本發(fā)明涉及電機(jī)及其控制領(lǐng)域，具體地是涉及一種用于電機(jī)寬速的控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

眾所周知，電機(jī)的最高效率轉(zhuǎn)速區(qū)是有一范圍的，當(dāng)超出這個(gè)范圍時(shí)，電機(jī)的效率急劇下降，多數(shù)情況下，電機(jī)只能按照工況中工作時(shí)間最長(zhǎng)的某個(gè)轉(zhuǎn)速下設(shè)計(jì)。而且傳統(tǒng)單繞組的電機(jī)為了兼顧低速時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和低速時(shí)的效率，往往都限制了最高速度。

而電機(jī)在低轉(zhuǎn)速下的效率低是綜合因素造成的，主要有以下幾種原因：

1.現(xiàn)有的各種類型電機(jī)都是利用電流通過(guò)導(dǎo)電線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，并利用這個(gè)磁場(chǎng)和另一個(gè)磁場(chǎng)或磁路發(fā)生作用力，進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩來(lái)推動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H可以用以下公式表示

H＝N_C×I_n×u_fe

公式中N_C表示線圈的匝數(shù)，I_N表示流過(guò)線圈的電流，如果有鐵芯的話，u_fe表示鐵芯的磁導(dǎo)率。在磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù)的情況下。決定磁場(chǎng)強(qiáng)度是電流與線圈匝數(shù)的乘積，既安匝數(shù)。雖然各種電機(jī)因磁場(chǎng)強(qiáng)度H產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式不同，但都與H的大小成正比。電流流過(guò)線圈會(huì)因電阻、渦流等原因的發(fā)熱限制，其電流也是有限制的。所以一般電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩也就是額定轉(zhuǎn)矩的3到6倍。轉(zhuǎn)矩受到限制，速度又很低，作為速度乘以轉(zhuǎn)矩為電機(jī)的輸出功率就很低，也造成了電機(jī)效率低。

2.電機(jī)在較低速度時(shí)，自感電動(dòng)勢(shì)E_φ較低，而電機(jī)的控制器或變頻器的供電電壓E_P是基本恒定的，流過(guò)電機(jī)線圈的電流I_n＝(E_P-E_φ)/R_f，公式中的R_f為線圈的等效阻抗。因E_φ很小，此時(shí)的電流I_N會(huì)很大，所以控制器中一般都采用了PWM調(diào)制的方式來(lái)控制電流，本質(zhì)意義就是用斷續(xù)的較強(qiáng)的脈沖電流在電機(jī)上產(chǎn)生同樣的機(jī)械轉(zhuǎn)矩效果，來(lái)替代連續(xù)的相對(duì)較弱的電流。(雖然由于線圈的電感作用和控制器的功率管的續(xù)流作用，加上PWM頻率足夠高，在線圈內(nèi)流動(dòng)的也是相對(duì)連續(xù)的電流，但續(xù)流的那部分能量也還是來(lái)自電源的脈沖能量)。這種方式來(lái)結(jié)果是當(dāng)E_P-E_φ的電壓差越大，R_f線圈的等效阻抗R_f越小時(shí)，其PWM占空比越小，也就是脈沖的時(shí)間越短，而脈沖的電流值越高。而此電流脈沖的能量除一部分轉(zhuǎn)化為了有效的機(jī)械功外，其它的都轉(zhuǎn)換為以下幾種能量浪費(fèi)掉：

A：高能量脈沖產(chǎn)生的各種機(jī)械和電磁諧波，以發(fā)熱和輻射的形式消耗。

B：因電流在電阻上的熱轉(zhuǎn)換成平方倍的增長(zhǎng)，電流脈沖的峰值越大，整個(gè)電流回路的發(fā)熱量越高。

C：因電機(jī)轉(zhuǎn)子是機(jī)械性的，轉(zhuǎn)子有質(zhì)量慣性，根據(jù)物理定律，這種斷續(xù)性的能量推動(dòng)本身就會(huì)隨著能量的脈沖時(shí)間越小，傳遞效率越低。

D：對(duì)有硅鋼片鐵芯的線圈，電流脈沖越過(guò)一定幅值的情況下，磁場(chǎng)會(huì)飽和，電流的轉(zhuǎn)作為在線圈的電阻上的熱能浪費(fèi)掉。

為了擴(kuò)寬電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，國(guó)內(nèi)發(fā)明人做了很多努力和嘗試。如國(guó)內(nèi)專利文獻(xiàn)中申請(qǐng)?zhí)枮椋?01510508099.0，專利名稱為“一種永磁同步電機(jī)繞組切換裝置”和申請(qǐng)?zhí)枮椋?01510508843.7，專利名稱為“一種基于永磁同步電機(jī)繞組切換裝置的切換策略”。兩篇專利中均提到了一種永磁同步電機(jī)切換方法，即永磁同步電機(jī)繞組切換裝置具有n套繞組，同時(shí)對(duì)應(yīng)n個(gè)主回路單元，通過(guò)4n-4個(gè)開關(guān)共同作用，實(shí)現(xiàn)n套繞組的串并聯(lián)切換。繞組串聯(lián)運(yùn)行，若轉(zhuǎn)速達(dá)到切換條件，繞組由串聯(lián)切換至并聯(lián)；繞組并聯(lián)運(yùn)行，若轉(zhuǎn)速達(dá)到切換條件，電壓減小，直至滿足電壓切換條件，繞組由并聯(lián)切換至串聯(lián)。采用上述技術(shù)方案可以在一定程度上提高電機(jī)運(yùn)行效率，擴(kuò)展電機(jī)的調(diào)速范圍，并且使主回路容量的需求減小。

但是上述技術(shù)方案存在如下不足：

1.需要n個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力電源供電，這在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中成本高且復(fù)雜。特別是在電池供電系統(tǒng)中，要用多個(gè)電池組，對(duì)充電和電池管理都是很大的麻煩。

2.電池組需要由開關(guān)進(jìn)行并聯(lián)切換，如果是電池供電的系統(tǒng)中，電池的電壓因個(gè)體差異，電壓不可能完全相等，而電池的內(nèi)阻又很小，在并聯(lián)的過(guò)程中有很大的沖擊電流，很容易損壞切換開關(guān)，給系統(tǒng)造成不可靠性。

3.對(duì)n大于2的繞組的情況，只能有全部并聯(lián)或全部串聯(lián)這兩種狀態(tài)，沒(méi)有中間過(guò)渡的狀態(tài)，造成電機(jī)切換不順暢。對(duì)于n較多的情況下由于繞組全部串聯(lián)，繞組自身的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也就全部相加，電機(jī)在全串聯(lián)時(shí)工作的速度范圍變的很窄，也就不能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)寬電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍的目的。

因此，本發(fā)明的發(fā)明人亟需構(gòu)思一種新技術(shù)以改善其問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供一種用于電機(jī)寬速的控制系統(tǒng)，其只需要使用一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力電源，可以使電機(jī)高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)成倍擴(kuò)大，極大的改善了電機(jī)性能，提高能源利用率。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種用于電機(jī)寬速的控制系統(tǒng)，包括：一動(dòng)力電源模塊、信號(hào)處理與邏輯控制模塊、串并聯(lián)切換模塊、PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊、柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊、電流檢測(cè)模塊、對(duì)稱繞組電機(jī)，其中所述動(dòng)力電源模塊與所述串并聯(lián)切換模塊、所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊和所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊連接，所述串并聯(lián)切換模塊與所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊連接，所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)所述電流檢測(cè)模塊檢測(cè)后與所述對(duì)稱繞組電機(jī)連接；所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊包括多個(gè)輸出端，該輸出端分別與所述串并聯(lián)切換模塊和所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊連接；所述信號(hào)處理與邏輯控制模塊分別與所述串并聯(lián)切換模塊、所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊、所述電流檢測(cè)模塊、所述對(duì)稱繞組電機(jī)連接。

優(yōu)選地，所述對(duì)稱繞組電機(jī)上設(shè)有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器，所述轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器與所述信號(hào)處理與邏輯控制模塊連接。

優(yōu)選地，M路所述串并聯(lián)切換模塊包括N個(gè)切換單元，每一所述切換單元的第一端口均與所述動(dòng)力電源模塊的正極連接，其第二端口與所述動(dòng)力電源模塊的負(fù)極連接，其第三端口與所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊的輸出端連接；其中M≥1，N≥1。

優(yōu)選地，每一所述切換單元包括第一切換開關(guān)、第二切換開關(guān)和第三切換開關(guān)，其中所述第一切換開關(guān)的S端口與所述動(dòng)力電源模塊的負(fù)極連接，其D端口與所述第二切換開關(guān)的S端口和所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊連接；所述第二切換開關(guān)的D端口與所述第三切換開關(guān)的S端口連接，所述第三切換開關(guān)的D端口與所述動(dòng)力電源模塊的正極連接。

優(yōu)選地，所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，每一驅(qū)動(dòng)單元均包括一正極公共端、一負(fù)極公共端和電壓輸入端，所述正極公共端與所述動(dòng)力電源模塊的正極或者一切換單元的第四端口連接；所述負(fù)極公共端與所述動(dòng)力電源模塊的負(fù)極或者一切換單元的第三端口連接；所述電壓輸入端與所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊的一輸出端連接。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)單元為全橋驅(qū)動(dòng)電路或者多路半橋驅(qū)動(dòng)電路。

優(yōu)選地，所述第一切換開關(guān)和/或所述第二切換開關(guān)和/或所述第三切換開關(guān)為機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)或電子開關(guān)。

優(yōu)選地，所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊還包括第一公共端和第二公共端，其中所述第一公共端與所述動(dòng)力電源模塊的正極連接，所述第二公共端與所述動(dòng)力電源模塊的負(fù)極連接。

優(yōu)選地，所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊還包括第一公共端和第二公共端，其中所述第一公共端和所述第二公共端與一外接電源連接。

優(yōu)選地，M＝N+1。

采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少包括如下有益效果：

本發(fā)明所述的用于電機(jī)寬速的控制系統(tǒng)，只需要使用一個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力電源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，且不會(huì)損傷切換開關(guān)。而且通過(guò)控制串并聯(lián)切換模塊中的切換開關(guān)的打開與關(guān)閉，可以實(shí)現(xiàn)多種串并聯(lián)狀態(tài)，而非單純的全部并聯(lián)或全部串聯(lián)這兩種狀態(tài)。尤其是對(duì)于電機(jī)繞組較多的情況下，可以使電機(jī)高效率的轉(zhuǎn)速區(qū)成倍擴(kuò)大，極大的改善了電機(jī)性能，提高能源利用率。

附圖說(shuō)明

圖1a為本發(fā)明所述的用于電機(jī)寬速的控制系統(tǒng)的原理圖；

圖1b為本發(fā)明所述的用于電機(jī)寬速的控制系統(tǒng)的原理圖；

圖2a為本發(fā)明所述的PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊的電路示意圖；

圖2b為本發(fā)明所述的PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊的電路示意圖；

圖3a為本發(fā)明所述的電流檢測(cè)模塊的電路示意圖；

圖3b為本發(fā)明所述的電流檢測(cè)模塊的電路示意圖；

圖4a為單變壓器多路隔離穩(wěn)壓電源的電路示意圖；

圖4b為多變壓器多路隔離穩(wěn)壓電源的電路示意圖；

圖5a-5c為全串聯(lián)狀態(tài)時(shí)的等效電路示意圖；

圖6a-6c為全并聯(lián)狀態(tài)時(shí)的等效電路示意圖；

圖7a-7c為2并2串聯(lián)狀態(tài)時(shí)的等效電路示意圖；

圖8為切換流程圖。

其中：1.動(dòng)力電源模塊，2.信號(hào)處理與邏輯控制模塊,3.串并聯(lián)切換模塊,4.PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊，5.柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊，6.電流檢測(cè)模塊，7.對(duì)稱繞組電機(jī)，8.磁環(huán)，9.電流霍爾傳感器，10.轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1a和圖1b所示，為符合本發(fā)明的一種用于電機(jī)寬速的控制系統(tǒng)，包括：一動(dòng)力電源模塊1、信號(hào)處理與邏輯控制模塊2、串并聯(lián)切換模塊3、PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4、柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5、電流檢測(cè)模塊6、對(duì)稱繞組電機(jī)7，其中所述動(dòng)力電源模塊1與所述串并聯(lián)切換模塊3、所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4和所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5連接，所述串并聯(lián)切換模塊3與所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4連接，所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4通過(guò)所述電流檢測(cè)模塊6檢測(cè)后與所述對(duì)稱繞組電機(jī)7連接；所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5包括多個(gè)輸出端，該輸出端分別與所述串并聯(lián)切換模塊3和所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4連接；所述信號(hào)處理與邏輯控制模塊2分別與所述串并聯(lián)切換模塊3、所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4、所述電流檢測(cè)模塊6、所述對(duì)稱繞組電機(jī)7連接。優(yōu)選地，所述信號(hào)處理與邏輯控制模塊2為一包含電機(jī)速度傳感器、相電流傳感器和運(yùn)行電機(jī)控制算法的單片機(jī)。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，如圖1b所示，所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元(下述)內(nèi)均設(shè)有一柵極電源。

優(yōu)選地，所述對(duì)稱繞組電機(jī)7上設(shè)有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器10，所述轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器10與所述信號(hào)處理與邏輯控制模塊2連接。所述對(duì)稱繞組電機(jī)7是有由在電氣上絕緣，磁路上完全相同的多路并行繞組的各種電機(jī)。如專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110385907.0，申請(qǐng)名稱為“單機(jī)多驅(qū)動(dòng)多繞組電機(jī)系統(tǒng)”的專利文獻(xiàn)中，則提供了一種對(duì)稱繞組電機(jī)7的具體實(shí)施方式。當(dāng)然上述電機(jī)繞組的具體設(shè)置旨在為了充分說(shuō)明本實(shí)施例，并非用于限制，任何顯而易見的形式變化和替換均在本實(shí)施例的保護(hù)范圍之內(nèi)。

優(yōu)選地，M路所述串并聯(lián)切換模塊3包括N個(gè)切換單元，每一所述切換單元的第一端口均與所述動(dòng)力電源模塊1的正極連接，其第二端口與所述動(dòng)力電源模塊1的負(fù)極連接，其第三端口與所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5的輸出端連接；其中M≥1，N≥1，更為優(yōu)選地M＝N+1。

優(yōu)選地，每一所述切換單元包括第一切換開關(guān)PK(N)、第二切換開關(guān)SK(N)和第三切換開關(guān)NK(N)，其中所述第一切換開關(guān)的S端口與所述動(dòng)力電源模塊1的負(fù)極連接，其D端口與所述第二切換開關(guān)的S端口和一下述的驅(qū)動(dòng)單元連接；所述第二切換開關(guān)的D端口與所述第三切換開關(guān)的S端口連接，所述第三切換開關(guān)的D端口與所述動(dòng)力電源模塊1的正極連接。所述第一切換開關(guān)、所述第二切換開關(guān)、所述第三切換開關(guān)的控制端均與所述信號(hào)處理與邏輯控制模塊2連接，在其控制下動(dòng)作。

優(yōu)選地，所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4包括多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，每一驅(qū)動(dòng)單元均包括一正極公共端、一負(fù)極公共端和電壓輸入端，所述正極公共端與所述動(dòng)力電源模塊1的正極或者一切換單元的第四端口連接；所述負(fù)極公共端與所述動(dòng)力電源模塊1的負(fù)極或者一切換單元的第三端口連接；所述電壓輸入端與所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5的一輸出端連接。優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)單元為全橋驅(qū)動(dòng)電路或者多路半橋驅(qū)動(dòng)電路。

優(yōu)選地，每一所述驅(qū)動(dòng)單元均包括一柵極驅(qū)動(dòng)端口，該柵極驅(qū)動(dòng)端口與所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5的一輸出端口連接。由于柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5的輸出端口是彼此電氣隔離的，所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4的柵極驅(qū)動(dòng)端口也是電氣隔離的，通過(guò)用所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5為驅(qū)動(dòng)單元供電，替代使用動(dòng)力電源供電，從而無(wú)需使用多個(gè)獨(dú)立的動(dòng)力電源，降低應(yīng)用成本，同時(shí)由于多個(gè)動(dòng)力電源的使用所帶來(lái)的問(wèn)題也都可以迎刃而解。

優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)量為N+1。如果將每一個(gè)切換單元依次編號(hào)為1至N，將每一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元依次編號(hào)為1至N+1，那么第一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的正極公共端與所述動(dòng)力電源模塊1的正極連接，第二個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的正極公共端與第一個(gè)切換單元的第四端口連接，依次類推，第N+1個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的正極公共端與第N個(gè)切換單元的第四端口連接。第一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的負(fù)極公共端與所述動(dòng)力電源模塊1的負(fù)極連接，第二個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的負(fù)極公共端與第一個(gè)切換單元的第三端口連接，依次類推，第N+1個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的負(fù)極公共端與第N個(gè)切換單元的第三端口連接。

優(yōu)選地，所述第一切換開關(guān)和/或所述第二切換開關(guān)和/或所述第三切換開關(guān)為機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)或電子開關(guān)。在一優(yōu)選實(shí)施例中，所述第一切換開關(guān)為繼電器、MOS管、絕緣柵雙極型晶體管中的一種或者多種；所述第二切換開關(guān)為二極管、繼電器、MOS管、絕緣柵雙極型晶體管中的一種或者多種；所述第三切換開關(guān)為繼電器、MOS管、絕緣柵雙極型晶體管中的一種或者多種。

優(yōu)選地，M＝N+1。

優(yōu)選地，M＝4，N＝3。

優(yōu)選地，所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5還包括第一公共端和第二公共端，其中所述第一公共端與所述動(dòng)力電源模塊1的正極連接，所述第二公共端與所述動(dòng)力電源模塊1的負(fù)極連接。

優(yōu)選地，所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5還包括第一公共端和第二公共端，其中所述第一公共端和所述第二公共端與一外接電源連接。

優(yōu)選地，所述電機(jī)包括但不限于無(wú)刷電機(jī)、永磁同步電機(jī)、交流電機(jī)、磁阻電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、線性電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)除電機(jī)外可以是用晶圓封裝與厚膜集成塊中，或是集成與一個(gè)半導(dǎo)體芯片中，也可以是分布于多個(gè)實(shí)體再用導(dǎo)線互聯(lián)。本發(fā)明對(duì)其具體封裝方式不作限定，請(qǐng)本領(lǐng)域技術(shù)人員知悉。

本發(fā)明原理在于：在電機(jī)啟動(dòng)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果把電機(jī)的多個(gè)繞組等效的串聯(lián)了，那么根據(jù)線圈的安匝關(guān)系，匝數(shù)變多時(shí)，電流就可以相對(duì)減小，這雖然不能改變電機(jī)在因阻力轉(zhuǎn)矩使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的效率為零的事實(shí)，但因減小了電流，而減小了輸入電源功率，卻提高了包含動(dòng)力電源，控制器和電機(jī)的整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的能源利用效率。

也因?yàn)槔@組串聯(lián)的關(guān)系，自感電動(dòng)勢(shì)E_φ增大，E_P-E_φ值變小，而電機(jī)繞組線圈的等效阻抗R_f變大，用PWM調(diào)節(jié)到同樣的電流效果時(shí)，占空比變大，電流的脈沖峰值變小，各種損耗也就降低了。隨著電流的利用率提高，電機(jī)發(fā)熱量減小，還可以在原來(lái)電機(jī)的參數(shù)基礎(chǔ)上，適量增加電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

在隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，因自感電動(dòng)勢(shì)的提高，限制到電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，把多個(gè)繞組再轉(zhuǎn)換為串并聯(lián)混合的狀態(tài)，直到電機(jī)達(dá)到一定速度時(shí)，所有的繞組全部轉(zhuǎn)換為并聯(lián)狀態(tài)。

通過(guò)這種方式達(dá)到了展寬電機(jī)的效率曲線，提高電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，降低電機(jī)發(fā)熱量，對(duì)于以電池為能量來(lái)源的系統(tǒng)，則延長(zhǎng)了電池的續(xù)航時(shí)間。

以往單繞組的電機(jī)為了兼顧低速時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和低速時(shí)的效率，限制了最高速度。在用了多繞組串并聯(lián)混合時(shí)，則可以極大的擴(kuò)展了電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，而不損失低速時(shí)的性能。

下面以一具體實(shí)施例來(lái)充分說(shuō)明本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，其他任何顯而易見的形式變化和調(diào)整均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

在該優(yōu)選實(shí)施例中，所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4，由全橋或者三個(gè)半橋等通用驅(qū)動(dòng)電路組成。圖2a和2b提供了兩種較為常見的電路形式。圖2a用于驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)，無(wú)刷電機(jī)等；附圖2b用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，磁阻電機(jī)等。其中每個(gè)功率電路部分的柵極驅(qū)動(dòng)供電(VCC)都是互相隔離的。柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端和輸出端是不共地的，可以用各種隔離類型柵極驅(qū)動(dòng)，如A光耦型：如HP公司的HCPL－3120，F(xiàn)AIRCHILD公司的FOD8384等；B磁隔離型：如ANALOG DEVICES公司的ADuM6132等；C非隔離但不共地型：如IR公司的IRS2117，IRS2118等高邊驅(qū)動(dòng)。

如圖3a和圖3b所示，所述電流檢測(cè)模塊6包括多個(gè)磁環(huán)8，磁環(huán)8設(shè)置在所述PWM調(diào)制及功率驅(qū)動(dòng)模塊4和所述對(duì)稱繞組電機(jī)7之間。所有同一相的線要從同一方向穿過(guò)磁環(huán)8才能正確的采樣到真實(shí)的相電流。電流霍爾傳感器9位于磁環(huán)8開口間隙內(nèi)(優(yōu)選地，電流霍爾傳感器9可以用allegro公司的A1363)。由于所有相線都有相同的電流方向和相位，所以電流是正向疊加的。當(dāng)采樣三相電流時(shí)，其計(jì)算方法為：

V相電流＝I_V(1)+I_V(2)+I_V(3)+……+I_V(N)；

U相電流＝I_U(1)+I_U(2)+I_U(3)+……+I_U(N)；

W相電流＝I_W(1)+I_W(2)+I_W(3)+……+I_W(N)。

當(dāng)然，為了節(jié)省成本，也可以只采樣兩相的電流，第三相電流則通過(guò)公式I(W)+I(U)+I(V)＝0計(jì)算出來(lái)。也可以只采樣其中一個(gè)繞組的電流，在乘以對(duì)稱繞組的數(shù)量N。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際的使用情況進(jìn)行相應(yīng)的選擇和設(shè)定，本實(shí)施例對(duì)此不作限定。

所述柵極驅(qū)動(dòng)電源模塊5，為單變壓器多路隔離穩(wěn)壓電源或多變壓器多路隔離穩(wěn)壓電源中的一種。如圖4a所示，為一單變壓器多路隔離穩(wěn)壓電源，如圖4b所示，為一多變壓器多路隔離穩(wěn)壓電源。二者均包括M路彼此電氣隔離的輸出端，區(qū)別在于多變壓器多路隔離穩(wěn)壓電源包括多個(gè)獨(dú)立的PWM控制單元。

本實(shí)施例可以產(chǎn)生多種串并聯(lián)狀態(tài)。如其全串聯(lián)狀態(tài)時(shí)的等效電路如圖5a至5c所示；當(dāng)所述第一切換開關(guān)和所述第三切換開關(guān)關(guān)閉，所述第二切換開關(guān)因正向壓降打通，電流流向如圖5b和5c所示，整體形成串聯(lián)關(guān)系。全部串聯(lián)時(shí)，E_all＝E₁+E₂+E₃+……+E_N。

其全并聯(lián)狀態(tài)時(shí)的等效電路如圖6a至6c所示。當(dāng)所述第一切換開關(guān)和所述第三切換開關(guān)打開，所述第二切換開關(guān)關(guān)閉，電流流向如圖6b和6c所示，整體形成并聯(lián)關(guān)系。全部并聯(lián)時(shí)，E_all＝E₁＝E₂＝E₃……＝E_N。

當(dāng)N＝3時(shí)，其2并2串時(shí)的等效電路如圖7a至7c所示。此時(shí)，第一驅(qū)動(dòng)單元與第三驅(qū)動(dòng)單元的切換開關(guān)狀態(tài)一致，都是第一切換開關(guān)和第三切換開關(guān)關(guān)閉，第二切換開關(guān)打開；第二驅(qū)動(dòng)單元?jiǎng)t與之相反。此時(shí)E_all＝E₁+E₂＝E₃+E₄。當(dāng)然若N的數(shù)值更大，還可以提供更多不同的串并聯(lián)狀態(tài)，即可以提供位于全部并聯(lián)或全部串聯(lián)這兩種狀態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài)，避免電機(jī)切換不順。對(duì)于多種不同的串并聯(lián)狀態(tài)本領(lǐng)域技術(shù)人員在本實(shí)施例公開的基礎(chǔ)上完全可以獲知，本實(shí)施例在此處就不一一贅述了。

對(duì)于本實(shí)施例中多個(gè)繞組的切換有不同的策略，如下：

1.人為給出設(shè)置檔位。

2.根據(jù)反電動(dòng)勢(shì)的大小來(lái)切換。

3.根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)切換。

4.根據(jù)電機(jī)相電流的大小來(lái)切換。

不論以上哪種切換方式(上述切換的具體方式本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實(shí)際的使用情況自行設(shè)定，本實(shí)施例對(duì)此不作限定)都要關(guān)注電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)種中每個(gè)繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)E(N)的電壓值，因?yàn)樵陔姍C(jī)繞組由并聯(lián)向串聯(lián)切換時(shí)，所有串聯(lián)的繞組產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)是相加的，為保證切換后總的反電動(dòng)勢(shì)E_all與電源電壓E_P不相差太多，要檢測(cè)E_all電壓值達(dá)到合適的數(shù)值時(shí)，才能執(zhí)行由并聯(lián)到串聯(lián)的切換指令。

因?yàn)殡姍C(jī)的每個(gè)繞組為對(duì)稱的，所以產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)也是基本相同的，既E(1)＝E(2)＝……＝E(N)，只需要測(cè)量任意一個(gè)繞組的電壓值即可，其中PWM調(diào)制和功率驅(qū)動(dòng)模塊(N)的負(fù)極公共端P_COM是始終接在動(dòng)力電源地線的，它的反電動(dòng)勢(shì)E(N)的電壓也是以地線為參考的，檢測(cè)最為方便和成本低。而其它的繞組由于串并聯(lián)的改變，電壓是懸浮的，測(cè)量要用隔離方式。

當(dāng)由串聯(lián)向并聯(lián)切換時(shí)，由于不存在反電動(dòng)勢(shì)相加的問(wèn)題，可以不用考慮。

由于不論用繼電器還是半導(dǎo)體功率管作為切換開關(guān)，其開關(guān)過(guò)程都有一定的時(shí)間延遲delay。在切換狀態(tài)時(shí)，其開關(guān)按功能劃分為兩種類型，1：串聯(lián)開關(guān)SK，2：并聯(lián)開關(guān)PK、NK。這兩類開關(guān)不能同時(shí)動(dòng)作，以防出現(xiàn)電源正負(fù)極短路。

在切換時(shí)，要等待一個(gè)delay時(shí)間，讓原來(lái)已經(jīng)打開的一種類型開關(guān)徹底關(guān)閉后，才能打開另外一種類型的開關(guān)。而同樣類型的開關(guān)是可以同時(shí)打開和關(guān)閉不用考慮開關(guān)延遲問(wèn)題，這個(gè)delay時(shí)間數(shù)值根據(jù)用的開關(guān)不同適當(dāng)調(diào)整，繼電器一般為200ms以內(nèi)，IGBT或MOSFET因柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電流不同，一般為100us到50ns范圍內(nèi)。如果要達(dá)到最佳切換速度，delay的數(shù)值需要實(shí)際的測(cè)量或根據(jù)參數(shù)計(jì)算。

下面是以n＝3為例，根據(jù)速度和反電動(dòng)勢(shì)綜合判斷，來(lái)切換串并聯(lián)狀態(tài)，圖8以流程圖的方式來(lái)說(shuō)明切換過(guò)程。

在繞組和PWM調(diào)制與功率驅(qū)動(dòng)模塊改變串并聯(lián)關(guān)系的情況下，由于所有的繞組是對(duì)稱的，并且受同一組PWM信號(hào)的控制，當(dāng)改變繞組串并聯(lián)關(guān)系后，只是改變了繞組的等效匝數(shù)，和同樣相電流下的轉(zhuǎn)矩值，轉(zhuǎn)換串并聯(lián)狀態(tài)后，針對(duì)不同的電機(jī)有以下幾種情況：

1.沒(méi)有電流環(huán)的開環(huán)控制的電機(jī)，如V/F控制類型的交流電機(jī)(ACM)和無(wú)電流環(huán)的無(wú)刷電機(jī)(BLDC)等，改變繞組的等效串并聯(lián)關(guān)系后，對(duì)控制算法沒(méi)有影，但會(huì)產(chǎn)生一定量的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。

2.對(duì)于有電流環(huán)控制算法的電機(jī)，如永磁同步電機(jī)(PMSM)和FOC算法的交流電機(jī)，在原來(lái)的控制算法基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)前的串并聯(lián)狀態(tài)，對(duì)從速度PID環(huán)或直接給出的電流基準(zhǔn)值I_ref，在改變繞組串并聯(lián)狀態(tài)的同時(shí)，用一組相對(duì)應(yīng)的系數(shù)進(jìn)行修正。

對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，對(duì)相電流的控制實(shí)質(zhì)的結(jié)果就是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制，不同的電機(jī)，電流和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式是不同的，也可能是非線性的。如果是無(wú)刷是機(jī)和永磁同步電機(jī)，由于接近直流有刷電機(jī)的特性，其電流轉(zhuǎn)矩曲線也近似線性，可直接按照串并聯(lián)的倍數(shù)關(guān)系取K_i的值，如以下所示：

當(dāng)全并聯(lián)時(shí)，K_i＝1；

兩并兩串時(shí)，K_i＝2；

當(dāng)全部串時(shí)，K_i＝4；

I_ref＝I_ref*K_i；(C語(yǔ)言的自賦值表達(dá)方式)

把修正過(guò)的I_ref再進(jìn)入下一步的反PARK變換。

3.需要電機(jī)參數(shù)的無(wú)霍爾無(wú)刷電機(jī)，永磁同步電機(jī)控制，和無(wú)編碼器的交流FOC控制，一般用到的電機(jī)參數(shù)有，相電感、相電阻和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在需要計(jì)算這個(gè)量來(lái)進(jìn)行無(wú)霍爾運(yùn)行的算法,相電感、相電阻、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在串并聯(lián)切換后，繞組的上面的參數(shù)變化為整倍數(shù)的，所以只需要要切換后乘以一個(gè)修正系數(shù)即可。其修正系數(shù)的算法本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，此處不再贅述。

對(duì)所公開的實(shí)施例的上述說(shuō)明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對(duì)這些實(shí)施例的多種修改對(duì)本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會(huì)被限制于本文所示的這些實(shí)施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點(diǎn)相一致的最寬的范圍。