一种变结构电机系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种变结构电机系统，属于电机领域。
【背景技术】
[0002] 随着高功率密度磁铁和功率器件的发展，电机系统尤其是永磁电机系统应用场合 不断扩大，比如现在发展出来的全电汽车、全电坦克、全电舰船等，电机系统作为上述系统 的关键动力机构和推进动力源，其工况需求往往比较复杂而且经常多变，比如经常会遇到 高速、低速、轻载、超载、正常和故障等工况。
[0003] 现有技术中，为了使得电机系统满足不同的驱动工况要求，通常采用两台电机+ 离合器结构，比如高速电机+低速电机通过离合器，根据不同的工况需求，切换相应的电机 进行工作。该结构虽然能够提高不同的工况需求，但是由于两台电机不是同时工作，而且离 合器为了满足多种工况，其体积和重量都非常大，从而造成系统功率密度非常低，而且由于 离合器的存在，使得系统效率较低，另外也会产生较大的机械震动和噪声。
[0004] 电机系统作为机电能量转换系统的核屯、关键子系统，其性能决定和影响着机电能 量转换系统的性能。如何从根本上解决上述矛盾，让电机系统既能够满足多工况需求是本 领域亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构可变、功率密度高、具有容 错能力的高可靠变结构电机系统。
[0006] 本发明目的通过如下技术方案予W实现：
[0007] 提供一种变结构电机系统，包括主控制器、第一驱动器、电流采集模块和独立绕组 电机；
[0008] 所述电流采集模块采集独立绕组电机每个绕组输出的电流并传输给主控制器； W09] 独立绕组电机具有2N个绕组，N > 2 ;
[0010] 所述第一驱动器包括功率管驱动器、开关驱动器、功率管组和电源开关组；
[0011] 功率管组包括4N个H桥臂；每个H桥臂包括第一功率管和第二功率管，第一功率 管的源极连接第二功率管的漏极；
[0012] 电源开关组包括电源组和4N个功率开关；电源组包括N个直流功率电源，每个直 流功率电源具有正输出端子和负输出端子；
[0013] 第i个直流功率电源的正输出端子连接第i个和第2N+i个功率开关的第一接入 端，第i个功率开关的第二接入端连接第iQl个和第Ql个第一功率管的漏极，第iQl个第一 功率管的源极与独立绕组电机的第i个绕组的第一端相连，第（N+i)Ql个第一功率管的源 极与独立绕组电机的第N+i个绕组的第一端相连；第i个直流功率电源的负输出端子连接 第N+i个和第3N+i个功率开关的第一接入端，第N+i个功率开关的第二接入端连接第iQ4 个和第（N+i) Q4个第二功率管的源极，第3N+i个功率开关的第二接入端连接第iQ2个和第 (N+i)Q2个第二功率管的源极；第2N+i个功率开关巧I)的第二接入端连接第iQ3个和第 (N+i)Q3个第一功率管的漏极，第iQ3个第一功率管的源极与独立绕组电机（30)的第i个 绕组的第二端相连，第（N+i) Q3个第一功率管的源极与独立绕组电机的第N+i个绕组的第 二端相连；1《i《N-I ;
[0014] 所述功率管驱动器，根据主控制器发送的控制命令驱动功率管组中的第一功率管 和第二功率管；
[0015] 开关驱动器根据主控制器发送的控制命令驱动电源开关组中的4N个功率开关；
[0016] 所述主控制器接收每个绕组输出的电流，执行故障诊断算法，判断是否发生故障， 当发生故障时，诊断出故障位置和故障类型，并通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复；接收 上位机发送的控制命令，并将控制命令转发给功率管驱动器和开关驱动器。
[0017] 优选的，所述第一驱动器根据控制指令能够构成N个H桥驱动拓扑结构或2N个H 桥驱动拓扑结构；2N个H桥的驱动拓扑结构构成方式为：开启4N个功率开关W及全部第 一功率管和第二功率管；N个H桥的驱动拓扑结构构成方式为：开启iQl、iQ4、（N+i) Ql和 (N+U Q4 ;且开启第I到N和第N+1到2N个功率开关，关闭第2N+1到3N和第3N+1到4N个 功率开关；并且关闭iQ3和（N+i)Q3,开启iQ2和（N+i)Q2,或者开启iQ3和（N+i)Q3,关闭 iQ2和（N+UQ2,实现第i个绕组和第N+i个绕组的串联。
[001引优选的，所述第一驱动器根据控制指令能够构成N个H桥驱动拓扑结构或2N个H 桥驱动拓扑结构；2N个H桥的驱动拓扑结构构成方式为：开启4N个功率开关W及全部第 一功率管和第二功率管；N个H桥的驱动拓扑结构构成方式为：开启iQ2、iQ3、（N+i) Q2和 (N+i)Q3 ;并关闭第I到N和第N+1到2N个功率开关巧1)，开启第2N+1到3N和第3N+1到 4N个功率开关巧l);并且关闭iQl和（N+i)Ql，开启iQ4和（N+i)Q4，或者开启iQl和（N+i) Q1，关闭iQ4和（N+i)Q4,实现第i个绕组和第N+i个绕组的串联。
[0019] 优选的，通过改变驱动拓扑结构实现故障恢复的方式为：当驱动拓扑结构为N个H 桥驱动拓扑结构，关闭故障所在支路的两个绕组连接H桥臂和关闭故障所在支路的两个绕 组连接功率开关；当驱动拓扑结构为2N个H桥驱动拓扑结构，关闭故障所在的支路上绕组 连接的H桥臂。
[0020] 优选的，所述第一驱动器还包括过流保护模块和可编程逻辑控制器，可编程逻辑 控制器接收主控制器发送的控制命令并发送给H桥臂和电源开关组；所述电流采集模块采 集独立绕组电机每相绕组输出的电流还传输给第一驱动器的过流保护模块，当某相某个绕 组输出的电流超过设定电流阔值时，过流保护模块将该绕组的过流信号输出给可编程逻辑 控制器；当驱动拓扑结构为N个H桥驱动拓扑结构，关闭故障所在支路的两个绕组连接H桥 臂和关闭故障所在支路的两个绕组连接功率开关；当驱动拓扑结构为2N个H桥驱动拓扑结 构，关闭故障所在的支路上绕组连接的H桥臂。
[0021] 优选的，所述第一驱动器还包括过热保护模块，过热保护模块采集独立绕组电机 每相绕组的溫度，当某相某个绕组输出的溫度超过设定溫度阔值时，过热保护模块将该相 绕组的过热信号输出给可编程逻辑控制器，当驱动拓扑结构为N个H桥驱动拓扑结构，关闭 故障所在支路的两个绕组连接H桥臂和关闭故障所在支路的两个绕组连接功率开关；当驱 动拓扑结构为2N个H桥驱动拓扑结构，关闭故障所在的支路上绕组连接的H桥臂。
[0022] 优选的，所述电流阔值为绕组额定输出的电流值的2-5倍；优选的，所述溫度阔值 为 150。~200。。
[0023] 优选的，主控制器发送的控制指令包括N个H桥驱动拓扑结构、H桥并联轻载驱动 拓扑结构、H桥并联正常驱动拓扑结构、H桥并联重载驱动拓扑结构；控制指令为H桥并联 轻载驱动拓扑结构，开启4N个功率开关，开启绕组IW-NW两端连接的H桥臂，或者开启绕组 (N+DW-2NW两端连接的H桥臂；控制指令为H桥并联正常驱动拓扑结构时，开启4N个功率 开关，开启全部H桥臂，H桥臂的开启时间为30% -60% ;控制指令为H桥并联重载驱动拓 扑结构时，开启4N个功率开关，开启全部H桥臂，H桥臂的开启时间为70% W上。
[0024] 优选的，故障诊断算法具体步骤为：
[0025] 1)电流传感器实时采集的各相电流，将各相电流进行平方处理，并将相邻两相电 流平方进行做差求得各相电流相互残差；
[00%] 2)对正常时各相电流相互残差进行范数计算或数学期望计算，建立正常各相电流 相互残差时范数值表或数学期望值表；
[0027] 3)对步骤1)得到的各相电流相互残差进行范数计算或数学期望计算，通过实时 对比各相电流相互残差范数值或数学期望值与正常时各相电流相互残差时范数值或数学 期望值，判定故障类型和发生故障的具体位置，并实现故障识别和隔离。
[0028] 优选的，根据数学期望值判定故障类型和发生位置的具体方法为：
[00巧]若电流相数为奇数，
[0030]
[0031] 若电流相数为偶数，
[0032]
[0033] 优选的，根据范数值判定故障类型和发生位置的具体方法为：
[0034] 若电流相数为奇数，
[0035]
[0036] 若电流相数为偶数，
[0037]
[0038] 优选的，主控制器发现存在绕组或功率管组中的功率管故障后，如果为N个H桥驱 动拓扑结构，关闭故障所在支路的两个绕组连接H桥臂和关闭故障所在支路的两个绕组连 接功率开关，并采取保持故障前后磁动势不变的策略，调整非故障相的输出电流幅值和相 位；如果为H桥并联轻载驱动拓扑结构，关闭故障所在的支路上绕组连接的H桥臂，开启另 一组中与该绕组功能相同绕组连接的H桥臂，或者将整组功率管关闭，开启另外一组H桥 并联轻载驱动拓扑结构；如果为H桥并联正常驱动拓扑结构，关闭故障所在的支路上绕组 连接的H桥臂，调整与故障相功能相同的非故障相的输出电流幅值加倍，相位不变；如果为 H桥并联重载驱动拓扑结构，关闭故障所在的支路上绕组连接的H桥臂，调整与故障相功能 相同的非故障相的输出电流幅值加倍，相位不变。
[0039] 优选的，当第一驱动器的体积或重量超过设定阔值时，所述第一驱动器替换为第 二驱动器；
[0040] 所述第二驱动器包括功率管驱动器、开关驱动器、功率开关组和2N个绕组驱动单 元；
[0041] 每个绕组驱动单元连接一个绕组的第一连接端，提供绕组驱动电流；
[0042] 所述功率开关组包括多个功率开关，构成N-I个开关串联单元和一个独立开关， 开关串联单元包括依次串联的第一开关、第二开关和第=开关，第一开关的一端作为第一 独立端，第一开关另一端与第二开关一端连接，连接端作为第一公共端，第二开关的另一端 与第=开关的一端连接，连接端作为第二公共端，第=开关的另一端作为第二独立端；第i 个开关串联单元的第一公共端连接第i+1个开关串联单元的第一独立端和第i+1个绕组的 第二端；第i个开关串联单元的第二公共端连接第i+1个开关串联单元的第二独立端和第 N+i+1个绕组的第二端；独立开关的第一端连接第一个开关串联单元的第一独立端和第1 个绕组的第二端，独立开关的第二端连接第1个开关串联单元的第二独立端和第N+1个绕 组的第二端；其中
[0043] 驱动单元控制器，根据控制命令控制2N个绕组驱动单元是否提供绕组驱动电流；
[0044] 开关驱动器根据控制命令控制功率开关组中的功率开关导通或关断。
[0045] 优选的，所述绕组驱动单元，包括第一功率管和第二功率管，第一功率管的源极连 接第二功率管的漏极，第一功率管的漏极连接电源端，第二功率管的源极接地，第一功率管 和第二功率管的栅极作为控制端，第一功率管的源极还与独立绕组电机的一个绕组的第一 端相连。
[0046] 优选的，第二驱动器还包括可编程逻辑控制器，可编程逻辑控制器接收主控制器 发送的控制命令并发送给功率管驱动器和开关驱动器。
[0047] 优选的，所述的功率开关组根据控制指令，能够构成H桥驱动拓扑结构、星形驱动 拓扑结构；构成H桥驱动拓扑结构的方法为：开启一个独立开关和每个开关串联单元中的 第二开关，关闭每个开关串联单元中的第一开关和第=开关；构成星形驱动拓扑结构的方 法为：开启每个开关串联单元中的第一开关和/或第=开关，关闭一个独立开关和每个开 关串联单元中的第二开关