CN105871267A - 一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统 - Google Patents

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陈志辉
何海翔
梅庆枭
张昌锦
王兰凤
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    • H02P6/10—Arrangements for controlling torque ripple, e.g. providing reduced torque ripple
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Abstract

本发明公开一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，包括四相横向磁通电机、第一主功率电路、第二主功率电路、第一电动机控制器和第二电动机控制器，所述四相横向磁通电机电枢绕组A1和A2在电机结构上相差180°电角度，这两相构成一个单元结构，电枢绕组B1和B2在电机结构上相差180°电角度，这两相也构成一个单元结构，并且两个单元结构轴向之间留有一定的间隙，以削弱不同单元结构之间的耦合；电枢绕组A1和B1在电机结构上相差90°电角度，通过第一主功率电路对其进行控制；电枢绕组A2和B2在电机结构上也相差90°电角度，通过第二主功率电路对其进行控制。此种驱动系统具有较高的功率因数，可以实现零转矩脉动，容错性能好。

Description

一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统
技术领域
本发明属于特种电机控制系统，特别涉及一种横向磁通电机容错驱动系统。
背景技术
横向磁通永磁电机是由德国H.Web教授于二十世纪八十年代提出的一种新型电机，相比于传统永磁电机，该电机磁场呈三维分布，与绕组处于不同平面，可以兼顾绕组的横截面积与定子齿极的横截面积，提高了电机的转矩密度。按照磁路的不同，可将横向磁通电机分为表贴式、聚磁式和磁阻式。表贴式横向磁通永磁电机结构简单、加工工艺简单，但是漏磁大，磁通密度较低，永磁体的利用率不高，从而限制了表贴式横向磁通永磁电机在高转矩密度应用场合的进一步发展。聚磁式横向磁通永磁电机充分利用了其永磁体，使得电机整体结构更加紧凑，气隙磁密高，转矩密度和功率密度均得到较大提高，但是结构变得复杂，对加工工艺要求更高。磁阻式横向磁通电机一般结构简单、成本低，但是出力小。在电动汽车、舰船电力推进和航空航天等要求大功率及高可靠性的应用场合，横向磁通电机的相与相之间相互解耦，具备一定的容错性能。
在高可靠性的应用场合，还需要具有容错性能的控制器和横向磁通电机相配合，构成完整的容错横向磁通电机驱动系统。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，其具有较高的功率因数，可以实现零转矩脉动，容错性能好。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，包括四相横向磁通电机、第一主功率电路、第二主功率电路、第一电动机控制器和第二电动机控制器，所述四相横向磁通电机电枢绕组A1和A2在电机结构上相差180°电角度，这两相构成一个单元结构，电枢绕组B1和B2在电机结构上相差180°电角度，这两相也构成一个单元结构，并且两个单元结构轴向之间留有一定的间隙，以削弱不同单元结构之间的耦合；电枢绕组A1和B1在电机结构上相差90°电角度，通过第一主功率电路对其进行控制；电枢绕组A2和B2在电机结构上也相差90°电角度，通过第二主功率电路对其进行控制。
上述四相横向磁通电机采用四相聚磁式横向磁通永磁电机、四相表贴式横向磁通永磁电机或四相磁阻式横向磁通电机。
上述驱动系统还包括第一驱动电路、第二驱动电路、第一采样调理电路和第二采样调理电路，第一采样调理电路、第一电动机控制器、第一驱动电路和第一主功率电路顺序连接，第一采样调理电路的输入端连接四相横向磁通电机电枢绕组，第一主功率电路的输出端连接四相横向磁通电机；第二采样调理电路、第二电动机控制器、第二驱动电路和第二主功率电路顺序连接，第二采样调理电路的输入端连接四相横向磁通电机电枢绕组，第二主功率电路的输出端连接四相横向磁通电机。
上述主功率电路包含有四条相互并联的支路，各支路均包含两个同向串联的可控开关器件。
上述可控开关器件采用绝缘栅晶体管或场效应管。
采用上述方案后，本发明与现有技术相比，具有如下特点：
(1)电机采用单元结构，有利于实现较大绕组自感的同时，利用相间互感减小相绕组等效电感，提高正常运行时的功率因数；
(2)通过横向磁通电机控制通道的设置，采用两路独立的主功率电路，实现了各相独立控制，某一相的故障不会影响其他相的正常工作；
(3)采用两套独立的电动机控制器，每套电动机控制器控制相应的主功率电路，当只有一个通道工作时，由于相位差90度，理论上可以实现零转矩脉动；
(4)当某一相电枢绕组回路发生故障时，可以通过控制其他相的功率开关管来抑制转矩跌落，减小转矩脉动；
(5)双通道容错横向磁通电机驱动系统可以通过增加通道数适用于四相、八相等多相表贴式横向磁通永磁电机、聚磁式横向磁通永磁电机以及磁阻式横向磁通电机，可应用于电动汽车、舰船电力推进和航空航天等要求大功率及高可靠性的场合。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2是四相横向磁通电机磁链与反电动势波形示意图；
其中，图2(a)是四相横向磁通电机相磁链波形，图2(b)是四相横向磁通电机相反电动势波形，ΨA1、ΨB1、ΨA2、ΨB2分别代表横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的磁链；EA1、EB1、EA2、EB2分别代表横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的反电动势，θ是转子位置角，τ是极距角；
图3是四相横向磁通电机空载时磁链与反电动势相位关系图；
其中，ΨA1、ΨB1、ΨA2、ΨB2分别代表横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的磁链，EA1、EB1、EA2、EB2分别代表横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的反电动势；
图4是四相横向磁通电机故障工作状态时磁链、反电动势、电流矢量图；
其中，图4(a)是A1相电枢绕组回路发生开路故障时磁链、反电动势、电流矢量图，图4(b)是A1相电枢绕组回路发生短路故障时磁链、反电动势、电流矢量图；ΨA1、ΨB1、ΨA2、ΨB2分别代表横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的磁链，EA1、EB1、EA2、EB2分别代表横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的反电动势，iA1、iB1、iA2、iB2分别代表横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的电流；
图5是四相双通道容错横向磁通电机驱动系统拓扑结构示意图；
其中，虚线框1代表四相横向磁通电机，虚线框2代表主功率电路1；虚线框3代表主功率电路2，虚线框4代表电动机控制器1，虚线框5代表电动机控制器2；LA1、LB1、LA2、LB2分别代表四相横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的电枢绕组电感；Ud1、Ud2分别代表两路主功率电路直流母线侧的输入电压；Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16分别为主功率电路1和主功率电路2上、下桥臂的绝缘栅晶体管；
图6是四相双通道容错横向磁通电机驱动系统故障工作状态示意图；
其中，图6(a)是A1相电枢绕组回路发生开路故障时的工作状态示意图，图6(b)是A1相电枢绕组回路发生短路故障时的工作状态示意图；虚线框1代表四相横向磁通电机，虚线框2代表主功率电路1，虚线框3代表主功率电路2，虚线框4代表电动机控制器1，虚线框5代表电动机控制器2；LA1、LB1、LA2、LB2分别代表四相横向磁通电机A1、B1、A2、B2相的电枢绕组电感；Ud1、Ud2分别代表两路主功率电路直流母线侧的输入电压；Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、Q14、Q15、Q16分别为主功率电路1和主功率电路2上、下桥臂的绝缘栅晶体管。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，包括四相横向磁通电机、第一主功率电路(主功率电路1)、第二主功率电路(主功率电路2)、第一电动机控制器(电动机控制器1)和第二电动机控制器(电动机控制器2)，下面分别介绍。
四相横向磁通电机可以采用四相聚磁式横向磁通永磁电机，也可以是四相表贴式横向磁通永磁电机或四相磁阻式横向磁通电机，以四相聚磁式横向磁通永磁电机为例，电枢绕组A1和A2处于同一定子铁心中，二者相位差180°电角度，这两相构成一个单元结构，电枢绕组B1和B2也处于同一定子铁心中，相位差180°电角度，这两相构成另外一个单元结构，两个单元结构轴向之间留有一定的间隙，以削弱不同单元结构之间的耦合。采用单元结构，利用两相之间的互感使得在正常运行状态各相等效自感减小，有利于提高功率因数；在一相发生短路故障时，短路电流使得同单元结构的另一相反电势增加，同样的电枢电流将产生更大的电磁转矩，弥补了由于一相短路引起的转矩下降。此外，还可以通过控制与短路相同单元的相绕组电流来对短路相电流进行抑制。
四相电枢绕组相与相之间相互独立，电机本体具备容错性能。对于所述的四相聚磁式横向磁通永磁电机可以产生随转子角度正弦变化的磁链和反电动势，四相横向磁通电机相磁链与反电动势波形示意图如图2(a)、图2(b)所示。空载时磁链与反电动势相位关系图如图3所示，根据反电动势波形采取相应的控制策略通入电流，就可以作为电动机向机械负载提供转矩。四相双通道容错横向磁通电机驱动系统拓扑结构示意图如图5所示。
电枢绕组A1和B1在电机结构上相差90°电角度，采用两相电机的控制方式并通过第一主功率电路(即通道1)对其进行控制。电枢绕组A2和B2在电机结构上也相差90°电角度，也采用两相电机的控制方式并通过第二主功率电路(即通道2)对其进行控制。每相电枢绕组两端单独接入主功率电路，第一主功率电路和第二主功率电路的上、下桥臂均为绝缘栅晶体管或场效应管等功率开关器件，每路主功率电路配套独立的电动机控制器、采样调理电路和驱动电路。第一电动机控制器采样电机转子位置信号、电枢绕组A1和B1的电流信号，产生第一主功率电路(即通道1)中各个可控开关器件的驱动信号，根据采样得到电枢绕组A1和B1的电流信号判断电枢绕组A1和B1回路是否发生故障。第二电动机控制器采样电机转子位置信号、电枢绕组A2和B2的电流信号，产生第二主功率电路(即通道2)中各个可控开关器件的驱动信号，根据采样得到电枢绕组A2和B2的电流信号判断电枢绕组A2和B2回路是否发生故障。通过两路独立的主功率电路和两套电动机控制器，实现了对横向磁通电机的容错控制。
以A1相电枢绕组回路发生故障为例进行工作状态分析，A1相电枢绕组回路发生开路故障时的工作状态示意图如图6(a)所示，A1相电枢绕组回路开路故障主要包括绝缘栅晶体管Q1、Q2、Q3、Q4中任何一个或者多个开路以及A1相电枢绕组发生开路。开路故障时磁链、反电动势、电流矢量图如图4(a)所示，可以通过控制A2、B1和B2三相中晶体管的驱动信号来适当增加其电流大小，从而抑制转矩跌落，减小转矩脉动。A1相电枢绕组回路发生短路故障时的工作状态示意图如图6(b)所示，A1相电枢绕组回路短路故障主要包括绝缘栅晶体管Q1、Q2、Q3、Q4中任何一个或者多个短路以及A1相电枢绕组发生短路。短路故障时磁链、反电动势、电流矢量图如图4(b)所示，A1相短路电流对A2相起增磁作用，A2相同样大小的电枢电流将产生更大的电磁转矩，弥补了由于A1相短路引起的转矩下降。此外，还可以通过控制A2相绕组电流来对A1相短路电流进行抑制。A2、B1和B2相电枢绕组回路发生故障时，采用同样的控制策略抑制转矩跌落，减小转矩脉动。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，其特征在于：包括四相横向磁通电机、第一主功率电路、第二主功率电路、第一电动机控制器和第二电动机控制器，所述四相横向磁通电机电枢绕组A1和A2在电机结构上相差180°电角度，这两相构成一个单元结构，电枢绕组B1和B2在电机结构上相差180°电角度，这两相也构成一个单元结构，并且两个单元结构轴向之间留有一定的间隙，以削弱不同单元结构之间的耦合；电枢绕组A1和B1在电机结构上相差90°电角度，通过第一主功率电路对其进行控制；电枢绕组A2和B2在电机结构上也相差90°电角度，通过第二主功率电路对其进行控制。
2.如权利要求1所述的一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，其特征在于：所述四相横向磁通电机采用四相聚磁式横向磁通永磁电机、四相表贴式横向磁通永磁电机或四相磁阻式横向磁通电机。
3.如权利要求1所述的一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，其特征在于：所述驱动系统还包括第一驱动电路、第二驱动电路、第一采样调理电路和第二采样调理电路，第一采样调理电路、第一电动机控制器、第一驱动电路和第一主功率电路顺序连接，第一采样调理电路的输入端连接四相横向磁通电机电枢绕组，第一主功率电路的输出端连接四相横向磁通电机；第二采样调理电路、第二电动机控制器、第二驱动电路和第二主功率电路顺序连接，第二采样调理电路的输入端连接四相横向磁通电机电枢绕组，第二主功率电路的输出端连接四相横向磁通电机。
4.如权利要求1所述的一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，其特征在于：所述主功率电路包含有四条相互并联的支路，各支路均包含两个同向串联的可控开关器件。
5.如权利要求4所述的一种四相双通道容错横向磁通电机驱动系统，其特征在于：所述可控开关器件采用绝缘栅晶体管或场效应管。
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