CN101951072B - 永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置及方法。本产品的组成包括：机轴(1)，所述的电机轴外连接旋转变压器(2)，所述的旋转变压器同轴连接永磁转子(3)，所述的永磁转子为8对极，每对极所述的永磁转子外具有气隙安装定子(4)，每对极所述的定子的三相绕组分别独立连接逆变单元(5)，其中一个所述的逆变单元连接主控制器(6-1)，其余所述的逆变单元分别连接辅控制器6-2-8，所述的逆变单元连接公用直流母线(7)，所述的主控制器连接所述的旋转变压器，所述的主控制器和辅控制器之间通过控制线束连接(8)。本产品作为一种驱动、控制一体化的永磁同步电机。

Description

永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置及方法

技术领域：

本发明涉及一种永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置。

背景技术：

公开号为CN 2696197Y的微型逆变器及其和三相交流异步电机结合的一体化驱动装置，其特征在于该微型逆变器由一块具有大量表贴微型电子元器件的多层PCB(印刷电路板)和与其面积相等的集成了全部所需电路的IPM(智能功率模块)组成，以及将该逆变器直接安装在电机机壳的接线盒位置，由原直流电源供电，利用机壳散热，使用IPM作为微型逆变器主电路的平台，控制电路直接安装在IPM表面，使该一体化驱动装置可以直接取代原直流电机使用，可以直接运用于铁路内燃机车辅助风机以及由风力提供电源的小型电动设备。

公开号为CN 101571723A的高精度驱动与控制一体化电机，包括电源接口，将负载位置检测传感器、减速器、电机、电机转子位置检测传感器、连接驱动与控制器的调试接口和现场总线接口集成为一体，即与负载位置检测传感器连接的输出轴直接连接负载，将电机的两侧分别与电机转子位置检测传感器、减速器同轴相连，负载位置检测传感器与负载共轴安装，并用屏蔽线将负载位置检测传感器和电机转子位置检测传感器信号引至驱动与控制器。该发明使***具有良好的抗冲击、抗震动性能，更适于工业控制环境；将负载位置检测传感器、减速器、电机等集成为一体；利用位置控制器、速度控制器和电流控制器有效抑制齿隙非线性，提高了***精度。

以上专利都是将电机、逆变器、控制器、传感器等结合为一体，缩短了电机与驱动控制器间的连接电缆，减少了连线错误、连接点接触不良等故障发生的几率。但是以上专利均没有采用独立驱动方式，没有考虑电机低速运行效率低、容错运行能力差等问题。本发明为永磁同步电机定子绕组错时独立装置及方法，独立驱动方法解决了电机低速运行效率低的问题，当部分定子绕组损坏时电机仍可降低功率容错运行，错时驱动方法避免了各对极定子绕组同时开始通电，有效地减小了定子绕组通电时直流功率电容的冲击电流，降低了对直流功率电容的容量要求。

发明内容：

本发明的目的是提供一种永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置及方法，可以提高电机低速运行效率和容错运行能力，减小定子绕组通电时直流功率电容的冲击电流，降低对直流功率电容的容量要求。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置，其组成包括：电机轴，所述的电机轴外连接旋转变压器，所述的旋转变压器同轴连接永磁转子，所述的永磁转子为8对极，每对极所述的永磁转子外具有气隙安装定子，每对极所述的定子的三相绕组分别独立连接逆变单元，其中一个所述的逆变单元连接主控制器，其余所述的逆变单元分别连接辅控制器，所述的逆变单元连接公用直流母线，所述的主控制器连接所述的旋转变压器，所述的主控制器和辅控制器之间通过控制线束连接。

所述的永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置，所述的逆变单元及控制器位于所述的定子的壳体空腔里，所述的公用直流母线排列于所述的定子的壳体表面。

一种采用上述的永磁同步电机定子绕组独立驱动方法，在额定转速以下时，主控制器指令1-7个逆变单元工作，未获指令的逆变单元处于待命状态；在额定转速以上时，可以指令全部8个逆变单元工作，输出最大功率。

一种采用上述的永磁同步电机定子绕组错时驱动方法，辅控制器接收主控制器发出的启停控制指令信号，判断辅控制器是处于工作状态还是待命状态，如果辅控制器处于待命状态，则所述的辅控制器及与其相连接的逆变单元不工作，定子绕组不通电；如果辅控制器处于工作状态，则错时驱动与其相连接的逆变单元。

有益效果：

1.本发明在满足电机功率需求的前提下将大功率逆变器分解为若干较小功率的逆变单元，所有逆变单元由公用直流母线供电，各个逆变单元独立驱动电机每对极定子绕组，根据整体输出功率需求，主控制器指令1-7个逆变单元或全部8个逆变单元驱动电机，各个逆变单元采用错时独立驱动方法，可以提高电机低速运行效率和容错运行能力，减小定子绕组通电时直流功率电容的冲击电流，降低对直流功率电容的容量要求。在电机转速较低时，不必同时驱动所有8对极定子绕组，只需驱动其中任意一对极定子绕组，主控制器可以指令任意一个逆变单元工作，其余的逆变单元处于待命状态，提高了电机低速时的运行效率。

2.本发明容错运行能力强：当部分定子绕组损坏时，电机仍可降低功率容错运行。这种将大功率需求分解为若干较小功率单元的独立驱动方法、技术，解决了单一功率输出在故障状态下无法工作的难题。

3.本发明直流功率电容容量小：采用各个逆变单元微小错时独立驱动方法，避免了各对极定子绕组同时开始通电，可以有效地减小定子绕组通电时直流功率电容的冲击电流，降低了对直流功率电容的容量要求。

4.本发明的旋转变压器只与主控制器连接，不与辅控制器连接。主控制器主要负责完成旋变解码、控制算法运行、PWM输出、启停控制指令发送等，辅控制器主要负责完成错时控制、故障信息发送等。控制线束是由三路PWM信号和CAN总线组成的，CAN总线负责主控制器与辅控制器之间启停控制指令信号和故障信息的通讯。主控制器通过控制线束向所有辅控制器发送三路PWM信号，并通过CAN总线分别向辅控制器发送七路启停控制指令信号，辅控制器通过CAN总线各自向主控制器发送故障信息。

5.本发明可以实现错时控制：辅控制器根据各自接收到的主控制器的启停控制指令信号，判断辅控制器是处于工作状态还是待命状态，如果辅控制器处于待命状态，则所述的辅控制器及与其相连接的逆变单元不工作，定子绕组不通电；如果辅控制器处于工作状态，则错时驱动与其相连接的逆变单元。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是逆变单元和控制器连接关系图。

图3是主控制器和辅控制器的PWM1信号错时逻辑关系图。

图4是辅控制器6-2的六路错时PWM信号逻辑关系图。

图5是主控制器的主MCU***电路原理图。

图6是主控制器的旋变解码电路原理图。

图7是主控制器和辅控制器的前置驱动电路原理图。

图8是辅控制器的辅MCU***电路原理图。

具体实施方式：

实施例1：

如附图1所示，永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置，其组成包括：电机轴1，所述的电机轴外连接旋转变压器2，所述的旋转变压器同轴连接永磁转子3，所述的永磁转子为8对极，每对极所述的永磁转子外具有气隙安装定子4，每对极所述的定子的三相绕组分别独立连接逆变单元5，其中一个所述的逆变单元连接主控制器6-1，其余所述的逆变单元分别连接辅控制器6-2-8，所述的逆变单元连接公用直流母线7，所述的主控制器连接所述的旋转变压器，所述的主控制器和辅控制器之间通过控制线束连接8。

所述的永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置，所述的逆变单元及控制器位于所述的定子的壳体空腔里，所述的公用直流母线排列于所述的定子的壳体表面。

实施例2：

如附图1、2所示，电机及其驱动控制器采用一体化设计，电机为三相永磁同步电机，其永磁转子3为8对极，每对极定子4的三相绕组A1-8、B1-8、C1-8分别独立引出，分别由各个逆变单元独立驱动。所有逆变单元均为三相桥式结构，各个逆变单元5的直流侧均与公用直流母线7U+、U-和直流功率电容连接，其交流侧三相输出分别与电机每对极定子4的三相绕组A1-8、B1-8、C1-8连接。各个逆变单元5及控制器分别置于每对极定子4的壳体空腔内，公用直流母线7U+、U-排列于定子4的壳体表面。旋转变压器2同轴连接永磁转子3，主控制器6-1与旋转变压器2连接。主控制器6-1主要负责完成旋变解码、控制算法运行、PWM输出、启停控制指令发送等，辅控制器6-2-8主要负责完成错时控制、故障信息发送等。控制线束8是由三路PWM信号和CAN总线组成的，CAN总线负责主控制器6-1与辅控制器6-2-8之间的通讯。主控制器6-1通过控制线束8向所有辅控制器6-2-8发送三路PWM信号，并通过CAN总线分别向辅控制器6-2-8发送七路启停控制指令信号，辅控制器6-2-8通过CAN总线各自向主控制器6-1发送故障信息。辅控制器6-2-8根据启停控制指令信号判断是否对PWM信号进行微小错时处理后驱动与其相连接的逆变单元。

实施例3：

采用上述的永磁同步电机定子绕组独立驱动方法，其特征是：在额定转速以下时，主控制器6-1指令1-7个逆变单元工作，未获指令的逆变单元仍然处于待命状态；在额定转速以上时，可以指令全部8个逆变单元工作，输出最大功率。

实施例4：

如附图2、3、4、5、6、7所示，采用上述的永磁同步电机定子绕组错时驱动方法，其特征是：辅控制器6-2-8接收主控制器6-1发出的启停控制指令信号，判断辅控制器6-2-8是处于工作状态还是待命状态，如果辅控制器6-2-8处于待命状态，则所述的辅控制器6-2-8及与其相连接的逆变单元不工作，定子绕组A2-8、B2-8、C2-8不通电；如果辅控制器6-2-8处于工作状态，则错时驱动与其相连接的逆变单元。

主控制器6-1主要是由旋变解码电路、主MCU、前置驱动电路等组成的，主要负责完成旋变解码、控制算法运行、PWM输出、启停控制指令发送等。辅控制器6-2-8主要是由辅MCU、前置驱动电路等组成的，不含旋变解码电路，主要负责完成错时控制、故障信息发送等。旋转变压器2只与主控制器6-1连接，不与辅控制器6-2-8连接。

主控制器6-1将旋变信息解码成12位绝对转子位置信息后送入主MCU，主MCU负责运行控制算法并输出六路PWM信号，此六路PWM信号经隔离放大后即可驱动与其相连接的逆变单元。所述的六路PWM信号中的PWM1、PWM3、PWM5分别用于驱动与其相连接的逆变单元的三相上桥臂的三个IGBT，PWM2、PWM4、PWM6分别用于驱动与其相连接的逆变单元的三相下桥臂的三个IGBT。

控制线束8是由三路PWM信号和CAN总线组成的，CAN总线负责主控制器6-1与辅控制器6-2-8之间启停控制指令和故障信息的通讯。主控制器6-1通过控制线束8向辅控制器6-2-8发送三路PWM信号，并通过CAN总线分别向辅控制器6-2-8发送七路启停控制指令信号，辅控制器6-2-8通过CAN总线各自向主控制器6-1发送故障信息。

辅控制器6-2-8负责接收从CAN总线发送来的主控制器6-1的启停控制指令信号，并通过CAN总线发送各自的故障信息至主控制器6-1。辅控制器6-2-8的辅MCU根据各自接收到的主控制器6-1的启停控制指令信号，判断辅控制器6-2-8是处于工作状态还是待命状态，如果辅控制器6-2-8处于待命状态，则所述的辅控制器6-2-8及与其相连接的逆变单元不工作，定子绕组不通电A2-8、B2-8、C2-8；如果辅控制器6-2-8处于工作状态，则辅MCU首先利用捕获单元捕获主控制器6-1发送来的PWM1、PWM3、PWM5信号的上升沿，并按照预先设定的延时时间，对PWM1、PWM3、PWM5信号进行微小错时处理，得到错时的PWM1、PWM3、PWM5信号，然后将所述的错时的PWM1、PWM3、PWM5信号分别取反并***死区时间后，即可得到错时的PWM2、PWM4、PWM6信号，最后用所述的错时的六路PWM信号经隔离放大后驱动与其相连接的逆变单元。所述的错时独立驱动方法避免了各对极定子绕组同时开始通电，可以有效地减小定子绕组通电时直流电容的冲击电流，降低对直流功率电容的容量要求。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置，其组成包括：电机轴，所述的电机轴外连接旋转变压器，所述的旋转变压器同轴连接永磁转子，其特征是：所述的永磁转子为8对极，每对极所述的永磁转子外具有气隙安装定子，每对极所述的定子的三相绕组分别独立连接逆变单元，其中一个所述的逆变单元连接主控制器，其余所述的逆变单元分别连接辅控制器，所述的逆变单元连接公用直流母线，所述的主控制器连接所述的旋转变压器，所述的主控制器和辅控制器之间通过控制线束连接；

所述的逆变单元及控制器位于所述的定子的壳体空腔里，所述的公用直流母线排列于所述的定子的壳体表面；

控制线束是由三路PWM信号和CAN总线组成的，CAN总线负责主控制器与辅控制器之间启停控制指令信号和故障信息的通讯；主控制器通过控制线束向所有辅控制器发送三路PWM信号，并通过CAN总线分别向辅控制器发送七路启停控制指令信号，辅控制器通过CAN总线各自向主控制器发送故障信息；

电机及其驱动控制器采用一体化设计，电机为三相永磁同步电机，其永磁转子为8对极，每对极定子的三相绕组A、B、C分别独立引出，分别由各个逆变单元独立驱动；所有逆变单元均为三相桥式结构，各个逆变单元的直流侧均与公用直流母线U+、U-和直流功率电容连接，其交流侧三相输出分别与电机每对极定子的三相绕组A、B、C连接；各个逆变单元及控制器分别置于每对极定子的壳体空腔内，公用直流母线U+、U-排列于定子的壳体表面。

2.一种采用权利要求1所述的永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置的独立驱动方法，其特征是：在额定转速以下时，主控制器指令1-7个逆变单元工作，未获指令的逆变单元处于待命状态；在额定转速以上时，可以指令全部8个逆变单元工作，输出最大功率；

逆变单元由公用直流母线供电，各个逆变单元独立驱动电机每对极定子绕组，根据整体输出功率需求，主控制器指令1-7个逆变单元或全部8个逆变单元驱动电机，各个逆变单元采用错时独立驱动方法，提高电机低速运行效率和容错运行能力，减小定子绕组通电时直流功率电容的冲击电流，降低对直流功率电容的容量要求；在电机转速较低时，不必同时驱动所有8对极定子绕组，只需驱动其中任意一对极定子绕组，主控制器可以指令任意一个逆变单元工作，其余的逆变单元处于待命状态，提高了电机低速时的运行效率。

3.一种采用权利要求1所述的永磁同步电机定子绕组错时独立驱动装置的错时驱动方法，其特征是：辅控制器接收主控制器发出的启停控制指令信号，判断辅控制器是处于工作状态还是待命状态，如果辅控制器处于待命状态，则所述的辅控制器及与其相连接的逆变单元不工作，定子绕组不通电；如果辅控制器处于工作状态，则错时驱动与其相连接的逆变单元；

主控制器将旋变信息解码成12位绝对转子位置信息后送入主MCU，主MCU负责运行控制算法并输出六路PWM信号，此六路PWM信号经隔离放大后即可驱动与其相连接的逆变单元；所述的六路PWM信号中的PWM1、PWM3、PWM5分别用于驱动与其相连接的逆变单元的三相上桥臂的三个IGBT，PWM2、PWM4、PWM6分别用于驱动与其相连接的逆变单元的三相下桥臂的三个IGBT；

控制线束是由三路PWM信号和CAN总线组成的，CAN总线负责主控制器与辅控制器之间启停控制指令和故障信息的通讯；主控制器通过控制线束向辅控制器发送三路PWM信号，并通过CAN总线分别向辅控制器发送七路启停控制指令信号，辅控制器通过CAN总线各自向主控制器发送故障信息；

辅控制器负责接收从CAN总线发送来的主控制器的启停控制指令信号，并通过CAN总线发送各自的故障信息至主控制器；辅控制器的辅MCU根据各自接收到的主控制器的启停控制指令信号，判断辅控制器是处于工作状态还是待命状态，如果辅控制器处于待命状态，则所述的辅控制器及与其相连接的逆变单元不工作，定子绕组不通电；如果辅控制器处于工作状态，则辅MCU首先利用捕获单元捕获主控制器发送来的PWM1、PWM3、PWM5信号的上升沿，并按照预先设定的延时时间，对PWM1、PWM3、PWM5信号进行微小错时处理，得到错时的PWM1、PWM3、PWM5信号，然后将所述的错时的PWM1、PWM3、PWM5信号分别取反并***死区时间后，即可得到错时的PWM2、PWM4、PWM6信号，最后用所述的错时的六路PWM信号经隔离放大后驱动与其相连接的逆变单元；所述的错时独立驱动方法避免了各对极定子绕组同时开始通电，有效地减小定子绕组通电时直流电容的冲击电流，降低对直流功率电容的容量要求。