CN101188392B - 逆变器驱动的永磁电动机驱动器的故障处理 - Google Patents

逆变器驱动的永磁电动机驱动器的故障处理 Download PDF

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Abstract

一种设备包括多相逆变器，指明检测到故障的故障检测器，提供表示永磁电动机的速度是否大于转变速度的速度信号的传感器，和控制器。该控制器可操作为向多相逆变器施加开路响应或短路响应。当永磁电动机的速度大于转变速度且检测到故障时，施加开路响应。当永磁电动机的速度小于转变速度且检测到故障时，施加短路响应。转变速度是固定的预定速度或调整的预定速度。

Description

逆变器驱动的永磁电动机驱动器的故障处理
技术领域
本发明涉及一种永磁电动机驱动器。特别地，本发明涉及用于当检测到故障时处理故障的这种驱动器中的过程。
背景技术
三相电压型逆变器通常用于控制混合动力车辆(包括电动的和燃料电池供以动力)中电动机相位电流的幅度和频率。当所使用的交流电动机属于内部永磁(IPM)类型的种类时，系统对各种基于逆变器的故障的反应是所关心的，因为故障可以引起电动机内不受控制的制动转矩。
驱动系统故障可以被分类为短路型故障和开路型故障。多年以来已经在文献中报告了永磁电动机驱动器中各种故障的行为。短路型故障的建模和系统行为在B.A.Welchko，T.M.Jahns，W.L.Soong，和J.M.Nagashima，″IPM synchronous machine drive response tosymmetrical and asymmetrical short circuitfaults，″，IEEETrans.Energy Conversion，vol.18，no.2，pp.291-298，June2003中描述。
对于逆变器驱动的IPM电动机，当到所有六个逆变器开关的控制门信号切断或断开时，就会导致开路型故障的重要类别。在该条件期间，电动机经由逆变器开关的反平行二极管连接到直流源(例如，电池、燃料电池等)。反平行二极管创建电流流动的潜在路径，其取决于电动机工作条件和直流源电压。六个门信号已经被断开的故障条件已经被叫做操作的不受控制的发电机模式(UCG模式)，因为电动机会在该条件期间作为发电机操作，该发电机将旋转动力转换为电流。在UCG模式操作期间的建模和系统行为在T.M.Jahns和V.Caliskan，″Uncontrolled Generator Operation of Interior PMSynchronous Machines Following High-Speed Inverter Shutdown，″IEEE Trans.Industry Applications，vol.35，no.6，pp.1347-1357，Nov/Dec.1999中特征化。
发明内容
在本发明的一个方法实例中，一种用于控制永磁电动机的多相逆变器的方法包括：检测故障，感测速度信号是否指明永磁电动机的速度大于转变速度，并且施加开路或短路响应。在检测到故障时，当永磁电动机的速度大于转变速度时，施加开路响应。在检测到故障时，当永磁电动机的速度小于转变速度时，施加短路响应。转变速度是固定的预定速度或调整的预定速度。
在本发明的一个设备实例中，该设备包括多相逆变器，指明检测到故障的故障检测器，提供表示永磁电动机的速度是否大于转变速度的速度信号的传感器，和控制器。该控制器可操作为向多相逆变器施加开路响应或短路响应。当永磁电动机的速度大于转变速度且检测到故障时，施加开路响应。当永磁电动机的速度小于转变速度且检测到故障时，施加短路响应。转变速度是固定的预定速度或调整的预定速度。
在本发明的一个机器可读介质实例中，该机器可读介质包括可在控制器中操作为使控制器执行操作的指令集合。该指令集合使控制器向多相逆变器施加开路响应或短路响应。在检测到故障时，当来自传感器的速度信号指明永磁电动机的速度大于转变速度时，施加开路响应。在检测到故障时，当速度信号指明永磁电动机的速度小于转变速度时，施加短路响应。转变速度是固定的预定速度或调整的预定速度。
附图说明
参考附图在下面对优选实施例的描述中详细描述本发明。
图1是示例本发明的电路的示意图。
图2是对于如由图1的电路产生的短路响应和不受控制的发电机响应描绘作为RPM的函数的永磁电动机相电流的曲线图。
图3是对于如由图1的电路产生的短路响应和不受控制的发电机响应描绘作为RPM的函数的永磁电动机转矩的曲线图。
图4是本发明的示例方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例向根据永磁电动机的旋转速度而不同的逆变器施加无源故障响应。在故障之后，故障系统的残留控制能力被用于将系统导入受控制的故障响应，该受控制的故障响应全局地使系统的整体故障响应特性最小化，例如使电动机中的不受控制的制动转矩最小化。结果，故障系统响应在工作空间上的包络被最小化，并且电动机自然逐渐以受控制的速率停止。
在图1中，描绘了用于控制具有定子的多相机器的电路，该定子具有多个定子绕组。该电路包括多相逆变器，该多相逆变器通过连接六个通信开关(Q1，D1)、(Q2，D2)、(Q3，D3)、(Q4，D4)、(Q5，D5)和(Q6，D6)形成。通信开关成对地组织，每一对连接到相应的相位。相位A连接到第一开关(Q1，D1)和第四开关(Q4，D4)。相位B连接到第二开关(Q2，D2)和第五开关(Q5，D5)。相位C连接到第三开关(Q3，D3)和第六开关(Q6，D6)。第一、第二和第三开关没有连接到任何相位的那端连接到PLUS总线。第四、第五和第六开关没有连接到任何相位的那端连接到MINUS总线。六个开关由相应的控制输入C1、C2、C3、C4、C5和C6控制。相位A、B和C连接到永磁电动机PM。
控制器提供电信号C1、C2、C3、C4、C5和C6以控制相应的通信开关(Q1，D1)、(Q2，D2)、(Q3，D3)、(Q4，D4)、(Q5，D5)和(Q6，D6)。速度传感器感测永磁电动机PM的旋转速度并提供旋转速度的信号特性给控制器。
用于控制多相永磁电动机的类型的控制器通常是围绕着微处理器或等效物而构造的。其它技术可能用于在离散部件和特定用途集成电路(ASIC)范围内的控制器以及之间的任何东西机械化。这样的控制器通常内置有故障检测电路。故障检测电路检测故障，比如“超出限制”条件、开路和短路故障或甚至软件故障。故障也可用单独的电路来检测并且作为故障信号报告给控制器。在任何情况下，故障由故障检测器检测，无论检测器是在控制器的内部还是外部。
对于要求电动机以受控制的方式停机的任何故障，施加两个故障响应之一：开路故障响应和短路故障响应。要使用的响应的选择取决于电动机的旋转速度。为了举例的目的，对于这里所讨论的例子和实施例假设了大约7000rpm的转变旋转速度。
当电动机以低于转变速度的旋转速度旋转时，控制器通过强迫所有通信开关(Q1，D1)、(Q2，D2)、(Q3，D3)、(Q4，D4)、(Q5，D5)和(Q6，D6)断开(即，开路)来机械化开路故障响应。利用这样的响应，电动机进入不受控制的发电机模式(UCG模式)；但是，当电动机以低于转变速度的旋转速度旋转时，电动机不生成电流(如图2所描绘的)并且不产生制动转矩(如图3所描绘的)。另一方面，如果电动机以高于转变速度的旋转速度旋转，则UCG模式随着速度增加不断增加地生成更大的电流(如图2所描绘的)并且随着速度增加不断增加地产生更大的制动转矩(如图3所描绘的)。因此，控制器避免了以高于转变速度的电动机旋转速度来机械化开路故障响应。相反，短路响应被机械化。
短路响应是通过强迫PLUS总线上的所有通信开关(Q1，D1)、(Q2，D2)和(Q3，D3)接通(短路)同时强迫MINUS总线上的所有通信开关(Q4，D4)、(Q5，D5)和(Q6，D6)断开(开路)而被机械化的。可替换地，短路响应可以通过强迫PLUS总线上的所有通信开关(Q1，D1)、(Q2，D2)和(Q3，D3)断开(开路)同时强迫MINUS总线上的所有通信开关(Q4，D4)、(Q5，D5)和(Q6，D6)接通(短路)而被机械化。在任意一个情况下，以低于转变速度的电动机旋转速度，短路响应随着速度从零rpm开始增加而生成来自电动机不断增加的更大电流(如图2所描绘的)，并且以低的rpm初始产生不断增加的更大的制动转矩但是当rpm接近转变速度时减小转矩(如图3所描绘的)。
在方法的一个实施例中，图4中描绘了用于控制永磁电动机的多相逆变器的方法，该方法包括检测故障并感测速度信号是否指明永磁电动机的速度大于转变速度。该方法还包括在检测到故障时，当速度信号指明永磁电动机的速度大于转变速度时，施加开路响应，并且在检测到故障时，当速度信号指明永磁电动机的速度小于转变速度时，施加短路响应。转变速度是固定的预定速度或调整的预定速度。
在该方法实施例的第一变型中，施加开路响应包括将多相逆变器驱动器中的所有开关控制为打开。
在该方法实施例的第二变型中，施加短路响应包括将多相逆变器驱动器中所选择的开关控制为将多相逆变器的所有相位连接到单个总线，并且将多相逆变器驱动器中的所有其它开关控制为打开。
在该方法实施例的第三变型中，转变速度是固定的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义。
在该方法实施例的第四变型中，转变速度是调整的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义，永磁电动机的参数特性是按照永磁电动机的温度和电压源的电压之一或两者来调整的。
在设备的一个实施例中，该设备包括多相逆变器，指明检测到故障的故障检测器，提供表示永磁电动机的速度是否大于转变速度的速度信号的传感器，和控制器。该控制器可操作为当速度信号指明永磁电动机的速度大于转变速度且检测到故障时，向多相逆变器施加开路响应。该控制器还可操作为当速度信号指明永磁电动机的速度小于转变速度且检测到故障时，向多相逆变器施加短路响应。转变速度是固定的预定速度或调整的预定速度。
在该设备实施例的第一变型中，由控制器施加开路响应将多相逆变器中的所有开关控制为打开。
在该设备实施例的第二变型中，由控制器施加短路响应将多相逆变器中所选择的开关控制为将多相逆变器的所有相位连接到单个总线，并且将多相逆变器中的所有其它开关控制为打开。
在该设备实施例的第三变型中，转变速度是固定的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义。
在该设备实施例的第四变型中，转变速度是调整的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义，永磁电动机的参数特性是按照永磁电动机的温度和电压源的电压中的至少一个来调整的。
在机器可读介质的一个实施例中，该机器可读介质包括可在控制器中操作为使控制器执行操作的指令集合。该指令集合可操作为使控制器在检测到故障时，当来自传感器的速度信号指明永磁电动机的速度大于转变速度时，向多相逆变器施加开路响应。该指令集合还可操作为使控制器在检测到故障时，当速度信号指明永磁电动机的速度小于转变速度时，向多相逆变器施加短路响应。转变速度是固定的预定速度或调整的预定速度。
在该机器可读介质的第一变型中，施加开路响应的操作包括将多相逆变器驱动器中的所有开关控制为打开。
在该机器可读介质的第二变型中，施加短路响应的操作包括将多相逆变器驱动器中所选择的开关控制为将多相逆变器的所有相位连接到单个总线，并且将多相逆变器驱动器中的所有其它开关控制为打开。
在该机器可读介质的第三变型中，转变速度是固定的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义。
在该机器可读介质的第四变型中，转变速度是调整的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义，永磁电动机的参数特性是按照永磁电动机的温度和电压源的电压中的至少一个来调整的。
已经描述了用于处理逆变器驱动的永磁电动机驱动器的故障的新颖的方法、设备和介质的优选实施例(旨在作为例证并且没有限制)，值得注意的是，在本领域技术人员可以根据以上的教导进行修正和变型。因此可以理解，可以对公开的本发明的特别实施例进行变化，这些变化是在附加的权利要求所定义的本发明的范围内。
因此已经详细地并且按照专利法的特别要求描述了本发明，在附加的权利要求中叙述了专利证所要求和所期望被保护的。

Claims (15)

1.一种控制永磁电动机的多相逆变器的方法，包括：
检测故障；
感测速度信号是否指明永磁电动机的速度大于转变速度；
在检测到故障时，当永磁电动机的速度大于转变速度时，施加开路响应；并且
在检测到故障时，当永磁电动机的速度小于转变速度时，施加短路响应，
其中转变速度是固定的预定速度和调整的预定速度之一。
2.根据权利要求1的方法，其中施加开路响应包括将多相逆变器驱动器中的所有开关控制为打开。
3.根据权利要求1的方法，其中施加短路响应包括将多相逆变器驱动器中所选择的开关控制为将多相逆变器的所有相位连接到单个总线，并且将多相逆变器驱动器中的所有其它开关控制为打开。
4.根据权利要求1的方法，其中转变速度是固定的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义。
5.根据权利要求1的方法，其中转变速度是调整的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义，所述永磁电动机的参数特性是按照永磁电动机的温度和电压源的电压中的至少一个来调整的。
6.一种设备，包括：
多相逆变器；
指明检测到故障的故障检测器；
提供表示永磁电动机的速度是否大于转变速度的速度信号的传感器；和
控制器，该控制器可操作为当永磁电动机的速度大于转变速度且检测到故障时，向多相逆变器施加开路响应，并且还可操作为当永磁电动机的速度小于转变速度且检测到故障时，向多相逆变器施加短路响应，其中转变速度是固定的预定速度和调整的预定速度之一。
7.根据权利要求6的设备，其中由控制器施加开路响应将多相逆变器驱动器中的所有开关控制为打开。
8.根据权利要求6的设备，其中由控制器施加短路响应将多相逆变器驱动器中所选择的开关控制为将多相逆变器的所有相位连接到单个总线，并且将多相逆变器驱动器中的所有其它开关控制为打开。
9.根据权利要求6的设备，其中转变速度是固定的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义。
10.根据权利要求6的设备，其中转变速度是调整的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义，所述永磁电动机的参数特性是按照永磁电动机的温度和电压源的电压中的至少一个来调整的。
11.一种控制永磁电动机的多相逆变器的设备，包括：
用于检测故障的装置；
用于感测速度信号是否指明永磁电动机的速度大于转变速度的装置
用于在检测到故障时，当来自传感器的速度信号指明永磁电动机的速度大于转变速度时，向多相逆变器施加开路响应的装置；并且
用于在检测到故障时，当速度信号指明永磁电动机的速度小于转变速度时，向多相逆变器施加短路响应的装置，
其中转变速度是固定的预定速度和调整的预定速度之一。
12.根据权利要求11的设备，其中用于施加开路响应的装置包括用于将多相逆变器驱动器中的所有开关控制为打开的装置。
13.根据权利要求11的设备，其中用于施加短路响应的装置包括用于将多相逆变器驱动器中所选择的开关控制为将多相逆变器的所有相位连接到单个总线的装置，和用于将多相逆变器驱动器中的所有其它开关控制为打开的装置。
14.根据权利要求11的设备，其中转变速度是固定的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义。
15.根据权利要求11的设备，其中转变速度是调整的预定速度并且基于永磁电动机的参数特性来定义，所述永磁电动机的参数特性是按照永磁电动机的温度和电压源的电压中的至少一个来调整的。
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