性曲线和待替换绕组对应的T-N绕组特性曲线的重合点,T为电机主轴输出力矩，N为电机转速；
S2、在当前运行绕组的T-N绕组特性曲线的重合点处，沿输出力矩变化趋势的前方设置切换点；
S3、获取当前运行绕组运行时电机主轴的当前转速和当前输出力矩；
S4、判断当前运行绕组基于当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点是否位于切换点处或位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
S5、若是，关闭当前运行绕组，开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组,若否返回执行S3。
作为优选，所述步骤S4具体包括：
S401、判断当前运行绕组Li的档位序号i是否为1或M，若是，当i等于1时执行S402,当i等于M时执行S403，若否执行S402、S403，绕组数量为M个，M≥2；
S402、将当前运行绕组Li的当前转速Ni和当前输出力矩Ti分别与沿电机输出力矩增大方向切换的下一待替换绕组Li+1所对应的切换点的转速Nf，i和输出力矩为Tf，i进行比较，当Ti≥Tf，i，Ni＜Nf，i，判断当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
S403、将当前运行绕组Li的当前转速Ni和当前输出力矩Ti分别与沿电机输出力矩减小方向切换的上一待替换绕组Li-1所对应的切换点的转速Nb，i，当输出力矩为Tb，i进行比较；；当Ti＜Tb，i，Ni≥Nb，i，判断当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方。
作为优选，步骤S1中还包括，基于运行绕组的运行特性获取以电机主轴转速为横坐标，电机主轴输出力矩为纵坐标的第一运行参数集合，基于待替换绕组的运行特性获取以电机主轴转速为横坐标，电机主轴输出力矩为纵坐标的第二运行参数集合，对第一运行参数集合和第二运行参数集合做交集运算得到重合点。
一种多绕组电机绕组切换装置，包括在电机中多个并联设置的绕组，在任一设置有绕组的并联支路上串联有复合切换开关，复合切换开关包括并联设置的电控机械触点开关和电子开关；还包括与复合切换开关连接并控制复合切换开关启闭的处理器，与处理器连接用于获取电机主轴转速的速度传感器，与处理器连接用于获取电机主轴的输出力矩的力矩传感器；
处理器获取当前运行绕组和待替换绕组在各自运行时，当前运行绕组对应的T-N绕组特性曲线和待替换绕组对应的T-N绕组特性曲线的重合点,T为电机主轴输出力矩，N为电机转速；
处理器在当前运行绕组的T-N绕组特性曲线的重合点处，沿输出力矩变化趋势的前方设置切换点；
处理器通过速度传感器获取当前运行绕组运行时电机主轴的当前转速，通过力矩传感器获取当前输出力矩；
处理器判断当前运行绕组基于当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点是否位于切换点处或位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
若是，处理器发出指令，控制复合切换开关关闭当前运行绕组，开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组；若否处理器控制速度传感器和力矩传感器获取新的当前转速和新的当前输出力矩。
作为优选，电子开关采用双向可控硅电子开关器件。
作为优选，一个复合切换开关中的电子开关的控制端子和电控机械触点开关的控制端子分别连接在处理器上两个不同的控制端口上。
作为优选，复合切换开关关闭当前运行绕组时，电控机械触点开关先断开，电子开关延时断开。
作为优选，复合切换开关开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组时，电子开关先接通，电控机械触点开关延时接通。
上述提供了一种多绕组电机绕组控制方法和切换装置，基于各绕组自身的运行特性参数实现对电机多个绕组之间的精准控制和切换，实现多个绕组间的有效衔接避免出现停顿，震荡等现象，使得电机运行切换更加顺畅。进一步还公开了相应的切换装置，相应的解决可靠性和寿命的问题。
附图说明
图1为本发明公开的一种多绕组电机绕组控制方法实施例的流程图；
图2为本发明公开的一种多绕组电机绕组控制方法的原理图；
图3为本发明公开的一种多绕组电机绕组切换装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述说明。
请参阅图1、图2和图3，图1为本发明公开的一种多绕组电机绕组控制方法实施例的流程图，图2为本发明公开的一种多绕组电机绕组控制方法的原理图，图3为本发明公开的一种多绕组电机绕组切换装置的结构示意图。
一种多绕组电机绕组控制方法，包括顺序执行以下步骤：
S1、获取当前运行绕组和待替换绕组在各自运行时，当前运行绕组对应的T-N绕组特性曲线和待替换绕组对应的T-N绕组特性曲线的重合点,T为电机主轴输出力矩，N为电机转速；
S2、在当前运行绕组的T-N绕组特性曲线的重合点处，沿输出力矩变化趋势的前方设置切换点；
S3、获取当前运行绕组运行时电机主轴的当前转速和当前输出力矩；
S4、判断当前运行绕组基于当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点是否位于切换点处或位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
S5、若是，关闭当前运行绕组，开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组,若否返回执行S3。
上述的切换方式可以有效的避免在重合点处切换出现的震荡现象。这样切换后，电机按新的运行绕组运行，切换点不位于绕组特性曲线的端部，这样就避免了在绕组特性曲线端头出切换后，由于负载变化导致的在两个绕组之间来回震荡的情况。将沿力矩变大方向设置大力矩切换点，沿力矩变小方向设置小力矩切换点。大小力矩切换点到曲线重合处的距离，由处理器根据传动系统惯量和当前转速值设置，最高速绕组只有大力矩切换点，最低速绕组只有小力矩切换点。
在本实施例中，步骤S4具体包括：
S401、判断当前运行绕组Li的档位序号i是否为1或M，若是，当i等于1时执行S402,当i等于M时执行S403，若否执行S402、S403，绕组数量为M个，M≥2；
S402、将当前运行绕组Li的当前转速Ni和当前输出力矩Ti分别与沿电机输出力矩增大方向切换的下一待替换绕组Li+1所对应的切换点的转速Nf，i和输出力矩为Tf，i进行比较，当Ti≥Tf，i，Ni＜Nf，i，判断当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
S403、将当前运行绕组Li的当前转速Ni和当前输出力矩Ti分别与沿电机输出力矩减小方向切换的上一待替换绕组Li-1所对应的切换点的转速Nb，i，当输出力矩为Tb，i进行比较；；当Ti＜Tb，i，Ni≥Nb，i，判断当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方。
下面结合图2所示原理基于三相电机为例，进行具体说明。其中M取值为3，i为2。其中L1、L2和L3为绕组对应的特性曲线，G1点为L1与L2的重合点，G2为L2与L3的重合点，D1、D2、D3和D4均为切换点。A点和B点是电机运行所能提供参数的两个边界点。
当电机轻载时，处于L1高速绕组运行，从A点开始，负载加大即力矩增大、转速降低，电机沿L1运行至D1点，当满足当前输出力矩≥T1、当前转速<n1时,处理器发出切换控制信号，电机绕组由L1切换至L2；此时T1对应Tf，i，n1对应Nf，i。
负载继续加大，电机沿L2运行至D2点，满足当前输出力矩≥T2、当前转速<n2时,处理器发出切换控制信号，电机绕组由L2切换至L3；负载继续加大，电机沿L3运行直至堵转点；T2对应Tf，i，n2对应Nf，i。
当电机重载时，处于L3低速绕组运行，从B点开始，负载减小即力矩减小、转速增高，电机沿L3运行至D3点，满足当前输出力矩<T3、当前转速≥n3时,处理器发出切换控制信号，电机绕组由L3切换至L2；T3对应Tb，i，n3对应Nb，i。
负载继续减小，电机沿L2运行至D4点，满足力矩<T4、转速≥n4时,处理器发出切换控制信号，电机绕组由L2切换至L1；负载继续减小，电机沿L1运行直至空载点A点；该步骤中，T4对应Tb，i，n4对应Nb，i。
负载加大时沿图中实线方向切换，负载减小沿图中虚线方向切换。上述提供了本发明控制方法部分实现的硬件基础，其结构简单可靠性好。在同一T-N特性曲线上，切换点和重合点之间的距离根据电机负载的转动系统惯量和电机的当前转速的变化率确定，转动系统惯量一经选定即为定值，当前转速的变化率用于表征可能发生震荡趋势，转动系统惯量越小、转速变化率越大，发生震荡的可能性越大，则切换点和重合点之间的距离越大；转动系统惯量越大、转速变化率越小，发生震荡的可能性越小。这样的设置可以适用于不同的负载系统，有效的避免在重合点处切换出现的震荡现象。
在本实施例中，步骤S1中还包括，基于运行绕组的运行特性获取以电机主轴转速为横坐标，电机主轴输出力矩为纵坐标的第一运行参数集合，基于待替换绕组的运行特性获取以电机主轴转速为横坐标，电机主轴输出力矩为纵坐标的第二运行参数集合，对第一运行参数集合和第二运行参数集合做交集运算得到重合点。
这样，方便实现确定临界转速和临界输出力矩
一种多绕组电机绕组切换装置，包括在电机中多个并联设置的绕组，在任一设置有绕组的并联支路上串联有复合切换开关，复合切换开关包括并联设置的电控机械触点开关和电子开关；还包括与复合切换开关连接并控制复合切换开关启闭的处理器，与处理器连接用于获取电机主轴转速的速度传感器，与处理器连接用于获取电机主轴的输出力矩的力矩传感器；
处理器获取当前运行绕组和待替换绕组在各自运行时，当前运行绕组对应的T-N绕组特性曲线和待替换绕组对应的T-N绕组特性曲线的重合点,T为电机主轴输出力矩，N为电机转速；
处理器在当前运行绕组的T-N绕组特性曲线的重合点处，沿输出力矩变化趋势的前方设置切换点；
处理器通过速度传感器获取当前运行绕组运行时电机主轴的当前转速，通过力矩传感器获取当前输出力矩；
处理器判断当前运行绕组基于当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点是否位于切换点处或位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
若是，处理器发出指令，控制复合切换开关关闭当前运行绕组，开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组；若否处理器控制速度传感器和力矩传感器获取新的当前转速和新的当前输出力矩。
这样，上述提供了本发明控制方法部分实现的硬件基础，结构简单可靠性好。在同一T-N特性曲线上，切换点和重合点之间的距离由处理器根据电机负载的转动系统惯量和电机的当前转速的变化率确定，转动系统惯量一经选定即为定值，当前转速的变化率用于表征可能发生震荡趋势，转动系统惯量越小、转速变化率越大，发生震荡的可能性越大，则切换点和重合点之间的距离越大；转动系统惯量越大、转速变化率越小，发生震荡的可能性越小。这样的设置可以适用于不同的负载系统，有效的避免在重合点处切换出现的震荡现象。
在本实施例中，一个复合切换开关中的电子开关的控制端子和电控机械触点开关的控制端子分别连接在处理器上两个不同的控制端口上。
这样，方便对电子开关和电控机械开关的启闭顺序实现控制，且连接结构简单。
在本实施例中，复合切换开关关闭当前运行绕组时，电控机械触点开关先断开，电子开关延时断开。复合切换开关开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组时，电子开关先接通，电控机械触点开关延时接通。这样使用可以充分保留电控机械开关、电子开关的优点又克服了各自的缺点，具有：速度快、无电弧、寿命长、过载能力强、内阻小、发热少等特点。

Claims (8)

1.一种多绕组电机绕组控制方法，其特征在于，包括顺序执行的以下步骤：
S1、获取当前运行绕组和待替换绕组在各自运行时，当前运行绕组对应的T-N绕组特性曲线和待替换绕组对应的T-N绕组特性曲线的重合点,T为电机主轴输出力矩，N为电机转速；
S2、在当前运行绕组的T-N绕组特性曲线的重合点处，沿输出力矩变化趋势的前方设置切换点；
S3、获取当前运行绕组运行时电机主轴的当前转速和当前输出力矩；
S4、判断当前运行绕组基于当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点是否位于切换点处或位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
S5、若是，关闭当前运行绕组，开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组,若否返回执行S3。
2.如权利要求1所述的多绕组电机绕组控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：
S401、判断当前运行绕组Li的档位序号i是否为1或M，若是，当i等于1时执行S402,当i等于M时执行S403，若否执行S402、S403，绕组数量为M个，M≥2；
S402、将当前运行绕组Li的当前转速Ni和当前输出力矩Ti分别与沿电机输出力矩增大方向切换的下一待替换绕组Li+1所对应的切换点的转速Nf，i和输出力矩为Tf，i进行比较，当Ti≥Tf，i，Ni＜Nf，i，判断当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
S403、将当前运行绕组Li的当前转速Ni和当前输出力矩Ti分别与沿电机输出力矩减小方向切换的上一待替换绕组Li-1所对应的切换点的转速Nb，i和当输出力矩为Tb，i进行比较；当Ti＜Tb，i，Ni≥Nb，i，判断当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方。
3.如权利要求1所述的多绕组电机绕组控制方法，其特征在于，步骤S1中还包括，基于运行绕组的运行特性获取以电机主轴转速为横坐标，电机主轴输出力矩为纵坐标的第一运行参数集合，基于待替换绕组的运行特性获取以电机主轴转速为横坐标，电机主轴输出力矩为纵坐标的第二运行参数集合，对第一运行参数集合和第二运行参数集合做交集运算得到重合点。
4.一种多绕组电机绕组切换装置，包括在电机中多个并联设置的绕组，其特征在于：在任一设置有绕组的并联支路上串联有复合切换开关，复合切换开关包括并联设置的电控机械触点开关和电子开关；还包括与复合切换开关连接并控制复合切换开关启闭的处理器，与处理器连接用于获取电机主轴转速的速度传感器，与处理器连接用于获取电机主轴的输出力矩的力矩传感器；
处理器获取当前运行绕组和待替换绕组在各自运行时，当前运行绕组对应的T-N绕组特性曲线和待替换绕组对应的T-N绕组特性曲线的重合点,T为电机主轴输出力矩，N为电机转速；
处理器在当前运行绕组的T-N绕组特性曲线的重合点处，沿输出力矩变化趋势的前方设置切换点；
处理器通过速度传感器获取当前运行绕组运行时电机主轴的当前转速，通过力矩传感器获取当前输出力矩；
处理器判断当前运行绕组基于当前转速和当前输出力矩构成的位于当前运行绕组的T-N特性曲线上的点是否位于切换点处或位于切换点沿所述输出力矩变化趋势的前方；
若是，处理器发出指令，控制复合切换开关关闭当前运行绕组，开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组；若否处理器控制速度传感器和力矩传感器获取新的当前转速和新的当前输出力矩。
5.如权利要去4所述的多绕组电机绕组切换装置，其特征在于，电子开关采用双向可控硅电子开关器件。
6.如权利要求4所述的多绕组电机绕组切换装置，其特征在于，一个复合切换开关中的电子开关的控制端子和电控机械触点开关的控制端子分别连接在处理器上两个不同的控制端口上。
7.如权利要求6所述的多绕组电机绕组切换装置，其特征在于，复合切换开关关闭当前运行绕组时，电控机械触点开关先断开，电子开关延时断开。
8.如权利要求6所述的多绕组电机绕组切换装置，其特征在于，复合切换开关开启待替换绕组将待替换绕组作为新的当前运行绕组时，电子开关先接通，电控机械触点开关延时接通。
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