一种双三相电机系统及容错驱动电路的制作方法

本实用新型涉及一种双三相电机系统及容错驱动电路，属于双三相电机故障容错控制技术领域。

背景技术：

随着能源危机和环境污染问题日益突出，电动汽车作为解决环境污染和能源危机的有效途径，逐渐成为国内、外研究与开发的热点。逆变器是电动汽车驱动系统中的薄弱环节，逆变器的功率管极易出现故障，逆变器出现故障会影响电动汽车的正常行驶。因此，为了解决这种情况，国内外研究人员提出了各种容错技术，以维护系统的稳定性。但多数此类技术均以单一一种容错结构为主体，而且，现有的专用于双绕组电机，即双三相电机的容错电路结构比较复杂，缺乏一定的可靠性，或是降低了系统的性能，一定程度上不能满足基于双三相电机的电动汽车驱动系统高可靠性和高稳定性的要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种双三相电机容错驱动电路，用以解决现有的双三相电机容错电路结构比较复杂的问题。本实用新型同时提供一种双三相电机系统。

为实现上述目的，本实用新型包括以下技术方案。

一种双三相电机容错驱动电路，所述容错驱动电路的应用对象为双三相电机，所述双三相电机具有第一套绕组和第二套绕组，所述第一套绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，所述第二套绕组包括第四相绕组、第五相绕组和第六相绕组，所述容错驱动电路包括第一逆变电路、第二逆变电路和一条冗余桥臂。

所述第一逆变电路包括并联设置的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂上串设有第一功率管和第二功率管，所述第二桥臂上串设有第三功率管和第四功率管，所述第三桥臂上串设有第五功率管和第六功率管，所述冗余桥臂为第四桥臂，所述第四桥臂上串设有第七功率管和第八功率管，所述第二逆变电路包括并联设置的第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂，所述第五桥臂上串设有第九功率管和第十功率管，所述第六桥臂上串设有第十一功率管和第十二功率管，所述第七桥臂上串设有第十三功率管和第十四功率管；所述第一功率管和第二功率管的连接点用于连接所述第一相绕组，所述第三功率管和第四功率管的连接点用于连接所述第二相绕组，所述第五功率管和第六功率管的连接点用于连接所述第三相绕组，所述第一功率管和第二功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第一控制开关连接，所述第三功率管和第四功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第二控制开关连接，所述第五功率管和第六功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第三控制开关连接；所述第九功率管和第十功率管的连接点用于连接所述第四相绕组，所述第十一功率管和第十二功率管的连接点用于连接所述第五相绕组，所述第十三功率管和第十四功率管的连接点用于连接所述第六相绕组，所述第九功率管和第十功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第四控制开关连接，所述第十一功率管和第十二功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第五控制开关连接，所述第十三功率管和第十四功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第六控制开关连接。

首先，本方案提供的容错驱动电路结构简单，改进基础在于双三相电机的逆变电路，在容错驱动电路中添加一条冗余桥臂，虽然相较于传统的逆变电路，结构上并没有做很大改动，但是，设计却十分合理，功率器件数量和成本增加有限，性价比较高，相应地控制安全可靠。而且，电路正常工作时，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂运行，给电机的两个绕组供电，冗余桥臂和各控制开关不工作，动力电池通过该电路实现驱动功能；当某一个逆变电路中有一个桥臂出现开路故障时，出现故障的桥臂中的两个功率管停止运行，而与该故障桥臂对应的控制开关以及冗余桥臂投入运行，构成故障桥臂的冗余电路投入运行，实现容错控制。因此，即便某一桥臂出现故障，电路仍旧可以正常运行，实现正常驱动，提升电路可靠性。而且，冗余桥臂为两个逆变电路的冗余电路，不管哪一个逆变电路中发生开路故障，利用该冗余桥臂均可以实现电路的冗余。而且，即便在故障情况下，对电机绕组的接法没有限制，只要把本来应发到故障桥臂的开关驱动信号转发到冗余桥臂而已，控制简单，且安全可靠，电机仍然为双三相供电对称运行方式，各项性能指标和故障发生前一样。

进一步地，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂的两端均设置有熔断器。

当某一桥臂出现短路故障时，对应桥臂上的功率管、该桥臂上的两个熔断器与车载蓄电池就形成回路，两个熔断器因为过流被熔断，该桥臂从电路中断开，短路故障自动转化为开路故障，再利用功率管开路故障容错策略进行容错控制。所以，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂增加了熔断器，用于在功率管发生短路故障时，快速将相应的桥臂从电路中断开，保护电路其他元件不被损坏，并实现容错控制。

进一步地，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关、第五控制开关和第六控制开关均为双向晶闸管。

进一步地，所述第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管、第六功率管、第七功率管、第八功率管、第九功率管、第十功率管、第十一功率管、第十二功率管、第十三功率管和第十四功率管均为IGBT，并且均反向并联有相应的二极管。

一种双三相电机系统，包括双三相电机和容错驱动电路，所述双三相电机具有第一套绕组和第二套绕组，所述第一套绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，所述第二套绕组包括第四相绕组、第五相绕组和第六相绕组，所述容错驱动电路包括第一逆变电路、第二逆变电路和一条冗余桥臂。

所述第一逆变电路包括并联设置的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂上串设有第一功率管和第二功率管，所述第二桥臂上串设有第三功率管和第四功率管，所述第三桥臂上串设有第五功率管和第六功率管，所述冗余桥臂为第四桥臂，所述第四桥臂上串设有第七功率管和第八功率管，所述第二逆变电路包括并联设置的第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂，所述第五桥臂上串设有第九功率管和第十功率管，所述第六桥臂上串设有第十一功率管和第十二功率管，所述第七桥臂上串设有第十三功率管和第十四功率管；所述第一功率管和第二功率管的连接点用于连接所述第一相绕组，所述第三功率管和第四功率管的连接点用于连接所述第二相绕组，所述第五功率管和第六功率管的连接点用于连接所述第三相绕组，所述第一功率管和第二功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第一控制开关连接，所述第三功率管和第四功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第二控制开关连接，所述第五功率管和第六功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第三控制开关连接；所述第九功率管和第十功率管的连接点用于连接所述第四相绕组，所述第十一功率管和第十二功率管的连接点用于连接所述第五相绕组，所述第十三功率管和第十四功率管的连接点用于连接所述第六相绕组，所述第九功率管和第十功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第四控制开关连接，所述第十一功率管和第十二功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第五控制开关连接，所述第十三功率管和第十四功率管的连接点与所述第七功率管和第八功率管的连接点通过第六控制开关连接。

进一步地，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂的两端均设置有熔断器。

进一步地，所述第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第四控制开关、第五控制开关和第六控制开关均为双向晶闸管。

进一步地，所述第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管、第六功率管、第七功率管、第八功率管、第九功率管、第十功率管、第十一功率管、第十二功率管、第十三功率管和第十四功率管均为IGBT，并且均反向并联有相应的二极管。

附图说明

图1是双三相电机容错驱动电路原理图；

图2是双三相电机容错驱动电路正常工作状态下的电路图；

图3是逆变器1中桥臂1发生开路故障时的等效电路图；

图4是逆变器2中桥臂5发生开路故障时的等效电路图。

具体实施方式

双三相电机系统实施例

本实施例提供一种双三相电机系统，包括双三相电机和容错驱动电路，其中，双三相电机(即双绕组电机，比如双绕组永磁同步电机)具有两套绕组，分别是第一套绕组和第二套绕组，第一套绕组包括第一相绕组、第二相绕组和第三相绕组，分别对应图1中的绕组a、绕组b和绕组c，第二套绕组包括第四相绕组、第五相绕组和第六相绕组，分别对应图1中的绕组A、绕组B和绕组C。

容错驱动电路包括两个逆变电路和一条冗余桥臂，这两个逆变电路分别是第一逆变电路(逆变器1)和第二逆变电路(逆变器2)。容错驱动电路还包括三个电源开关，分别对应图1中的K1、K2和K3。这两个逆变电路的直流侧用于连接车载蓄电池(或者称为动力电池)，其中，车载蓄电池通过开关K2连接逆变器1，通过开关K1连接逆变器2，通过开关K3连接冗余桥臂。因此，逆变器1、逆变器2和冗余桥臂的直流侧相连接。另外，上述三个电源开关还可以不设置。

逆变器1包括并联设置的第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，冗余桥臂称为第四桥臂，逆变器2包括并联设置的第五桥臂、第六桥臂和第七桥臂。这七个桥臂分别对应图1中的桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂4、桥臂5、桥臂6和桥臂7。这七个桥臂的正极均和车载蓄电池的正极相连，这七个桥臂的负极均和车载蓄电池的负极相连。第一功率管、第二功率管、第三功率管、第四功率管、第五功率管、第六功率管、第七功率管、第八功率管、第九功率管、第十功率管、第十一功率管、第十二功率管、第十三功率管和第十四功率管分别对应图1中的功率管Q1、功率管Q2、功率管Q3、功率管Q4、功率管Q5、功率管Q6、功率管Q7、功率管Q8、功率管Q9、功率管Q10、功率管Q11、功率管Q12、功率管Q13和功率管Q14。本实施例中，功率管Q1～Q14均以IGBT为例，均反向并联有体二极管。

如图1所示，桥臂1上串设有功率管Q1和功率管Q2，桥臂2上串设有功率管Q3和功率管Q4，桥臂3上串设有功率管Q5和功率管Q6，桥臂4上串设有功率管Q7和功率管Q8，桥臂5上串设有功率管Q9和功率管Q10，桥臂6上串设有功率管Q11和功率管Q12，桥臂7上串设有功率管Q13和功率管Q14。

功率管Q1和功率管Q2的连接点与功率管Q7和功率管Q8的连接点通过第一控制开关连接，本实施例中，第一控制开关对应图1中的双向晶闸管TR3，功率管Q3和功率管Q4的连接点与功率管Q7和功率管Q8的连接点通过第二控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管TR2连接，功率管Q5和功率管Q6的连接点与功率管Q7和功率管Q8的连接点通过第三控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管TR1连接；功率管Q9和功率管Q10的连接点与功率管Q7和功率管Q8的连接点通过第四控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管TR4连接，功率管Q11和功率管Q12的连接点与功率管Q7和功率管Q8的连接点通过第五控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管TR5连接，功率管Q13和功率管Q14的连接点与功率管Q7和功率管Q8的连接点通过第六控制开关连接，即通过图1中的双向晶闸管TR6连接。当然，上述中的各控制开关还可以是其他种类的控制开关，比如IGBT。

功率管Q1和功率管Q2的连接点连接绕组a，功率管Q3和功率管Q4的连接点连接绕组b，功率管Q5和功率管Q6的连接点连接绕组c；功率管Q9和功率管Q10的连接点连接绕组A，功率管Q11和功率管Q12的连接点连接绕组B，功率管Q13和功率管Q14的连接点连接绕组C，即各连接点分别连接对应绕组的出线端。

当然，为了实现控制，容错驱动电路还包括控制部分，当然，该控制部分还可以是系统原本就存在的控制设备，不属于该容错驱动电路的一部分。本实施例中，控制部分为系统控制器，其中，功率管Q1～Q14的栅极均与系统控制器相连，由系统控制器输入触发或断开驱动信号，双向晶闸管TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6的控制极均与系统控制器相连，由系统控制器输入或断开触发信号。

进一步地，桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂5、桥臂6和桥臂7的两端均设置有熔断器，涉及到的熔断器有熔断器F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11和F12，本实施例中，这十二个熔断器均为快速熔断器。那么，如图1所示，桥臂1由快速熔断器F1、功率管Q1、功率管Q2和快速熔断器F2组成，桥臂2由快速熔断器F3、功率管Q3、功率管Q4和快速熔断器F4组成，桥臂3由快速熔断器F5、功率管Q5、功率管Q6和快速熔断器F6组成，桥臂5由快速熔断器F7、功率管Q9、功率管Q10和快速熔断器F8组成，桥臂6由快速熔断器F9、功率管Q11、功率管Q12和快速熔断器F10组成，桥臂7由快速熔断器F11、功率管Q13、功率管Q14和快速熔断器F12组成。

容错驱动电路在无故障正常运行时，如图2所示，仅桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂5、桥臂6和桥臂7给电机双三相绕组a、b、c和A、B、C供电，桥臂4以及六个双向晶闸管TR1、TR2、TR3、TR4、TR5、TR6不工作，车载蓄电池通过逆变器1和逆变器2控制双三相电机实现驱动功能。

当逆变器1中的桥臂1、桥臂2和桥臂3中的某一桥臂出现开路故障时，系统控制器断开该故障桥臂中的两个功率管的驱动信号，触发与该故障桥臂对应的双向晶闸管导通，同时将故障桥臂的驱动信号控制桥臂4中的两个功率管，由被触发的双向晶闸管与桥臂4构成的冗余电路投入运行，代替被断开的故障桥臂，实现故障情况下的冗余运行。以桥臂1中的功率管Q1和功率管Q2出现开路故障为例，如图3所示，系统控制器断开功率管Q1和功率管Q2的驱动信号，控制双向晶闸管TR3导通，将本来用于功率管Q1和功率管Q2的驱动信号分别用于控制功率管Q7和功率管Q8，使双向晶闸管TR3及桥臂4构成桥臂1的冗余电路投入运行，实现容错控制。车载蓄电池仍然通过逆变器1和逆变器2控制双三相电机实现驱动功能，电机仍然为双三相十二开关供电的对称运行方式，各项性能指标和故障发生前一样。

当逆变器2中的桥臂5、桥臂6和桥臂7中的某一桥臂同时出现开路故障时，系统控制器断开故障桥臂中的两个功率管的驱动信号，触发与故障桥臂对应的双向晶闸管导通，同时将故障桥臂的驱动信号对应控制桥臂4中的两个功率管，由被触发的双向晶闸管与桥臂4构成的冗余电路投入运行，代替被断开的故障桥臂，实现故障情况下的冗余运行。以逆变器2中桥臂5中的功率管Q9和功率管Q10同时出现开路故障为例，如图4所示，系统控制器断开功率管Q9和功率管Q10的驱动信号，控制双向晶闸管TR4导通，将本来用于功率管Q9和功率管Q10的驱动信号分别用于控制功率管Q7和功率管Q8，使双向晶闸管TR4及桥臂4构成桥臂5的冗余电路投入运行，实现容错控制。车载蓄电池仍然通过逆变器1和逆变器2控制双三相电机实现驱动功能，电机仍然为双三相十二开关供电的对称运行方式，各项性能指标和故障发生前一样。

另外，由于桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂5、桥臂6和桥臂7的两端均设置有熔断器，那么，除了上述开路故障之外，当桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂5、桥臂6和桥臂7中的某一桥臂的其中一个功率管出现短路故障时，对应桥臂上的互补功率管、该桥臂上的两个熔断器与车载蓄电池就形成回路，两个熔断器因为过流被熔断，该桥臂从电路中断开，短路故障自动转化为开路故障，再利用上述功率管开路故障容错策略进行容错控制。所以，桥臂1、桥臂2、桥臂3、桥臂5、桥臂6和桥臂7增加了熔断器，用于在功率管发生短路故障时，快速将相应的桥臂从电路中断开，保护电路其他元件不被损坏，并实现容错控制。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型的保护范围内。

双三相电机容错驱动电路实施例

本实施例提供一种双三相电机容错驱动电路，该容错驱动电路的应用对象为双三相电机，因此，该容错驱动电路不包括双三相电机中的两套绕组。由于该容错驱动电路在上述系统实施例中已给出了详细地描述，本实施例就不再具体说明。