电动驱动装置、电动驱动系统以及电动设备的制作方法

本发明属于电机领域，特别涉及一种电动驱动装置、包含该电动驱动装置的电动驱动系统以及电动设备。

背景技术：

我国作为制造业大国，随着经济社会的发展，在资源环境、人力成本等多方面受到的制约会越来越多，我国制造业正面临着产业转型、升级换代的严峻挑战。实现制造业的升级，必然需要发展先进的高端装备制造业。与国际先进技术水平相比，我国在这一领域仍然存在一定差距。研究高性能电动驱动装置，有利于支持和促进我国这一领域的发展进步。

在高性能电动驱动装置中，为了获得更快的动态响应、更好的稳态性能，增加电流负反馈控制，即、在控制转速或转矩的同时对流经电机绕组的线电流进行控制。在数字控制系统中，由于功率变换器、驱动器、控制器和传感器等并不是连续的模拟系统，存在死区、时滞、不确定性、扰动和非线性等一系列影响因素，导致了线电流的变化不是连续的，存在电流最小变化量。而电机电流的最小变化量进一步影响了稳态性能的优劣。

在如图2所示的三相电动驱动装置中，电机的线电流是由功率变换器提供的，功率变换器中每相的上下桥臂都是由多个功率开关管并联组成的，每个功率开关管均存在输出电流最小变化量，所以电机的线电流的最小变化量是多个并联功率开关管的输出电流最小变化量的总和。

在电动驱动装置中，功率越大，电流分辨率也越大。这个问题严重影响了大功率的电动设备，如高速电梯、数控机床、电驱动列车、电动汽车和电动飞行器的性能。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有进制式结构的电动驱动装置、电动驱动系统以及电动设备。

<结构一>

本发明提供了一种电动驱动控制装置，设置在电动设备中，用于驱动电动设备内的多相电机，多相电机具有(i+j)个相互独立且参数相同的多相绕组单元，包括：直流电源，具有与多相电机的额定线电压相对应的恒定电压，用于提供与多相电机的额定线电流相对应的线电流；指令发送部，发送与多相电机输出的转速或转矩的值相对应的指令信号；电流传感器，检测多相绕组单元的线电流值，并发送对应的电流反馈信号；输出传感器，检测多相电机输出的转速或转矩，并发送对应的输出反馈信号；控制器，根据指令信号、电流反馈信号和输出反馈信号计算并输出运行控制信号以及电机控制信号；驱动器，在运行控制信号作用下进入工作状态或停止状态，在工作状态下根据电机控制信号产生驱动信号；以及功率变换器，在驱动信号的作用下将直流电转换为多相电机需要的线电流，其特征在于：其中，功率变换器具有与(i+j)个多相绕组单元一一对应连接的(i+j)个相互独立且参数相同的功率变换单元，控制器包含至少两个独立输出电机控制信号的控制单元，驱动器具有(i+j)个相互独立且参数相同的驱动单元，分别与(i+j)个功率变换单元相连接，i个驱动单元接收一个控制单元输出的电机控制信号，j个驱动单元接收其他的控制单元输出的电机控制信号，j为大于1的正整数，i为1。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，当功率变换单元的单个功率变换电路正常输出的最大连续工作电流有效值为I₁，多相电机的最大线电流有效值为I_N时，多相绕组单元的个数j满足下述条件：

(i+j)＞I_N÷I₁，

其中，j为大于1的正整数，i为1。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，多相电机为异步电机、同步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机中的任意一种，多相电机绕组的并绕根数能被多相绕组单元的个数(i+j)整除，多相电机绕组和多相绕组单元的绕组相数、绕组相序、绕组匝数、绕组连接方式和额定电压相同。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，直流电源为电池组或整流电源。

在本发明提供的电动驱动装置中，还可以具有这样的特征：其中，功率变换单元是由至少一个智能功率模块构成的或者包含多个类型和参数相同的功率开关管，功率开关管为电力场效应晶体管、门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管、绝缘栅双极型晶体管、电力双极型晶体管和门极换流晶闸管中的任意一种。

<结构二>

进一步，本发明还提供了一种电动驱动系统，设置在电动设备中，用于驱动电动设备，其特征在于，包括：多相电机，具有额定线电压和额定线电流，具有(i+j)个相互独立且参数相同的多相绕组单元；以及电动驱动控制装置，用于驱动多相电机，其中，电动驱动控制装置为<结构一>中的电动驱动控制装置，j为大于1的正整数，i为1。

<结构三>

进一步，本发明还提供了一种含有上述电动驱动系统的电动设备。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的电动驱动装置、电动驱动系统以及电动设备，多相电机绕组具有(i+j)个多相绕组单元，功率变换器具有(i+j)个功率变换单元，控制器包含至少两个独立输出电机控制信号的控制单元，驱动器具有(i+j)个驱动单元，分别与(i+j)个功率变换单元相连接，i个驱动单元接收一个控制单元输出的电机控制信号，j个驱动单元接收其他的控制单元输出的电机控制信号，即、一个控制单元与对应连接的i个驱动单元、i个功率变换单元和i个多相绕组单元组成第一位调节单元，其它的控制单元与对应连接的j个驱动单元、j个功率变换单元和j个多相绕组单元组成第二位调节单元，所以，当控制单元控制功率变换单元输出的线电流改变时，电流最小变化量减小到原来只有一个控制单元的电动驱动装置的(i+j)分之一，迅速地降低了输出的最小电流，提高电动驱动装置的精度和稳态性能。

综上，本发明的电动驱动装置、电动驱动系统以及电动设备具有结构设计简单、合理，分辨率高、性能优越等优点。

附图说明

图1是本发明的实施例中电动驱动系统的电路结构示意图；以及

图2是现有技术中常见的多相电机和功率变换器的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

电动驱动系统10设置在电动设备如高速电梯、数控机床、电驱动列车、电动汽车和电动飞行器中，用于驱动电动设备。

图1是本实施例中的电动驱动系统的电路结构示意图。

如图1所示，电动驱动系统10包括多相电机11以及电动驱动装置。

多相电机11的相数为k，具有额定线电压以及额定线电流。多相电机11为异步电机、同步电机、开关磁阻电机、无刷直流电机的任意一种。在本实施例中，多相电机11为异步电机，而且多相电机11为进制式电机。

多相电机11具有一个电枢以及安装在电枢上的多相电机绕组。在本实施例中，多相电机绕组的组数与电枢的个数相同，当电枢数目为两个及以上时，采用两组及以上的多相电机绕组。每组多相电机绕组包括(i+j)个相互独立且参数相同的多相绕组单元111，(i+j)的个数可以通过多相电机11绕组的并绕根数进行平均拆分，j的个数大于等于2，i的个数等于1。拆分前后，多相电机绕组和(i+j)个多相绕组单元的绕组相数、绕组相序、绕组匝数、绕组连接方式和额定电压保持不变。

在本实施例中，k为三，即多相电机11为三相电机，相应地，多相绕组单元111为三相绕组单元，每个三相绕组单元具有三个独立的绕组A、B、C。

电动驱动装置为进制式驱动装置，包括直流电源12、指令发送部13、电流传感器14、输出传感器15、控制器16、驱动器19以及功率变换器20。

直流电源12具有与多相电机11的额定线电压相对应的恒定电压，直流电源12是电池组或整流电源，电池组包含至少一个串联电池组或串并联电池组。在本实施例中，直流电源12采用的是电池组，该电池组包含一个串并联电池组。

指令发送部13发送与多相电机11输出的转速或转矩的值相对应的指令信号。

电流传感器14检测功率变换单元输出的线电流并输出相对应的电流反馈信号。电流反馈信号被控制器16接收。

输出传感器15检测多相电机输出的转速或力矩并输出相对应的输出反馈信号。输出反馈信号被控制器16接收。

控制器16根据指令发送部13的指令信号、电流传感器14的电流反馈信号、输出传感器15的输出反馈信号和控制器16的电池反馈信号计算输出驱动单元的运行控制信号17和电机控制信号18。

驱动器19在运行控制信号17控制下进入工作状态，驱动器19产生驱动功率变换电路工作的驱动信号。驱动器19根据电机控制信号18产生控制功率变换器20的驱动信号。

功率变换器20在驱动信号的作用下将直流电转换为多相电机11所需要的电压和电流。功率变换器20包括分别与(i+j)个多相绕组单元111相对应的i个功率变换单元201和j个功率变换单元202。

驱动器19具有1个独立的驱动单元191和j个相互独立且参数相同的驱动单元192，驱动单元191只接收控制单元161发出的电机控制信号181，每个驱动单元192同时接收到控制单元162发出的相同信号，1个驱动单元191与1个功率变换单元201相连接，j个驱动单元192分别与j个功率变换单元202相连接。驱动单元192根据运行控制信号17进入工作状态或是停止状态。每个驱动单元191和192都可以发出A相驱动信号、B相驱动信号以及C相驱动信号，该三相驱动信号分别驱动A相功率变换电路、B相功率变换电路以及C相功率变换电路中的功率开关管，使其导通或关闭。

每个功率变换单元201和202都具有三个相互并列连接、结构和参数都相同的A相功率变换电路、B相功率变换电路以及C相功率变换电路。A相功率变换电路连接着绕组单元中A相绕组和C相绕组的连接点，B相功率变换电路连接着绕组单元中B相绕组和A相绕组的连接点，功率变换电路连接着绕组单元中C相绕组和B相绕组的连接点，分别向对应的多相绕组单元提供线电流。

每个功率变换电路含有两个功率开关管。两个功率开关管具有相同的最大连续工作电流。工作电流必须小于最大连续工作电流，功率开关管才有可能长期稳定运行，如果工作电流超过这个电流值，功率开关管就会由于过流而被击穿损坏。

在本实施例中，功率变换单元201和202可以由智能功率模块构成，也可以采用多个类型和参数相同的功率开关管组合而成。

功率开关管为电力场效应晶体管(Power MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、电力双极型晶体管中(GTR)和门极换流晶闸管(SGCT)中的任意一种。

在本实施例中，(i+j)个相互独立的驱动单元192分别与(i+j)个相互独立且参数相同的功率变换单元202相连接并给(i+j)个相互独立且参数相同的多相绕组单元111供电。

本实施例中的多相绕组单元的个数为i+j，j为整数，i为1，且满足如下条件：(i+j)＞I_N÷I₁，该式中I₁是功率变换单元的单个功率变换电路正常输出的最大连续工作电流有效值，I_N是多相电机的最大线电流有效值。

本实施例中，控制单元161与对应连接的1个驱动单元191和1个功率变换单元201组成第一位调节单元211，另一个控制单元162与对应连接的j个驱动单元192、和j个功率变换单元202组成第二位调节单元212。第一位调节单元211和第二位调节单元212共同构成了电动驱动装置的进制式结构。

控制单元161和162可分别独立输出电机控制信号181和182，因此，功率变换单元201和202输出的线电流的最小电流变化量是不同的，而且对应于功率变换单元201输出的最小电流变化量是对应于功率变换单元202输出的最小电流变化量的j分之一。

当电机的线电流所需变化量中小于电流最小变化量j倍的部分，控制单元161生成电机控制信号181；电机线电流所需变化量中等于电流最小变化量j倍的整数倍部分，控制单元162生成电机控制信号182。与只有一个控制单元的电动驱动装置相比较，本发明中多相电机的线电流分辨率减小到原先的(1+j)分之一。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的电动驱动装置、电动驱动系统以及电动设备，多相电机绕组具有(i+j)个多相绕组单元，功率变换器具有(i+j)个功率变换单元，控制器包含至少两个独立输出电机控制信号的控制单元，驱动器具有(i+j)个驱动单元，分别与(i+j)个功率变换单元相连接，i个驱动单元接收一个控制单元输出的电机控制信号，j个驱动单元接收其他的控制单元输出的电机控制信号，即、一个控制单元与对应连接的i个驱动单元、i个功率变换单元和i个多相绕组单元组成第一位调节单元，其它的控制单元与对应连接的j个驱动单元、j个功率变换单元和j个多相绕组单元组成第二位调节单元，所以，当控制单元控制功率变换单元输出的线电流改变时，电流最小变化量减小到原来只有一个控制单元的电动驱动装置的(i+j)分之一，迅速地降低了输出的最小电流，提高电动驱动装置的精度和稳态性能。

综上，本实施例的电动驱动装置、电动驱动系统以及电动设备具有结构设计简单、合理，分辨率高、性能优越等优点。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。