CN105262406A - 基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动拓扑，将开关磁阻电机绕组与三电平逆变器结合起来，利用开关磁阻电机两相绕组共用一个三电平逆变器桥臂，三相绕组首尾相连，得到一种新的拓扑结构。考虑到转矩纹波主要产生在换相区，传统的拓扑，由于工作模态较少，纹波较大。而本发明所提拓扑，单相工作时，有9种不同的模态。在两相重叠区，共有27种组合模态。不同的工作状态，对应不同的相电压，可以根据需要，选择最优状态，改变转矩波形，大大提升了控制自由度，减小转矩纹波，提升转矩。本发明的优点在于提出了一种五电平电路，使得各相绕组在高速、低速、励磁、退磁等都有很好的适用性和灵活性。有效的降低开关频率，减少开关损耗，提高开关磁阻电机输出转矩，平滑转矩纹波。

Description

基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动结构及控制方法

技术领域

本发明涉及一种开关磁阻电机驱动系统，尤其是一种电动汽车开关磁阻电机功率变换拓扑结构。

背景技术

开关磁阻电机(SwitchedReluctanceMotor,SRM)仅定子有绕组，转子由硅钢片叠加而成，结构坚固、成本低。具有较宽调速范围，起动转矩大，转矩方向与相电流无关，控制灵活，效率高；可以再生制动，回收能量，因此在电动汽车领域逐渐得到重视。现如今已在纺织工业、航空以及家用电器领域得到一定的应用。但由于开关磁阻电机的双凸极结构，及磁场非线性原因，转矩脉动较大，振动、噪声问题突出。为减小转矩脉动，考虑开关磁阻电机只有三种工作状态:电源电压励磁、反向电源电压退磁、零电压续流回路，而转矩脉动主要产生在换相区。

为了解决上述开关磁阻电机只有三种工作模态，控制自由度低的情况，主要的研究方向就是增加电平数。文献1发明专利申请《一种抑制开关磁阻电机转矩脉动的双母线功率变换器及其控制方法》(公布号CN104638991A)利用两电容组合及分开的工作模式，相绕组电压有四组电平。即电源电压励磁、两电容串联升压后给线圈励磁、退磁，及零电压续流回路。此方法加快了励磁退磁时间，一定程度加快了两相换相，但同时由于拓扑结构上的原因，前相退磁时，后相不能采用两电容串联升压后的电压励磁，大大降低了这种方法的实用性。

文献2《AnalysisofPassiveBoostPowerConverterforThree-PhaseSRDrive》2010IEEEtransactionsonindustrialelectronics.(《用于三相开关磁阻电机驱动的无源升压变换器的分析》，2010IEEE工业电子期刊)通过加入电容及三个二极管。实现励磁时，两电容并联，励磁电压为电源电压；而退磁时，两电容串联，退磁电压是经过升压后的电压。加快了退磁，缩短了退磁时间，提高了转矩。但是励磁电压不能根据需求得到控制，并不完善。

文献3《ImprovedC-dumpconverterforswitchedreluctancemotordrives》2014IETPowerElectronics(用于开关磁阻电机改进后的C-dump逆变器)本文加入一个电容Cd，做能量存储、转移，使得励磁时，可以有电源电压、电源电压与转移电容串联电压两种，从而减小了励磁时间。但是，退磁电压只能是转移电容电压，退磁电压较小，且其电压无法控制，大大影响了变换器的控制性能。

现有技术存在的主要问题是：

1、现有的拓扑因为只有电源电压励磁、反向电源电压退磁、零电压续流回路这三种工作状态，改变磁励电压或者退磁电压只能通过改变电源电压的方式，不能适应不同工作状态，不同转速的需求。

2、改进的拓扑结构主要通过加入额外的电容来实现增加工作电压值，虽然增加了电路工作模态，但是电机工作的前后两相之间相互干扰，大大制约了控制灵活性。

3、有些升压工作状态，限制条件太多，无法根据控制需求实时调整。

4、功率器件的耐压值大大提高，增加了成本。

发明内容

本发明目的将开关磁阻电机线圈绕组与三电平逆变器结合起来，提供多种控制电平，提升控制自由度。使得在励磁、退磁都有多种电压状态，从而减小了换相区的转矩纹波，最终实现减小开关频率，降低开关损耗，提升转矩，并减小转矩脉动的目的。

本发明的目的是这样实现的。

本发明提供了一种基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动结构，包括电源Vs、开关磁阻电机A相绕组La、开关磁阻电机B相绕组Lb、开关磁阻电机C相绕组Lc、电容模块、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂；

所述电容模块由第一电容C1和第二电容C2串联组成；

所述第一桥臂包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sa1的漏极同时连接二极管D1的阴极和开关管Sa2的源极，开关管Sa2的漏极与开关管Sa3的源极相连，开关管Sa3的漏极同时连接二极管D2的阳极和开关管Sa4的源极；

所述第二桥臂包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sb1的漏极同时连接二极管D3的阴极和开关管Sb2的源极，开关管Sb2的漏极与开关管Sb3的源极相连，开关管Sb3的漏极同时连接二极管D4的阳极和开关管Sb4的源极；

所述第三桥臂包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sc1的漏极同时连接二极管D5的阴极和开关管Sc2的源极，开关管Sc2的漏极与开关管Sc3的源极相连，开关管Sc3的漏极同时连接二极管D6的阳极和开关管Sc4的源极；

供电电源Vs的正极同时连接电容模块中第一电容C1的正极、第一桥臂中开关管Sa1的源极、第二桥臂中开关管Sb1的源极和第三桥臂中开关管Sc1的源极；

供电电源Vs的负极同时连接电容模块中第二电容C2的负极、第一桥臂中开关管Sa4的漏极、第二桥臂中开关管Sb4的漏极和第三桥臂中开关管Sc4的漏极；

电容模块中第一电容C1的阴极和第二电容C2的阳极的连接点与第一桥臂中二极管D1的阳极和二极管D2的阴极的连接点、第二桥臂中二极管D3的阳极和二极管D4的阴极的连接点、第三桥臂中二极管D5的阳极和二极管D6的阴极的连接点相连；

第一桥臂中开关管Sa2的漏极和开关管Sa3的源极的连接点与A相绕组La的一端、C相绕组Lc的一端相连；

第二桥臂中开关管Sb2的漏极和开关管Sb3的源极的连接点与A相绕组La的另一端、B相绕组Lb的一端相连；

第三桥臂中开关管Sc2的漏极和开关管Sc3的源极的连接点与B相绕组Lb的另一端、C相绕组Lc的另一端相连。

本发明还提供了一种基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动结构的控制方法，包括以下步骤：

步骤1，通过位置传感器采样获得开关磁阻电机转子角度，由电流传感器获得相电流；

步骤2，利用步骤1中得到的转子角度和相电流，从静态转矩特性得到瞬时转矩T，将给定的参考转矩T_ref、与瞬时转矩T相比较得到当前时刻转矩误差ΔT_e；

步骤3，先记录前一时刻转矩误差并记为ΔT_eb；然后将当前时刻转矩误差ΔT_e与前一时刻转矩误差ΔT_eb做对比，如果当前时刻转矩误差ΔT_e大于前一时刻转矩误差ΔT_eb，则当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R大于零，记为R>0，如果当前时刻转矩误差ΔT_e小于或者等于前一时刻转矩误差ΔT_eb，则当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R小于或者等于零，记为R≤0；

步骤4，由步骤2中得到的当前时刻转矩误差ΔT_e和步骤3中得到当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R，得到标记信号S；

步骤4.1，设定转矩误差的四个极限值，包括第一设定上限ΔT₁、第二设定上限ΔT_2、第一设定下限-ΔT₁和第二设定下限为-ΔT_2，其中，ΔT₁和ΔT₂都大于零，且ΔT₁的绝对值小于ΔT₂的绝对值；

步骤4.2，根据当前时刻转矩误差ΔT_e和当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R，得到标记信号S，

如果R>0，且ΔT_e≥ΔT₂，标记信号S＝2；

如果R>0，且ΔT₂>ΔT_e≥ΔT₁，标记信号S＝1；

如果R>0，且ΔT₁>ΔT_e≥0，标记信号S＝0；

如果R>0，且0>ΔT_e≥-ΔT₁，标记信号S＝-1；

如果R>0，且ΔT_e<-ΔT₁，标记信号S＝-2；

如果R≤0，且ΔT_e≥ΔT₁，标记信号S＝2；

如果R≤0，且ΔT₁>ΔT_e≥0，标记信号S＝1；

如果R≤0，且0>ΔT_e≥-ΔT₁，标记信号S＝0；

如果R≤0，且-ΔT₂≤ΔT_e<-ΔT₁，标记信号S＝-1；

如果R≤0，且ΔT_e<-ΔT₂，标记信号S＝-2；

步骤5，将步骤1中得到的转子角度送入转子位置判定模块，转子位置判定模块根据开关磁阻电机第i相定子绕组对应的转子位置角θ的位置，判断开关磁阻电机第i相定子绕组工作区间，当转子位置角θ在前相的关断角和后相的开通角之间，为单相导通区间，当转子位置角θ不在前相的关断角和后相的开通角之间，为两相重叠导通区间，其中所述开关磁阻电机第i相定子绕组包括开关磁阻电机A相定子绕组、B相定子绕组和C相定子绕组，A、B、C三相轮流循环导通；

步骤6，将步骤4中得到的标记信号S及步骤5得到的转子位置判定模块输出的定子绕组工作区间送入开关管选择器，开关管选择器依据标记信号S、定子绕组工作区间得到三个桥臂的12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的可选开关状态，从而对变换器各桥臂开关管的导通与断开状态进行判断，从而控制变换器。

所述三个桥臂的12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的可选开关状态如下，其中0表示关断，1表示导通：

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110000110000；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括110000100000、010000110000两种可选状态；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝0，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括110000000000、010000100000和000000110000三种可选状态；

如果转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝-1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括000000100000、010000000000两种可选状态；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝-2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为000011000000；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为010011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝0，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括010011000010、001001000011两种可选状态；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝-1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为010011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝-2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110000000010。

相对于现有技术的有益效果：

1、本发明利用三电平逆变器拓扑结构来驱动开关磁阻电机，实现了五电平，大大提升控制自由度，有效的减小了开关损耗和转矩纹波，进而提高了系统的效率。

2、显著的减小了开关管及二极管所承受的最高电压，降低了开关管和二极管的选择难度，进而减少了系统的成本，同时也提高了变换器在运行中的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明所述一种基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动拓扑。

图2为本发明控制框图。

图3本发明所述五电平转矩滞环图。

图4为本发明所述拓扑在转矩滞环控制下，三相相电流图。

图5为本发明所述拓扑在转矩滞环控制下，三相各相输出转矩图。

图6为本发明所述拓扑在转矩滞环控制下，三相输出总转矩图。

具体实施方式

下面结合图1和图3说明本发明具体实施方式:

本实施方式所述一种基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动结构如图1所示，它包括电源Vs、开关磁阻电机A相绕组La、开关磁阻电机B相绕组Lb、开关磁阻电机C相绕组Lc、电容模块101、第一桥臂102、第二桥臂103、第三桥臂104；

图1～图3中符号分别表示：Vs为输入电源，为电机工作的主电源；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4为第一桥臂102的四个带有反并联二极管的开关管；Sb1、Sb2、Sb3、Sb4为第二桥臂103的四个带有反并联二极管的开关管；Sc1、Sc2、Sc3、Sc4为第三桥臂104的四个带有反并联二极管的开关管；D1、D2、D3、D4、D5、D6表示二极管；C1表示第一母线电容，C2表示第二母线电容；La、Lb、Lc分别表示电机A相绕组、B相绕组、C相绕组；ia、ib、ic分别表示三相绕组工作电流；T表示瞬时转矩；T_ref表示参考转矩；ΔT_e表示参考转矩T_ref与瞬时转矩T的差值，即当前时刻转矩误差ΔT_e；ΔT₁表示当前时刻转矩误差ΔT_e的第一上限，ΔT₂表示当前时刻转矩误差ΔT_e的第二上限，-ΔT₁表示当前时刻转矩误差ΔT_e的第一下限，-ΔT₂表示当前时刻转矩误差ΔT_e的第二下限，其中ΔT₁小于ΔT₂，且都大于零；S表示滞环调节器输出的标记信号。

所述电容模块101由第一电容C1和第二电容C2串联组成；

所述第一桥臂102包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sa1的漏极同时连接二极管D1的阴极和开关管Sa2的源极，开关管Sa2的漏极与开关管Sa3的源极相连，开关管Sa3的漏极同时连接二极管D2的阳极和开关管Sa4的源极；

所述第二桥臂103包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sb1的漏极同时连接二极管D3的阴极和开关管Sb2的源极，开关管Sb2的漏极与开关管Sb3的源极相连，开关管Sb3的漏极同时连接二极管D4的阳极和开关管Sb4的源极；

所述第三桥臂104包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sc1的漏极同时连接二极管D5的阴极和开关管Sc2的源极，开关管Sc2的漏极与开关管Sc3的源极相连，开关管Sc3的漏极同时连接二极管D6的阳极和开关管Sc4的源极；

供电电源Vs的正极同时连接电容模块101中第一电容C1的正极、第一桥臂102中开关管Sa1的源极、第二桥臂103中开关管Sb1的源极和第三桥臂104中开关管Sc1的源极；

供电电源Vs的负极同时连接电容模块101中第二电容C2的负极、第一桥臂102中开关管Sa4的漏极、第二桥臂103中开关管Sb4的漏极和第三桥臂104中开关管Sc4的漏极；

电容模块101中第一电容C1的阴极和第二电容C2的阳极的连接点与第一桥臂102中二极管D1的阳极和二极管D2的阴极的连接点、第二桥臂103中二极管D3的阳极和二极管D4的阴极的连接点、第三桥臂104中二极管D5的阳极和二极管D6的阴极的连接点相连；

第一桥臂102中开关管Sa2的漏极和开关管Sa3的源极的连接点与A相绕组的一端、C相绕组的一端相连；

第二桥臂103中开关管Sb2的漏极和开关管Sb3的源极的连接点与A相绕组的另一端、B相绕组的一端相连；

第三桥臂104中开关管Sc2的漏极和开关管Sc3的源极的连接点与B相绕组的另一端、C相绕组的另一端相连。

本发明驱动结构的控制方法：

三相电压共有±Vs、±Vs/2、0五种电平，用A_n标记A相电压状态。A₂表示相电压为Vs，A_-2表示相电压为-Us，A₁表示相电压为Vs/2，A₀表示相电压为0，A_-1表示相电压为-Vs/2。又因为有两个直流母线电容，两桥臂中点电平不同，但相电压都为0的状态有三种，用A_0x、A_0y、A_0z表示三种不同状态，A_1x、A_1y、A_-1x、A_-1y同理。两相交叠时，用A₂B_-2表示A相电压为Vs，B相电压为-Vs，其余类似。

单相导通时，以A相为例，有A₂、A_-2、A_0x、A_0y、A_0z、A_1x、A_1y、A_-1x、A_-1y这9种可控模式供选择。两相重合时，以A、B两相为例，有A_0xB_0x、A_0xB_1x、A_0xB₂、A_1xB_-1x、A_1xB_0y、A_1xB_1y、A₂B_-2、A₂B_-1y、A₂B_0z、A_-1xB_0x、A_-1xB_1x、A_-1xB₂、A_0yB_-1x、A_0yB_0y、A_0yB_1y、A_1yB_-2、A_1yB_-1y、A_1yB_0z、A_-2B_0x、A_-2B_1x、A_-2B₂、A_-1yB_-1x、A_-1yB_0y、A_-1yB_1y、A_0zB_-2、A_0zB_-1y、A_0zB_0z共27种可控模式供选择，具体如下：

控制框图如图2所示，三相结构完全相同，三相开关磁阻电机工作是每相绕组轮流通电进行励磁，绕组励磁顺序为A相->B相->C相->A相……具体步骤如下：

步骤1，通过位置传感器采样获得开关磁阻电机转子角度，由电流传感器获得相电流；

步骤2，利用步骤1中得到的转子角度和相电流，从静态转矩特性得到瞬时转矩T，将给定的参考转矩T_ref、与瞬时转矩T相比较得到当前时刻转矩误差ΔT_e；

步骤3，先记录前一时刻转矩误差并记为ΔT_eb；然后将当前时刻转矩误差ΔT_e与前一时刻转矩误差ΔT_eb做对比，如果当前时刻转矩误差ΔT_e大于前一时刻转矩误差ΔT_eb，则当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R大于零，记为R>0，如果当前时刻转矩误差ΔT_e小于或者等于前一时刻转矩误差ΔT_eb，则当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R小于或者等于零，记为R≤0；

步骤4，由步骤2中得到的当前时刻转矩误差ΔT_e和步骤3中得到当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R，得到标记信号S；

步骤4.1，设定转矩误差的四个极限值，包括第一设定上限ΔT₁、第二设定上限ΔT_2、第一设定下限-ΔT₁和第二设定下限为-ΔT_2，其中，ΔT₁和ΔT₂都大于零，且ΔT₁的绝对值小于ΔT₂的绝对值；

步骤4.2，根据当前时刻转矩误差ΔT_e和当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R，得到标记信号S，

如果R>0，且ΔT_e≥ΔT₂，标记信号S＝2；

如果R>0，且ΔT₂>ΔT_e≥ΔT₁，标记信号S＝1；

如果R>0，且ΔT₁>ΔT_e≥0，标记信号S＝0；

如果R>0，且0>ΔT_e≥-ΔT₁，标记信号S＝-1；

如果R>0，且ΔT_e<-ΔT₁，标记信号S＝-2；

如果R≤0，且ΔT_e≥ΔT₁，标记信号S＝2；

如果R≤0，且ΔT₁>ΔT_e≥0，标记信号S＝1；

如果R≤0，且0>ΔT_e≥-ΔT₁，标记信号S＝0；

如果R≤0，且-ΔT₂≤ΔT_e<-ΔT₁，标记信号S＝-1；

如果R≤0，且ΔT_e<-ΔT₂，标记信号S＝-2；

步骤5，将步骤1中得到的转子角度送入转子位置判定模块，转子位置判定模块根据开关磁阻电机第i相定子绕组对应的转子位置角θ的位置，判断开关磁阻电机第i相定子绕组工作区间，当转子位置角θ在前相的关断角和后相的开通角之间，为单相导通区间，当转子位置角θ不在前相的关断角和后相的开通角之间，为两相重叠导通区间，其中所述开关磁阻电机第i相定子绕组包括开关磁阻电机A相定子绕组、B相定子绕组和C相定子绕组，A、B、C三相轮流循环导通；

步骤6，将步骤4中得到的标记信号S及步骤5得到的转子位置判定模块输出的定子绕组工作区间送入开关管选择器，开关管选择器依据标记信号S、定子绕组工作区间得到三个桥臂的12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的可选开关状态，从而对变换器各桥臂开关管的导通与断开状态进行判断，从而控制变换器。

所述三个桥臂的12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的可选开关状态如下，其中0表示关断，1表示导通：

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110000110000；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括110000100000、010000110000两种可选状态；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝0，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括110000000000、010000100000和000000110000三种可选状态；

如果转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝-1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括000000100000、010000000000两种可选状态；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝-2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为000011000000；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为010011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝0，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括010011000010、001001000011两种可选状态；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝-1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为010011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝-2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110000000010。

图4为本发明所述拓扑在转矩滞环控制下，三相相电流图。由于工作模态的多样化，不同的开关状态对应不同的相电压，从而三相相电流跟随不同控制状态，也有对应的不同波形。

图5为本发明所述拓扑在转矩滞环控制下，三相各相输出转矩图。根据不同的控制状态，三相各自的转矩变化率各有不同。从而可以根据所需转矩变化情况，选择不同模态，改善输出转矩。

图6为本发明所述拓扑在转矩滞环控制下，三相输出总转矩图。由于工作模态的大幅增多，三相输出总转矩的纹波明显降低，改善了电机性能。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本对本发明做任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动结构，其特征在于，包括电源Vs、开关磁阻电机A相绕组La、开关磁阻电机B相绕组Lb、开关磁阻电机C相绕组Lc、电容模块(101)、第一桥臂(102)、第二桥臂(103)、第三桥臂(104)；

所述电容模块(101)由第一电容C1和第二电容C2串联组成；

所述第一桥臂(102)包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sa1的漏极同时连接二极管D1的阴极和开关管Sa2的源极，开关管Sa2的漏极与开关管Sa3的源极相连，开关管Sa3的漏极同时连接二极管D2的阳极和开关管Sa4的源极；

所述第二桥臂(103)包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sb1的漏极同时连接二极管D3的阴极和开关管Sb2的源极，开关管Sb2的漏极与开关管Sb3的源极相连，开关管Sb3的漏极同时连接二极管D4的阳极和开关管Sb4的源极；

所述第三桥臂(104)包括四只开关管和两只二极管，其中开关管Sc1的漏极同时连接二极管D5的阴极和开关管Sc2的源极，开关管Sc2的漏极与开关管Sc3的源极相连，开关管Sc3的漏极同时连接二极管D6的阳极和开关管Sc4的源极；

供电电源Vs的正极同时连接电容模块(101)中第一电容C1的正极、第一桥臂(102)中开关管Sa1的源极、第二桥臂(103)中开关管Sb1的源极和第三桥臂(104)中开关管Sc1的源极；

供电电源Vs的负极同时连接电容模块(101)中第二电容C2的负极、第一桥臂(102)中开关管Sa4的漏极、第二桥臂(103)中开关管Sb4的漏极和第三桥臂(104)中开关管Sc4的漏极；

电容模块(101)中第一电容C1的阴极和第二电容C2的阳极的连接点与第一桥臂(102)中二极管D1的阳极和二极管D2的阴极的连接点、第二桥臂(103)中二极管D3的阳极和二极管D4的阴极的连接点、第三桥臂(104)中二极管D5的阳极和二极管D6的阴极的连接点相连；

第一桥臂(102)中开关管Sa2的漏极和开关管Sa3的源极的连接点与A相绕组La的一端、C相绕组Lc的一端相连；

第二桥臂(103)中开关管Sb2的漏极和开关管Sb3的源极的连接点与A相绕组La的另一端、B相绕组Lb的一端相连；

第三桥臂(104)中开关管Sc2的漏极和开关管Sc3的源极的连接点与B相绕组Lb的另一端、C相绕组Lc的另一端相连。

2.一种基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动结构的控制方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，通过位置传感器采样获得开关磁阻电机转子角度，由电流传感器获得相电流；

步骤2，利用步骤1中得到的转子角度和相电流，从静态转矩特性得到瞬时转矩T，将给定的参考转矩T_ref、与瞬时转矩T相比较得到当前时刻转矩误差ΔT_e；

步骤3，先记录前一时刻转矩误差并记为ΔT_eb；然后将当前时刻转矩误差ΔT_e与前一时刻转矩误差ΔT_eb做对比，如果当前时刻转矩误差ΔT_e大于前一时刻转矩误差ΔT_eb，则当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R大于零，记为R>0，如果当前时刻转矩误差ΔT_e小于或者等于前一时刻转矩误差ΔT_eb，则当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R小于或者等于零，记为R≤0；

步骤4，由步骤2中得到的当前时刻转矩误差ΔT_e和步骤3中得到当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R，得到标记信号S；

步骤4.1，设定转矩误差的四个极限值，包括第一设定上限ΔT₁、第二设定上限ΔT_2、第一设定下限-ΔT₁和第二设定下限为-ΔT_2，其中，ΔT₁和ΔT₂都大于零，且ΔT₁的绝对值小于ΔT₂的绝对值；

步骤4.2，根据当前时刻转矩误差ΔT_e和当前时刻转矩误差ΔT_e的斜率R，得到标记信号S，

如果R>0，且ΔT_e≥ΔT₂，标记信号S＝2；

如果R>0，且ΔT₂>ΔT_e≥ΔT₁，标记信号S＝1；

如果R>0，且ΔT₁>ΔT_e≥0，标记信号S＝0；

如果R>0，且0>ΔT_e≥-ΔT₁，标记信号S＝-1；

如果R>0，且ΔT_e<-ΔT₁，标记信号S＝-2；

如果R≤0，且ΔT_e≥ΔT₁，标记信号S＝2；

如果R≤0，且ΔT₁>ΔT_e≥0，标记信号S＝1；

如果R≤0，且0>ΔT_e≥-ΔT₁，标记信号S＝0；

如果R≤0，且-ΔT₂≤ΔT_e<-ΔT₁，标记信号S＝-1；

如果R≤0，且ΔT_e<-ΔT₂，标记信号S＝-2；

步骤5，将步骤1中得到的转子角度送入转子位置判定模块，转子位置判定模块根据开关磁阻电机第i相定子绕组对应的转子位置角θ的位置，判断开关磁阻电机第i相定子绕组工作区间，当转子位置角θ在前相的关断角和后相的开通角之间，为单相导通区间，当转子位置角θ不在前相的关断角和后相的开通角之间，为两相重叠导通区间，其中所述开关磁阻电机第i相定子绕组包括开关磁阻电机A相定子绕组、B相定子绕组和C相定子绕组，A、B、C三相轮流循环导通；

步骤6，将步骤4中得到的标记信号S及步骤5得到的转子位置判定模块输出的定子绕组工作区间送入开关管选择器，开关管选择器依据标记信号S、定子绕组工作区间得到三个桥臂的12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的可选开关状态，从而对变换器各桥臂开关管的导通与断开状态进行判断，从而控制变换器。

3.根据权利要求2所述一种基于三电平逆变器的开关磁阻电机驱动结构的控制方法，其特征是：步骤6中三个桥臂的12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的可选开关状态如下，其中0表示关断，1表示导通：

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110000110000；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括110000100000、010000110000两种可选状态；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝0，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括110000000000、010000100000和000000110000三种可选状态；

如果转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝-1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括000000100000、010000000000两种可选状态；

若转子位置角θ处于单相导通区间，且标记信号S＝-2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为000011000000；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为010011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝0，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态包括010011000010、001001000011两种可选状态；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝-1，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为010011000011；

若转子位置角θ处于两相重叠导通区间，且标记信号S＝-2，12个开关管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sc3和Sc4的开关状态为110000000010。