开放式绕组电机变结构驱动拓扑

摘要

一种开放式绕组电机变结构驱动拓扑，包括H桥组(40)、电源开关组(50)和电源组(60)；假设开放式绕组电机相数为2×N时，其中N≥2；则，电源组(60)包括N个直流功率电源(61)，每个直流功率电源(61)有输出正和输出负两个端子；电源开关组(50)包括4N个功率开关(51)；所述H桥组(40)包括4×2×N个功率管(41)，组成2×N个H桥(42)；每个H桥以开放式绕组电机为界区分左、右两个桥臂，每个桥臂由两个功率管的漏极和源极串联在一起构成，该漏极和源极之间设有接线端子(43)，接线端子与开放式绕组电机的绕组的端子连接；其中与开放式绕组电机的两相绕组端子连接的两个H桥为一组，由同一个直流功率电源供电。

说明书

技术领域

本发明涉及电机驱动控制领域，具体而言，涉及一种变结构驱动拓扑。

背景技术

在电机驱动中，驱动器的拓扑结构普遍采用三相全桥结构，即六个功率管 组成3个桥臂，每个桥臂的中间点连接电机的每相绕组端子。这种拓扑结构的 优势是功率器件数量少、体积小、成本低，但是其缺点也是非常明显，只有其 中一个功率管发生故障，由于受三相电流之和为零的约束，其他的5个功率管 也就没法正常工作，因此这种拓扑结构无灵活性、不能进行故障后重构。

在开放式绕组电机驱动中，驱动器一般采用独立H桥结构，即每相绕组的 两个端子全部引出电机外部，并由四个功率管组成的独立H桥结构驱动，这样 在某个功率管发生故障时，不会影响其他功率管的正常工作，同时在控制策略 上进行调整，通过控制其他正常相的电流输出，可以弥补故障相的功率缺失。 但是，这种独立H桥结构克服了三相全桥结构的缺点，具有一定的灵活性且能 够进行故障重构，但是，其结构是固定不变的，不能更好地满足电机系统的宽 范围使用要求，比如高速、低速、轻载、重载、故障等工况。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种高可靠性、可适应不同工况的开放式 绕组电机变结构驱动拓扑。

本发明的技术解决方案是：开放式绕组电机变结构驱动拓扑，包括H桥组、 电源开关组和电源组；假设开放式绕组电机相数为2×N时，其中N≥2；

则，电源组包括N个直流功率电源，每个直流功率电源有输出正和输出负 两个端子；电源开关组包括4N个功率开关；所述H桥组包括4×2×N个功率 管，组成2×N个H桥；每个H桥以开放式绕组电机为界区分左、右两个桥臂， 每个桥臂由两个功率管的漏极和源极串联在一起构成，该漏极和源极之间设有 接线端子，接线端子与开放式绕组电机的绕组的端子连接；其中与开放式绕组 电机的两相绕组端子连接的两个H桥为一组，由同一个直流功率电源供电，一 组H桥左右两侧桥臂分别并联，并联后漏极一端接一个功率开关后接入对应直 流功率电源的输出正端子，并联后源极一端接一个功率开关后接入对应直流供 电电源的输出负端子，上述所有功率管及功率开关的栅极作为控制端。

当需要变结构时，关闭由同一个直流功率电源供电的两个H桥左右两侧任 意一侧的功率开关，并关闭同侧并联两个桥臂中位于上部或者下部的两个功率 管，另外两个功率管处于常开状态，将两相绕组进行串联，从而将由2×N个 H桥驱动的2×N相电机串联成由N个H桥驱动的新N相电机。

当某个绕组或者功率管发生故障时，关闭发生故障绕组或者功率管所在H 桥上的所有功率管。

关闭同一个直流功率电源供电的所有H桥，保留至少一个直流功率电源供 电的一组H桥工作，实现轻载模式。

关闭每个同一直流功率电源供电2个H桥中的一个H桥，实现轻载模式。

当某个绕组或者功率管发生故障时，关闭发生故障绕组或者功率管所在H 桥上的所有功率管。

所述的电源组根据实际可靠性需求，以及空间、体积与重量限制，可以采 用1个电源，通过开关控制实现上述N个直流功率电源的功能。

所述的电源组根据实际可靠性需求，以及空间、体积与重量限制，可以采 用2个并联的电源，通过开关控制实现上述N个直流功率电源的功能。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)根据本发明的可变结构式驱动拓扑，根据不同的工况需求，可以变换 驱动拓扑结构，使得开放式绕组电机达到不同的工作状态，实现一个电机可以 满足多种工况需求，相比多电机+离合器进行速度或力矩耦合系统，实现一机多 用，同时消除了机械耦合器的体积、重量、振动和噪声源，而且省去了机械维 护等，能够有效地提高电机系统功率密度、电机与功率器件使用率，降低系统 重量和体积。另外，相比普通H桥驱动拓扑结构，该驱动拓扑结构还具有很强 的故障容错能力和在线变结构能力，可以根据不同的工况需求，实现非常灵活 的结构变换，从而提高系统的可靠性和安全性。

(2)本发明根据实际可靠性需求，以及空间、体积与重量限制，可以 采用1个或者2个或者N个电源，应用灵活。

附图说明

图1是根据本发明的2×N相变结构驱动拓扑结构的架构图；

图2是根据本发明的六相变结构驱动拓扑结构的架构图；

图3为应用本发明的驱动系统架构图。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做详细说明。

如图1所示，一种开放式绕组电机变结构驱动拓扑，包括H桥组40、电源 开关组50和电源组60；假设开放式绕组电机相数为2×N时，其中N≥2；

则，电源组60包括N个直流功率电源61，每个直流功率电源61有输出 正和输出负两个端子；电源开关组50包括4N个功率开关51；所述H桥组40 包括4×2×N个功率管41，组成2×N个H桥42；每个H桥以开放式绕组电 机为界区分左、右两个桥臂45，每个桥臂由两个功率管的漏极和源极串联在一 起构成，该漏极和源极之间设有接线端子43，接线端子与开放式绕组电机的绕 组的端子连接；其中与开放式绕组电机的相邻两相绕组端子连接的两个H桥为 一组，由同一个直流功率电源供电，一组H桥左右两侧桥臂分别并联，并联后 漏极一端接一个功率开关后接入对应直流功率电源的输出正端子，并联后源极 一端接一个功率开关后接入对应直流供电电源的输出负端子，上述所有功率管 及功率开关的栅极作为控制端。

根据实际系统可靠性需求，以及空间、体积与重量限制，可将N个所述直 流功率电源61配置为1个，2个或多个。

当需要变结构时，关闭由同一个直流功率电源供电的相邻两个H桥左右两 侧任意一侧的功率开关，并关闭同侧并联两个桥臂中位于上部或者下部的两个 功率管，另外两个功率管处于常开状态，将两相绕组进行串联，从而将由2×N 个H桥驱动的2×N相电机串联成由N个H桥驱动的新N相电机。

关闭同一个直流功率电源供电的所有H桥，保留至少一个直流功率电源供 电的一组H桥工作，实现轻载模式。

关闭每个同一直流功率电源供电2个H桥中的一个H桥，实现轻载模式。

当某个绕组或者功率管发生故障时，关闭发生故障绕组或者功率管所在H 桥上的所有功率管。

图3为本发明拓扑结构应用在开放式绕组电机驱动系统中的架构，具体包 括控制器10、信号隔离20、开关功率驱动30、本发明拓扑结构(H桥组40、 电源开关组50和电源组60)；

控制器10发送驱动拓扑变结构控制指令给功率开关51，所述功率开关51 将由同一个直流功率电源供电的相邻两个H桥左右两侧任意一侧的功率开关关 闭，并关闭同侧并联两个桥臂中位于上部或者下部的两个功率管，另外两个功 率管处于常开状态，这样处于常开状态的两个所述功率管41相当于导线，从 而实现将两个绕组进行串联，从而将由2×N个H桥驱动的2×N相电机串联 成由N个H桥驱动的新N相电机。

信号隔离20设有与控制器10相连的输入端，还设有与后续功率驱动30 相连的输出端，用于将控制器10输出的变结构控制或者驱动控制数字信号， 实现与功率信号相互隔离的功能，保护控制器10免受功率信号的干扰；

功率驱动30设有与信号隔离20相连的输入端，还设有与后续H桥组40 和电源开关组50相连的输出端，用于将信号隔离20输出的数信号进行功率驱 动，实现功率放大的功能，以达到驱动后续功率管41和功率开关51；

控制器10设有接收上层控制器发送控制指令的输入端，并设有输出驱动 控制和变结构控制指令的输出端，与信号隔离20的输入端相连。

本发明中，控制器10可以选择MCU、DSP、CPLD或FPGA，实现控制 指令的解算，驱动控制和变结构控制指令生成等功能；信号隔离20可选择光 电耦合或者磁耦合器件，功率驱动30可选择具有驱动放大功能的器件；H桥组 40和电源开关组50中的功率管和功率开关可选择功率MOS管，能够根据驱 动控制和变结构控制指令进行通断。

实施例

图2所示，H桥组40中功率管数量与开放式绕组电机的相数相匹配，在 开放式绕组电机相数为6时，其中，N＝3，功率管41数量为24个，分为6个 H桥。其中与开放式绕组电机的相邻两相绕组(例如1W1、1W2)端子连接的 两个H桥为一组，由同一个直流功率电源1VS供电，这样可以节省功率电源 的数量。每个H桥42包含左、右两个桥臂45，将桥臂45以开放式绕组电机 为界区分左、右，每个桥臂45包含上、下各一个功率管41，每个H桥42共 有四个功率管41，每个桥臂45的中间点设有一个绕组接线端子43，绕组接线 端子43分别与开放式绕组电机的绕组的两个端子相连，另外，每个H桥42还 设有两个电源接线端子44，分别与控制电源组60的电源开关相连；

电源开关组50包括12个功率开关51，功率开关51由分别接电源正和电 源负的两个功率开关组成，并设有接电源组60的功率电源接线端子52和接H 桥40的电源接线端子53，功率电源接线端子52与电源组60的直流功率电源 相连，电源接线端子53与H桥42的电源接线端子44相连；

电源组60包括3个直流功率电源61，每个直流功率电源61有输出正和 输出负两个端子，分别与功率电源接线端子52相连，并且每个直流功率电源 61同时供给左、右两个桥臂45，这样开放式绕组电机的每相绕组由一个H桥 42驱动控制。

当需要变结构时，例如可将功率开关1T3和1T4关闭，将功率管1Q3、 2Q3关闭，2Q2和1Q2处于常开状态，处于常开状态的两个功率管相当于导 线，这样绕组1W1的右端经过常开的功率管1Q2和2Q2，连接到绕组1W2 的右端，这样就实现了两个绕组的串联，形成一个新的绕组，并由功率管1Q1、 1Q4、2Q1和2Q4组成新的H桥来驱动，从而将由6个所述H桥42驱动的6 相电机串联成由3个所述H桥42驱动的新3相电机，即每相绕组是原来两个 绕组的串联形式，从而实现驱动拓扑变结构功能。当然，也可以通过将上述操 作过程进行逆操作进行结构的变换。

根据工况需求，可以关闭同一个直流功率电源供电的所有H桥，保留至少 一个直流功率电源供电的一组H桥工作，例如只保留1VS电源供电的一组H桥 工作，实现轻载模式。

也可以关闭每个同一直流功率电源供电2个H桥中的一个H桥，实现轻载 模式。以1VS电源为例，关闭功率开关2Q1和2Q4，以及功率管2Q3、2Q2； 仅使得功率管1Q1、1Q4、1Q3和1Q2组成新的H桥来工作。对于2VS电源， 则使得功率管4Q1、4Q4、4Q3和4Q2组成新的H桥来工作，等等。

当全部H桥驱动拓扑结构均工作时，并工作在超载模型下，从而实现重载 工作模式。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之 内。