CN104601079A - 一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***及方法，***包括PWM产生模块、逆变器、三相永磁轮毂电机、开关模块、切换控制模块、电流采样模块和旋转编码器，正常运行时电机的三相绕组采用星型连接方式，逆变器侧三相电流为三相对称电流，当检测到单相绕组开路故障后，三相绕组连接方式通过开关模块转变为三角形连接，通过调整逆变器侧三相电流的参考值来改变控制方法，转矩输出值的大小为正常运行时转矩值，从而实现三相永磁轮毂电机单相绕组断路下容错运行。本发明的容错控制***及方法不需要额外的开关管以及中点电压，减小设备的投资，容错后的逆变器侧三相电流仍为对称正弦电流，幅值上升为正常运行时电流的倍，转矩输出稳定。

Description

一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***及方法

技术领域

本发明属于电动汽车控制技术领域，具体涉及电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***和方法。

背景技术

随着石油等化石燃料的枯竭以及环境污染问题日趋严重，研究开发节能、环保和安全的汽车以取代以内燃机提供动力的汽车，是实现可持续发展的必由之路。其中，电动汽车以其高效率低排放的显著优点受到推崇，得到加速发展。电机驱动***是电动汽车核心技术之一，而轮毂驱动更是未来电动汽车驱动方式的主要发展方向。当驱动***电机绕组出现单相断路故障后，转矩输出脉动极大，导致电动汽车运行不稳定，从而直接到威胁到人身安全。

传统上一些驱动***单相绕组断路容错控制方法主要有：

1.两相四开关控制策略：两相四开关策略主要是当单相绕组断路后，绕组中点引出到电源中点处，形成中线，为零序电流提供回路，实现容错运行。

2.两相三桥臂控制策略：当出现单相绕组断路后，绕组中点引出到备用桥臂上，通过三个桥臂驱动电机故障下容错运行。

3.两相全桥控制策略：当出现单相绕组断路后，故障相桥臂的开关管全部打开，正常相实现两相全桥控制，实现容错运行。

然而以上几种传统的控制方法由于本身拓扑结构以及容错运行后的三相电流，影响着其容错控制***整体性能。例如方法1中需要一个电源中点，容错控制后由于零序电流的影响，会造成中点电压偏移，进而影响电机控制及电机运行，此外方法1与方法2都需要绕组引出中线，因此这两种方法的应用受到局限；方法2与方法3都需要额为开关器件，增大***的体积以及造价；三种方法同样都具有中性线，中性电流与剩余相电流不是三相对称正弦电流，并且容错运行后逆变器输出的电流随着断开绕组相的不同而不同。

发明内容

本发明的目的是针对传统电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***存在的问题，提出一种新的电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***及方法，减少设备投资，精简容错控制算法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***，包括：PWM产生模块、逆变器、三相永磁轮毂电机、开关模块、切换控制模块、电流采样模块和旋转编码器；

所述旋转编码器与所述电机连接，用于测量电机的实际转速，并输出转速信号至所述PWM产生模块；

所述电流采样模块与所述电机连接，用于测量电机的三相电流，并输出电流信号至所述PWM产生模块和切换控制模块；

所述开关模块，与所述电机的三相绕组连接，至少包括两组开关，第一组开关使三相绕组成星型连接方式，第二组开关使三相绕组成三角形连接方式；

所述PWM产生模块，包括：

转速PI调节器，用于根据参考转速和实际转速的差值得到参考电流幅值；

电流计算模块，用于根据参考电流幅值通过与星型连接方式对应的第一电流形状函数或与三角形连接方式对应的第二电流形状函数计算得到逆变器输出三相电流的参考值；

以及，滞环比较器，用于结合三相电流的参考值和实际值，输出用于控制逆变器的开关的PWM序列；

所述切换控制模块，用于根据所述电流采样模块输出的电流信号判断是否出现单相绕组断路，若出现断路则输出切换信号至所述开关模块和所述PWM产生模块。

进一步地，正常运行时，所述第一组开关常开，所述第二组开关常闭，三相绕组的连接方式为星型连接，所述开关模块接收到切换信号后，所述第二组开关常开，所述第一组开关常闭，三相绕组的连接方式为三角形连接。

进一步地，

所述第一电流形状函数为： $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^r=i_{\mathrm{mh}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\\ i_b^r=i_{\mathrm{mh}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-2\mathrm{pi}/3)\\ i_c^r=i_{\mathrm{mh}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+2\mathrm{pi}/3)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，i_mh为正常运行时的参考电流幅值，为逆变器输出三相电流的参考值，ω_e为电角速度，为实际转速ω₀的p倍，p为电机的极对数；

所述第二电流形状函数为： $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-\mathrm{pi}/6)\\ i_b^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-5\mathrm{pi}/6)\\ i_c^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+\mathrm{pi}/2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，i_mf为容错运行时的参考电流幅值。

进一步地，所述切换控制模块包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、或门、积分器和第四比较器；第一比较器、第二比较器和第三比较器的一个输入端分别输入一相电流值，另一端输入参考电流0值，输出端分别连接或门的一个输入端，或门的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接第四比较器的输入端；当三相电流中存在电流值为0时，或门输出触发信号，触发积分器开始工作，当积分器输出值大于设定阀值时，第四比较器输出故障信号。

一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制方法，包括如下步骤：

(1)正常运行时，设定三相永磁轮毂电机的三相绕组的连接方式为星型连接；

(2)测量得到电机的实际转速和三相电流，将实际转速和参考转速经过转速PI调节器得到正常运行时的参考电流幅值，将参考电流幅值与星型连接方式对应的第一电流形状函数相乘，得到逆变器输出三相电流的参考值，经过滞环比较器输出控制逆变器的开关的PWM序列；

(3)检测电机的三相电流，判断是否出现单相绕组断路，若出现断路则进入步骤(4)，否则进入步骤(2)；

(4)将电机的三相绕组的连接方式切换为三角形连接；

(5)测量得到电机的实际转速和三相电流，将实际转速和参考转速经过转速PI调节器得到容错运行时的参考电流幅值，将参考电流幅值与三角形连接方式对应的第二电流形状函数相乘，得到逆变器输出三相电流的参考值，经过滞环比较器输出控制逆变器的开关的PWM序列。

进一步地，所述判断是否出现单相绕组断路的具体方法为：当三相电流中存在任一相电流的值为0的时间大于1/6个电流周期，则判断出现单相绕组开路故障。

有益效果：当电动汽车驱动***单相绕组断路后，根据本发明所提出的***或方法，能够使得驱动***输出与正常运行时同样大小的转矩，使得电动汽车继续运行，提高了电动汽车驱动***的容错运行能力。与现有技术相比，本发明将电机启动方法中的三角形/星型启动应用到电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***中，正常运行时绕组的连接方式为星型连接，容错运行时通过开关模块将绕组的连接方式切换为三角形连接，具有不增加开关管或者电源中点的优点，减小设备投资；当任一相绕组出现断路后，逆变器输出的三相电流为幅值一样、相位互差120度的三相对称正弦电流，幅值上升为正常运行时电流的倍，转矩输出稳定；只需检测出发生故障而不需要判定具体故障相，简化故障检测程序。

附图说明

图1为本发明的***总体结构示意图；

图2为本发明的PWM产生模块结构示意图；

图3为本发明的电机单相开路故障检测模型图；

图4为本发明的驱动***逆变器、电机等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明实施例公开的一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错***，包括PWM产生模块1，逆变器(三相半桥电压型)2，三相永磁轮毂电机3，开关模块4，切换控制模块5和旋转编码器6。PWM产生模块1包括转速PI调节器、电流计算模块和滞环比较器。旋转编码器6与电机3连接，采集电机转子的转速ω₀，输出转速信号至PWM产生模块1；电流采样模块6与电机3连接，采样得到电机的三相电流，输出电流信号至PWM产生模块1的滞环比较器和切换控制模块5。开关模块(可通过固态继电器或者晶闸管等实现)4与电机3的三相绕组连接，至少有两组开关S₁和S₂，S₁闭合、S₂打开时，三相绕组的连接方式为星型连接，S₁打开、S₂闭合时，三相绕组的连接方式为三角形连接，见图4。切换控制模块5分别与电流采样模块6、开关模块4和PWM产生模块1的电流计算模块连接，切换控制模块5根据电流采样模块6采样得到的三相电流，确定故障是否发生。如图3所示，切换控制模块5包括三个等值比较器(比较器1、2、3)、或门、积分器和第四比较器(比较器F)；三个等值比较器的一个输入端分别输入一相电流值，另一端输入参考电流0值，输出端分别连接或门的一个输入端，或门的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接第四比较器的输入端；当三相电流中存在电流值为0时，触发积分器开始工作，当三相电流都不为0时，积分器清零；设定第四比较器阀值为T/6，T为电流周期，兼顾了反应时间及判断精度，当积分器输出值大于阀值时，第四比较器输出故障信号。切换控制模块5判断出现单相绕组开路故障后，向开关模块4和PWM产生模块1发出切换信号。

可以设定正常运行时三相绕组的连接方式为星型连接，当出现单相绕组断路故障后，开关模块4控制S₁打开、S₂闭合，将三相绕组的连接方式转换为三角形连接，同时，PWM产生模块1的电流计算模块切换电流形状函数改变逆变器三相输出电流参考值的计算方法以适应新的连接方式。

正常运行时电流形状函数为： $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^r=i_{\mathrm{mh}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\\ i_b^r=i_{\mathrm{mh}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-2\mathrm{pi}/3)\\ i_c^r=i_{\mathrm{mh}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+2\mathrm{pi}/3)\end{array}\right.---\left(1\right)$

容错运行时电流形状函数为： $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-\mathrm{pi}/6)\\ i_b^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-5\mathrm{pi}/6)\\ i_c^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+\mathrm{pi}/2)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，i_mh、i_mf分别为正常、容错运行时的参考电流幅值，为逆变器输出三相电流的参考值，ω_e为电角速度，为实际转速ω₀的p倍，p为电机的极对数。

如图2所示，基于旋转编码器采集电机转子的实际转速ω₀(rad/s)，将参考转速ω_r与实际转速ω₀做差比较，将差值输入到转速PI调节器的输入端，得到参考电流幅值i_mh(正常)、i_mf(容错)。

当正常运行时，切换控制模块不输出切换信号，通过开关模块，电机的绕组连接方式为星型连接(S₁闭合、S₂打开)，根据上述得到的参考电流幅值i_mh与电流形状函数(1)相乘，得到逆变器三相输出电流参考值，通过滞环比较器，输出逆变器的开关信号-PWM序列，驱动***输出稳定转矩，电动汽车稳定运行。

当出现单相绕组断路故障后，切换信号模块输出切换信号，通过开关模块，电机绕组连接方式为三角形连接(S₁打开、S₂闭合)，根据上述得到的参考电流幅值i_mf与电流形状函数(2)相乘，得到逆变器三相输出电流参考值，通过滞环比较器，输出逆变器的开关信号-PWM序列，使得驱动***维持转矩输出，电动汽车故障状态下实现容错运行。

本发明实施例公开的一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错方法，包括如下步骤：

(1)正常运行时，设定三相永磁轮毂电机的三相绕组的连接方式为星型连接；

(2)测量得到电机的实际转速和三相电流，将实际转速和参考转速经过速度PI调节器得到正常运行时的参考电流幅值，将参考电流幅值与电流形状函数(1)相乘，得到逆变器输出三相电流的参考值，经过滞环比较器输出控制逆变器的开关的PWM序列；

(3)检测电机的三相电流，判断是否出现单相绕组断路，若出现断路则进入步骤(4)，否则进入步骤(2)；根据图3的模型，对采样后的电流进行处理，当触发信号为上升沿时，积分器开始工作，下降沿时，积分器清零。当积分器输出值大于阀值时，输出故障信号，则可判断出现单相绕组开路故障；

(4)将电机的三相绕组的连接方式切换为三角形连接；

(5)测量得到电机的实际转速和三相电流，将实际转速和参考转速经过速度PI调节器得到容错运行时的参考电流幅值，将参考电流幅值与电流形状函数(2)相乘，得到逆变器输出三相电流的参考值，经过滞环比较器输出控制逆变器的开关的PWM序列。

本发明实施例将电机启动方法中的三角形/星型启动应用到容错控制***中，正常运行时绕组的连接方式为星型连接，容错运行时通过开关模块将绕组的连接方式转变为三角形连接，具有不增加开关管或者电源中点的优点，减小设备投资；当容错运行时，逆变器输出的三相电流为幅值一样、相位互差120度的三相对称正弦电流。电流形状函数(2)可以适用于任意相绕组断路的情况，与电流形状函数(1)相比，初始相位滞后30°。进行故障检测时，只需要判定是否发生单相绕组开路故障而不需要确定所发生开路故障的位置。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***，其特征在于，包括：PWM产生模块(1)、逆变器(2)、三相永磁轮毂电机(3)、开关模块(4)、切换控制模块(5)、电流采样模块(6)和旋转编码器(7)；

所述旋转编码器(7)与所述电机(3)连接，用于测量电机(3)的实际转速，并输出转速信号至所述PWM产生模块(1)；

所述电流采样模块(6)与所述电机(3)连接，用于测量电机(3)的三相电流，并输出电流信号至所述PWM产生模块(1)和切换控制模块(5)；

所述开关模块(4)，与所述电机(3)的三相绕组连接，至少包括两组开关，第一组开关使三相绕组成星型连接方式，第二组开关使三相绕组成三角形连接方式；

所述PWM产生模块(1)，包括：

转速PI调节器，用于根据参考转速和实际转速的差值得到参考电流幅值；

电流计算模块，用于根据参考电流幅值通过与星型连接方式对应的第一电流形状函数或与三角形连接方式对应的第二电流形状函数计算得到逆变器(4)输出三相电流的参考值；

以及，滞环比较器，用于结合三相电流的参考值和实际值，输出用于控制逆变器(4)的开关的PWM序列；

所述切换控制模块(5)，用于根据所述电流采样模块(6)输出的电流信号判断是否出现单相绕组断路，若出现断路则输出切换信号至所述开关模块(4)和所述PWM产生模块(1)。

2.根据权利要求1所述的电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***，其特征在于，正常运行时，所述第一组开关常开，所述第二组开关常闭，三相绕组的连接方式为星型连接，所述开关模块(4)接收到切换信号后，所述第二组开关常开，所述第一组开关常闭，三相绕组的连接方式为三角形连接。

3.根据权利要求1所述的电动汽车驱动***单相绕组断路容错***，其特征在于，

所述第一电流形状函数为： $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^r=i_{\mathrm{mh}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\\ i_b^r=i_{\mathrm{mh}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-2\mathrm{pi}/3)\\ i_c^r=i_{\mathrm{mh}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+2\mathrm{pi}/3)\end{array}\right.$

其中，i_mh为正常运行时的参考电流幅值，为逆变器输出三相电流的参考值，ω_e为电角速度，为实际转速ω₀的p倍，p为电机的极对数；

所述第二电流形状函数为： $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-\mathrm{pi}/6)\\ i_b^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-5\mathrm{pi}/6)\\ i_c^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+\mathrm{pi}/2)\end{array}\right.$

其中，i_mf为容错运行时的参考电流幅值。

4.根据权利要求1所述的电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制***，其特征在于，所述切换控制模块包括第一比较器、第二比较器、第三比较器、或门、积分器和第四比较器；第一比较器、第二比较器和第三比较器的一个输入端分别输入一相电流值，另一端输入参考电流0值，输出端分别连接或门的一个输入端，或门的输出端连接积分器的输入端，积分器的输出端连接第四比较器的输入端；当三相电流中存在电流值为0时，或门输出触发信号，触发积分器开始工作，当三相电流都不存在0值时，积分器清零；当积分器输出值大于设定阀值时，第四比较器输出故障信号。

5.一种电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)正常运行时，设定三相永磁轮毂电机的三相绕组的连接方式为星型连接；

(2)测量得到电机的实际转速和三相电流，将实际转速和参考转速经过转速PI调节器得到正常运行时的参考电流幅值，将参考电流幅值与星型连接方式对应的第一电流形状函数相乘，得到逆变器输出三相电流的参考值，经过滞环比较器输出控制逆变器的开关的PWM序列；

(3)检测电机的三相电流，判断是否出现单相绕组断路，若出现断路则进入步骤(4)，否则进入步骤(2)；

(4)将电机的三相绕组的连接方式切换为三角形连接；

(5)测量得到电机的实际转速和三相电流，将实际转速和参考转速经过转速PI调节器得到容错运行时的参考电流幅值，将参考电流幅值与三角形连接方式对应的第二电流形状函数相乘，得到逆变器输出三相电流的参考值，经过滞环比较器输出控制逆变器的开关的PWM序列。

6.根据权利要求5所述的电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制方法，其特征在于，所述判断是否出现单相绕组断路的具体方法为：当三相电流中存在任一相电流的值为0的时间大于1/6个电流周期，则判断出现单相绕组开路故障。

7.根据权利要求5所述的电动汽车驱动***单相绕组断路容错控制方法，其特征在于，

所述第一电流形状函数为： $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^r=i_{\mathrm{mh}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{e}t\right)\\ i_b^r=i_{\mathrm{mh}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-2\mathrm{pi}/3)\\ i_c^r=i_{\mathrm{mh}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+2\mathrm{pi}/3)\end{array}\right.$

其中，i_mh为正常运行时的参考电流幅值，为逆变器输出三相电流的参考值，ω_e为电角速度，为实际转速ω₀的p倍，p为电机的极对数；

所述第二电流形状函数为： $\left\{\begin{array}{c}{i}_a^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-\mathrm{pi}/6)\\ i_b^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t-5\mathrm{pi}/6)\\ i_c^r=i_{\mathrm{mf}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{e}t+\mathrm{pi}/2)\end{array}\right.$

其中，i_mf为容错运行时的参考电流幅值。