CN105939134B - 基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统 - Google Patents

基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，包括一个直流电源、两台开关磁阻电机、一个传统结构的不对称半桥功率变换器、一个位置检测器、六个电流传感器以及一个控制器。本发明系统只需要一个功率变换器即可实现两台开关磁阻电机的运行驱动，两台电机独立控制，由于各相定子线圈接入不同桥臂，各相电流不会相互影响。同时，本发明在不增加系统成本和故障的情况下，能够输出更大的转矩来承载更大的负荷，保证了电机运行系统的稳定性和可靠性。

Description

基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统。
背景技术
开关磁阻电机(SRM)是一种新型的电机，其定子上无绕组，不需要永磁材料，由于其结构简单、坚固，具有效率高、可靠性好、起动转矩大、容错性能好等一系列优点而成为一种极具竞争力的电机。近几十年来，开关磁阻电机发展迅速，得到了越来越多的关注，并且已经在电动汽车、家用电器、航空、通用工业等领域中得到了不同程度的应用。
SRM的运行遵循“磁阻最小原理”，即磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合，使转子铁心在移动到磁阻最小位置，此时转子的主轴线与磁场的轴线重合。开关磁阻电机可以根据实际的需求而被设计成不同的相数结构，并且定、转子的极数有多种不同的搭配，图1所示为三相12/8结构的开关磁阻电机，图2则为及最常采用的不对称半桥式功率变换器示意图。开关磁阻电机在运行过程中，绕组电压有三种运行状态，以A相绕组导通区间为例：当上管S1和下管S2均开通时，电源向绕组供电，绕组两端承受正电压Udc，此为励磁状态，如图3(a)所示；当上管S1关断下管S2开通时，绕组两端电压为零，为零电压续流状态，如图3(b)所示；当开关管S1、S2均关断，电流通过续流二极管D1和D2进行续流，绕组两端承受负电压-Udc，为负电压续流状态，如图3(c)所示。
随着现代工业技术的不断发展，对电机系统的性能和可靠性要求越来越高。在实际工作中，有时候为了能够输出更大的转矩以承载更大的负荷，或者为了保证系统运行的可靠性，往往采用双电机系统。此外，类似机器人的手臂关节等需要三自由度运动的复杂动作仅仅依靠单台电机是很难实现的，因此也要采用双电机系统。即使是在相同的输出转矩情况下，双电机的总转动惯量要比单电机系统小的多，有助于电机系统运行时的电能消耗减少。
传统的双开关磁阻电机运行系统往往需要两套功率变换器以及各自的电源分别实现对两台电机的控制，极大的增加了系统的成本和故障点。如果采用一个功率变换器，而将两台开关磁阻电机的各相对应定子绕组简单串联或者并联起来进行控制，又会引起两台电机定子线圈之间的互相干扰，影响电机在运行时的稳定性和可靠性。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术缺陷，在传统的开关磁阻电机驱动拓扑的基础上，本发明提出了一种基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，只需要一个功率变换器就能实现对两台开关磁阻电机运行驱动控制。
基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，其特征在于，包括一个直流电源、两台开关磁阻电机、一个功率变换器、一个位置检测器、六个电流传感器以及一个控制器；其中：
所述的直流电源为两台开关磁阻电机提供励磁；
所述的两台开关磁阻电机均为三相12/8结构电机且处于同步运行状态，定义第一台电机的三相定子绕组分别为A1、B1和C1，第二台电机的三相定子绕组分别为A2、B2和C2；
所述的功率变换器控制两台开关磁阻电机各相定子绕组的通断；
所述的位置检测器用于检测获取开关磁阻电机的转子位置信息；
所述的电流传感器用于检测两台电机的三相定子绕组电流；
所述的控制器根据转子位置和绕组电流给功率变换器中的功率开关管提供控制信号，实现对两台开关磁阻电机的控制。
所述的功率变换器包括一直流母线电容、六个二极管和六个开关管；其中，直流母线电容的一端与开关管S1的一端、开关管S3的一端、开关管S5的一端、二极管D1的阴极、二极管D3的阴极以及二极管D5的阴极共连并连接外部直流电源的正极，开关管S1的另一端与定子绕组A1的一端、定子绕组C2的一端以及二极管D2的阴极相连，开关管S3的另一端与定子绕组B1的一端、定子绕组A2的一端以及二极管D4的阴极相连，开关管S5的另一端与定子绕组C1的一端、定子绕组B2的一端以及二极管D6的阴极相连，二极管D1的阳极与定子绕组A1的另一端、定子绕组A2的另一端以及开关管S2的一端相连，二极管D3的阳极与定子绕组B1的另一端、定子绕组B2的另一端以及开关管S4的一端相连，二极管D5的阳极与定子绕组C1的另一端、定子绕组C2的另一端以及开关管S6的一端相连，直流母线电容的另一端与开关管S2的另一端、开关管S4的另一端、开关管S6的另一端、二极管D2的阳极、二极管D4的阳极以及二极管D6的阳极共连并接外部直流电源的负极，六个开关管S1～S6的控制极接收控制器提供的驱动信号。
所述的开关管S1～S6均采用CoolMOS管或IGBT。
所述的二极管D1～D6均采用快恢复二极管。
基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，电机运行控制原理如下：
根据位置检测器的电机转子位置信息，在开关磁阻电机的某一相最小电感位置处即电机定转子不对齐位置，开通两电机相对应的开关管，以电机A1和A2相为例，此时开关管S1、S2和S3导通，控制器根据电流斩波控制策略或者电压PWM控制策略的需求控制三个开关管的通断直至电机转子运行到该相最大电感位置处即电机定转子对齐位置，开关管S1、S2关断，而S3、S4和S5导通，此时电机B1和B2相导通。同样，当电机转子运行到下一个最大电感位置处即电机定转子对齐位置，开关管S3、S4关断，而S5、S6和S1导通，电机C1和C2相导通，电机周期运行。
本发明系统提出了一种基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，需要一个功率变换器便可以实现对两台开关磁阻电机的运行驱动，并且在保证两台电机的独立控制的同时，由于各相定子线圈接入不同桥臂，各相电流不会相互影响。本发明在不增加系统成本和故障的情况下，能够输出更大的转矩来承载更大的负荷，保证了电机运行系统的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为三相12/8结构开关磁阻电机示意图。
图2为不对称半桥功率变换器拓扑示意图。
图3(a)为A相运行时励磁状态示意图。
图3(b)为A相运行时零电压续流状态示意图。
图3(c)为A相运行时负电压续流状态示意图。
图4为基于单功率变换器的双开关磁阻电机控制系统示意图。
图5为的双开关磁阻电机定子绕组连接示意图。
图6(a)为双开关磁阻电机运行状态1：A1、A2均导通。
图6(b)为双开关磁阻电机运行状态1时A1励磁环路。
图6(c)为双开关磁阻电机运行状态1时A2励磁环路。
图7(a)为双开关磁阻电机运行状态2：A1导通、A2零电压续流。
图7(b)为双开关磁阻电机运行状态2时A1励磁环路。
图7(c)为双开关磁阻电机运行状态2时A2零电压续流环路。
图8(a)为双开关磁阻电机运行状态3：A2导通、A1零电压续流。
图8(b)为双开关磁阻电机运行状态3时A2励磁环路。
图8(c)为双开关磁阻电机运行状态3时A1零电压续流环路。
图9(a)为双开关磁阻电机运行状态3：A1、A2均零电压续流。
图9(b)为双开关磁阻电机运行状态3时A1零电压续流环路。
图9(c)为双开关磁阻电机运行状态3时A2零电压续流环路。
图10(a)为双开关磁阻电机运行状态4：A、B换相模式(1)。
图10(b)为双开关磁阻电机运行状态4时A1负电压续流环路。
图10(c)为双开关磁阻电机运行状态4时A2零电压续流环路。
图10(d)为双开关磁阻电机运行状态4时A1给B1提供励磁环路。
图10(e)为双开关磁阻电机运行状态4时A1给B2提供励磁环路。
图11(a)为双开关磁阻电机运行状态5：A、B换相模式(2)。
图11(b)为双开关磁阻电机运行状态5时Udc给B1提供励磁环路。
图11(c)为双开关磁阻电机运行状态5时Udc给B2提供励磁环路。
图11(d)为双开关磁阻电机运行状态5时A2零电压续流环路。
图11(e)为双开关磁阻电机运行状态5时A1给B1提供励磁环路。
图11(f)为双开关磁阻电机运行状态5时A1给B2提供励磁环路。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式，以两台三相12/8极SRM为例对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。
如图4所示，基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，包括直流电源、两台开关磁阻电机、功率变换器、位置检测装置、电流检测装置以及控制器。直流电源为两台开关磁阻电机提供励磁；两台开关磁阻电机均为三相12/8结构电机且处于同步运行状态，电机1的三相定子绕组分别为A1、B1和C1，电机2的三相定子绕组分别为A2、B2和C2；功率变换器控制两台开关磁阻电机各相定子绕组的通断；位置检测器用于检测获取开关磁阻电机转子的位置状态信息；电流传感器用于检测两台电机的三相定子绕组电流；控制器根据转子位置和绕组电流为功率变换器中的功率开关器件提供控制信号，实现对两台开关磁阻电机的控制。
双开关磁阻电机定子绕组与功率变换器的连接如图5所示，功率变换器包括一直流母线电容、六个二极管D1～D6和六个开关管S1～S6；其中，直流母线电容的一端与开关管S1的一端、开关管S3的一端、开关管S5的一端、二极管D1的阴极、二极管D3的阴极以及二极管D5的阴极共连并连接外部直流电源的正极，开关管S1的另一端与定子绕组A1的一端、定子绕组C2的一端以及二极管D2的阴极相连，开关管S3的另一端与定子绕组B1的一端、定子绕组A2的一端以及二极管D4的阴极相连，开关管S5的另一端与定子绕组C1的一端、定子绕组B2的一端以及二极管D6的阴极相连，二极管D1的阳极与定子绕组A1的另一端、定子绕组A2的另一端以及开关管S2的一端相连，二极管D3的阳极与定子绕组B1的另一端、定子绕组B2的另一端以及开关管S4的一端相连，二极管D5的阳极与定子绕组C1的另一端、定子绕组C2的另一端以及开关管S6的一端相连，直流母线电容的另一端与开关管S2的另一端、开关管S4的另一端、开关管S6的另一端、二极管D2的阳极、二极管D4的阳极以及二极管D6的阳极共连并接外部直流电源的负极，六个开关管S1～S6的控制极接收控制器提供的驱动信号
优选的，所述开关管S1～S6均采用CoolMOS管或IGBT；
优选的，所述的续流二极管D1～D6均采用快恢复二极管。
基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，在两台电机运行期间，定子绕组电压仍然有三种运行状态：励磁状态、零电压续流状态以及负电压续流状态。图6(a)～图11(f)分别为双开关磁阻电机运行系统在运行期间各相可能处于的状态，当开关磁阻电机的转子运行到A相最小电感位置处时，进入图6(a)所示的双开关磁阻电机运行状态1：A1、A2均导通，图6(b)为状态1时A1励磁环路，图6(c)为状态1时A2励磁环路；再电机运行过程中，控制器将根据电流斩波控制策略或者电压PWM控制策略的需求对开关管的通断进行控制，图7(a)为双开关磁阻电机运行状态2：A1导通、A2零电压续流，图7(b)为状态2时A1励磁环路，图7(c)为状态2时A2零电压续流环路；图8(a)为双开关磁阻电机运行状态3：A2导通、A1零电压续流，图8(b)为状态3时A2励磁环路，图8(c)为状态3时A1零电压续流环路；图9(a)为双开关磁阻电机运行状态3：A1、A2均零电压续流，图9(b)为状态3时A1零电压续流环路，图9(c)为状态3时A2零电压续流环路；电机在换相时，根据绕组A1和绕组B1、B2电流的大小关系会出现两种换相状态，当A1相电流较大时，由A1相给B1、B2提供励磁，出现如图10(a)所示的双开关磁阻电机运行状态4：A、B换相模式(1)，图10(b)为状态4时A1负电压续流环路，图10(c)为状态4时A2零电压续流环路，图10(d)为状态4时A1给B1提供励磁环路，图10(e)为状态4时A1给B2提供励磁环路；当A1相电流较小时，图11(a)为双开关磁阻电机运行状态5：A、B换相模式(2)，图11(b)为状态5时Udc给B1提供励磁环路，图11(c)为状态5时Udc给B2提供励磁环路，图11(d)为状态5时A2零电压续流环路，图11(e)为状态5时A1给B1提供励磁环路，图11(f)为状态5时A1给B2提供励磁环路。状态1～状态5为一个周期，电机接下来将进入与状态1相似状态的B1、B2导通状态，开始新一个周期。

Claims (3)

1.基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，其特征在于，包括一个直流电源、两台开关磁阻电机、一个功率变换器、一个位置检测器、六个电流传感器以及一个控制器；其中：
所述的直流电源为两台开关磁阻电机提供励磁；
所述的两台开关磁阻电机均为三相12/8结构电机且处于同步运行状态；
所述的功率变换器控制两台开关磁阻电机各相定子绕组的通断；
所述的位置检测器用于检测获取开关磁阻电机的转子位置信息；
所述的电流传感器用于检测两台电机的三相定子绕组电流；
所述的控制器根据转子位置和绕组电流给功率变换器中的功率开关管提供控制信号，实现对两台开关磁阻电机的控制；
定义第一台电机的三相定子绕组分别为A1 、B1和C1，第二台电机的三相定子绕组分别为A2 、B2和C2，所述的功率变换器包括一直流母线电容、六个二极管和六个开关管；直流母线电容的一端与开关管S1的一端、开关管S3的一端、开关管S5的一端、二极管D1的阴极、二极管D3的阴极以及二极管D5的阴极共连并连接外部直流电源的正极，开关管S1的另一端与定子绕组A1的一端、定子绕组C2的一端以及二极管D2的阴极相连，开关管S3的另一端与定子绕组B1的一端、定子绕组A2的一端以及二极管D4的阴极相连，开关管S5的另一端与定子绕组C1的一端、定子绕组B2的一端以及二极管D6的阴极相连，二极管D1的阳极与定子绕组A1的另一端、定子绕组A2的另一端以及开关管S2的一端相连，二极管D3的阳极与定子绕组B1的另一端、定子绕组B2的另一端以及开关管S4的一端相连，二极管D5的阳极与定子绕组C1的另一端、定子绕组C2的另一端以及开关管S6的一端相连，直流母线电容的另一端与开关管S2的另一端、开关管S4的另一端、开关管S6的另一端、二极管D2的阳极、二极管D4的阳极以及二极管D6的阳极共连并接外部直流电源的负极，六个开关管的控制极接收控制器提供的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，其特征在于：所述的六个开关管均采用CoolMOS管或IGBT。
3.根据权利要求1所述的基于单个功率变换器驱动的双开关磁阻电机运行控制系统，其特征在于：所述的六个二极管均采用快恢复二极管。
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