电动驱动容错控制装置以及电动设备的制作方法

本发明属于电机领域，特别涉及一种具有容错功能的电动驱动容错控制装置以及电动设备。

背景技术：

在现今的社会，对环境保护的要求越来越高，各种设备的环保标准也随之提高。为了更好地保护环境，国家下发了各种政策并大力推广新能源以及可再生能源。

目前，将电能作为各种设备的动力已是现今设备发展的主流。将电作为能源的电动设备如电动汽车、电动叉车也越来越受到生产商和消费者的青睐。电动设备不但污染小、可以通过可再生能源提供电能，而且，与燃油设备相比，它还具有能源利用率高、结构简单、噪声小、动态性能好和便携性高等优点。在石油资源越来越紧张的形势下，大力发展电驱动装置，特别是大功率电驱动装置如电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰等等，对于国防安全具有深远的意义。

在高性能多相电机控制系统中，为了提高电机的控制精度和动态响应特性，一般都实施电流闭环控制，当电机电枢绕组的连接方式是星形联结或多角形环形联结时，需要检测k相电机至少(k-1)相的线电流，需要配备(k-1)个电流检测单元。

在现行的电动驱动装置中，对功率开关管的要求极为苛刻，在正常工作时，功率开关管必须在最大工作温度、最大工作电流和最大工作电压以下工作，一旦超过任意一个条件，功率开关管就会损坏；此外，当电子电路中的元器件参数的变化超出正常工作范围时，可能在功率开关管中产生过电压或过电流，导致功率开关管损坏进而引起电动设备故障；另外，随着工作时间的增加，功率开关管发生老化，最大工作温度、最大工作电流和最大工作电压都随之降低，极易发生功率开关管损坏失效的情况，进而导致连接该功率开关管的电机电枢绕组断路或短路。

在电动驱动装置中，电机电枢绕组断路或短路以后，电机绕组中的线电流必然不平衡，导致其所产生的电磁力矩不平衡，引起力矩振荡、噪声或无法输出力矩，影响到设备的正常工作，甚至危害到财产和生命安全。

如图2所示，在现有技术中常见的大电流多相电机和功率变换器的电路结构示意图中，功率变换器或者多相电机出现故障以后直接影响到了电动驱动装置和电动设备的可靠性和安全性，在高速工作状态下，危害更加严重。

大功率电动驱动装置和电动设备，特别是低压大电流电动驱动装置和电动设备，需要连续工作电流很大的控制器或功率变换器，而相关的技术和产品被个别国家和公司控制和垄断，导致价格很高，而且市场上能够采购到的高性能电机控制器或功率变换器输出的线电流值也仅仅是在一千安培以下。归根到底，就是生成制造水平限制了单个功率开关管的电流值、多个功率开关管的并联均流技术无法满足线性规律或者控制电路和算法过于复杂等原因，严重制约和影响了低压大电流电动驱动装置和电动设备的发展。

另外，在大功率、特别是兆瓦级电机中，电流值远超过功率开关管可承受的最大连续工作电流，所以采用通过增加电机的相数来减小电机的线电流。但是，高相数的电机的设计、制造和控制方法均有别于传统的设计、制造和控制方法，这不仅增加了生产的成本、难度和复杂性，而且在相关技术尚未成熟时，无法进行应用和普及，制约了大功率电机、电动驱动装置和电动设备特别是电动军事设备的发展。

综上，这些问题已经严重影响了高性能大功率电动设备，包括低压大电流的电动车、电动船，甚至国防上的电动战车、电动军舰、电动飞行器和电驱动航空母舰的发展。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种电动驱动容错控制装置以及电动设备。

本发明提供了一种电动驱动容错控制装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，包括：多相电机，其多相电机绕组的相数为k，具有额定线电压和额定线电流；直流电源，具有与多相电机的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与额定线电流相对应的线电流；指令发送部，发送与多相电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；电流传感器，检测构成多相电机绕组的多相绕组单元的线电流值，并发送对应的电流反馈信号；输出传感器，检测多相电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；控制器，根据指令信号、电流反馈信号和输出反馈信号计算并输出电机控制信号，根据电流反馈信号并按预定控制规则输出运行控制信号；驱动器，在运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据运行控制信号产生驱动信号；功率变换器，在驱动信号的作用下将直流电转换为多相电机需要的线电流，具有这样的特征：其中，多相电机绕组具有(k-1)(i+j)个相互独立且参数相同的多相绕组单元，功率变换器具有与(k-1)(i+j)个多相绕组单元一一对应连接的(k-1)(i+j)个相互独立且参数相同的功率变换单元，每个功率变换单元具有k个功率变换电路向对应的多相绕组单元提供k路线电流，驱动器具有(k-1)(i+j)个相互独立且参数相同的驱动单元，分别与(k-1)(i+j)个功率变换单元相连接，电流传感器具有与(k-1)(i+j)个功率变换单元一一对应连接的(k-1)(i+j)个相互独立且参数相同的电流检测单元，检测每一相的输出线电流的电流检测单元的数量都等于(i+j)，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数，i是冗余数且为自然数。

在本发明提供的电动驱动容错控制装置中，还可以具有这样的特征：其中，当功率变换单元的单个功率变换电路正常输出的最大连续工作电流有效值为I₁，多相电机的最大线电流有效值为I_N时，多相绕组单元的个数j满足下述条件：(k-1)j＞I_N÷I₁，k为大于2的正整数，j为大于1的正整数。

在本发明提供的电动驱动容错控制装置中，还可以具有这样的特征：其中，多相电机为异步电机、同步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机中的任意一种，多相电机绕组的并绕根数能被多相绕组单元的个数(k-1)(i+j)整除，多相绕组单元在电枢上是对称分布的，多相绕组单元的连接方式可以是星形联结或多角形环形联结，多相电机绕组和多相绕组单元的绕组相数、绕组相序、绕组匝数、绕组连接方式和额定电压相同。

在本发明提供的电动驱动容错控制装置中，还可以具有这样的特征：其中，直流电源是电池或整流电源。

在本发明提供的电动驱动容错控制装置中，还可以具有这样的特征：其中，功率变换单元是由智能功率模块构成的或者包含多个类型和参数相同的功率开关管，功率开关管为电力场效应晶体管(PowerMOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力双极型晶体管(GTR)和门极换流晶闸管(SGCT)中的任意一种。

进一步，本发明还提供了一种含有上述电动驱动容错控制装置的电动设备。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的电动驱动容错控制装置以及电动设备，(k-1)(i+j)个驱动单元都是相互独立且参数相同的，(k-1)(i+j)个功率变换单元都是相互独立且参数相同的，(k-1)(i+j)个多相绕组单元也是相互独立且参数相同的，(k-1)(i+j)个电流检测单元也是相互独立且参数相同的，功率变换单元中同一相的输出线电流的电流检测单元数相等且等于(i+j)，每一个驱动单元和对应连接的一个功率变换单元、一个多相绕组单元和一个电流检测单元构成一个主电路单元，正常状态下，只需要(k-1)j个主电路单元就可以保证电动驱动容错控制装置和电动设备正常工作，其他的(k-1)i个主电路单元是冗余的，有助于提高系统的可靠性和安全性。所以，当任意一个驱动单元、功率变换单元、多相绕组单元或电流检测单元产生故障时，本发明的电动驱动容错控制装置以及电动设备通过检测计算所有多相绕组单元同一相的线电流值判断出发生故障的主电路单元，控制器输出运行控制信号令对应的驱动单元停止工作，从而将故障的主电路单元进行屏蔽隔离，并启动冗余的主电路单元，保证了电动设备的正常运行，避免在运行过程中由于突发故障导致性能指标突变产生的损失，也大幅度地减小了高速运行的电动设备的安全事故发生的概率。

另外，在启动过程中、紧急反接制动过程中、执行紧急任务时，都需要更大的电机电流，这时，可以把冗余的(k-1)i个主电路单元部分或全部投入使用，提高多相电机的电流，进而提高输出转速或转矩，或者减小功率变换单元和多相绕组单元的电流从而降低功率开关管和电机的发热量和温升，提高电动驱动容错控制装置和电动设备的快速性、安全性和灵活性。

根据本发明所涉及的电流传感器，电流传感器具有(k-1)(i+j)个电流检测单元，检测每一相的输出线电流的电流检测单元数都等于(i+j)，在不同功率变换单元中同相的输出线电流值是相等的，所以，控制器只需要从正常工作的功率变换单元输出线电流中每相提取一个信号就能满足电流闭环控制的需求。另外，采用数量最少的电流检测单元不仅可以满足容错和控制的需求，而且还避免了在每个功率变换单元中配备(k-1)个电流检测单元，即减少了(k-2)(k-1)(i+j)个电流检测单元，降低了成本，提高了可靠性和安全性。

综上，本发明的电动驱动容错控制装置具有结构设计简单、合理，成本低，工作性能稳定、响应快速、安全可靠，使用寿命长等优点。

附图说明

图1是本发明的实施例中电动驱动容错控制装置的电路结构示意图；以及

图2是现有技术中常见的大电流多相电机和功率变换器的电路结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

电动驱动容错控制装置10设置在电动设备如电动工具、四轴飞行器、电动汽车、电动船舶、电动叉车、电动军事设备内，用于驱动电动设备。

图1是本实施例中的电动驱动容错控制装置的电路结构示意图。

如图1所示，电动驱动容错控制装置10包括多相电机11、直流电源12、指令发送部13、电流传感器14、输出传感器15、控制器16、驱动器19以及功率变换器20。

多相电机11的相数为k，具有额定线电压以及额定线电流。多相电机11为异步电机、同步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机中的任意一种。在本实施例中，多相电机11为异步电机。

在本实施例中，k为三，即多相电机11为三相电机，相应的，多相绕组单元111为三相绕组单元，每个三相绕组单元具有三个独立的绕组A、B、C。

多相电机11具有一个电枢以及安装在电枢上的对称分布的多相电机绕组，其连接方式可以是星形联结或多角形环形联结。在本实施例中，多相电机绕组的组数与电枢的个数相同，当电枢数目为两个及以上时，采用两组及以上的多相电机绕组。每组多相电机绕组包括2(i+j)个相互独立且参数相同的多相绕组单元111，2(i+j)的个数可以通过多相电机11绕组的并绕根数进行平均拆分，j的个数大于等于2。拆分前后，多相电机绕组和2(i+j)个多相绕组单元的绕组相数、绕组相序、绕组匝数、绕组连接方式和额定电压保持不变。在本实施例中，电枢的个数为一。

直流电源12具有与多相电机11的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与电机额定线电流相对应的直流电。在本实施例中，直流电源是电池或整流电源。

指令发送部13发送与多相电机11输出的转速或转矩的值相对应的指令信号。

电流传感器14检测功率变换单元输出的线电流并输出相对应的电流反馈信号。电流反馈信号被控制器16接收。电流传感器14具有与2(i+j)个功率变换单元一一对应连接的2(i+j)个相互独立且参数相同的电流检测单元141。

(i+j)个电流检测单元141检测功率变换单元输出的B相线电流并输出相对应的电流反馈信号，另外的(i+j)个电流检测单元141检测功率变换单元输出的C相线电流并输出相对应的电流反馈信号。即：检测每一相的输出线电流的电流检测单元141的数量都等于(i+j)。电流反馈信号被控制器16接收。

输出传感器15检测多相电机输出的转速或力矩并输出相对应的输出反馈信号。输出反馈信号被控制器16接收。

控制器16根据指令发送部13的指令信号、电流传感器14的电流反馈信号和输出传感器15的输出反馈信号计算输出电机控制信号17和驱动单元的运行控制信号18。

驱动器19根据电机控制信号17控制功率变换单元输出多相电机11所需电流的信号。驱动器19在工作状态下根据运行控制信号18产生驱动功率变换电路工作的驱动信号。

驱动器19具有2(i+j)个相互独立且参数相同的驱动单元191，所有驱动单元191同步接收控制器16发出的电机控制信号17和运行控制信号18，2(i+j)个驱动单元191分别与2(i+j)个功率变换单元201相连接。驱动单元191根据运行控制信号18进入工作状态或停止状态。每个驱动单元191都可以发出A相驱动信号、B相驱动信号以及C相驱动信号，该三相驱动信号分别驱动A相功率变换电路201a、B相功率变换电路201b以及C相功率变换电路201c中的功率开关管，使其导通或关闭。

功率变换器20在驱动信号的作用下将直流电转换为多相电机11所需要的电压和电流。功率变换器20包括分别与2(i+j)个多相绕组单元111相对应的2(i+j)个功率变换单元201。

每个功率变换单元201具有三个相互并列连接、结构和参数都相同的A相功率变换电路201a、B相功率变换电路201b以及C相功率变换电路201c。A相功率变换电路201a连接着绕组单元111中A相绕组和C相绕组的连接点，B相功率变换电路201b连接着绕组单元111中B相绕组和A相绕组的连接点，功率变换电路201c连接着绕组单元111中C相绕组和B相绕组的连接点，分别向对应的多相绕组单元提供线电流。

每个功率变换电路含有两个功率开关管。两个功率开关管具有相同的最大连续工作电流。只有工作电流在最大连续工作电流以下时，功率开关管才有可能长期稳定运行，如果工作电流超过这个电流值，功率开关管就会由于过流而被击穿损坏。

在本实施例中，为了满足控制器电流闭环控制的需求，需要从功率变换器中至少检测到2个不同相的线电流，由于每个驱动单元及其相连接的功率变换单元、多相绕组单元和电流检测单元都可能出现故障导致被隔离屏蔽，常规技术是在每个功率变换单元中至少配备2个电流检测单元，总共配备4(i+j)个电流检测单元以上，而本发明将电流检测单元分成2组，每组检测同相的输出线电流，总共配备了2(i+j)个电流检测单元。不但减少了元器件的数量和成本，也提高了系统的可靠性和安全性。在本实施例中，功率变换单元201可以由智能功率模块构成，也可以采用多个类型和参数相同的功率开关管组合而成。

功率开关管为电力场效应晶体管(Power MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力双极型晶体管中(GTR)和门极换流晶闸管(SGCT)中的任意一种。

在本实施例中，2(i+j)个相互独立的驱动单元191分别与2(i+j)个相互独立且参数相同的功率变换单元201相连接并给2(i+j)个相互独立且参数相同的多相绕组单元111供电。每一个驱动单元191和对应连接的一个功率变换单元201、一个多相绕组单元111和一个电流检测单元141构成一个主电路单元。当任意一个驱动单元、功率变换单元、多相绕组单元或电流检测单元产生故障时，电动驱动容错控制装置通过检测计算所有多相绕组单元同一相的线电流值判断出发生故障的主电路单元，控制器输出运行控制信号令对应的驱动单元停止工作，从而将故障的主电路单元进行屏蔽隔离，并启动冗余的主电路单元。

本实施例中的多相绕组单元的j为整数且满足如下条件：(k-1)j＞I_N÷I₁，该式中I₁是功率变换单元的单个功率变换电路正常输出的最大连续工作电流有效值为，I_N是多相电机的最大线电流有效值。

对于功率变换器20来说，任意一个功率变换单元201的输出电流仅仅与其相连接的多相绕组单元有关系，与其他的多相绕组单元及其对应的功率变换单元没有任何电的耦合联系。也就是说，不存在功率开关管并联的现象，因此，消除了大电流电机驱动装置中功率开关管并联均流的问题。

在电动驱动容错控制装置10中，每一个驱动单元连接着一个功率变换单元和一个多相绕组单元。驱动单元在工作状态下输出驱动信号，在停止状态下不输出驱动信号。

本实施例中，预定控制规则为：2(i+j)个电流传感器14中，如果同相的电流反馈信号中有一个连续为零而其他电流反馈信号都为非零时，控制器判断为对应的主电路单元断路故障；如果同相的电流反馈信号中有一个电流反馈信号连续大于其他电流反馈信号平均值的1.5倍时，控制器判断对应的主电路单元短路故障；控制器输出运行控制信号使得对应的故障驱动单元进入停止状态，从而将损坏的主电路单元进行屏蔽隔离。

电动驱动容错控制装置10在正常工作状态下，控制器输出2j个运行控制信号令2j个驱动单元及其对应的2j个功率变换单元和2j个多相绕组单元处于工作状态，输出2i个运行控制信号令2i个驱动单元及其对应的2i个功率变换单元和2i个多相绕组单元处于停止状态。其中，2j个运行控制信号可以是控制固定的2j个驱动单元，也可以是在对应的功率变换单元和多相绕组单元都没有故障的驱动单元中轮流提取出2j个进行控制。当驱动单元及其连接的功率变换单元和多相绕组单元出现故障的数量大于i时，控制器输出运行控制信号令剩余的驱动单元全部处于工作状态，并限制电机的最大输出转速或转矩，工作在低速或轻载状态。当电动驱动容错控制装置10在启动过程、紧急反接制动过程、执行紧急任务等场合，可以把2(i+j)个功率变换单元和2(i+j)个多相绕组单元的无故障部分全部投入使用，提高多相电机的电流，进而提高输出转速或转矩，或者减小功率变换单元和多相绕组单元的电流从而降低功率开关管和电机的发热量和温升，提高电动驱动容错控制装置和电动设备的快速性、安全性和灵活性。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的电动驱动容错控制装置以及电动设备，(k-1)(i+j)个驱动单元都是相互独立且参数相同的，(k-1)(i+j)个功率变换单元都是相互独立且参数相同的，(k-1)(i+j)个多相绕组单元也是相互独立且参数相同的，(k-1)(i+j)个电流检测单元也是相互独立且参数相同的，功率变换单元中同一相的输出线电流的电流检测单元数相等且等于(i+j)，每一个驱动单元和对应连接的一个功率变换单元、一个多相绕组单元和一个电流检测单元构成一个主电路单元，正常状态下，只需要(k-1)j个主电路单元就可以保证电动驱动容错控制装置和电动设备正常工作，其他的(k-1)i个主电路单元是冗余的，有助于提高系统的可靠性和安全性。所以，当任意一个驱动单元、功率变换单元、多相绕组单元或电流检测单元产生故障时，本实施例的电动驱动容错控制装置以及电动设备通过检测计算所有多相绕组单元同一相的线电流值判断出发生故障的主电路单元，控制器输出运行控制信号令对应的驱动单元停止工作，从而将故障的主电路单元进行屏蔽隔离，并启动冗余的主电路单元，保证了电动设备的正常运行，避免在运行过程中由于突发故障导致性能指标突变产生的损失，也大幅度地减小了高速运行的电动设备的安全事故发生的概率。

另外，在启动过程中、紧急反接制动过程中、执行紧急任务时，都需要更大的电机电流，这时，可以把冗余的(k-1)i个主电路单元部分或全部投入使用，提高多相电机的电流，进而提高输出转速或转矩，或者减小功率变换单元和多相绕组单元的电流从而降低功率开关管和电机的发热量和温升，提高电动驱动容错控制装置和电动设备的快速性、安全性和灵活性。

根据本实施例所涉及的电流传感器，电流传感器具有(k-1)(i+j)个电流检测单元，检测每一相的输出线电流的电流检测单元数都等于(i+j)，在不同功率变换单元中同相的输出线电流值是相等的，所以，控制器只需要从正常工作的功率变换单元输出线电流中每相提取一个信号就能满足电流闭环控制的需求。另外，采用数量最少的电流检测单元不仅可以满足容错和控制的需求，而且还避免了在每个功率变换单元中配备(k-1)个电流检测单元，即减少了(k-2)(k-1)(i+j)个电流检测单元，降低了成本，提高了可靠性和安全性。

综上，本实施例的电动驱动容错控制装置具有结构设计简单、合理，成本低，工作性能稳定、响应快速、安全可靠，使用寿命长等优点。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。