CN104935221B - 一种双三相永磁无刷电机的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种双三相永磁无刷电机的控制电路，包括定子铁芯和交流电，其特征在于：还有三相整流器、第一电容、第二电容、第一逆变桥电路和第二逆变桥电路；交流电源的第一输出端分成三路；第一逆变桥电路的第一输出桥臂和电机定子铁芯的a相绕组相连，第一逆变桥电路的第二输出桥臂和电机定子铁芯的b相绕组相连，第一逆变桥电路的第三输出桥臂和电机定子铁芯的c相绕组相连；第二逆变桥电路的第一输出桥臂和电机定子铁芯的x相绕组相连，第二逆变桥电路的第二输出桥臂和电机定子铁芯的y相绕组相连，第二逆变桥电路的第三输出桥臂和电机定子铁芯的z相绕组相连；绕组中性点连接第一电容和第二电容的串联节点上。本发明优点在于：采用三次谐波电流注入的双三相永磁无刷电机具有功率密度高、高效节能﹑运转平滑和噪音低等优点。

Description

一种双三相永磁无刷电机的控制方法

技术领域

本发明涉及一种双三相永磁无刷电机，特别是该双三相永磁无刷电机的控制电路及其控制方法。

背景技术

永磁无刷电动机可以看作是一台用电子换相装置取代机械换相的直流电动机。与传统的电励磁电动机相比，永磁无刷电动机特别是稀土永磁电动机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量小、损耗少、效率高，以及电动机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点，永磁无刷直流电动机因为应用范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域。

目前，双三相永磁无刷电机的电流波形随转子位置变化的示意图参见图2，现有技术中的电机通常采用正弦波电流控制，这种电流控制方式使得电机本身固有的三次谐波反电势没有得到充分的利用，反电动势随转子位置变化图参见图3，现有电机的控制方式往往造成电机在工作中的反电动势较大，得不到很好地控制，会对设备造成伤害。

因此，已有的采用正弦波电流控制的双三相永磁无刷电机系统具有功率密度和效率低等缺点，还有待于作出进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状而提供一种可有效提高功率密度和输出转矩的双三相永磁无刷电机的控制电路。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述控制电路提供一种双三相永磁无刷电机的控制方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种双三相永磁无刷电机的控制电路，包括有电机定子铁芯和给所述电机供电的交流电源，其特征在于，所述的控制电路还包括有三相整流器、第一电容、第二电容、第一逆变桥电路和第二逆变桥电路；

其中，所述交流电源的输入端分别与所述三相整流器的对应输入端相连，所述三相整流器的第一输出端分成三路，第一路经依次串接的所述第一电容和第二电容后接地，第二路连接所述第一逆变桥电路的输入端，第三路连接所述第二逆变桥电路的输入端；所述三相整流器的第二输出端直接接地；所述第一逆变桥电路的第一输出桥臂和所述电机定子铁芯的a相绕组相连，该第一逆变桥电路的第二输出桥臂和所述电机定子铁芯的b相绕组相连，该第一逆变桥电路的第三输出桥臂和所述电机定子铁芯的c相绕组相连；所述第二逆变桥电路的第一输出桥臂和所述电机定子铁芯的x相绕组相连，该第二逆变桥电路的第二输出桥臂和所述电机定子铁芯的y相绕组相连，该第二逆变桥电路的第三输出桥臂和所述电机定子铁芯的z相绕组相连；所述电子定子铁芯的绕组中性点连接至所述第一电容和第二电容的串联节点上。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种实现上述双三相永磁无刷电机的控制电路的控制方法，其特征在于：当所述的永磁无刷电机的其中任意两套绕组的偏移角β正好达到30°时，在上述控制电路的交流电源中注入三次谐波电流，并且，当注入的所述三次谐波电流为恒幅值注入状态下，该三次谐波电流的幅值a和所述控制电路对应相电流的幅值I_a满足如下公式：

其中，B₁与B₃分别为气隙磁场中的基波与三次谐波含量；E₁和E₃分别为反电势的基波与三次谐波分量；K_dap1与K_dap3分别为基波与三次谐波的绕组系数；I_m为相电流的幅值。

作为另一优选，一种实现上述双三相永磁无刷电机的控制电路的控制方法，其特征在于：当所述的永磁无刷电机的其中任意两套绕组的偏移角β正好达到30°时，在上述控制电路的交流电源中注入三次谐波电流，并且，当注入的所述三次谐波电流为恒有效值注入状态下，该三次谐波电流的幅值a和所述控制电路对应相电流的幅值I_a满足如下公式：

其中，B₁与B₃分别为气隙磁场中的基波与三次谐波含量；E₁和E₃分别为反电势的基波与三次谐波分量；K_dap1与K_dap3分别为基波与三次谐波的绕组系数；I_m为相电流的幅值。

与现有技术相比，本发明的优点在于：在原有的电机控制电路中接入两个三相逆变器，从而实现对电机的三相谐波电流的输入控制，进而提高电机功率密度和输出转矩；本发明通过正弦电流控制的基础上注入三次谐波电流，采用该谐波电流注入的双三相永磁无刷电机具有功率密度高、高效节能﹑运转平滑和噪音低等优点；三次谐波电流与电机固有的三次谐波反电势的相互作用而增加附加转矩，在不增加逆变器的容量(功率等级)和电机转矩脉动的前提下，可有效地提高双三相永磁无刷电机系统的输出转矩与功率。

附图说明

图1为本发明实施例的电机控制电路结构示意图。

图2为现有技术中电机的电流波形随转子位置变化的示意图。

图3为本发明实施例的电机和现有电机的反电动势随转子位置变化的比较图。

图4为本发明实施例电机的电流波形随转子位置变化的示意图之一(恒幅值)。

图5为本发明实施例电机的电流波形随转子位置变化的示意图之二(恒有效值)。

图6为本发明实施例电机和现有电机的输出转矩随转子位置变化的比较图之一(恒幅值)。

图7为本发明实施例电机和现有电机的输出转矩随转子位置变化的比较图之二(恒有效值)。

具体实施方式

下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例涉及一种双三相永磁无刷电机的控制电路，该控制电路由逆变器控制，具体地，该控制电路包括有串接在电路中的电机定子铁芯线圈绕组和给电机供电的交流电源AC，还包括有三相整流器TPC、第一电容C1、第二电容C2、第一逆变桥电路TPI1和第二逆变桥电路TPI2；

其中，交流电源AC的输入端分别与三相整流器TPC的对应输入端相连，三相整流器TPC的第一输出端分成三路，第一路经依次串接的第一电容C1和第二电容C2后接地，第二路连接第一逆变桥电路TPI1的输入端，第三路连接第二逆变桥电路TPI2的输入端；三相整流器TPC的第二输出端直接接地；第一逆变桥电路TPI1的第一输出桥臂和电机定子铁芯的a相绕组相连，该第一逆变桥电路TPI1的第二输出桥臂和电机定子铁芯的b相绕组相连，该第一逆变桥电路TPI1的第三输出桥臂和电机定子铁芯的c相绕组相连；第二逆变桥电路TPI2的第一输出桥臂和电机定子铁芯的x相绕组相连，该第二逆变桥电路TPI2的第二输出桥臂和电机定子铁芯的y相绕组相连，该第二逆变桥电路TPI2的第三输出桥臂和电机定子铁芯的z相绕组相连；电子定子铁芯的绕组中性点连接至第一电容C1和第二电容C2的串联节点上。

本实施例的三相整流器可以选择现有技术中的整流器电路实现，其中，第一逆变桥电路和第二逆变桥电路可以选择现有技术中的全桥逆变器实现，本实施例电路中的全桥逆变器是型号为PM15CNA060的日本三菱智能功率模块。

本实施例控制电路的工作原理为：在电机控制电路启动后，通过脉宽调制技术(PWM)实现三次谐波电流的注入，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形。

如图2所示，现有技术中采用正弦电流控制的电流波形随转子位置θ的变化关系如下公式所示：

i(θ)＝I_msin(pθ) (1)

在现有的正弦电流控制下加入三次谐波电流后，得到新的电流波形随转子位置θ的变化关系如下公式所示：

i(θ)＝I_a[sin(pθ)+asin(3pθ)] (2)

并且

θ＝ω_rt (3)

其中，θ为转子转速ω_r与时间t的函数；I_m为正弦波电流控制下的相电流的幅值；a为注入三次谐波电流的幅值，I_a为正弦波电流加三次谐波电流叠加控制下的相电流的幅值；为保持正弦电流与正弦+三次谐波电流的幅值恒定，I_a取决于注入三次谐波幅值a的大小。

因此

i(t)＝I₁sin(pω_rt)+I₃sin(3pω_rt) (4)

I₁和I₃分别为相电流的基波与三次谐波分量。

当高于三次谐波的反电势忽略时，其图4的波形可以表达为:

e(θ)＝E₁sin(pω_rt)+E₃sin(3pω_rt) (5)

其中，E₁和E₃分别为反电势的基波与三次谐波分量

由此可得，双三相电机的电磁转矩为三次谐波电流与电机固有的三次谐波反电势的相互叠加作用：

当所述的永磁无刷电机的其中任意两套绕组的偏移角β正好达到30°时，注入三次谐波才可以产生恒定的电磁转矩，而不增加转矩脉动，参见图3。

本实施例中注入的电流可以分为恒幅值注入和恒有效值注入。

如图4所示，当注入的三次谐波电流为恒幅值注入状态下，该三次谐波电流的幅值a和控制电路对应相电流的幅值I_a满足如下公式：

其中，B₁与B₃分别为气隙磁场中的基波与三次谐波含量；E₁和E₃分别为反电势的基波与三次谐波分量；K_dap1与K_dap3分别为基波与三次谐波的绕组系数；I_m为相电流的幅值。

如图5所示，当注入的三次谐波电流为恒幅值注入状态下，该三次谐波电流的幅值a和控制电路对应相电流的幅值I_a满足如下公式：

其中，B₁与B₃分别为气隙磁场中的基波与三次谐波含量；E₁和E₃分别为反电势的基波与三次谐波分量；K_dap1与K_dap3分别为基波与三次谐波的绕组系数；I_m为相电流的幅值。

由此可知，从公式(A2)和公式(B2)可以看到，其注入三次谐波电流的幅值取决于基波与三次气隙磁场磁场强度，基波与三次谐波的绕组系数。

如图6所示，为在恒幅值三次谐波注入情况下，本实施例电机与现有电机的输出转矩随转子位置变化比较图；如图7所示，为在恒有效值三次谐波注入情况下，本实施例电机与现有电机的输出转矩随转子位置变化比较图。

从图6、图7比较中可以看出，相对于传统的正弦波控制的双三相电机永磁电机，正弦波加入三次谐波控制的方法可将电磁转矩提高11.5％，而电机的转矩脉动并没有增加。因此，采用该谐波电流注入的双三相永磁无刷电机具有功率密度高、高效节能﹑运转平滑和噪音低等优点，三次谐波电流与电机固有的三次谐波反电势的相互作用而增加附加转矩，在不增加逆变器的功率等级和电机转矩脉动的前提下，可有效地提高双三相永磁无刷电机系统的输出转矩与功率。

Claims (2)

1.一种双三相永磁无刷电机的控制方法，该双三相永磁无刷电机的控制电路包括有电机定子铁芯和给所述电机供电的交流电源，所述的控制电路还包括有三相整流器、第一电容、第二电容、第一逆变桥电路和第二逆变桥电路；

其中，所述交流电源的输入端分别与所述三相整流器的对应输入端相连，所述三相整流器的第一输出端分成三路，第一路经依次串接的所述第一电容和第二电容后接地，第二路连接所述第一逆变桥电路的输入端，第三路连接所述第二逆变桥电路的输入端；所述三相整流器的第二输出端直接接地；所述第一逆变桥电路的第一输出桥臂和所述电机定子铁芯的a相绕组相连，该第一逆变桥电路的第二输出桥臂和所述电机定子铁芯的b相绕组相连，该第一逆变桥电路的第三输出桥臂和所述电机定子铁芯的c相绕组相连；所述第二逆变桥电路的第一输出桥臂和所述电机定子铁芯的x相绕组相连，该第二逆变桥电路的第二输出桥臂和所述电机定子铁芯的y相绕组相连，该第二逆变桥电路的第三输出桥臂和所述电机定子铁芯的z相绕组相连；所述电机定子铁芯的绕组中性点连接至所述第一电容和第二电容的串联节点上；

其特征在于：当所述的永磁无刷电机的其中任意两套绕组的偏移角β正好达到30^°时，在上述控制电路的交流电源中注入三次谐波电流，并且，当注入的所述三次谐波电流为恒幅值注入状态下，该三次谐波电流的幅值a和所述控制电路对应相电流的幅值I_a满足如下公式：

其中，B₁与B₃分别为气隙磁场中的基波与三次谐波含量；E₁和E₃分别为反电势的基波与三次谐波分量；K_dap1与K_dap3分别为基波与三次谐波的绕组系数；I_m为相电流的幅值。

2.一种双三相永磁无刷电机的控制方法，该双三相永磁无刷电机的控制电路包括有电机定子铁芯和给所述电机供电的交流电源，所述的控制电路还包括有三相整流器、第一电容、第二电容、第一逆变桥电路和第二逆变桥电路；

其中，所述交流电源的输入端分别与所述三相整流器的对应输入端相连，所述三相整流器的第一输出端分成三路，第一路经依次串接的所述第一电容和第二电容后接地， 第二路连接所述第一逆变桥电路的输入端，第三路连接所述第二逆变桥电路的输入端；所述三相整流器的第二输出端直接接地；所述第一逆变桥电路的第一输出桥臂和所述电机定子铁芯的a相绕组相连，该第一逆变桥电路的第二输出桥臂和所述电机定子铁芯的b相绕组相连，该第一逆变桥电路的第三输出桥臂和所述电机定子铁芯的c相绕组相连；所述第二逆变桥电路的第一输出桥臂和所述电机定子铁芯的x相绕组相连，该第二逆变桥电路的第二输出桥臂和所述电机定子铁芯的y相绕组相连，该第二逆变桥电路的第三输出桥臂和所述电机定子铁芯的z相绕组相连；所述电机定子铁芯的绕组中性点连接至所述第一电容和第二电容的串联节点上；

其特征在于：当所述的永磁无刷电机的其中任意两套绕组的偏移角β正好达到30°时，在上述控制电路的交流电源中注入三次谐波电流，并且，当注入的所述三次谐波电流为恒有效值注入状态下，该三次谐波电流的幅值a和所述控制电路对应相电流的幅值I_a满足如下公式：

其中，B₁与B₃分别为气隙磁场中的基波与三次谐波含量；E₁和E₃分别为反电势的基波与三次谐波分量；K_dap1与K_dap3分别为基波与三次谐波的绕组系数；I_m为相电流的幅值。