一種變結構電機系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種變結構電機系統(tǒng)，屬于電機領域。
【背景技術】
[0002] 隨著高功率密度磁鐵和功率器件的發(fā)展，電機系統(tǒng)尤其是永磁電機系統(tǒng)應用場合 不斷擴大，比如現(xiàn)在發(fā)展出來的全電汽車、全電坦克、全電艦船等，電機系統(tǒng)作為上述系統(tǒng) 的關鍵動力機構和推進動力源，其工況需求往往比較復雜而且經常多變，比如經常會遇到 高速、低速、輕載、超載、正常和故障等工況。
[0003] 現(xiàn)有技術中，為了使得電機系統(tǒng)滿足不同的驅動工況要求，通常采用兩臺電機+ 離合器結構，比如高速電機+低速電機通過離合器，根據(jù)不同的工況需求，切換相應的電機 進行工作。該結構雖然能夠提高不同的工況需求，但是由于兩臺電機不是同時工作，而且離 合器為了滿足多種工況，其體積和重量都非常大，從而造成系統(tǒng)功率密度非常低，而且由于 離合器的存在，使得系統(tǒng)效率較低，另外也會產生較大的機械震動和噪聲。
[0004] 電機系統(tǒng)作為機電能量轉換系統(tǒng)的核屯、關鍵子系統(tǒng)，其性能決定和影響著機電能 量轉換系統(tǒng)的性能。如何從根本上解決上述矛盾，讓電機系統(tǒng)既能夠滿足多工況需求是本 領域亟待解決的技術問題。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種結構可變、功率密度高、具有容 錯能力的高可靠變結構電機系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明目的通過如下技術方案予W實現(xiàn)：
[0007] 提供一種變結構電機系統(tǒng)，包括主控制器、第一驅動器、電流采集模塊和獨立繞組 電機；
[0008] 所述電流采集模塊采集獨立繞組電機每個繞組輸出的電流并傳輸給主控制器； W09] 獨立繞組電機具有2N個繞組，N > 2 ;
[0010] 所述第一驅動器包括功率管驅動器、開關驅動器、功率管組和電源開關組；
[0011] 功率管組包括4N個H橋臂；每個H橋臂包括第一功率管和第二功率管，第一功率 管的源極連接第二功率管的漏極；
[0012] 電源開關組包括電源組和4N個功率開關；電源組包括N個直流功率電源，每個直 流功率電源具有正輸出端子和負輸出端子；
[0013] 第i個直流功率電源的正輸出端子連接第i個和第2N+i個功率開關的第一接入 端，第i個功率開關的第二接入端連接第iQl個和第Ql個第一功率管的漏極，第iQl個第一 功率管的源極與獨立繞組電機的第i個繞組的第一端相連，第（N+i)Ql個第一功率管的源 極與獨立繞組電機的第N+i個繞組的第一端相連；第i個直流功率電源的負輸出端子連接 第N+i個和第3N+i個功率開關的第一接入端，第N+i個功率開關的第二接入端連接第iQ4 個和第（N+i) Q4個第二功率管的源極，第3N+i個功率開關的第二接入端連接第iQ2個和第 (N+i)Q2個第二功率管的源極；第2N+i個功率開關巧I)的第二接入端連接第iQ3個和第 (N+i)Q3個第一功率管的漏極，第iQ3個第一功率管的源極與獨立繞組電機（30)的第i個 繞組的第二端相連，第（N+i) Q3個第一功率管的源極與獨立繞組電機的第N+i個繞組的第 二端相連；1《i《N-I ;
[0014] 所述功率管驅動器，根據(jù)主控制器發(fā)送的控制命令驅動功率管組中的第一功率管 和第二功率管；
[0015] 開關驅動器根據(jù)主控制器發(fā)送的控制命令驅動電源開關組中的4N個功率開關；
[0016] 所述主控制器接收每個繞組輸出的電流，執(zhí)行故障診斷算法，判斷是否發(fā)生故障， 當發(fā)生故障時，診斷出故障位置和故障類型，并通過改變驅動拓撲結構實現(xiàn)故障恢復；接收 上位機發(fā)送的控制命令，并將控制命令轉發(fā)給功率管驅動器和開關驅動器。
[0017] 優(yōu)選的，所述第一驅動器根據(jù)控制指令能夠構成N個H橋驅動拓撲結構或2N個H 橋驅動拓撲結構；2N個H橋的驅動拓撲結構構成方式為：開啟4N個功率開關W及全部第 一功率管和第二功率管；N個H橋的驅動拓撲結構構成方式為：開啟iQl、iQ4、（N+i) Ql和 (N+U Q4 ;且開啟第I到N和第N+1到2N個功率開關，關閉第2N+1到3N和第3N+1到4N個 功率開關；并且關閉iQ3和（N+i)Q3,開啟iQ2和（N+i)Q2,或者開啟iQ3和（N+i)Q3,關閉 iQ2和（N+UQ2,實現(xiàn)第i個繞組和第N+i個繞組的串聯(lián)。
[001引優(yōu)選的，所述第一驅動器根據(jù)控制指令能夠構成N個H橋驅動拓撲結構或2N個H 橋驅動拓撲結構；2N個H橋的驅動拓撲結構構成方式為：開啟4N個功率開關W及全部第 一功率管和第二功率管；N個H橋的驅動拓撲結構構成方式為：開啟iQ2、iQ3、（N+i) Q2和 (N+i)Q3 ;并關閉第I到N和第N+1到2N個功率開關巧1)，開啟第2N+1到3N和第3N+1到 4N個功率開關巧l);并且關閉iQl和（N+i)Ql，開啟iQ4和（N+i)Q4，或者開啟iQl和（N+i) Q1，關閉iQ4和（N+i)Q4,實現(xiàn)第i個繞組和第N+i個繞組的串聯(lián)。
[0019] 優(yōu)選的，通過改變驅動拓撲結構實現(xiàn)故障恢復的方式為：當驅動拓撲結構為N個H 橋驅動拓撲結構，關閉故障所在支路的兩個繞組連接H橋臂和關閉故障所在支路的兩個繞 組連接功率開關；當驅動拓撲結構為2N個H橋驅動拓撲結構，關閉故障所在的支路上繞組 連接的H橋臂。
[0020] 優(yōu)選的，所述第一驅動器還包括過流保護模塊和可編程邏輯控制器，可編程邏輯 控制器接收主控制器發(fā)送的控制命令并發(fā)送給H橋臂和電源開關組；所述電流采集模塊采 集獨立繞組電機每相繞組輸出的電流還傳輸給第一驅動器的過流保護模塊，當某相某個繞 組輸出的電流超過設定電流闊值時，過流保護模塊將該繞組的過流信號輸出給可編程邏輯 控制器；當驅動拓撲結構為N個H橋驅動拓撲結構，關閉故障所在支路的兩個繞組連接H橋 臂和關閉故障所在支路的兩個繞組連接功率開關；當驅動拓撲結構為2N個H橋驅動拓撲結 構，關閉故障所在的支路上繞組連接的H橋臂。
[0021] 優(yōu)選的，所述第一驅動器還包括過熱保護模塊，過熱保護模塊采集獨立繞組電機 每相繞組的溫度，當某相某個繞組輸出的溫度超過設定溫度闊值時，過熱保護模塊將該相 繞組的過熱信號輸出給可編程邏輯控制器，當驅動拓撲結構為N個H橋驅動拓撲結構，關閉 故障所在支路的兩個繞組連接H橋臂和關閉故障所在支路的兩個繞組連接功率開關；當驅 動拓撲結構為2N個H橋驅動拓撲結構，關閉故障所在的支路上繞組連接的H橋臂。
[0022] 優(yōu)選的，所述電流闊值為繞組額定輸出的電流值的2-5倍；優(yōu)選的，所述溫度闊值 為 150。~200。。
[0023] 優(yōu)選的，主控制器發(fā)送的控制指令包括N個H橋驅動拓撲結構、H橋并聯(lián)輕載驅動 拓撲結構、H橋并聯(lián)正常驅動拓撲結構、H橋并聯(lián)重載驅動拓撲結構；控制指令為H橋并聯(lián) 輕載驅動拓撲結構，開啟4N個功率開關，開啟繞組IW-NW兩端連接的H橋臂，或者開啟繞組 (N+DW-2NW兩端連接的H橋臂；控制指令為H橋并聯(lián)正常驅動拓撲結構時，開啟4N個功率 開關，開啟全部H橋臂，H橋臂的開啟時間為30% -60% ;控制指令為H橋并聯(lián)重載驅動拓 撲結構時，開啟4N個功率開關，開啟全部H橋臂，H橋臂的開啟時間為70% W上。
[0024] 優(yōu)選的，故障診斷算法具體步驟為：
[0025] 1)電流傳感器實時采集的各相電流，將各相電流進行平方處理，并將相鄰兩相電 流平方進行做差求得各相電流相互殘差；
[00%] 2)對正常時各相電流相互殘差進行范數(shù)計算或數(shù)學期望計算，建立正常各相電流 相互殘差時范數(shù)值表或數(shù)學期望值表；
[0027] 3)對步驟1)得到的各相電流相互殘差進行范數(shù)計算或數(shù)學期望計算，通過實時 對比各相電流相互殘差范數(shù)值或數(shù)學期望值與正常時各相電流相互殘差時范數(shù)值或數(shù)學 期望值，判定故障類型和發(fā)生故障的具體位置，并實現(xiàn)故障識別和隔離。
[0028] 優(yōu)選的，根據(jù)數(shù)學期望值判定故障類型和發(fā)生位置的具體方法為：
[00巧]若電流相數(shù)為奇數(shù)，
[0030]
[0031] 若電流相數(shù)為偶數(shù)，
[0032]
[0033] 優(yōu)選的，根據(jù)范數(shù)值判定故障類型和發(fā)生位置的具體方法為：
[0034] 若電流相數(shù)為奇數(shù)，
[0035]
[0036] 若電流相數(shù)為偶數(shù)，
[0037]
[0038] 優(yōu)選的，主控制器發(fā)現(xiàn)存在繞組或功率管組中的功率管故障后，如果為N個H橋驅 動拓撲結構，關閉故障所在支路的兩個繞組連接H橋臂和關閉故障所在支路的兩個繞組連 接功率開關，并采取保持故障前后磁動勢不變的策略，調整非故障相的輸出電流幅值和相 位；如果為H橋并聯(lián)輕載驅動拓撲結構，關閉故障所在的支路上繞組連接的H橋臂，開啟另 一組中與該繞組功能相同繞組連接的H橋臂，或者將整組功率管關閉，開啟另外一組H橋 并聯(lián)輕載驅動拓撲結構；如果為H橋并聯(lián)正常驅動拓撲結構，關閉故障所在的支路上繞組 連接的H橋臂，調整與故障相功能相同的非故障相的輸出電流幅值加倍，相位不變；如果為 H橋并聯(lián)重載驅動拓撲結構，關閉故障所在的支路上繞組連接的H橋臂，調整與故障相功能 相同的非故障相的輸出電流幅值加倍，相位不變。
[0039] 優(yōu)選的，當?shù)谝或寗悠鞯捏w積或重量超過設定闊值時，所述第一驅動器替換為第 二驅動器；
[0040] 所述第二驅動器包括功率管驅動器、開關驅動器、功率開關組和2N個繞組驅動單 元；
[0041] 每個繞組驅動單元連接一個繞組的第一連接端，提供繞組驅動電流；
[0042] 所述功率開關組包括多個功率開關，構成N-I個開關串聯(lián)單元和一個獨立開關， 開關串聯(lián)單元包括依次串聯(lián)的第一開關、第二開關和第=開關，第一開關的一端作為第一 獨立端，第一開關另一端與第二開關一端連接，連接端作為第一公共端，第二開關的另一端 與第=開關的一端連接，連接端作為第二公共端，第=開關的另一端作為第二獨立端；第i 個開關串聯(lián)單元的第一公共端連接第i+1個開關串聯(lián)單元的第一獨立端和第i+1個繞組的 第二端；第i個開關串聯(lián)單元的第二公共端連接第i+1個開關串聯(lián)單元的第二獨立端和第 N+i+1個繞組的第二端；獨立開關的第一端連接第一個開關串聯(lián)單元的第一獨立端和第1 個繞組的第二端，獨立開關的第二端連接第1個開關串聯(lián)單元的第二獨立端和第N+1個繞 組的第二端；其中
[0043] 驅動單元控制器，根據(jù)控制命令控制2N個繞組驅動單元是否提供繞組驅動電流；
[0044] 開關驅動器根據(jù)控制命令控制功率開關組中的功率開關導通或關斷。
[0045] 優(yōu)選的，所述繞組驅動單元，包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源極連 接第二功率管的漏極，第一功率管的漏極連接電源端，第二功率管的源極接地，第一功率管 和第二功率管的柵極作為控制端，第一功率管的源極還與獨立繞組電機的一個繞組的第一 端相連。
[0046] 優(yōu)選的，第二驅動器還包括可編程邏輯控制器，可編程邏輯控制器接收主控制器 發(fā)送的控制命令并發(fā)送給功率管驅動器和開關驅動器。
[0047] 優(yōu)選的，所述的功率開關組根據(jù)控制指令，能夠構成H橋驅動拓撲結構、星形驅動 拓撲結構；構成H橋驅動拓撲結構的方法為：開啟一個獨立開關和每個開關串聯(lián)單元中的 第二開關，關閉每個開關串聯(lián)單元中的第一開關和第=開關；構成星形驅動拓撲結構的方 法為：開啟每個開關串聯(lián)單元中的第一開關和/或第=開關，關閉一個獨立開關和每個開 關串聯(lián)單元中的第二開關