CN116470821A - 电机驱动装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机驱动装置及其控制方法。所述电机驱动装置用于驱动具有分别对应于多个相的多个绕组的电机，所述电机驱动装置可以包括：第一逆变器、第二逆变器、第三开关元件、控制器，所述第一逆变器包括多个第一开关元件并且与多个绕组的每个绕组的第一端连接；所述第二逆变器包括多个第二开关元件并且与多个绕组的每个绕组的第二端连接；所述第三开关元件配置为连接/断开多个绕组的每个绕组的匝数基于预定比率划分的点；所述控制器配置为基于电机的所需输出控制第一开关元件至第三开关元件的接通/关断状态。

Description

电机驱动装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电机驱动装置及其控制方法，更具体地，涉及这样的电机驱动装置及其控制方法：其使得电机可以基于系统所需的输出切换为Y型连接电机驱动模式和开放端部绕组电机驱动模式，并且可以安全地应对逆变器的故障。
背景技术
通常，包括在三相交流电机中的U相、V相和W相绕组可以形成Y型连接中性端子，其中，绕组的一侧的端部与一个逆变器连接并且另一侧的端部彼此连接。
当驱动三相电机时，逆变器中的开关元件可以在通过脉宽调制(PWM)控制接通/关断时将线电压施加至电机的Y型连接绕组，以产生交流电，从而产生扭矩。
利用电机产生的扭矩的环保车辆(例如，电动车辆)的燃料效率(电效率)是基于逆变器-电机(inverter-motor)的电力转换效率确定的，因此，为了提高燃料效率，重要的是使逆变器的电力转换效率和电机的效率最大化。
逆变器-电机系统的效率主要由逆变器的电压利用率决定。如果在电压利用率较高的区间内形成基于电机转速和扭矩之间的关系确定的车辆的操作点，则可以提高车辆的燃料效率。
然而，当电机的绕组的数量增加以增大电机的最大扭矩时，电压利用率较高的区间可能远离作为车辆的主要操作点的低扭矩区域，因此燃料效率可能会变得较低。此外，在燃料效率方面，如果设计为使主要操作点包括在电压利用率较高的区间内，则电机的最大扭矩可能存在限制，因此，车辆的加速能力可能会降低。
因此，需要一种能够在利用一个电机覆盖低输出区间和高输出区间的同时提高系统的效率的电机驱动技术。
以上关于背景技术的描述仅用于帮助理解本发明的背景，本领域技术人员不应认为其与已知现有技术相对应。
发明内容
本发明的一方面旨在提供一种电机驱动装置及其控制方法，其可以基于电机的所需输出将电机驱动模式切换为Y型连接电机驱动模式和开放端部绕组电机驱动模式，以提高用于驱动电机的逆变器的效率，并且即使逆变器发生故障也可以稳定地控制电机。
根据提出以解决上述问题的本发明的一个方面，一种电机驱动装置可以是用于驱动具有分别对应于多个相的多个绕组的电机的电机驱动装置，并且可以包括：第一逆变器、第二逆变器、第三开关元件、控制器，所述第一逆变器包括多个第一开关元件并且与多个绕组的每个绕组的第一端连接；所述第二逆变器包括多个第二开关元件并且与多个绕组的每个绕组的第二端连接；所述第三开关元件配置为使第二逆变器与电机连接或者断开；所述控制器配置为通过对第三开关元件的控制来实现由第一逆变器和第二逆变器中的第一逆变器单独驱动电机的第一驱动模式以及由第一逆变器和第二逆变器驱动电机的第二驱动模式，所述控制器具有与每个驱动模式相对应的扭矩限制表，并且配置为当第二逆变器在第二驱动模式下发生故障时，将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表。
第三开关元件可以设置在第二逆变器与多个绕组的第二端之间。
控制器可以在第一驱动模式下接通第三开关元件，使得第三开关元件作为Y型连接的中性端子，并且可以在第二驱动模式下关断第三开关元件，使得电机通过第一逆变器和第二逆变器驱动。
当第二逆变器在第二驱动模式下发生故障时，控制器可以将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表，然后控制第三开关元件以使第二逆变器与电机断开。
扭矩限制表可以是输入电机的转速和逆变器侧的输入电压并且输出电机的最大控制扭矩的数据表。
当第二逆变器在第二驱动模式下发生故障时，如果不能进行第二逆变器的脉宽调制控制，则控制器可以将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表。
当电机的所需输出低于预定参考值时，控制器可以将电机控制为处于第一驱动模式，当电机的所需输出高于预定参考值时，控制器可以将电机控制为处于第二驱动模式。
控制器可以配置为基于第一驱动模式扭矩限制表控制电机。
一种控制电机驱动装置的方法可以包括：由控制器感测第二逆变器在第二驱动模式下是否发生故障；当第二逆变器发生故障时，由控制器将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表；由控制器基于第一驱动模式扭矩限制表、通过第一逆变器驱动电机。
在通过第一逆变器驱动电机的步骤中，控制器可以将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表，然后控制第三开关元件，使得通过第一逆变器驱动电机。
与由一个逆变器驱动的传统典型的Y型连接电机的情况相比，根据本发明的电机驱动装置及其控制方法可以提高整个扭矩区间的效率，因此可以有助于提高车辆燃料效率。
具体地，在对两个逆变器全部执行脉宽调制控制的开放端部绕组驱动模式下，即使一个逆变器发生故障，电机也可以通过另一个逆变器稳定地驱动，从而提高了系统稳定性和行驶便利性。
在本发明中能够获得的效果不限于上述效果，并且本发明所属领域的技术人员通过以下描述将清楚地理解以上未提及的其他效果。
附图说明
通过以下结合所附附图的详细描述，上述及本发明的其他方面、特征和优点将更加明显，其中：
图1和图2是根据本发明的实施方案的电机驱动装置的电路图；
图3示出了根据本发明的实施方案的电机驱动装置的控制器的配置；
图4和图5是示出根据本发明的实施方案的电机驱动装置的控制器的扭矩限制表的示意图；
图6是根据本发明的实施方案的控制电机驱动装置的方法的流程图。
具体实施方式
在下文中，将参考所附附图详细描述根据本发明的各种实施方案的电机驱动装置。
图1和图2是根据本发明的实施方案的电机驱动装置的电路图。
参考图1，根据本发明的实施方案的电机驱动装置可以是用于向具有与多个相相对应的多个绕组的电机400(如图3所示)提供驱动电力的电机驱动装置，并且可以包括：第一逆变器210和第二逆变器220，所述第一逆变器210包括多个第一开关元件S11-S16并且与电机400的每个绕组的第一端连接；所述第二逆变器220包括多个第二开关元件S21-S26并且与电机400的每个绕组的第二端连接。
此外，电机驱动装置可以包括第三开关元件240和控制器120，所述第三开关元件240配置为使电机400与第二逆变器220连接/断开；所述控制器120配置为基于电机400的所需输出控制第一开关元件S11-S16、第二开关元件S21-S26和第三开关元件240的接通/关断状态。
根据本发明的示例性实施方案的控制器可以通过非易失性存储器(未示出)和处理器(未示出)实现，所述非易失性存储器配置为存储关于用于控制车辆的各种元件的操作的算法或关于用于再现算法的软件指令的数据；所述处理器配置为通过利用存储在存储器中的数据来执行将在下面进行描述的操作。存储器和处理器可以实现为单独的芯片。或者，存储器和处理器可以实现为存储器和处理器彼此集成的单个芯片，并且处理器可以采用一个或多个处理器的形式。
第一逆变器210和第二逆变器220可以将储存在电池230中的直流电转换为三相交流电，并且可以将三相交流电提供至电机400。或者，第一逆变器210和第二逆变器220可以将在再生制动时由于电机400的再生制动扭矩的发生而产生的再生制动能量转换为直流电，并且可以将直流电提供至电池230。可以通过包括在第一逆变器210和第二逆变器220中的多个第一开关元件S11-S16和多个第二开关元件S21-S26的脉宽调制控制来执行直流电和交流电之间的转换。
第一逆变器210可以包括多个支路，形成在直流链路电容器(其连接在电池230的两端之间)中的直流电压施加至所述多个支路。所述支路可以分别电连接至电机400的多个相。更具体地，第一支路可以包括彼此串联连接在直流电容器的两端之间的两个开关元件S11和S12，并且两个开关元件S11和S12的连接节点可以与电机400的一相的绕组的一端连接，使得与多个相的一相相对应的交流电输入或输出。同样，第二支路可以包括彼此串联连接在直流电容器的两端之间的两个开关元件S13和S14，并且两个开关元件S13和S14的连接节点可以与电机400的一相的绕组的一端连接，使得与多个相的一相相对应的交流电输入或输出。此外，第三支路可以包括彼此串联连接在直流电容器的两端之间的两个开关元件S15和S16，并且两个开关元件S15和S16的连接节点可以与电机400的一相的绕组的一端连接，使得与多个相的一相相对应的交流电输入或输出。
第二逆变器220也可以具有与第一逆变器210的构造类似的构造。第二逆变器220可以包括多个支路，形成在直流链路电容器(其连接在电池230的两端之间)中的直流电压施加至所述多个支路。所述支路可以分别电连接至电机400的多个相。更具体地，第一支路可以包括彼此串联连接在直流电容器的两端之间的两个开关元件S21和S22，并且两个开关元件S21和S22的连接节点可以与电机400的一相的绕组的一端连接，使得与多个相的一相相对应的交流电输入或输出。同样，第二支路可以包括彼此串联连接在直流电容器的两端之间的两个开关元件S23和S24，并且两个开关元件S23和S24的连接节点可以与电机400的一相的绕组的一端连接，使得与多个相的一相相对应的交流电输入或输出。此外，第三支路可以包括彼此串联连接在直流电容器的两端之间的两个开关元件S25和S26，并且两个开关元件S25和S26的连接节点可以与电机400的一相的绕组的一端连接，使得与多个相的一相相对应的交流电输入或输出。
第一逆变器210可以与电机400的每个绕组的一端连接，第二逆变器220可以与电机400的绕组的另一端连接。也就是说，电机400的每个绕组的两端可以以开放端部绕组方案分别与第一逆变器210和第二逆变器220进行电连接。
在本发明的实施方案中，第三开关元件240可以布置为与电机400和第二逆变器220之间的每一相连接。图1中的实施方案示出了电子开关的示例，图2示出了第三开关元件240为机械开关。
当第三开关元件240关断时，电机400可以以开放端部绕组(open-end winding,OEW)模式驱动，从而实现高输出。当第三开关元件240接通时，电机400的绕组可以在第三开关元件240连接的位置之间形成Y型连接，并且可以构成中性端子。例如，当第三开关元件240接通、第二逆变器220的多个开关元件S21-S26全部关断且不运行并且第一逆变器210运行以驱动电机400时，电机400可以通过单个逆变器进行驱动。
第三开关元件240可以采用相应的技术领域中已知的各种开关装置，例如，MOSFET、IGBT、晶闸管和继电器。
基本上，控制器120可以是用于对包括在第一逆变器210和第二逆变器220中的开关元件S11-S16和S21-S26执行脉宽调制控制，使得可以基于电机400的所需输出来驱动电机400的元件。具体地，在本发明的各种实施方案中，控制器120可以基于电机400的所需输出确定待用于电机400的电机驱动的逆变器，可以基于确定结果而确定第三开关元件240的接通/关断状态，并且可以对已经确定驱动的逆变器的开关元件进行脉宽调制控制。
图3示出了根据本发明的实施方案的电机驱动装置的控制器120的配置。驾驶员所需的输出可以通过车辆控制单元(Vehicle Control Unit，VCU)100输入，并且可以通过扭矩指令连同第一逆变器的输入端电压和电机的转数一起输入至扭矩限制表202。可以从扭矩限制表202输出限制扭矩下的扭矩指令。扭矩指令可以连同磁通量一起输入至基于磁通量的电流指令映射装置206，使得可以导出所需电流IdqRef。在磁通量的情况下，可以将输入电压、电机转速、扭矩指令、所需电压VdqRef输入至磁通量控制器204，使得从中导出磁通量。
导出的所需电流IdqRef和反馈输出电流IdqAct可以输入至电流控制器200，并且可以输出所需电压VdqRef。所需电压VdqRef可以由坐标转换和SVPWM命令302生成，然后可以通过最小距离过调制304输入至逆变器。因此，可以通过输出电流IdqAct驱动电机400，并且输出电流可以再次进行坐标转换306并且反馈至电流控制器200。
当电机400的所需输出低于预定参考值时，控制器120可以对第一逆变器210的开关元件S11-S16执行脉宽调制控制而不运行第二逆变器220，从而驱动电机400(为了方便描述，称为“第一驱动模式”)。此时，控制器120可以将第三开关元件240控制为处于接通状态。因此，可以形成Y型连接并且可以驱动电机。如此，通过对一个逆变器执行脉宽调制控制来驱动电机400的各种技术在相关技术领域中是已知的，将省略在第一驱动模式下对逆变器执行脉宽调制控制的技术的详细描述。
当电机400的所需输出高于预定参考值时，控制器120可以运行第一逆变器210和第二逆变器220两者，以驱动电机400(为了方便描述，称为“第二驱动模式”)。此时，控制器120可以将第三开关元件240控制为处于关断状态。因此，电机400的一端可以与第一逆变器210连接，另一端可以与第二逆变器220连接。也就是说，在第二驱动模式下，电机400可以成为绕组的两端全部开放的开放端部绕组电机，并且可以通过对分别与绕组的两端连接的两个逆变器210和220执行脉宽调制控制来驱动电机400。
控制器120可以接收第一逆变器210和第二逆变器220的直流电压、由电流传感器检测并且提供至电机400的相电流以及由安装于电机400的电机转子传感器(未示出)检测的电机角度，并且对第一逆变器210的第一开关元件S11-S16和第二逆变器220的第二开关元件S21-S26执行脉宽调制控制，从而可以实现以第二驱动模式驱动电机。在相关技术领域中，对连接至开放端部绕组电机的绕组的两端的两个逆变器执行脉宽调制控制以驱动电机的各种技术是已知的。因此，将省略对在第二驱动模式下执行的逆变器的脉宽调制控制的附加的详细描述。
如上所述，根据本发明的实施方案的电机驱动装置可以在第一驱动模式下通过控制第一逆变器210来驱动Y型连接电机，并且可以在第二驱动模式下通过控制第一逆变器210和第二逆变器220来驱动开放端部绕组电机。当电机400应用于车辆的驱动时，主要的车辆操作点可以表现为在城市中行驶时的操作点和在高速公路上行驶时的操作点，并且这些操作点可以包括在电机-逆变器系统的效率较高的区域中。
第二驱动模式是驱动开放端部绕组电机的模式，已知在开放端部绕组驱动中，逆变器的输出可以配置为比仅通过一个逆变器驱动具有Y型连接的绕组并且具有相同匝数的电机的情况高倍。也就是说，当应用作为第二驱动模式的开放端部绕组驱动时，电机的匝数可以增加/>倍，因此，电机产生相同输出所需的电流输出可以减小/>倍。
因此，当应用开放端部绕组驱动模式时，与驱动Y型连接电机以产生相同的输出相比，可以减小逆变器的电流，从而提高效率，并且应用为开关元件的功率半导体的数量可以减少，从而降低材料成本。
当应用第二驱动模式时，电机输出可以增大，因此，主要操作点可能难以包括在电机-逆变器系统的电压利用率大于预定参考值并且确定为优良的区域中。因此，在包括主要操作点的低扭矩区域中，可以执行以第一驱动模式驱动电机400以提高效率的操作，并且在需要较高输出的区间中，可以执行以第二驱动模式驱动电机400以相对地减小逆变器输出功率并且减少所使用的功率半导体的数量的操作。
此外，为了进一步提高在包括主要操作点的低扭矩区域中执行的第一驱动模式的效率，可以采用由开关损耗相对较小的材料SiC制成的MOSFET作为应用于第一逆变器210的开关元件S11-S16。相反，可以采用由廉价的材料Si制成的IGBT作为应用于在高输出区域中运行的第二逆变器220的开关元件S21-S26。
因此，当与由一个逆变器驱动的传统典型的Y型连接电机相比，根据本发明的实施方案的电机驱动装置可以提高整个扭矩区间的效率，因此，可以有助于提高车辆燃料效率。
图4和图5是示出根据本发明的实施方案的电机驱动装置的控制器的扭矩限制表的示意图。如图3所述，控制器可以包括扭矩限制表，并且作为所需扭矩的驾驶员所需的输出可以连同第一逆变器的输入端电压和电机的转数(或转速)一起输入至扭矩限制表。可以从扭矩限制表输出限制扭矩下的扭矩指令。
如图4所示，电机系统可以在特定转速下执行线性控制的扭矩的最大幅度可以取决于基于转速和逆变器输入直流电压幅度确定的电压限制椭圆。在电机的基础RPM之后的区域中，当在电机系统矢量控制结构中接收到基于电压/转速特定扭矩限制表的输出扭矩指令T时，可以通过基于磁通量的电流指令映射装置在与T相对应的等扭矩曲线上形成电压限制椭圆内的电流指令。
如图4所示，在OEW模式(第二驱动模式)的正常行驶期间，能够控制的最大扭矩值为椭圆上的最高点T1。然而，如图5所示，在第二逆变器的PWM控制关断之后的CEW模式(第一驱动模式)运行期间，椭圆上的最高点可以下降至T2。此外，这可以是每个模式的理论上能够控制的扭矩限制值，并且考虑到副作用(例如，行驶时的扭矩振动等)，可以在扭矩限制表中限制为小于理论限制值的T2值和T3值。
因此，在CEW模式运行期间理论上能够控制的扭矩限制值比在OEW模式下小，因此，扭矩限制表也可以将该值限制为更小的值。从而，可以连续地进行行驶，但是可以减小在相同转速下产生的输出的幅度。
当控制器在用于高输出的第二驱动模式下运行电机时，第二逆变器可能发生故障。或者，在向第二驱动模式转变期间，第二逆变器可能发生故障，或者可能发现故障。
在这种情况下，在试图将扭矩限制表保持为图4中的第二驱动模式扭矩限制表的同时对第二逆变器进行控制时，第二逆变器可能不受控制，因此，车辆的行驶可能会停止，并且其他相关元件可能会依次发生故障。
因此，当第二逆变器发生故障时，控制器可以首先将扭矩限制表切换为图5中的第一驱动模式扭矩限制表，并且可以控制第三开关元件以在第一驱动模式下运行电机，从而即使不满足驾驶员的需求，但能够实现最小行驶，并且保持行驶安全性和组件耐用性。此外，可以通过单独的警告等引导驾驶员对车辆进行维护。
具体地，图6是根据本发明的实施方案的控制电机驱动装置的方法的流程图。本发明的控制电机驱动装置的方法可以包括：由控制器感测第二逆变器在第二驱动模式下是否发生故障(S100)；当第二逆变器发生故障时，由控制器将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表(S300)；由控制器基于第一驱动模式扭矩限制表、通过第一逆变器驱动电机(S400)。
此外，在通过第一逆变器驱动电机(S400)时，控制器可以将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表，然后控制第三开关元件，使得通过第一逆变器驱动电机。
在因驾驶员所需的输出较高而以第二驱动模式控制电机的情况下，当第二逆变器发生故障时，控制器可以首先确定第二逆变器是否发生故障并且第一逆变器是否正常运行(S100)。如果第一逆变器正常运行但第二逆变器发生故障，则控制器可以确定第二逆变器的故障是否为不能进行PWM控制(S200)。此外，最后，当确定出第二逆变器不能进行PWM控制时，控制器可以首先将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表(S300)。
此外，在切换完成之后，控制器可以接通第三开关元件以切换至第一驱动模式，并且可以执行电机控制(S400)。
因此，在对两个逆变器全部执行脉宽调制控制的开放端部绕组驱动模式下，即使一个逆变器发生故障，电机也可以由另一个逆变器稳定地驱动，从而提高系统稳定性和行驶便利性并且保持耐用性。
在上文中，已经结合具体实施方案对本发明进行了说明和描述。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在所附权利要求的范围内对本发明进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种电机驱动装置，其用于驱动具有分别对应于多个相的多个绕组的电机，所述电机驱动装置包括：
第一逆变器，其包括多个第一开关元件，并且与多个绕组的每个绕组的第一端连接；
第二逆变器，其包括多个第二开关元件，并且与多个绕组的每个绕组的第二端连接；
第三开关元件，其配置为使第二逆变器与电机连接或者断开；以及
控制器，其配置为通过对第三开关元件的控制来实现由第一逆变器和第二逆变器中的第一逆变器单独驱动电机的第一驱动模式以及由第一逆变器和第二逆变器驱动电机的第二驱动模式，所述控制器具有与每个驱动模式相对应的扭矩限制表，并且配置为当第二逆变器在第二驱动模式下发生故障时，将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表。
2.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，所述第三开关元件设置在第二逆变器与多个绕组的第二端之间。
3.根据权利要求2所述的电机驱动装置，其中，所述控制器配置为：在第一驱动模式下接通第三开关元件，使得第三开关元件作为Y型连接的中性端子，在第二驱动模式下关断第三开关元件，使得电机通过第一逆变器和第二逆变器驱动。
4.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，所述控制器配置为：当第二逆变器在第二驱动模式下发生故障时，将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表，然后控制第三开关元件以使第二逆变器与电机断开。
5.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，所述扭矩限制表是输入电机的转速和逆变器侧的输入电压而输出电机的最大控制扭矩的数据表。
6.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，所述控制器配置为：当第二逆变器在第二驱动模式下发生故障时，如果不能进行第二逆变器的脉宽调制控制，则将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表。
7.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，所述控制器配置为：当电机的所需输出低于预定参考值时，将电机控制为处于第一驱动模式，当电机的所需输出高于预定参考值时，将电机控制为处于第二驱动模式。
8.根据权利要求1所述的电机驱动装置，其中，所述控制器配置为基于第一驱动模式扭矩限制表控制电机。
9.一种控制权利要求1的电机驱动装置的方法，所述方法包括：
由控制器感测第二逆变器在第二驱动模式下是否发生故障；
当第二逆变器发生故障时，由控制器将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表；
由控制器基于第一驱动模式扭矩限制表、通过第一逆变器驱动电机。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在通过第一逆变器驱动电机的步骤中，控制器将扭矩限制表切换为第一驱动模式扭矩限制表，然后控制第三开关元件，使得通过第一逆变器驱动电机。
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