CN209642581U - 电动汽车用永磁容错电机驱动系统 - Google Patents

电动汽车用永磁容错电机驱动系统 Download PDF

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王绍帅
李运之
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Abstract

本实用新型公开了一种电动汽车用永磁容错电机驱动系统。该系统包括永磁容错电机、功率开关管、制动电阻、两个双向晶闸管、独立直流电源和两个电解电容。方法为：采集电机绕组的电流和转子位置角，求出转子机械角速度；将电流送入故障诊断器进行故障诊断，诊断出的故障信号送入故障处理器进行处理，并将相应的双向晶闸管变为闭合状态；将给定转子机械角速度和实际转子机械角速度分别通过PI调节器输出给定转矩，然后将给定转矩、转子位置角和故障结果送入直接电流控制器，处理后输出各相电流给定值，得出逆变器驱动信号，驱动电机容错运行。本实用新型可靠性高、容错能力强、电机输出性能高，能够实现不同电气故障单独或同时出现的容错运行。

Description

电动汽车用永磁容错电机驱动系统
技术领域
本实用新型涉及永磁容错电机驱动系统领域，特别是一种电动汽车用永磁容错电机驱动系统。
背景技术
新能源汽车的大规模发展能有效缓解我国能源和环境压力，是推动汽车产业技术创新与转型升级的重要战略举措。在2015年5月国务院发布的《中国制造2025》中，指出到2020年中国将成为全球第一大新能源汽车市场，并将节能与新能源汽车列为未来重点发展的十大领域之一。在2016年11月国务院发布的《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中，指出将新能源汽车列为需要加快发展壮大的战略性新兴产业之一。在最新的《国家节能与新能源汽车技术路线图》中指出，到2030年新能源汽车销量占汽车总体销量的比例将达到40％以上。电动汽车作为新能源汽车的重要组成部分，在国家与地方的产业政策和各种研发计划的支持和推动下，我国电动汽车产业发展较快，电动汽车总量已达世界前列。电动汽车电驱动系统是整车系统的心脏，主要由驱动电机、驱动拓扑以及控制技术构成，其相关研发一直受到整车企业、专业厂家、科研院所和高等院校的关注，各项新技术层出不穷，甚至在部分核心技术上取得了重大突破。
但是，由于电动汽车目前存在当电动汽车工作于雨雪、高低温等恶劣环境下适应能力差的问题，以及当电动汽车电驱动系统发生故障，将危及人身安全的问题。尤其是在高速公路场景中，一旦汽车的驱动系统发生故障，在惯性的作用下，汽车将陷入不可预测的非人为控制状态，引发严重的交通事故。因此，针对电动汽车电驱动系统，除了要满足特定功能外，还必须具备高可靠性和强容错性。
在电动汽车电驱动系统中，永磁同步电机具有高转矩密度、高控制精度、低噪声以及良好的转矩平稳性的特点，是一种比较理想的驱动电机，广泛应用于电动汽车中。与传统的三相永磁同步电机相比，永磁容错电机除了具有永磁电机的优点外，还具备高可靠性和强容错性，是电动汽车用高可靠性电驱动系统的理想选择。然而，当前的永磁容错电机驱动系统所需独立电源数较多，功率开关管数量多，整体容量功率比不够大，可靠性和容错能力上还待进一步提高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单、整体容量功率大、可靠性高、容错能力强的电动汽车用永磁容错电机驱动系统。
实现本实用新型目的的技术方案为：一种电动汽车用永磁容错电机驱动系统，其中永磁容错电机的定子中包括两套电枢绕组，该两套电枢绕组分别通过三相全桥驱动电路控制；
该系统还包括：功率开关管与制动电阻组成的制动电路，以及两个串联后接入系统电源两端的电解电容；
所述两套电枢绕组的中性点分别通过一个双向晶闸管接入两个电解电容的中点，实现系统容错运行。
进一步地，所述永磁容错电机，为外转子轮毂式永磁容错电机，其定子中包括两套相互独立且对称的三相单层集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为ABC绕组和XYZ绕组。
进一步地，所述两套电枢绕组分别通过三相全桥驱动电路控制，具体为：
所述第一～第十二功率开关管，组成两套三相全桥驱动电路，由第一～第六功率开关管组成的三相全桥驱动电路控制永磁容错电机的ABC绕组，由第七～第十二功率开关管组成的三相全桥驱动电路控制永磁容错电机的XYZ绕组；
所述第一、三、五、七、九、十一功率开关管的集电极接入系统电源的正极，所述第二、四、六、八、十、十二功率开关管的发射极接入系统电源的负极，第一、三、五、七、九、十一功率开关管的发射极分别与第二、四、六、八、十、十二功率开关管的集电极连接；永磁容错电机的ABC绕组的A、B、C绕组接线端分别接入第一～二功率开关管的中点、第三～四功率开关管的中点、第五～六功率开关管的中点；永磁容错电机的XYZ绕组的X、Y、Z绕组接线端分别接入第七～八功率开关管的中点、第九～十功率开关管的中点、第十一～十二功率开关管的中点。
进一步地，所述功率开关管与制动电阻组成的制动电路，具体为：
第十三功率开关管和制动电阻组成制动电路，其中第十三功率开关管的发射极接入系统电源负极、集电极通过制动电阻接入系统电源的正极。
进一步地，两个电解电容为第一电解电容、第二电解电容，两个双向晶闸管为第一双向晶闸管、第二双向晶闸管；
所述第一双向晶闸管一端连接ABC绕组的中性点，另一端连接第一电解电容、第二电解电容的中点，第二双向晶闸管一端连接XYZ绕组的中性点，另一端连接第一电解电容、第二电解电容的中点；
所述系统电源为独立直流电源，第一双向晶闸管、第二双向晶闸管在系统正常运行时处于断开状态，当系统ABC绕组出现故障时，第一双向晶闸管处于开通状态，实现容错运行；当系统XYZ绕组出现故障时，第二双向晶闸管处于开通状态，实现系统容错运行。
本实用新型与现有技术相比，其显著优势在于：(1)比双余度电机容错驱动系统具有更强的容错能力，同时比开关磁阻电机容错驱动系统具有更好的电机输出性能，有效提高了系统的安全可靠性；(2)所需独立电源和功率开关管数量少、结构简单，具有能耗制动功能，当电动汽车故障后不需要停机或锁死；(3)能够实现系统功率开关管开路和短路故障、电机绕组开路和短路故障以及多相绕组或多个功率开关管同时故障的容错运行。
附图说明
图1为本实用新型电动汽车用永磁容错电机驱动系统的拓扑结构示意图。
图2为本实用新型电动汽车用永磁容错电机驱动系统的控制方法框图。
具体实施方式
本实用新型电动汽车用永磁容错电机驱动系统，其中永磁容错电机的定子中包括两套电枢绕组，该两套电枢绕组分别通过三相全桥驱动电路控制；
该系统还包括：功率开关管与制动电阻组成的制动电路，以及两个串联后接入系统电源两端的电解电容；
所述两套电枢绕组的中性点分别通过一个双向晶闸管接入两个电解电容的中点，实现系统容错运行。
作为一种具体示例，所述永磁容错电机，为外转子轮毂式永磁容错电机，其定子中包括两套相互独立且对称的三相单层集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为ABC绕组和XYZ绕组。
作为一种具体示例，所述两套电枢绕组分别通过三相全桥驱动电路控制，具体为：
所述第一～第十二功率开关管T1～T12，组成两套三相全桥驱动电路，由第一～第六功率开关管T1～T6组成的三相全桥驱动电路控制永磁容错电机的ABC绕组，由第七～第十二功率开关管T7～T12组成的三相全桥驱动电路控制永磁容错电机的XYZ绕组；
所述第一、三、五、七、九、十一功率开关管T1、T3、T5、T7、T9、T11的集电极接入系统电源的正极，所述第二、四、六、八、十、十二功率开关管T2、T4、T6、T8、T10、T12的发射极接入系统电源的负极，第一、三、五、七、九、十一功率开关管T1、T3、T5、T7、T9、T11的发射极分别与第二、四、六、八、十、十二功率开关管T2、T4、T6、T8、T10、T12的集电极连接；永磁容错电机的ABC绕组的A、B、C绕组接线端分别接入第一～二功率开关管T1～T2的中点、第三～四功率开关管T3～T4的中点、第五～六功率开关管T5～T6的中点；永磁容错电机的XYZ绕组的X、Y、Z绕组接线端分别接入第七～八功率开关管T7～T8的中点、第九～十功率开关管T9～T10的中点、第十一～十二功率开关管T11～T12的中点。
作为一种具体示例，所述功率开关管与制动电阻组成的制动电路，具体为：
第十三功率开关管Ts和制动电阻Rs组成制动电路，其中第十三功率开关管Ts的发射极接入系统电源负极、集电极通过制动电阻Rs接入系统电源的正极。
作为一种具体示例，两个电解电容为第一电解电容C1、第二电解电容C2，两个双向晶闸管为第一双向晶闸管TR1、第二双向晶闸管TR2；
所述第一双向晶闸管TR1一端连接ABC绕组的中性点，另一端连接第一电解电容C1、第二电解电容C2的中点，第二双向晶闸管TR2一端连接XYZ绕组的中性点，另一端连接第一电解电容C1、第二电解电容C2的中点；
所述系统电源为独立直流电源，第一双向晶闸管TR1、第二双向晶闸管TR2在系统正常运行时处于断开状态，当系统ABC绕组出现故障时，第一双向晶闸管TR1处于开通状态，实现容错运行；当系统XYZ绕组出现故障时，第二双向晶闸管TR2处于开通状态，实现系统容错运行。
一种电动汽车用永磁容错电机驱动系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，分别采集永磁容错电机绕组中绕组A、B、C和绕组X、Y、Z的电流iA、iB、iC和iX、iY、iZ，以及采集转子位置角θ，并对转子位置角求微分得到转子机械角速度ωr；
步骤2，将采集到的电流iA、iB、iC、iX、iY、iZ送入故障诊断器进行故障诊断，若诊断出无故障，系统即为正常运行状态，故障处理器不进行处理，双向晶闸管TR1、TR2保持常开状态；
若诊断出有故障，系统即为故障运行状态，故障诊断器将诊断出的故障信号送入故障处理器进行处理，当诊断出的故障信号显示系统ABC绕组出现故障时，故障处理器控制第一双向晶闸管TR1由常开状态变为闭合状态，当诊断出的故障信号显示系统XYZ绕组出现故障时，故障处理器控制第二双向晶闸管TR2由常开状态变为闭合状态；
步骤3，将永磁容错电机给定转子机械角速度ω*和采集到的实际转子机械角速度ωr分别通过PI调节器输出给定转矩T*，然后将给定转矩T*、转子位置角θ以及故障处理器输出的故障结果送入直接电流控制器，通过直接电流控制器进行给定电流运算后输出各相电流给定值，接着通过电流控制器输出逆变器驱动信号驱动电机容错运行。
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。
实施例
结合图1，本实用新型电动汽车用高可靠永磁容错电机驱动系统，包括高可靠性的永磁容错电机、第一～第十三功率开关管、制动电阻、第一双向晶闸管、第二双向晶闸管、独立直流电源、第一电解电容和第二电解电容；
所述高可靠性永磁容错电机，为外转子轮毂式永磁容错电机，其定子中包括两套相互独立且对称的三相单层集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为ABC绕组和XYZ绕组；
所述第一～第十二功率开关管，组成两套三相全桥驱动电路，分别为第一～第六功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6和第七～第十二功率开关管T7、T8、T9、T10、T11、T12，高可靠性永磁容错电机的ABC绕组是由第一～第六功率开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6组成的三相全桥驱动电路进行控制，XYZ绕组是由第七～第十二功率开关管T7、T8、T9、T10、T11、T12组成的三相全桥驱动电路进行控制；
所述第十三功率开关管Ts和制动电阻Rs组成系统的制动电路；
所述第一双向晶闸管TR1和TR2，TR1一端连接ABC绕组的中性点，另一端连接第一电解电容C1、第二电解电容C2的中点，第二双向晶闸管TR2一端连接XYZ绕组的中性点，另一端连接两个第一电解电容C1、第二电解电容C2的中点；
所述独立直流电源为系统进行供电，第一电解电容C1、第二电解电容C2串联后接入独立电源的两端，第一双向晶闸管TR1、第二双向晶闸管TR2在系统正常运行时处于断开状态，当系统ABC绕组出现故障时，第一双向晶闸管TR1处于开通状态，实现容错运行；当系统XYZ绕组出现故障时，第二双向晶闸管TR2处于开通状态，实现系统容错运行。
结合图2，本实用新型电动汽车用永磁容错电机驱动系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤1，分别采集永磁容错电机绕组中绕组A、B、C和绕组X、Y、Z的电流iA、iB、iC和iX、iY、iZ，以及采集转子位置角θ，并对转子位置角求微分得到转子机械角速度ωr；
步骤2，将采集到的电流iA、iB、iC、iX、iY、iZ送入故障诊断器进行故障诊断，若诊断出无故障，系统即为正常运行状态，故障处理器不进行处理，双向晶闸管TR1、TR2保持常开状态；
若诊断出有故障，系统即为故障运行状态，故障诊断器将诊断出的故障信号送入故障处理器进行处理，当诊断出的故障信号显示系统ABC绕组出现故障时，故障处理器控制第一双向晶闸管TR1由常开状态变为闭合状态，当诊断出的故障信号显示系统XYZ绕组出现故障时，故障处理器控制第二双向晶闸管TR2由常开状态变为闭合状态；
步骤3，再将永磁容错电机给定转子机械角速度ω*和采集到的实际转子机械角速度ωr分别通过PI调节器输出给定转矩T*，然后将给定转矩T*、转子位置角θ以及故障处理器输出的故障结果送入直接电流控制器进行处理，通过直接电流控制器处理后输出各相电流给定值，接着通过电流控制器输出逆变器驱动信号驱动电机容错运行。
综上可知，本实用新型电动汽车用永磁容错电机驱动系统，能有效提高系统的安全可靠性，相比于双余度电机容错驱动系统具有更强的容错能力，相比于开关磁阻电机容错驱动系统具有更好的电机输出性能。本实用新型所需独立电源和功率开关管数量少，结构简单；具有高可靠性和强容错性，具有能耗制动功能，当电动汽车故障后不需要停机或锁死，能够实现系统功率开关管开路和短路故障、电机绕组开路和短路故障以及多相绕组或多个功率开关管同时故障的容错运行。

Claims (5)

1.一种电动汽车用永磁容错电机驱动系统，其特征在于，其中永磁容错电机的定子中包括两套电枢绕组，该两套电枢绕组分别通过三相全桥驱动电路控制；
该系统还包括：功率开关管与制动电阻组成的制动电路，以及两个串联后接入系统电源两端的电解电容；
所述两套电枢绕组的中性点分别通过一个双向晶闸管接入两个电解电容的中点，实现系统容错运行。
2.根据权利要求1所述的电动汽车用永磁容错电机驱动系统，其特征在于，所述永磁容错电机，为外转子轮毂式永磁容错电机，其定子中包括两套相互独立且对称的三相单层集中式隔齿绕制的电枢绕组，分别为ABC绕组和XYZ绕组。
3.根据权利要求1或2所述的电动汽车用永磁容错电机驱动系统，其特征在于，所述两套电枢绕组分别通过三相全桥驱动电路控制，具体为：
第一～第十二功率开关管(T1～T12)，组成两套三相全桥驱动电路，由第一～第六功率开关管(T1～T6)组成的三相全桥驱动电路控制永磁容错电机的ABC绕组，由第七～第十二功率开关管(T7～T12)组成的三相全桥驱动电路控制永磁容错电机的XYZ绕组；
所述第一、三、五、七、九、十一功率开关管(T1、T3、T5、T7、T9、T11)的集电极接入系统电源的正极，所述第二、四、六、八、十、十二功率开关管(T2、T4、T6、T8、T10、T12)的发射极接入系统电源的负极，第一、三、五、七、九、十一功率开关管(T1、T3、T5、T7、T9、T11)的发射极分别与第二、四、六、八、十、十二功率开关管(T2、T4、T6、T8、T10、T12)的集电极连接；永磁容错电机的ABC绕组的A、B、C绕组接线端分别接入第一～二功率开关管(T1～T2)的中点、第三～四功率开关管(T3～T4)的中点、第五～六功率开关管(T5～T6)的中点；永磁容错电机的XYZ绕组的X、Y、Z绕组接线端分别接入第七～八功率开关管(T7～T8)的中点、第九～十功率开关管(T9～T10)的中点、第十一～十二功率开关管(T11～T12)的中点。
4.根据权利要求1或2所述的电动汽车用永磁容错电机驱动系统，其特征在于，所述功率开关管与制动电阻组成的制动电路，具体为：
第十三功率开关管(Ts)和制动电阻(Rs)组成制动电路，其中第十三功率开关管(Ts)的发射极接入系统电源负极、集电极通过制动电阻(Rs)接入系统电源的正极。
5.根据权利要求1或2所述的电动汽车用永磁容错电机驱动系统，其特征在于，两个电解电容为第一电解电容(C1)、第二电解电容(C2)，两个双向晶闸管为第一双向晶闸管(TR1)、第二双向晶闸管(TR2)；
所述第一双向晶闸管(TR1)一端连接ABC绕组的中性点，另一端连接第一电解电容(C1)、第二电解电容(C2)的中点，第二双向晶闸管(TR2)一端连接XYZ绕组的中性点，另一端连接第一电解电容(C1)、第二电解电容(C2)的中点；
所述系统电源为独立直流电源，第一双向晶闸管(TR1)、第二双向晶闸管(TR2)在系统正常运行时处于断开状态，当系统ABC绕组出现故障时，第一双向晶闸管(TR1)处于开通状态，实现容错运行；当系统XYZ绕组出现故障时，第二双向晶闸管(TR2)处于开通状态，实现系统容错运行。
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