CN103684117A - 一种多相开关磁阻电机系统及其驱动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相开关磁阻电机系统，包括：m×N相开关磁阻电机、电机驱动单元、位置检测单元，m、N均为大于1的整数；电机驱动单元包括移相单元以及分别与移相单元连接的N个相同的m相开关磁阻电机驱动模块；m×N相开关磁阻电机的m×N相定子绕组被等分为N组m相绕组，每一组m相绕组中的各相绕组依次相隔

电角度；N组m相绕组与N个m相开关磁阻电机驱动模块一一对应地连接；位置检测单元包括设置于开关磁阻电机一侧且与所述移相单元信号连接的m相位置传感器。本发明还公开了上述多相开关磁阻电机系统的驱动控制方法。本发明能够降低电机系统单个驱动单元的复杂度，减小驱动系统的设计成本，同时提高整个系统的容错性能。

Description

一种多相开关磁阻电机系统及其驱动控制方法

技术领域

本发明涉及一种多相开关磁阻电机系统及其驱动控制方法，属于开关磁阻电机技术领域。

背景技术

开关磁阻电机（Switched Reluctance Motor，以下简称SR电机）是在上世纪八十年代出现的一种新型电机，由于SR电机具有结构简单坚固、可控参数多，控制灵活，效率高、起动性能好等优点，使其在电动车驱动系统、家用电器、通用工业、伺服驱动、矿山机械等领域得到了广泛应用。

SR电机相间磁场耦合弱，相绕组独立供电，容错性强；定转子齿数搭配灵活，非常适合做多相电机运行。与三相电机驱动系统相比，多相电机驱动系统具有以下显著优势：

易于实现大容量：在功率管容量不变情况下可通过增加功率管数来实现功率变换器的大容量输出，从而解决变换器的多管并联中的均流难题。

电磁转矩脉动小：随着电机相数的增加，电机的转矩脉动频率升高，脉动的幅值减少。

控制更灵活、容错性好：随着相数的增加，可供选择的开关矢量将以2的倍数方式增加，大大增加了系统的可控性。由于相冗余，当一相或者多相发生故障时，系统可以调整剩余相的控制策略，方便进行容错控制。

效率高：多相电机的绕组系数随着相数的增大而增大，从而使产生同样转矩的相电流减小，定子的铜耗降低。

但与三相开关磁阻电机系统相比，多相开关磁阻电机系统仍存在着功率开关器件多、绕组出线的数量多、位置传感器复杂、控制复杂以及系统成本较高等诸多问题，因此，多相电机目前主要应用在大功率场合、低速直驱、可靠性高驱动场合。如今，随着电力电子、微电子技术的发展，多相电机的更多应用潜能正被不断地发掘，并逐步应用到民用工业的驱动领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有多相SR电机系统存在的功率开关器件多、位置传感器安装复杂、控制器设计复杂、系统整体成本较高等诸多问题，提供一种多相开关磁阻电机系统及其驱动控制方法，将SR电机的定子绕组拆分为多个相同的子绕组，并分别利用多个设计成熟的相同驱动单元进行驱动，从而降低电机系统单个驱动单元的复杂度，减小驱动系统的设计成本，同时提高整个系统的容错性能。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

本发明的多相开关磁阻电机系统，包括：m×N相开关磁阻电机、电机驱动单元、位置检测单元，m、N均为大于1的整数；所述电机驱动单元包括移相单元以及分别与所述移相单元连接的N个相同的m相开关磁阻电机驱动模块；所述m×N相开关磁阻电机的m×N相定子绕组被等分为N组m相绕组，每一组m相绕组中的各相绕组依次相隔

电角度；N组m相绕组与N个m相开关磁阻电机驱动模块一一对应地连接；所述位置检测单元包括设置于开关磁阻电机一侧且与所述移相单元信号连接的m相位置传感器。

所述多相开关磁阻电机系统的驱动控制方法，所述移相单元以m相位置传感器输出的位置信号作为基准位置信号，通过将基准位置信号分别移相0、

、…、

，生成N个新的位置信号，并按照所述N组m相绕组正时针或逆时针的排布顺序将N个新的位置信号依序分别传输给各组m相绕组所对应的m相开关磁阻电机驱动模块，N个m相开关磁阻电机驱动模块根据所接收到的位置信号分别对与其相连接的m相绕组进行驱动。

通过以上技术方案，将复杂的多相SR电机系统简化分解为多个相数较少的子系统，通过对位置基准信号进行简单的移相处理，即可分别利用市场上成熟的驱动模块（例如最常用的三相或四相驱动模块）分别驱动各子系统。相比现有技术，本发明除保留了多相开关磁阻电机所固有的易于实现大容量、转矩脉动小、控制更灵活、效率更高等优点以外，还具有以下有益效果：

1）简化了单个驱动单元模块的相数，降低了单个驱动单元的复杂度。以六相电机为例，若采用现有的三相SR电机控制系统，一般只需要对数字控制器的逻辑芯片程序进行少量的修改，就可以将两套三相驱动系统应用于六相SR电机，使其正确运行。

2）无需安装与多相电机总相数相匹配的位置传感器，减少位置传感器的安装个数可节省成本，且位置传感器的安装更为方便。N个驱动模块的控制信号由这一组基准信号通过移相单元相移得到，相邻的两个驱动模块的控制信号之间相差

个电角度。以3N（N>1）相电机为例，电机本体上只需安装3个位置传感器，得到一组基准位置信号之后，通过错相处理得到N组控制信号，分别输入各个驱动单元。这样只需安装少量的位置传感器，编写简单的相移程序，就可以使多相电机的每一相绕组按照正常时序通断。

3）使用N套独立的驱动单元对电机系统进行控制，各个驱动单元之间无互相干扰。电机运行时，若某个驱动单元出现故障，可以将该驱动单元方便的切除，不会影响其余部分的正常工作，提高了系统的容错性能。

附图说明

图1为本发明的m×N相SR电机的模块化交错并联示意图；

图2为12/10结构的6相SR电机分为2组3相绕组的分组及控制信号相序示意图；

图3为12/10结构的6相SR电机分为2组3相绕组的分组及控制信号相序示意图；

图4为16/14结构的8相SR电机分为2组4相绕组的分组及控制信号相序示意图；

图5为18/16结构的9相SR电机分为3组3相绕组的分组及控制信号相序示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明针对现有多相SR电机系统存在的功率开关器件多、位置传感器安装复杂、控制器设计复杂、系统整体成本较高等诸多问题，将m×N相开关磁阻电机（m、N均为大于1的整数）拆分为N组相同的m相绕组，每组m相绕组由一个m相开关磁阻电机驱动模块独立驱动；通过安装在电机侧的m相位置传感器得到一组基准位置信号，每个m相开关磁阻电机驱动模块的控制信号由基准信号通过移相得到，N个驱动模块独立工作，这样可以把复杂的多相SR电机系统简化分解为N个相同的相数较少的子系统。

如图1所示，设多相SR电机的相数为m×N，本发明将m×N相SR电机等效为N个相互独立的m相SR电机，每个m相SR电机由一个独立的m相SR电机驱动模块驱动。通过安装在m×N相SR电机上的m相位置传感器得到一组m路的基准位置信号，基准位置信号经过移相单元移相处理得到N组顺序相差2π/N电角度的位置信号，设基准位置信号的相位为

，则移相处理后得到的N组位置信号的相位分别为、

、…。将这N组位置信号分别顺序输入N个m相SR电机驱动模块，各m相SR电机驱动模块分别对其所连接的m相SR电机进行驱动，即可达到按照正确相序控制该m×N相SR电机相绕组导通、关断的目的。

为了便于公众理解，下面以4个具体实施例来对本发明技术方案进行进一步说明。实施例一、6相SR电机分为2组3相绕组：

常见的12/10结构的6相SR电机其定子转子结构如图2所示，包括12个沿圆周等距分布定子齿和10个转子凸极。每个定子齿上分别绕一组线圈，相对齿极的一对线圈通过串联或并联组成SR电机的一相绕组，从而构成6相SR电机。若按照传统方法设计驱动系统，则控制电路需要6路直接位置信号，功率电路也必须设计为6相，有12根出线与绕组线相连。因此单个六相驱动系统体积庞大，设计复杂，且相与相之间软、硬件相互关联相互影响，容错性能较差。

为此，本发明将电机绕组分为两组，如图2所示，以1A、1B、1C三相绕组为第一组，2A、2B、2C三相绕组为第二组，则每一组绕组中各绕组电角度依次相差

=120°。每组3相绕组分别由一个相同的3相开关磁阻电机驱动模块驱动。这里的3相开关磁阻电机驱动模块可根据实际情况选择市场上现有的各种3相SR电机驱动模块，本实施例中，每个3相SR电机驱动模块均包含一个三相数字控制器和一个三相不对称半桥电路，并采用相同的控制信号生成方法。SR电机侧安装有用于检测转子位置的3相位置传感器，输出P、Q、R三路位置信号给移相单元。移相单元以P、Q、R三路位置信号作为基准位置信号，将其分别移相0°和60°，从而得到两组新的位置信号P1、Q1、R1和P2、Q2、R2；移相单元将这两组位置信号分别传输给两个3相SR电机驱动模块的三相数字控制器，两个三相数字控制器分别依据各自收到的3相位置信号对生成相应的三相不对称半桥电路的控制信号，分别控制1A、1B、1C三相绕组和2A、2B、2C三相绕组的电流开通和关断。两个驱动模块生成的6相绕组的控制信号相序如图2所示，以一个转子周期为360°电角度计算，高电平对应导通信号，则1A绕组和2A绕组之间相差60°电角度，即2π/（m*N）。1A和1B之间（1B和1C之间同理）相差120°电角度，即2π/m。则电机六相绕组仍可以按照1A→2A→1B→2B→1C→2C→1A顺序导通，相邻两相之间相位差为60°。

实施例二、6相SR电机分为3组2相绕组：

图3显示了12/10结构的6相SR电机分为3组2相绕组的分组及控制信号相序。如图所示，6相绕组被分为3组，绕组1A、1B为第一组，绕组2A、2B为第二组，绕组3A、3B为第三组，则每一组绕组中各绕组电角度依次相差

=180°。每组2相绕组分别由一个相同的2相开关磁阻电机驱动模块驱动。SR电机侧安装有用于检测转子位置的2相位置传感器，输出P、Q、两路位置信号给移相单元。移相单元以P、Q两路位置信号作为基准位置信号，将其分别移相0°、60°、120°，从而得到三组新的位置信号P1、Q1，P2、Q2，P3、Q3；移相单元将这三组位置信号分别传输给3个2相SR电机驱动模块，3个2相SR电机驱动模块分别依据各自收到的2相位置信号生成相应的控制信号，分别控制三组绕组的电流开通和关断。三个驱动模块生成的6相绕组的控制信号相序如图3所示，以一个转子周期为360°电角度计算，高电平对应导通信号，1A和2A之间相差60°电角度，即2π/（m*N）。1A和1B之间（1B和1C之间同理）相差180°电角度，即2π/m。则电机六相绕组仍可以按照1A→2A→3A→1B→2B→3B→1A顺序导通，相邻两相之间相位差为60°。

实施例三、16/14结构的8相SR电机分为2组4相绕组：

图4为16/14结构的8相SR电机分为2组4相绕组的分组及控制信号相序示意图。16/14结构的8相SR电机的定子转子结构如图所示，包括16个沿圆周等距分布定子齿和14个转子凸极。每个定子齿上分别绕一组线圈，相对齿极的一对线圈通过串联或并联组成SR电机的一相绕组，从而构成8相SR电机。若按照传统方法设计驱动系统，则控制电路需要8路直接位置信号，功率电路也必须设计为8相，有16根出线与绕组线相连。因此单个八相驱动系统体积庞大，设计复杂，且相与相之间软、硬件相互关联相互影响，容错性能较差。

本发明将8相电机绕组等分为两组4相绕组，如图2所示，绕组1A、1B、1C、1D为第一组，2A、2B、2C、2D为第二组，则每一组绕组中各绕组电角度依次相差

=90°。每组4相绕组分别由一个相同的4相开关磁阻电机驱动模块驱动。SR电机侧安装有用于检测转子位置的4相位置传感器，输出P、Q、R、L四路位置信号给移相单元。移相单元以P、Q、R、L四路位置信号作为基准位置信号，将其分别移相0°、45°，从而得到两组新的位置信号P1、Q1、R1、L1和P2、Q2、R2、L2；移相单元将这两组位置信号分别传输给2个4相开关磁阻电机驱动模块驱动，2个4相SR电机驱动模块分别依据各自收到的4相位置信号生成相应的控制信号，分别控制相应的4个绕组的电流开通和关断。两个驱动模块生成的8相绕组的控制信号相序如图4所示，以一个转子周期为360°电角度计算，高电平对应导通信号，1A和2A之间相差45°电角度，即2π/（m*N）。1A和1B之间（1B和1C之间同理）相差90°电角度，即2π/m。则电机8相绕组仍可以按照1A→2A→1B→2B→1C→2C→1D→2D→1A顺序导通，相邻两相之间相位差为45°。

实施例四、18/16结构的9相SR电机分为3组3相绕组：

图5为18/16结构的9相SR电机分为3组3相绕组的分组及控制信号相序示意图。如图所示，18/16结构的9相SR电机的定子转子结构如图所示，包括18个沿圆周等距分布定子齿和16个转子凸极。每个定子齿上分别绕一组线圈，相对齿极的一对线圈通过串联或并联组成SR电机的一相绕组，从而构成9相SR电机。若按照传统方法设计驱动系统，则控制电路需要9路直接位置信号，功率电路也必须设计为9相，有18根出线与绕组线相连。因此单个9相驱动系统体积庞大，设计复杂，且相与相之间软、硬件相互关联相互影响，容错性能较差。

如图5所示，本发明将9相绕组等分为3组3相绕组，绕组1A、1B、1C为第一组，绕组2A、2B、2C为第二组，绕组3A、3B、3C为第三组。则每一组绕组中各绕组电角度依次相差

=120°。每组3相绕组分别由一个相同的3相开关磁阻电机驱动模块驱动。SR电机侧安装有用于检测转子位置的3相位置传感器，输出P、Q、R三路位置信号给移相单元。移相单元以P、Q、R三路位置信号作为基准位置信号，将其分别移相0°、40°、80°，从而得到三组新的位置信号P1、Q1、R1，P2、Q2、R2，P3、Q3、R3；移相单元将这三组位置信号分别传输给三个3相SR电机驱动模块，三个3相SR电机驱动模块分别依据各自收到的3相位置信号生成相应的控制信号，分别控制三组3相绕组的电流开通和关断。三个驱动模块生成的9相绕组的控制信号相序如图5所示，以一个转子周期为360°电角度计算，高电平对应导通信号，则1A绕组和2A绕组之间相差40°电角度，即2π/（m*N）。1A和1B之间（1B和1C之间同理）相差120°电角度，即2π/m。则电机9相绕组仍可以按照1A→2A→3A→1B→2B→3B→1C→2C→3C→1A顺序导通，相邻两相之间相位差为40°。

通过以上实施例可看出，采用本发明的技术方案，可将复杂的多相SR电机系统简化分解为多个相数较少的子系统，通过对位置基准信号进行简单的移相处理，即可分别利用市场上成熟的驱动模块分别驱动各子系统。考虑到市场中最常用的是三相或四相驱动模块，因此本发明的技术方案中，m的值优选3或4。

Claims (3)

1.一种多相开关磁阻电机系统，包括：m×N相开关磁阻电机、电机驱动单元、位置检测单元，m、N均为大于1的整数；其特征在于，所述电机驱动单元包括移相单元以及分别与所述移相单元连接的N个相同的m相开关磁阻电机驱动模块；所述m×N相开关磁阻电机的m×N相定子绕组被等分为N组m相绕组，每一组m相绕组中的各相绕组依次相隔                                               

电角度；N组m相绕组与N个m相开关磁阻电机驱动模块一一对应地连接；所述位置检测单元包括设置于开关磁阻电机一侧且与所述移相单元信号连接的m相位置传感器。

2.如权利要求1所述多相开关磁阻电机系统，其特征在于，所述m的值为3或4。

3.如权利要求1所述多相开关磁阻电机系统的驱动控制方法，其特征在于，所述移相单元以m相位置传感器输出的位置信号作为基准位置信号，通过将基准位置信号分别移相0、

、…、

，生成N个新的位置信号，并按照所述N组m相绕组正时针或逆时针的排布顺序将N个新的位置信号依序分别传输给各组m相绕组所对应的m相开关磁阻电机驱动模块，N个m相开关磁阻电机驱动模块根据所接收到的位置信号分别对与其相连接的m相绕组进行驱动。

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