变结构电机系统技术方案

本发明专利技术涉及一种变结构电机系统，包括主控制器、驱动器和开放式绕组电机，主控制器接收控制指令和开放式绕组电机的反馈信息，并生成功率驱动和系统变结构指令，驱动器根据系统变结构指令在算法上或电气上将开放式绕组电机的绕组拓扑结构与驱动拓扑结构进行变换，实现多个绕组的串联或者并联使用，以达到满足电机系统的正常、故障、超载运行等多工况需求。相比多电机+离合器机械式变结构，能够有效地降低机电能量转换系统重量和体积，并有效地提高功率密度、可靠性、安全性和效率，同时在机械上取消了离合器，从而在根本上消除机械震动和噪声。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种变结构电机系统，属于电机领域。
技术介绍
为了提高系统的可靠性、安全性以及效率等性能指标，一般对系统的工作条件限制比较多，只能让其工作在某个工况，不能满足系统高性能多工况运行需求，更勿论超载和超速等极端工况，这样就限制了系统的应用范围。可靠性、安全性以及高效率等性能指标与高性能多工况运行是在工作中经常遇到的一对矛盾，为了化解这一矛盾，使得系统既能够多工况运行，同时具有较高的可靠性、安全性和效率，通常采用较高的安全系数和设计裕量，甚至多个机构串联或者并联的输出方式。比如，在电机及其系统领域，通常采用多电机+离合器的机械变结构方式，根据不同的工况需求，切换相应的电机进行工作。同时，随着现代工业生产的大力发展，大功率电机系统应用场合不断扩大，比如现在发展出来的全电汽车、全电坦克、全电舰船等，电机系统作为上述系统的关键动力机构和推进动力源，其工况需求往往比较复杂而且经常多变，比如经常会遇到高速、低速、轻载、超载、正常和故障等工况，这就需要电机系统能够根据不同的工况进行变换。上述多个机构串联或者并联的输出方式在一定程度能够满足系统多工况需求。但是，该方案的缺点也是非常明显，其存在占用空间大与重量大、系统功率密度与效率低、机械震动与噪声大、机械磨损大等缺点。另外在风机和水泵等对性能要求不高的场合，交流电机绕组的变极方法虽然能够提供一定范围的速度调节，但是调速范围小、性能差、可靠性不高，并不能适应高性能、宽调速、多工况、高可靠性的应用场合。电机系统作为机电能量转换系统的核心关键子系统，其性能决定和影响着机电能量转换系统的性能。如何从根本上解决上述矛盾，为了让电机系统既能够满足多工况需求是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供变结构电机系统，包括主控制器、驱动器和开放式绕组电机，其中，主控制器接收控制指令和开放式绕组电机的反馈信息，并生成功率驱动和系统变结构指令，驱动器根据系统变结构指令在算法上或电气上将开放式绕组电机的绕组拓扑结构与驱动拓扑结构进行变换，实现多个绕组的串联或者并联使用，以达到满足电机系统的正常、故障、超载、超速运行等多工况需求。本专利技术目的通过如下技术方案予以实现：提供一种变结构电机系统，包括主控制器、驱动器、电流采集模块和开放式绕组电机；开放式绕组电机具有2N个绕组，N≥2；所述电流采集模块采集开放式绕组电机每个绕组输出的电流并传输给主控制器；所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否发生故障，当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复；接收上位机发送的控制命令，并将控制命令发送给功率管驱动器和开关驱动器；所述驱动器包括驱动单元控制器、开关驱动器、功率开关组和2N个绕组驱动单元；每个绕组驱动单元连接一个绕组的第一连接端，提供绕组驱动电流；所述功率开关组包括多个功率开关，构成N-1个开关串联单元和一个独立开关，开关串联单元包括依次串联的第一开关、第二开关和第三开关，第一开关的一端作为第一独立端，第一开关另一端与第二开关一端连接，连接端作为第一公共端，第二开关的另一端与第三开关的一端连接，连接端作为第二公共端，第三开关的另一端作为第二独立端；第i个开关串联单元的第一公共端连接第i+1个开关串联单元的第一独立端和第i+1个绕组的第二端；第i个开关串联单元的第二公共端连接第i+1个开关串联单元的第二独立端和第N+i+1个绕组的第二端；独立开关的第一端连接第一个开关串联单元的第一独立端和第1个绕组的第二端，独立开关的第二端连接第1个开关串联单元的第二独立端和第N+1个绕组的第二端；其中1≤i≤N-1；驱动单元控制器，根据控制命令控制2N个绕组驱动单元是否提供绕组驱动电流；开关驱动器根据控制命令控制功率开关组中的功率开关导通或关断。优选的，所述绕组驱动单元，包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第二功率管的漏极，第一功率管的漏极连接接电源端，第二功率管的源极接地，第一功率管和第二功率管的栅极作为控制端，第一功率管的源极还与开放式绕组电机的一个绕组的第一端相连。优选的，所述驱动器还包括可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器接收主控制器发送的控制命令并发送给功率管驱动器和开关驱动器。优选的，所述的功率开关组根据控制指令，能够构成H桥驱动拓扑结构、星形驱动拓扑结构；构成H桥驱动拓扑结构的方法为：开启一个独立开关和每个开关串联单元中的第二开关，关闭每个开关串联单元中的第一开关和第三开关；构成星形驱动拓扑结构的方法为：开启每个开关串联单元中的第一开关和/或第三开关，关闭一个独立开关和每个开关串联单元中的第二开关。优选的，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的方法为：当驱动拓扑结构为H桥驱动拓扑结构时，关闭故障所在支路的功率管组和绕组驱动单元；当驱动拓扑结构为星形驱动拓扑结构时，关闭故障所在的星形驱动拓扑上的功率管组和绕组驱动单元，或者将星形驱动拓扑结构变更为H桥驱动拓扑结构，并关闭故障所在支路的功率管组和绕组驱动单元。优选的，主控制器发送的控制指令包括轻载H桥驱动拓扑结构、正常H桥驱动拓扑结构、重载H桥驱动拓扑结构、轻载星形驱动拓扑结构、正常星形驱动拓扑结构或重载星形驱动拓扑结构；控制指令为轻载H桥驱动拓扑结构时，控制开启一个独立开关和每个开关串联单元中的第二开关，开启时间为30％以下，关闭每个开关串联单元中的第一开关和第三开关；控制指令为正常H桥驱动拓扑结构时，控制开启一个独立开关和每个开关串联单元中的第二开关，开启时间为30％-60％，关闭每个开关串联单元中的第一开关和第三开关；控制指令为重载H桥驱动拓扑结构时，控制开启一个独立开关和每个开关串联单元中的第二开关，开启时间为70％以上，关闭每个开关串联单元中的第一开关和第三开关；控制指令为轻载星形驱动拓扑结构时，控制开启每个开关串联单元中的第一开关或第三开关，开启时间为30％以下，关闭一个独立开关和每个开关串联单元中的第二开关；控制指令为正常星形驱动拓扑结构时，控制开启每个开关串联单元中的第一开关和第三开关，开启时间为30％-60％，关闭一个独立开关和每个开关串联单元中的第二开关；控制指令为重载星形驱动拓扑结构时，控制开启每个开关串联单元中的第一开关和第三开关，开启时间为70％以上，关闭一个独立开关和每个开本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变结构电机系统，其特征在于，包括主控制器(1)、驱动器(2)、电流采集模块和开放式绕组电机(3)；开放式绕组电机(3)具有2N个绕组，N≥2；所述电流采集模块采集开放式绕组电机(3)每个绕组输出的电流并传输给主控制器；所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否发生故障，当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复；接收上位机发送的控制命令，并将控制命令发送给功率管驱动器(20)和开关驱动器(30)；所述驱动器(2)包括驱动单元控制器(20)、开关驱动器(30)、功率开关组(50)和2N个绕组驱动单元；每个绕组驱动单元连接一个绕组的第一连接端，提供绕组驱动电流；所述功率开关组(50)包括多个功率开关(51)，构成N‑1个开关串联单元和一个独立开关(T0)，开关串联单元包括依次串联的第一开关(1Ti)、第二开关(2Ti)和第三开关(3Ti)，第一开关(1Ti)的一端作为第一独立端，第一开关(1Ti)另一端与第二开关(2Ti)一端连接，连接端作为第一公共端，第二开关(2Ti)的另一端与第三开关(3Ti)的一端连接，连接端作为第二公(2Ti)共端，第三开关(3Ti)的另一端作为第二独立端；第i个开关串联单元的第一公共端连接第i+1个开关串联单元的第一独立端和第i+1个绕组的第二端；第i个开关串联单元的第二公共端连接第i+1个开关串联单元的第二独立端和第N+i+1个绕组的第二端；独立开关(T0)的第一端连接第一个开关串联单元的第一独立端和第1个绕组的第二端，独立开关(T0)的第二端连接第1个开关串联单元的第二独立端和第N+1个绕组的第二端；其中1≤i≤N‑1；驱动单元控制器(20)，根据控制命令控制2N个绕组驱动单元是否提供绕组驱动电流；开关驱动器(30)根据控制命令控制功率开关组(50)中的功率开关(51)导通或关断。...

【技术特征摘要】
1.一种变结构电机系统，其特征在于，包括主控制器(1)、驱动器(2)、
电流采集模块和开放式绕组电机(3)；
开放式绕组电机(3)具有2N个绕组，N≥2；
所述电流采集模块采集开放式绕组电机(3)每个绕组输出的电流并传
输给主控制器；
所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否
发生故障，当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变驱动拓
扑结构实现故障恢复；接收上位机发送的控制命令，并将控制命令发送给功
率管驱动器(20)和开关驱动器(30)；
所述驱动器(2)包括驱动单元控制器(20)、开关驱动器(30)、功
率开关组(50)和2N个绕组驱动单元；
每个绕组驱动单元连接一个绕组的第一连接端，提供绕组驱动电流；
所述功率开关组(50)包括多个功率开关(51)，构成N-1个开关串
联单元和一个独立开关(T0)，开关串联单元包括依次串联的第一开关(1Ti)、
第二开关(2Ti)和第三开关(3Ti)，第一开关(1Ti)的一端作为第一独立
端，第一开关(1Ti)另一端与第二开关(2Ti)一端连接，连接端作为第一
公共端，第二开关(2Ti)的另一端与第三开关(3Ti)的一端连接，连接端
作为第二公(2Ti)共端，第三开关(3Ti)的另一端作为第二独立端；第i
个开关串联单元的第一公共端连接第i+1个开关串联单元的第一独立端和第
i+1个绕组的第二端；第i个开关串联单元的第二公共端连接第i+1个开关
串联单元的第二独立端和第N+i+1个绕组的第二端；独立开关(T0)的第
一端连接第一个开关串联单元的第一独立端和第1个绕组的第二端，独立开
关(T0)的第二端连接第1个开关串联单元的第二独立端和第N+1个绕组
的第二端；其中1≤i≤N-1；
驱动单元控制器(20)，根据控制命令控制2N个绕组驱动单元是否提

\t供绕组驱动电流；
开关驱动器(30)根据控制命令控制功率开关组(50)中的功率开关
(51)导通或关断。
2.根据权利要求1所述的变结构电机系统，其特征在于，所述绕组驱
动单元，包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连接第二功率管
的漏极，第一功率管的漏极连接接电源端，第二功率管的源极接地，第一功
率管和第二功率管的栅极作为控制端，第一功率管的源极还与开放式绕组电
机(3)的一个绕组的第一端相连。
3.根据权利要求1或2所述的变结构电机系统，其特征在于，所述驱
动器(20)还包括可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器接收主控制器(1)
发送的控制命令并发送给功率管驱动器(20)和开关驱动器(30)。
4.根据权利要求1或2所述的变结构电机系统，其特征在于，所述的
功率开关组(50)根据控制指令，能够构成H桥驱动拓扑结构、星形驱动
拓扑结构；构成H桥驱动拓扑结构的方法为：开启一个独立开关(T0)和
每个开关串联单元中的第二开关，关闭每个开关串联单元中的第一开关和第
三开关；构成星形驱动拓扑结构的方法为：开启每个开关串联单元中的第一
开关和/或第三开关，关闭一个独立开关(T0)和每个开关串联单元中的第
二开关。
5.根据权利要求4所述的变结构电机系统，其特征在于，通过改变驱
动拓扑结构实现故障恢复的方法为：当驱动拓扑结构为H桥驱动拓扑结构
时，关闭故障所在支路的绕组驱动单元以及第二开关或独立开关(T0)；当
驱动拓扑结构为星形驱动拓扑结构时，关闭故障所在的星形驱动拓扑上的绕
组驱动单元以及第一开关或第三开关，或...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄玉平，司宾强，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11