一种可控型机械-电子混合换向装置及换向方法

本发明属于电机技术领域，具体为一种可控型机械-电子混合换向装置。

背景技术：

有刷直流电机的机械换向装置存在危害较大的换向电弧问题，无刷直流电机的电子换向装置增加了控制系统成本和技术复杂性，且在强电磁干扰场合可靠性较低。公开号为cn106685148a的中国发明专利和中“一种机电混合无弧换向的多相直流方波电机”中提出了将两种换向方法结合的机械-电子混合换向，利用电刷和机械换向器实现电子换向装置的导通方式，并通过续流电路解决了机械换向过程中的电弧问题。在该机械-电子混合换向装置中通过电容来被动控制续流换向片电压，续流电路中固定参数的电容、电感和电阻需要适应整个运行范围。因此该混合换向装置存在一些固有限制：必须运行在最低不起弧转速以上及其导致的特殊起动问题，轻载运行时效率较低，直流电源电压调节速率受到一定限制。

针对现有机械-电子混合换向装置存在一些固有限制：即必须运行在最低不起弧转速以上及其导致的特殊起动问题，导致轻载运行时效率较低，直流电源电压调节速率受到一定限制。为了突破这些固有限制，本发明提出了一种可控型机械-电子混合换向装置，通过两个全控型功率开关来分别主动控制正、反向续流换向片电压，不再需要电容、电感和电阻。可控型混合换向装置只需要两个开关就能实现和六开关电子换向装置相同的换向效果。

技术实现要素：

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种可控型机械-电子混合换向装置，其特征在于，其特征在于，包括：通过旋转负载、机械换向器和换向装置电子部分组成的混合换向装置实现换向，旋转负载为星形联接的三相对称绕组a、b和c，每相绕组通过随转子旋转的电刷引出；机械换向器由电源正极换向片、正向续流换向片、电源负极换向片和反向续流换向片构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布；机械换向器和续流电路固定在电机外壳上；电源正极换向片连接直流电源正极，电源负极换向片连接直流电源负极；

所述续流电路由两个续流桥臂组成，其中正向续流桥臂由第一二极管和第二二极管组成，第一二极管的正极与第二二极管的负极相连，正向续流桥臂的上桥臂由并联的第一二极管和第一功率开关组成，第一二极管的负极与直流电源正极相连，正向续流换向片连接正向续流桥臂中下桥臂的第二二极管的负极；反向续流桥臂由第三二极管和第四二极管组成，第三二极管的正极与第四二极管的负极相连，反向续流桥臂的下桥臂由并联的第四二极管和第二功率开关组成，第四二极管的正极与直流电源负极相连，反向续流换向片连接反向续流桥臂中上桥臂第三二极管的正极。

通过第一功率开关来主动控制正向续流换向片电压，通过第二功率开关来主动控制反向续流换向片电压，当有电刷位于p1位置和p2位置之间时第一功率开关导通，当有电刷位于p3位置和p4位置之间时第二功率开关导通，相邻两电刷互差120°机械角度。

所述p1位置为120°-3db+di，所述p2位置为120°+1.5db+di，所述p3位置为180°+p1的位置，所述p4位置为180°+p2位置，其中db为电刷角度，di为绝缘角度。

还提供了一种基于所述可控型机械-电子混合换向装置的换向方法，其特征在于，包括：

步骤1、正向换向过程第一阶段：

正向导通状态为第一相，反向导通状态为第二相，截止状态为第三相；

第一相电刷运行到p1位置，第一功率开关开通，正向续流换向片和电源正极换向片等电位，为后续换向过程做好准备；各相绕组状态不发生变化；

步骤2、正向换向过程第二阶段：

当第一相电刷接触到正向续流换向片以后，进入到换向第二阶段，由于第一功率开关已经提前开通，正向续流换向片等效为电源正极换向片，且保持正向导通状态；随着第一相电刷和电源正极换向片之间的接触电阻不断增大，和正向续流换向片之间的接触电阻不断减小，电源正极换向片的电流ipp逐渐转移到反向续流换向片的电流iff，直到电刷脱离电源正极换向片时电流转移完成；由于电源正极换向片和正向续流换向片等电位，电刷脱离时不会产生分断电弧；

步骤3、正向换向过程第三阶段：

当第一相电刷运行到p2位置，第一功率开关关断，第二二极管导通为第一相绕组续流，正向续流换向片电压从直流电源电压降到零，第一相电流开始下降；由于第一相电刷已经远离电源正极换向片，两者间的电场强度极低，所以不会产生电弧；第三相电刷开始接触电源正极换向片从而正向导通；

步骤4、正向换向过程第四阶段：

当第一相电流下降到零，续流结束，然后处于截止状态；第三相为正向导通状态，第二相为反向导通状态；

步骤5、正向换向过程第五阶段：

当第一相电刷接触到电源负极换向片以后，第一相电刷的电压不会低于零，所以正向续流换向片支路无电流；可控型机械-电子混合换向装置中当第一相电刷接触电源负极换向片时不存在缓冲电容短路问题，所以不会产生合闸电弧；

步骤6、正向换向过程第六阶段：

当第一相电刷脱离正向续流换向片后，第一相的正向换向过程结束，然后处于反向导通状态，由于正向续流换向片处于悬空状态，电刷脱离时不会产生分断电弧；

步骤7、反向换向过程第一阶段：

反向导通状态为第一相，正向导通状态为第三相，截止状态为第二相；

第一相电刷运行到p3位置，第二功率开关开通，反向续流换向片和电源负极换向片等电位，为后续换向过程做好准备；各相绕组状态不发生变化；

步骤8、反向换向过程第二阶段：

当第一相电刷接触到反向续流换向片以后，进入到换向第二阶段，由于第二功率开关已经提前开通，反向续流换向片等效为电源负极换向片，且保持反向导通状态；随着第一相电刷和电源负极换向片之间的接触电阻不断增大，和反向续流换向片之间的接触电阻不断减小，电源负极换向片的电流inp逐渐转移到反向续流换向片的电流irp，直到电刷脱离电源负极换向片时电流转移完成；

步骤9、反向换向过程第三阶段：

当第一相电刷运行到p4位置，第二功率开关关断，第二三极管导通为第一相绕组续流，反向续流换向片电压从直流电源电压降到零，第一相电流开始下降；第三相电刷开始接触电源负极换向片从而正向导通；

步骤10、反向换向过程第四阶段：

当第一相电流下降到零，续流结束，然后处于截止状态；第二相为正向导通状态，第三相为反向导通状态；

步骤11、反向换向过程第五阶段：

当第一相电刷接触到电源正极换向片以后，第一相电刷的电压不会高于电源电压，反向续流换向片支路无电流；

步骤12、反向换向过程第六阶段：

当第一相电刷脱离反向续流换向片后，第一相的反向换向过程结束，然后处于正向导通状态，返回步骤1。

本发明的有益效果在于：

1.通过两个全控型功率开关来分别主动控制正、反向续流换向片电压，不再需要电容、电感和电阻就能抑制分断电弧和合闸电弧。

2.简单的换向位置无传感器检测方法。

3.功率开关的开通和关断基于位置控制，和转速、电流无关。因此，可控型机械-电子混合换向不存在最低不起弧转速及其引起的特殊起动问题，也不存在直流电源电压变化速率受限制问题。

4.可控型机械-电子混合换向装置只需要两个功率开关就能实现和六开关电子换向装置相同的换向效果。

5.功率开关的开通和关断基于位置控制，和转速、电流无关。因此，可控型机械-电子混合换向不存在最低不起弧转速及其引起的特殊起动问题，也不存在直流电源电压变化速率受限制问题。

附图说明

图1为本发明一种可控型机械-电子混合换向装置实施例的拓扑图；

图2为本发明实施例中换向装置电子部分的开关状态图；

图3为本发明实施例的机械换向器的分布图；

图4为本发明实施例的检测单元分布图；

图5为本发明实施例中换向位置检测单元的拓扑图；

图6为本发明实施例中换向位置检测单元确认p1位置时的流程图；

图7为本发明实施例中换向位置检测单元确认p2位置时的流程图；

图8为本发明实施例中换向位置检测单元确认p3位置时的流程图；

图9为本发明实施例中换向位置检测单元确认p4位置时的流程图；

图10为本发明实施例的正向换向过程中第一阶段的流程图；

图11为本发明实施例的正向换向过程中第二阶段的流程图；

图12为本发明实施例的正向换向过程中第三阶段的流程图；

图13为本发明实施例的正向换向过程中第四阶段的流程图；

图14为本发明实施例的正向换向过程中第五阶段的流程图；

图15为本发明实施例的正向换向过程中第六阶段的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示的本发明实施例，包括：通过旋转负载、机械换向器和换向装置电子部分组成的混合换向装置实现换向，旋转负载为星形联接的三相对称绕组a、b和c，每相绕组通过随转子旋转的电刷引出，相邻两电刷互差120°机械角度；机械换向器由电源正极换向片ppcs、正向续流换向片ffcs、电源负极换向片npcs和反向续流换向片rfcs构成，它们彼此之间通过云母片绝缘，按圆周排布；换向装置电子部分为续流电路：通过两个功率开关来分别主动控制正、反向续流换向片电压，二极管组成正、反向续流桥臂。

机械换向器和续流电路固定在电机外壳上；电源正极换向片ppcs连接直流电源正极udc+，电源负极换向片npcs连接直流电源负极udc-；电刷随着旋转负载(转子)一同旋转，实现和换向器的滑动接触，从而将直流变换为120°方波。

如图1所示的续流电路由两个续流桥臂组成，其中正向续流桥臂由第一二极管d1和第二二极管d2组成，第一二极管d1的正极与第二二极管d2的负极相连，正向续流桥臂的上桥臂由并联的第一二极管d1和第一功率开关s1组成，第一二极管d1的负极与直流电源正极udc+相连，正向续流换向片ffcs连接正向续流桥臂中下桥臂的第二二极管d2的负极(正向续流桥臂的中点)；反向续流桥臂由第三二极管d3和第四二极管d4组成，第三二极管d3的正极与第四二极管d4的负极相连，反向续流桥臂的下桥臂由并联的第四二极管d4和第二功率开关s2组成，第四二极管d4的正极与直流电源负极udc-相连，反向续流换向片rfcs连接反向续流桥臂中上桥臂第三二极管d3的正极(反向续流桥臂的中点)。

图2所示，通过第一功率开关s1来主动控制正向续流换向片电压，第二功率开关s2来主动控制反向续流换向片电压，开关的开通和关断基于位置控制，和转速、电流无关，当有电刷位于p1位置和p2位置之间时第一功率开关s1导通，当有电刷位于p3位置和p4位置之间时第二功率开关s2导通；具体的，

一个周期内的第一功率开关s1，在图中的p1a处即a相电刷行进至p1位置处，第一功率开关s1开通；在图中的p2b处即a相电刷行进至p2处，第一功率开关s1关断；在图中的p1b处即b相电刷行进至p1位置处，第一功率开关s1开通；在图中的p2b处即b相电刷行进至p2位置处，第一功率开关s1关断；在图中的p1c处即c相电刷行进至p1位置处，第一功率开关s1开通；在图中的p2c处即c相电刷行进至p2位置处，第一功率开关s1关断。

一个周期内的第二功率开关s2；在图中的p3b处即b相电刷行进至p3位置处，第二功率开关s2开通；在图中的p4b处即b相电刷行进至p4位置处，第二功率开关s2关断；在图中的p3c处即c相电刷行进至p3位置处，第二功率开关s2开通；在图中的p4c处即c相电刷行进至p4位置处，第二功率开关s2关断，在图中的p3a处即a相电刷行进至p3位置处，第二功率开关s2开通；在图中的p4b处即a相电刷行进至p4位置处，第二功率开关s2关断；因此，可控型机械-电子混合换向装置不存在最低不起弧转速及其引起的特殊起动问题，也不存在直流电源电压变化速率受限制问题。

由于功率开关s1和s2的控制需要每相电刷运行到p1、p2、p3和p4，共12个换向位置信息；因此如图3中的(a)所示，将电源正极换向片ppcs分为正极换向片前段ppcs1、正极换向片中段ppcs2和正极换向片后段ppcs3；电源负极换向片npcs也做相同处理，分为负极换向片前段npcs1、负极换向片中段npcs2和负极换向片后段npcs3；正向续流换向片ffcs分为正向续流换向片前段ff1和正向续流换向片后段ff2两部分，反向续流换向片rfcs分为反向续流换向片前段rf1和反向续流换向片后段rf2两部分；

从而机械换向器由绝缘分开的电源正极换向片前段ppcs1、电源正极换向片中段ppcs2、电源正极换向片后段ppcs3、反向续流换向片前段ff1、反向续流换向片后段ff2、电源负极换向片前段npcs1、电源负极换向片中段npcs2、电源负极换向片后段npcs3、反向续流换向片前段rf1和反向续流换向片后段rf2组成，其中正极换向片前段ppcs1、正极换向片后段ppcs3、负极换向片前段npcs1和负极换向片后段npcs3作为换向位置信号检测片。

理想情况下，电源正极换向片ppcs(ppcs1、ppcs2和ppcs3)、电源负极换向片npcs(npcs1、npcs2和npcs3)的角度为120°，正向续流换向片ffcs、反向续流换向片rfcs的角度为60°。然而实际的换向片角度需要根据以下方法来设计。

1)两相电刷不同时连接到同一换向片原则

两相电刷不能同时连接到同一换向片，避免两相绕组直接短路。电源换向片的前、中、后三段并联在一起，所以相当于同一换向片。如图3中的(b)所示，电刷角度为db，绝缘角度为di，为了避免两相同时连接到同一换向片，电源换向片三段总的角度以及续流换向片的角度都不能大于120°-db。这样也保证了同一组的两个位置检测片中不会同时有电刷，确保开关驱动信号的正确性。当第一功率开关s1和第二功率开关s2导通时，续流换向片的前部分ff1和rf1分别等效为电源正极换向片和电源负极换向片。为了实现120°导通，应该有：

dnpcs+di+drf1＝dnpcs1+dnpcs2+dnpcs3+3di+drf1＝120°(1)

其中，dnpcs为电源负极换向片角度，dnpcs1为电源负极换向片前段角度，dnpcs2为电源负极换向片中段角度，dnpcs3为电源负极换向片后段角度，反向续流换向片前段角度drf1需要大于db，才能保证续流换向片电压跳变时电刷和刚脱离的电源换向片之间有足够的绝缘距离，从而不产生电弧。因此可以选取drf1＝1.5db，续流换向片的前部分角度dff1＝drf1，从而得到：

其中，dppcs为电源正极换向片角度，dffcs为正向续流换向片角度，drfcs为反向续流换向片角度。

2)电源换向片各段角度设计

如图3中的(c)所示，当c相电刷到达p1位置，第一功率开关s1开通时，正向续流换向片电压跳变到直流电源电压，b相电刷必须已经脱离正向续流换向片，否则b相电刷接触到电源负极换向片时会导致直流电源短路。检测信号is1变为低电平实际发生在电刷开始接触电源正极换向片后段到脱离电源正极换向片中段这段位置区间内，但为了保险起见假设其发生在电刷开始接触电源正极换向片后段时刻，即p1位置处于电源正极换向片后段的前边缘。可得到：

dppcs3+di+dffcs＜120°-db(3)

另外，dppcs3最小值需要保证检测信号is1变为低电平即使发生在电刷脱离电源正极换向片中段时刻，电刷也还没有接触到正向续流换向片。综上所述得到：

为了避免一相电刷同时接触到电源正极换向片前段和电源正极换向片后段两个位置检测片，电源正极换向片中段角度应该满足：

dppcs2＞db-2di(5)

电源换向片前段角度dppcs1的选取比较自由，为了对称可以有：

dppcs1＝dppcs3＝dnpcs1＝dnpcs3＝drf1＝1.5db(6)

整理得到：

根据式(7)计算得到所有换向片角度，然后再校验dppcs3是否满足式(4)，dppcs2是否满足式(5)。

最终得到p1位置为dppcs1+dppcs2+2di＝120°-3db+di，p2位置为dppcs+dff1+di＝120°+1.5db+di，p3位置为180°+p1位置，p4位置为180°+p2位置。

如图6～图9所示，本发明提出一种简单的换向位置无传感器检测方法用于确认p1、p2、p3和p4四个位置；

在正极换向片前段ppcs1、正极换向片后段ppcs3、负极换向片前段npcs1和负极换向片后段npcs3四个换向位置信号检测片支路中串入检测单元，输出信号为is1、is2、is3和is4。位置检测片支路中有电流，则相应的输出信号从高电平变为低电平。

换向位置的检测需要测量正负极电源换向片前段和后段的电流，但是只需要判断测量极换向片前段ppcs1、正极换向片后段ppcs3、负极换向片前段npcs1和负极换向片后段npcs3所处的四个支路中是否有电流，而不需要精确的电流值，因此本文提出了一种简单的测量方法，如图5所示。在需要测量的四个支路中串入第一功率二极管dp1和第二功率二极管dp2两个功率二极管，光耦的输入侧两个二极管和两个功率二极管并联，且光耦中输入侧两个二极管的导通电压低于两个功率二极管的导通电压，以确保功率二极管导通后光耦中二极管能够导通，使光耦输出信号is从高电平变为低电平。光耦的输出侧三极管的发射极接地，输出侧三极管的集电极通过电阻r2与电源vcc相连，输出侧三极管的集电极还与电流型号is相连。功率部分的两个功率二极管和光耦部分的输入侧两个二极管均采用两个二极管反并联结构，是为了兼顾电动运行和制动运行工况。相较于通过采样电阻和电流传感器来测量电流，本发明所提测量方法的优势在于：功率二极管从空载到满载的电流范围内都能保持比较稳定的导通电压，有利于光耦中输入二极管的导通；功率二极管只需要很低的电压等级；光耦实现了功率级和信号级的隔离；直接输出数字信号，简化了信号处理电路。

换向位置检测的具体方法如图6所示，以c相电刷的测试过程为例，

如图6所示的步骤111：当c相电刷与电源正极换向片中正极换向片中段ppcs2的接触面积较小时，两者间接触压降大于检测二极管的导通电压，正极换向片后段ppcs3中电流i1大于零，光耦导通，信号is1从高电平变为低电平，表明电刷到达了p1位置。可见，检测信号is1变为低电平发生在c相电刷从接触电源正极换向片后段到脱离电源正极换向片中段这段位置区间内，但只要c相电刷还未接触到正向续流换向片就对换向过程无任何影响。

如图7所示的步骤112：当反向续流换向片中处于悬空状态的a相电刷接触到正极换向片前段ppcs1时，该换向片支路中的检测二极管导通，电流i2大于零，光耦导通使信号is2从高电平变为低电平，表明c相电刷到达了位置p2。

同理，如图8所示的步骤113：当反向续流换向片中处于悬空状态的c相电刷接触到负极换向片后段npcs3时，该换向片支路中的检测二极管导通，电流i3大于零，光耦导通使信号is3从高电平变为低电平，信号is3从高电平变为低电平表明c相电刷到达了位置p3。

如图9所示的步骤114：当反向续流换向片中处于悬空状态的a相电刷接触到负极换向片前段npcs1时，该换向片支路中的检测二极管导通，电流i2大于零，光耦导通使信号is4从高电平变为低电平，信号is4从高电平变为低电平表明c相电刷到达了位置p4。

在确定了p1、p2、p3和p4的位置后，下面如图3所示，以c相的正向换向过程为例来分析可控型机械-电子混合换向装置的工作原理：

如图10所示的步骤1、正向换向过程第一阶段：

c相为正向导通状态，b相为反向导通状态，a相为截止状态。

c相电刷运行到p1位置，第一功率开关s1开通，正向续流换向片和电源正极换向片等电位，为后续换向过程做好准备。各相绕组状态不发生变化。

如图11所示的步骤2、正向换向过程第二阶段：

当c相电刷接触到正向续流换向片以后，进入到正向换向过程第二阶段，由于第一功率开关s1已经提前开通，正向续流换向片等效为电源正极换向片，电刷接触正向续流换向片时不会产生合闸电弧。另外，c相电压仍为直流电源电压udc，所以在正向换向过程第二阶段中保持为正向导通状态。随着c相电刷和电源正极换向片之间的接触电阻不断增大，和正向续流换向片之间的接触电阻不断减小，电流ipp逐渐转移到iff，直到电刷脱离电源正极换向片时电流转移完成。由于电源正极换向片和正向续流换向片等电位，电刷脱离时不会产生分断电弧。

如图12所示的步骤3、正向换向过程第三阶段：

当c相电刷运行到p2位置，第一功率开关s1关断，第二二极管d2导通为c相绕组续流，正向续流换向片电压从直流电源电压udc降到零，c相电流开始下降。由于c相电刷已经远离电源正极换向片，两者间的电场强度极低，所以不会产生电弧；此阶段中a相电刷开始接触电源正极换向片从而正向导通。此阶段和电子换向装置驱动无刷直流电机中的续流过程完全相同。

如图13所示的步骤4、正向换向过程第四阶段：

当c相电流下降到零，续流结束，然后处于截止状态。a相为正向导通状态，b相为反向导通状态。

如图14所示的步骤5、正向换向过程第五阶段：

当c相电刷接触到电源负极换向片以后，c相电压不会低于零，所以正向续流换向片支路无电流。可控型机械-电子混合换向装置中当c相电刷接触电源负极换向片时不存在缓冲电容短路问题，所以不会产生合闸电弧。

如图15所示的步骤6、正向换向过程第六阶段：

当c相电刷脱离正向续流换向片后，c相的正向换向过程结束，然后处于反向导通状态，由于正向续流换向片处于悬空状态，电刷脱离时不会产生分断电弧。

同理，步骤7、反向换向过程第一阶段：

c相为反向导通状态，a相为正向导通状态，b相为截止状态。

c相电刷运行到p3位置，第二功率开关s2开通，反向续流换向片和电源负极换向片等电位，为后续换向过程做好准备。各相绕组状态不发生变化。

步骤8、反向换向过程第二阶段：

当c相电刷接触到反向续流换向片以后，进入到反向换向过程第二阶段，由于第二功率开关s2已经提前开通，反向续流换向片等效为电源负极换向片，电刷接触反向续流换向片时不会产生合闸电弧。另外，c相电压仍为直流电源电压udc，所以在反向换向过程第二阶段中保持为反向导通状态。随着c相电刷和电源负极换向片之间的接触电阻不断增大，和反向续流换向片之间的接触电阻不断减小，电流inp逐渐转移到反向续流换向片rfcs的电流irp，直到电刷脱离电源负极换向片时电流转移完成。由于电源负极换向片和反向续流换向片等电位，电刷脱离时不会产生分断电弧。

步骤9、反向换向过程第三阶段：

当c相电刷运行到p4位置，第二功率开关s2关断，第二三极管d3导通为c相绕组续流，反向续流换向片电压从直流电源电压udc降到零，c相电流开始下降。由于c相电刷已经远离电源负极换向片，两者间的电场强度极低，所以不会产生电弧；此阶段中a相电刷开始接触电源负极换向片从而正向导通。此阶段和电子换向装置驱动无刷直流电机中的续流过程完全相同。

步骤10、反向换向过程第四阶段：

当c相电流下降到零，续流结束，然后处于截止状态。b相为正向导通状态，a相为反向导通状态。

步骤11、反向换向过程第五阶段：

当c相电刷接触到电源正极换向片以后，c相电压不会高于电源电压，所以反向续流换向片支路无电流。可控型机械-电子混合换向装置中当c相电刷接触电源正极换向片时不存在缓冲电容短路问题，所以不会产生合闸电弧。

步骤12、反向换向过程第六阶段：

当c相电刷脱离反向续流换向片后，c相的反向换向过程结束，然后处于正向导通状态，由于反向续流换向片处于悬空状态，电刷脱离时不会产生分断电弧。