CN106033947A - 驱动三相交流电机的三相逆变电路及其矢量调制控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种驱动三相交流电机的三相逆变电路及其矢量调制控制方法。其中，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路包括：直流电源，具有正极和负极；第一开关管桥臂，由串联连接的第一晶体管和第二晶体管组成；第二开关管桥臂，由串联连接的第三晶体管和第四晶体管组成；第三开关管桥臂，由串联连接的第五晶体管和快速恢复二极管组成；电机，包括第一相、第二相和第三相，第一相、第二相和第三相中的其中之一与所述第三开关管桥臂的中点连接，电机的其它二相分别与所述第一开关管桥臂的中点连接和所述第二开关管桥臂的中点连接。本发明可以降低传统的三相交流电机的驱动电路的成本，有利于拓宽三相交流电机的驱动电路的应用领域。

Description

驱动三相交流电机的三相逆变电路及其矢量调制控制方法

技术领域

本发明涉及电机驱动控制技术，尤其涉及一种三相交流电机的驱动控制电路，具体涉及一种驱动三相交流电机的三相逆变电路及其矢量调制控制方法。

背景技术

目前，为了在降低三相交流电机的驱动系统成本的同时保持系统的主要性能，通常采用以下处理方法：1)减少驱动系统电路的开关器件数；2)采用元器件降额使用；上述两种方法虽然可以取得驱动系统电路成本的一定程度的降低，但三相交流电机的控制自由度会降低，驱动系统的性能也可能会降低，从而引起驱动系统的鲁棒性受限。

为此，领域内研究人员又结合采用新颖的控制算法，从控制的角度弥补电路元器件减少所带来的性能降低，这是现有技术的一种常见的方法。例如，采用四开关逆变电路的三相交流电机的驱动电路，虽然四开关电路能够带来一定程度上的成本降低，但由于驱动电路自身的特性，直流电压利用率将减半，故三相交流电机的输出能力与性能将大打折扣，研究人员通常采用以下两种方法补偿这一缺点：方法一、在电路中增加额外的升压电路，通过提升直流母线电压来弥补低直流电压利用率；方法二、采用复杂的电路控制方法：通过开发复杂的控制算法，改善四开关逆变电路的直流电压中点平衡、输入电流谐波含量和电机的输出效率。

然而，方法一容易增加驱动系统电路结构的复杂性和成本，需要增加的额外检测、保护电路，将带来额外的元器件成本，从而达不到成本降低的要求；方法二中各种改进的闭环控制算法，由于算法复杂，降低了驱动系统的鲁棒性；例如，当直流母线电压中点不平衡状况过大时，将大大影响直流电容的寿命以及电机的寿命和效率，严重时可能烧毁直流电容或电机。因此必须结合系统电路的工作原理、电机的运行方式以及系统成本来综合考虑采取既降低成本又能方便地实现电机的有效控制。

发明内容

本发明提供一种驱动三相交流电机的三相逆变电路及其矢量调制控制方法，采用了由五个开关管(可选用绝缘栅双极型晶体管IGBT，金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等有源开关)和一个快速恢复二极管组成的三相逆变电路结构，通过该三相逆变电路控制三相交流电机的运转；根据电机的实时转速所在的速度区间，按照预定的调制模式切换原则，在各个扇区内选用合理的矢量调制控制方法并灵活地彼此切换，从而实现三相电机电流对称输出的目的，简化了电路的复杂性，降低电机驱动系统的成本，三相逆变电路也可以作为六开关电路的一种容错冗余方案；矢量调制方法可以改善和补偿电机驱动的性能，使电机获得与六开关逆变器驱动时相近的性能。

本发明的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路，包括：直流电源，具有一正极和一负极；第一开关管桥臂，连接于所述直流电源的所述正极和所述负极之间，由串联连接的第一晶体管和第二晶体管组成；第二开关管桥臂，连接于所述直流电源的所述正极和所述负极之间，由串联连接的第三晶体管和第四晶体管组成；第三开关管桥臂，连接于所述直流电源的所述正极和所述负极之间，由串联连接的第五晶体管和一快速恢复二极管组成；以及电机，包括第一相、第二相和第三相，所述第一相、所述第二相和所述第三相中的其中之一与所述第三开关管桥臂的中点连接，电机的其它二相分别与所述第一开关管桥臂的中点连接和所述第二开关管桥臂的中点连接。

本发明的三相逆变电路的矢量调制控制方法，包括：预先设置第一转速阈值和第二转速阈值；采样电机的实时转速；比较所述实时转速与所述第一转速阈值的大小；所述实时转速小于所述第一转速阈值时，所述三相逆变电路采用采用传统六开关两电平SVPWM模式，即六开关两电平空间矢量脉宽调制的矢量调制方式；所述实时转速大于等于所述第一转速阈值且小于所述第二转速阈值时，采用复合SVPWM模式1，即所述三相逆变电路采用六开关两电平空间矢量脉宽调制的矢量调制方式和类似无刷直流电机调制方式；以及所述实时转速大于等于所述第二转速阈值时，采用复合SVPWM模式2，即所述三相逆变电路采用方波运行的矢量调制方式和类似无刷直流电机调制方式。

本发明提供一种驱动三相交流电机的三相逆变电路及其矢量调制控制方法，采用采用三个开关臂控制交流三相电机的运转，其中两个开关管臂由两个晶体管(可选用绝缘栅双极型晶体管IGBT，金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET等有源开关)串联而成，一个开关管臂由一个快速恢复二极管和一个晶体管串联而成，并在AC/DC整流变换器两端连接直流母线电容，所述直流母线电容与开关管臂并联连接；另外，根据电机的实时转速所在的速度区间，按照预定的调制模式切换原则，在各个扇区内选用合理的矢量调制控制方法并灵活地彼此切换，从而实现三相电机电流对称输出的目的；本发明能有效改善三相逆变电路驱动三相交流电机系统的电机性能，一方面可以降低现有三相交流电机的驱动电路的成本，也可以作为现有驱动电路的一种容错冗余方案，另一方面有利于拓宽三相交流电机的驱动电路的应用领域，使公司可能推出更有竞争力的产品。

应了解的是，上述一般描述及以下具体实施方式仅为示例性及阐释性的，其并不能限制本发明所欲主张的范围。

附图说明

下面的所附附图是本发明的说明书的一部分，其绘示了本发明的示例实施例，所附附图与说明书的描述一起用来说明本发明的原理。

图1为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式一的电路示意图；

图2为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式二的电路示意图；

图3为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式三的电路示意图；

图4为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式四的电路示意图；

图5为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式五的电路示意图；

图6为本发明实施例提供的电机驱动闭环控制器的结构框图；

图7为本发明实施例提供的三相逆变电路的直流电源的结构框图；

图8为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式六的电路示意图；

图9为本发明实施例提供的一种三相逆变电路的矢量调制控制方法的流程图；

图10为本发明实施例提供的一种三相逆变电路的电压空间矢量结构图。

附图符号说明：

10 直流电源 20 第一开关管桥臂

30 第二开关管桥臂 40 第三开关管桥臂

50 直流母线电容 60 电机驱动闭环控制器

61 反馈信号采样器 62 电机闭环控制器单元

63 复合空间矢量调制单元

70 整流器闭环控制器

11 交流电源 12 滤波器

13 整流变换器

Q1 第一晶体管 Q2 第二晶体管

Q3 第三晶体管 Q4 第四晶体管

Q5 第五晶体管 D 快速恢复二极管

M 电机 U 第一相

V 第二相 W 第三相

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将以附图及详细叙述清楚说明本发明所揭示内容的精神，任何所属技术领域技术人员在了解本发明内容的实施例后，当可由本发明内容所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本发明内容的精神与范围。

本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。另外，在附图及实施方式中所使用相同或类似标号的元件/构件是用来代表相同或类似部分。

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指称次序或顺位的意思，也非用以限定本发明，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

关于本文中所使用的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本创作。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

关于本文中所使用的“及/或”，包括所述事物的任一或全部组合。

关于本文中所使用的用语“大致”、“约”等，用以修饰任何可以微变化的数量或误差，但这些微变化或误差并不会改变其本质。一般而言，此类用语所修饰的微变化或误差的范围在部分实施例中可为20％，在部分实施例中可为10％，在部分实施例中可为5％或是其他数值。本领域技术人员应当了解，前述提及的数值可依实际需求而调整，并不以此为限。

关于本文中所使用的用词(terms)，除有特别注明外，通常具有每个用词使用在此领域中、在此申请的内容中与特殊内容中的平常意义。某些用以描述本申请的用词将于下或在此说明书的别处讨论，以提供本领域技术人员在有关本申请的描述上额外的引导。

图1为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式一的电路示意图，如图1所示，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路包括直流电源10、第一开关管桥臂20、第二开关管桥臂30、第三开关管桥臂40和电机M，其中，直流电源10具有一正极和一负极；第一开关管桥臂20连接于所述直流电源(10)的所述正极和所述负极之间，第一开关管桥臂20由串联连接的第一晶体管Q1和第二晶体管Q2组成；第二开关管桥臂30连接于所述直流电源10的所述正极和所述负极之间，第二开关管桥臂30由串联连接的第三晶体管Q3和第四晶体管Q4组成；第三开关管桥臂40连接于所述直流电源10的所述正极和所述负极之间，第三开关管桥臂40由串联连接的第五晶体管Q5和快速恢复二极管D组成；所述电机M包括第一相U、第二相V和第三相W，所述第一相U与所述第三开关管桥臂40的中点连接，所述第二相V与所述第二开关管桥臂30的中点连接，所述第三相W与所述第一开关管桥臂20的中点连接。本发明的其它实施例中，所述第一相U与所述第三开关管桥臂40的中点连接，所述第二相V与所述第一开关管桥臂20的中点连接，所述第三相W与所述第二开关管桥臂30的中点连接。

参照图1，三相逆变电路用于驱动三相永磁交流同步电机(也适用于其它三相电机，如感应电机、永磁同步电机、内置式永磁同步电机(IPMSM)等)，从而实现系统的低成本化要求，也可以作为现有六开关逆变器的一种容错冗余方案；最大化地提高三相逆变电路驱动三相交流电机的控制性能，实现在电机驱动系统要求的全速度范围内，有效地改善电机驱动系统的输出性能，提高电机的效率，最大限度地满足相关产品的国际标准和行业标准，本发明利用五个开关管(晶体管)和一个快速恢复二极管形成三个开关管桥臂组成的逆变器，通过合理的矢量调制方法，能够有效控制三相交流电机，因此，本发明相比较于现有的三相交流电机的六开关电路驱动系统，能减小电路系统的成本，同时保持相似的系统性能。

而且，在本发明的其它实施例中，所述第一晶体管Q1、所述第二晶体管Q2、所述第三晶体管Q3、所述第四晶体管Q4、所述第五晶体管Q5为开关型器件，包含但不限于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等有源器件。无论是IGBT还是MOSFET均为常用电子元器件，性能稳定、成本低廉，能够进一步减小电机驱动电路系统的成本。

图2为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式二的电路示意图，图2与图1电子元器件相同，功能也相同，图2与图1的不同在于，所述第一相U与所述第二开关管桥臂30的中点连接，所述第二相V与所述第三开关管桥臂40的中点连接，所述第三相W与所述第一开关管桥臂20的中点连接。本发明的一其它实施例中，所述第一相U与所述第一开关管桥臂20的中点连接，所述第二相V与所述第三开关管桥臂40的中点连接，所述第三相W与所述第二开关管桥臂30的中点连接。

图3为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式三的电路示意图，图3与1电子元器件相同，功能也相同，图3与图1的不同在于，所述第一相U与所述第一开关管桥臂20的中点连接，所述第二相V与所述第二开关管桥臂30的中点连接，所述第三相W与所述第三开关管桥臂40的中点连接。本发明的其它实施例中，所述第一相U与所述第二开关管桥臂30的中点连接，所述第二相V与所述第一开关管桥臂20的中点连接，所述第三相W与所述第三开关管桥臂40的中点连接。

图4为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式四的电路示意图，参见图4，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路还包括直流母线电容50，其中，直流母线电容50连接于所述直流电源10的所述正极和所述负极之间，直流母线电容50用于消除所述电机M对所述直流电源10的干扰，另外可适当降低电流母线电容的容值，使用薄膜电容达到降低系统成本的目的。

如图4所示，小容量直流母线电容(例如可以采用小容值的金属薄膜电容)的主要作用是滤波，即消除感性负载通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)产生的高频差模干扰引起的谐波，另外可延长三相逆变电路的使用寿命，同时保持整个三相电机驱动系统的稳定，降低成本；当选用大容量直流母线电容(例如采用大容值的电解电容)，还可以储存能量，但成本相对增加，使用寿命减少。

图5为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式五的电路示意图，如图5所示，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路还包括电机驱动闭环控制器60，其中，电机驱动闭环控制器60与所述第一晶体管Q1、所述第二晶体管Q2、所述第三晶体管Q3、所述第四晶体管Q4和所述第五晶体管Q5的栅极连接，电机驱动闭环控制器60用于控制所述第一晶体管Q1、所述第二晶体管Q2、所述第三晶体管Q3、所述第四晶体管Q4和所述第五晶体管Q5的开关信号，从而驱动所述电机M转动。

参见图5，电机驱动闭环控制器60可以利用空间矢量脉宽调制(SVPWM)信号或者利用正弦波脉宽调制(SPWM)信号控制开关管(晶体管)的通断，电机驱动闭环控制器60向各个晶体管输出周期为T_s的方波脉冲信号，在一个周期T_s内，如果方波信号为高电平，则对应的晶体管导通，从而向电机M的三相施加不同的电压，驱动电机运转，实现三相电机的变频控制，扩大了本发明的应用范围。

图6为本发明实施例提供的电机驱动闭环控制器的结构框图，如图6所示，所述电机驱动闭环控制器60进一步包括反馈信号采样器61、电机闭环控制器单元62和复合空间矢量调制单元63，其中，反馈信号采样器61用于检测所述电机M的实时位置、转速信息(可通过位置传感器检测或通过无速度传感器控制算法估算得到)和三相电流的大小；电机闭环控制器单元62用于实现三相电机的转速与转矩闭环控制；复合空间矢量调制单元63，根据矢量调制控制方法，输出各个晶体管的驱动信号。其中，驱动信号用于控制所述第一晶体管Q1、所述第二晶体管Q2、所述第三晶体管Q3、所述第四晶体管Q4和所述第五晶体管Q5通断以控制所述电机M运转。

参见图6，反馈信号采样器61可以检测电机的实时位置、转速信息和电机的三相电流；电机闭环控制器单元62，用于实现三相电机的转速与转矩闭环控制；复合空间矢量调制单元63通过反馈信号采样器61获得电机的实时转速，根据电机的实时转速进入对应的调制模式，从而有效地改善五开关逆变电路驱动三相电机时的效率与带载能力，在降低电机驱动系统成本的同时，使电机获得与现有六开关逆变器驱动时相近的性能。

图7为本发明实施例提供的三相逆变电路的直流电源的结构框图，如图7所示，三相逆变电路的直流电源10进一步包括交流电源11、滤波器12和整流变换器13，其中，交流电源11用作驱动所述电机M的供电电源，此交流电源可以是单相电源，也可以是三相电源；滤波器12与所述交流电源11连接，滤波器12用于滤除变换器产生的各次谐波信号；整流变换器13与所述滤波器12连接，整流变换器13用于实现将所述交流电源信号转换成直流电源信号。

参见图7，所述交流电源11可以为三相电源或者为单相电源；所述整流变换器13可以为有源或无源整流变换器。滤波器12用来抑制变换器产生的谐波；整流变换器13可以包括AC/DC转换器和电能变换电路，其中，电能变换电路可为三相有源功率因数校正电路、单相有源功率因数校正电路，或其他三相/单相无源整流电路。本发明由于滤波器12和整流变换器13的结构，进一步降低了电机驱动电路系统的成本，同时保持相似的电机驱动电路系统性能。

图8为本发明实施例提供的一种驱动三相交流电机的三相逆变电路的实施方式六的电路示意图，如图8所示，当所述整流变换器13为有源整流变换器时，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路还包括整流器闭环控制器70，其中，整流器闭环控制器70与所述整流变换器13连接，整流器闭环控制器70用于根据所述交流电源信号和所述直流电源信号向所述整流变换器13发送驱动信号，实现交流电能变换成直流电能，同时保证交流输入端的电能质量。本发明的一具体实施例中，所述整流器闭环控制器70可以包括一整流器闭环控制单元和一开关驱动单元，其中，整流器闭环控制单元可以检测交流电源信号和直流电源信号，通过闭环控制单元向所述整流变换器13输出开关管的驱动信号。

参见图8，当所述整流变换器13为有源整流变换器(即整流变换器13采用开关管)时，所述整流变换器13还需要整流器闭环控制器70驱动，整流器闭环控制器70通过闭环控制和调制控制(空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法或者正弦波脉宽调制(SPWM)方法)控制开关管(晶体管)的通断，当所述整流变换器13为无源整流变换器(即整流变换器13采用二极管)时，整流器闭环控制器70可以省略，为用户提供了广泛的选择，扩大了本发明的应用范围。

图9为本发明实施例提供的一种三相逆变电路的矢量调制控制方法的流程图，图10为本发明实施例提供的一种三相逆变电路的电压空间矢量结构图，如图9所示，所述三相逆变电路的矢量调制控制方法包括：

预先设置一第一转速阈值和一第二转速阈值；

检测电机的实时转速；

比较所述实时转速与所述第一转速阈值的大小；

所述实时转速小于所述第一转速阈值时，电机(M)运行在低速区，采用传统六开关两电平SVPWM模式，即六开关两电平空间矢量脉宽调制的矢量调制方式；

所述实时转速是否大于等于所述第一转速阈值且小于所述第二转速阈值；

所述实时转速大于等于所述第一转速阈值且小于所述第二转速阈值时，电机(M)运行在中速区，采用复合SVPWM模式1，即六开关两电平空间矢量脉宽调制的矢量调制方式和类似无刷直流电机调制方式；以及

所述实时转速大于等于所述第二转速阈值时，电机(M)运行在高速区，采用复合SVPWM模式2，即方波运行的矢量调制方式和类似无刷直流电机调制方式。

参照图10，三相逆变电路共有8种开关组合方式，分别对应六个基本有效空间矢量和两个零矢量。参照图9，本发明为了提高三相逆变电路(也称为五开关逆变电路)驱动三相交流电机的性能，基于传统两电平空间矢量的调制原理、无刷直流电机驱动的调制原理和过调制方波控制原理，提出了一种复合空间矢量调制方法，即根据检测到的电机的实时转速判断电机所在的转速区，按照预定的模式切换原则，在各个扇区(第一扇区Ⅰ～第六扇区Ⅵ)间进行复合调制模式控制方式的切换，相应采用六开关矢量调制、类似无刷直流电机(BLDC)驱动模式或方波驱动模式(参见图10)，从而最大化地提高五开关逆变器驱动三相交流电机的控制性能，实现在系统要求的全速度范围内，有效地改善系统的输出性能，提高电机的效率，最大限度地满足相关产品的国际标准和行业标准。

参见图10，结合图1，本发明基于传统两电平空间矢量调制的方法，根据本电机驱动系统电路的工作原理和特点，构建出一种适用于不同转速情况下的新型的复合空间电压矢量调制控制方法，即根据电机的实时转速所在的速度区间，按照预定的模式切换原则，在各个扇区内选用合理的矢量调制控制方法并灵活地彼此切换，从而实现三相电机电流对称输出的目的。

参见图9、图10，本发明的一具体实施例中，所述矢量调制为复合电压空间矢量调制，所述实时转速小于所述第一转速阈值时，电机(M)运行在低速区，在扇区一部(包括第三扇区Ⅲ、第四扇区Ⅳ、第二扇区Ⅱ的一半和第五扇区Ⅴ的一半)和扇区二部(包括第一扇区Ⅰ、第六扇区Ⅵ、第二扇区Ⅱ的一半和第五扇区Ⅴ的一半)采用传统的六开关两电平空间矢量脉宽调制的矢量调制方式；当所述实时转速大于等于所述第一转速阈值且小于所述第二转速阈值时，电机(M)运行在中速区，采用复合SVPWM模式1，即在扇区一部采用传统的六开关两电平空间矢量脉宽调制的矢量调制方式，在扇区二部采用类似无刷直流电机(BLDC)的调制方式；以及当所述实时转速大于等于所述第二转速阈值时，电机(M)运行在高速区，采用复合SVPWM模式2，即在扇区一部采用方波运行的矢量调制方式，在扇区二部采用类似无刷直流电机的调制方式。本发明的其它实施例中，所述复合电压空间矢量调制为空间矢量脉宽调制(SVPWM)或者为正弦波脉宽调制(SPWM)，本发明不以此为限。本发明可以改善和补偿电机驱动的性能，使电机获得与现有的六开关逆变器(使用六个晶体管)驱动时相近的性能。

进一步参见表1、图9、图10，具体来说，表1是复合调制方法的说明。图9是电机驱动闭环控制器60的新型的复合空间矢量调制算法中的调制模式的切换选择规则说明。此规则主要是根据电机的不同转速，进入相对应的调制模式，实现在各个调制模式下的相互之间的灵活切换，在各个扇区内灵活地配置相应的电压矢量的控制模式，从而有效地改善五开关逆变电路驱动三相电机时的效率与带载能力。图10为电机驱动闭环控制器60的复合电压空间矢量结构分布图。是在现有的两电平六矢量的基础上，结合类似无刷直流电机和过调制状况下的调制模式，构建的一个新型的复合空间电压矢量结构分布。

表1

参见表1，通过电机转速所在的不同转速区域，切换进入相应的调制模式，从而实现对电机的复合调制控制。具体实施方法如下：

1.低速区：此时实时转速低于第一转速阈值n1(n1数值可根据实际情况调整)，采用传统六开关的矢量调制方式(不产生省去那个开关的信号)，六开关的矢量调制方式可以为空间矢量脉宽调制(SVPWM)或者为正弦波脉宽调制(SPWM)。

2.中速区：此时实时转速大于等于所述第一转速阈值n1且小于所述第二转速阈值n2(n2数值可根据实际情况调整)时，采用复合SVPWM模式1，即六开关的矢量调制方式与类似无刷直流电机(BLDC)调制方式的复合调制方式:在第II扇区后半部分至第V扇区前半部分(即扇区一部)，调制仍然采用传统六开关的矢量调制方式。扇区二部采用类似无刷直流电机调制方式进行调制。

3.高速区：此时实时转速高于所述第二转速阈值n2，采用复合SVPWM模式2，即方波运行的调制方式与类似无刷直流电机调制方式的复合调制方式：在扇区一部用方波运行的调制方式，以增大在高速时电机的电磁转矩输出能力，扇区二部仍采用类似无刷直流电机调制方式进行调制。

参见图1～图3、图10，当所述第一相U与所述第三开关管桥臂40的中点连接，所述第一开关管桥臂20和所述第二开关管桥臂30的中点连接可被任意分别定义为第二相(V)或第三相(W)，所述分割直线穿过第二扇区和第五扇区，所述分割直线的左边为所述扇区一部，所述分割直线的右边为所述扇区二部。

此时，部分第二扇区、第三扇区、第四扇区和部分第五扇区为所述扇区一部；部分第五扇区、第六扇区、第一扇区和部分第二扇区为所述扇区二部；由于电机M的第一相U与所述第三开关管桥臂40的中点连接，当电压矢量在所述扇区一部时，第三开关管桥臂40的中点为低电平，即所述第一晶体管Q5导通，当电压矢量在所述扇区二部时，第三开关管桥臂40的中点为高电平，即所述第一晶体管Q5截止，第三开关管桥臂40的中点电平被上拉为高电平，在这种情况下，当电压矢量在所述扇区一部时，电机处于反压状态，当电压矢量在所述扇区二部时，电机处于正压状态。当电机运行在低速区，无论电压矢量在所述扇区一部还是在扇区二部，由于电机电流比较小，使用两电平SVPWM调制模式均能让电机输出与现有六开关逆变器相近的功率；当电机运行在中速区，电压矢量在所述扇区一部时，由于第五晶体管Q5导通，仍然可以使用两电平SVPWM调制模式，电压矢量在所述扇区二部时，由于第五晶体管Q5截止，且快速恢复二极管D不具有晶体管电流反向导通性能，此时应当使用类似BLDC驱动模式，这样才能保证电机的输出特性与现有六开关逆变器相近；当电机运行在高速区，电压矢量在所述扇区一部时，由于第五晶体管Q5导通，但此时电机电流过大，应当使用方波驱动调制模式以提高电机的电磁转矩能力，电压矢量在所述扇区二部时，第五晶体管Q5截止，仍然使用类似BLDC驱动模式，这样才能保证电机的输出特性与现有六开关逆变器相当。

当所述第二相V与所述第三开关管桥臂40的中点连接，所述第一开关管桥臂20和所述第二开关管桥臂30的中点连接可被任意分别定义为第一相(U)或第三相(W)，所述分割直线穿过第一扇区和第四扇区，所述分割直线的下方为所述扇区一部，所述分割直线的上方为所述扇区二部。

此时，部分第四扇区、第五扇区、第六扇区和部分第一扇区为所述扇区一部；部分第一扇区、第二扇区、第三扇区和部分第四扇区为所述扇区二部；由于电机M的第二相V与所述第三开关管桥臂40的中点连接，当电压矢量在所述扇区一部时，第三开关管桥臂40的中点为低电平，即所述第一晶体管Q5导通；当电压矢量在所述扇区二部时，第三开关管桥臂40的中点为高电平，即所述第一晶体管Q5截止，第三开关管桥臂40的中点电平被上拉为高电平；在这种情况下，当电压矢量在所述扇区一部时，电机处于反压状态，当电压矢量在所述扇区二部时，电机处于正压状态。当电机运行在低速区，无论电压矢量在所述扇区一部还是在扇区二部，由于电机电流比较小，使用传统两电平SVPWM调制模式均能让电机输出与现有六开关逆变器相近的功率；当电机运行在中速区，电压矢量在所述扇区一部时，由于第五晶体管Q5导通，仍然可以使用传统两电平SVPWM调制模式，电压矢量在所述扇区二部时，由于第五晶体管Q5截止，且快速恢复二极管D不具有晶体管电流反向导通性能，此时应当使用类似BLDC驱动模式，这样才能保证电机输出特性与现有六开关逆变器相似；当电机运行在高速区，电压矢量在所述扇区一部时，由于第五晶体管Q5导通，但此时电机电流过大，应当使用方波驱动调制模式；电压矢量在所述扇区二部时，第五晶体管Q5截止，仍然可以使用类似BLDC驱动模式，这样才能保证电机输出特性与现有六开关逆变器相近。

当所述第三相W与所述第三开关管桥臂40的中点连接时，所述第一开关管桥臂20和所述第二开关管桥臂30的中点连接可被任意分别定义为第一相(U)或第三相(W)，所述分割直线穿过第三扇区和第六扇区，所述分割直线的上方为所述扇区一部，所述分割直线的下方为所述扇区二部。

此时，部分第一扇区、第二扇区、部分第三扇区和部分第六扇区为所述扇区一部；部分第三扇区、第四扇区、第五扇区和部分第六扇区为所述扇区二部；由于电机M的第三相W与所述第三开关管桥臂40的中点连接，当电压矢量在所述扇区一部时，第三开关管桥臂40的中点为低电平，即所述第一晶体管Q5导通，当电压矢量在所述扇区二部时，第三开关管桥臂40的中点为高电平，即所述第一晶体管Q5截止，第三开关管桥臂40的中点电平被上拉为高电平；在这种情况下，当电压矢量在所述扇区一部时，电机处于反压状态，当电压矢量在所述扇区二部时，电机处于正压状态。当电机运行在低速区，无论电压矢量在所述扇区一部还是在扇区二部，由于电机电流比较小，使用传统两电平SVPWM调制模式均能让电机输出特性与现有六开关逆变器相近；当电机运行在中速区，电压矢量在所述扇区一部时，由于第五晶体管Q5导通，仍然可以使用两电平SVPWM调制模式；电压矢量在所述扇区二部时，由于第五晶体管Q5截止，且快速恢复二极管D不具有晶体管电流反向导通性能，此时应当使用类似BLDC驱动模式，这样才能保证电机输出特性与现有六开关逆变器相近；当电机运行在高速区，电压矢量在所述扇区一部时，由于第五晶体管Q5导通，但此时电机电流过大，应当使用方波驱动调制模式，电压矢量在所述扇区二部时，第五晶体管Q5截止，仍然可以使用类似BLDC驱动模式，这样才能保证电机输出特性与现有六开关逆变器相近。

本发明提供一种驱动三相交流电机的三相逆变电路及其矢量调制控制方法，采用三个开关臂控制交流三相电机的运转，其中，两个开关管臂由两个晶体管(可选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)等有源开关管)串联而成，一个开关管臂由一个快速恢复二极管和一个晶体管串联而成，并在AC/DC整流变换器两端连接直流母线电容，所述直流母线电容与开关管臂并联连接；另外，根据电机的实时转速所在的速度区间，按照预定的复合调制模式切换原则，在各个扇区内选用合理的矢量调制控制方法并灵活地彼此切换，从而实现三相电机电流对称输出的目的；本发明能有效改善三相逆变电路驱动三相交流电机系统的电机性能，一方面可以降低现有三相交流电机的驱动电路的成本，也可以作为传统驱动电路的一种容错冗余方案，另一方面有利于拓宽三相交流电机的驱动电路的应用领域，使公司可能推出更有竞争力的产品。

本发明还至少具有如下有效技术效果：

1.本发明利用五开关管组成的电机驱动电路简化了现有电机驱动电路的复杂性，可以降低系统的成本，也可以作为六开关电机电路的一种容错冗余方案；

2.三相逆变电路(五开关管电机驱动电路)的空间矢量调制方法可以改善和补偿电机驱动的性能，使电机获得与传统的六开关逆变器驱动时相近的性能；

3.本发明提供的三相逆变电路不需要增加的额外检测、保护电路，不需要另外的开支；

4.本发明提供的复合空间矢量调制方法的算法简单，电机驱动电路具有较好的鲁棒性，能够延长直流母线电容和三相交流电机的寿命；

5.本发明能够结合电机驱动系统电路的工作原理、电机的运行方式以及电机驱动系统成本来综合考虑采取既降低成本又能方便地实现电机的有效控制。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，在不脱离本发明的构思和原则的前提下，任何本领域的技术人员所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (11)

1.一种驱动三相交流电机的三相逆变电路，其特征在于，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路包括：

一直流电源(10)，具有一正极和一负极；

一第一开关管桥臂(20)，连接于所述直流电源(10)的所述正极和所述负极之间，由串联连接的第一晶体管(Q1)和第二晶体管(Q2)组成；

一第二开关管桥臂(30)，连接于所述直流电源(10)的所述正极和所述负极之间，由串联连接的第三晶体管(Q3)和第四晶体管(Q4)组成；

一第三开关管桥臂(40)，连接于所述直流电源(10)的所述正极和所述负极之间，由串联连接的第五晶体管(Q5)和一快速恢复二极管(D)组成；以及

一电机(M)，包括第一相(U)、第二相(V)和第三相(W)，所述第一相(U)、所述第二相(V)和所述第三相(W)中的其中之一与所述第三开关管桥臂(40)的中点连接，电机(M)的其它二相分别与所述第一开关管桥臂(20)的中点连接和所述第二开关管桥臂(30)的中点连接。

2.如权利要求1所述的驱动三相交流电机的三相逆变电路，其特征在于，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路还包括：

一直流母线电容(50)，连接于所述直流电源(10)的所述正极和所述负极之间，用于储能和消除高频差模信号干扰。

3.如权利要求1所述的驱动三相交流电机的三相逆变电路，其特征在于，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路还包括：

一电机驱动闭环控制器(60)，与所述第一晶体管(Q1)、所述第二晶体管(Q2)、所述第三晶体管(Q3)、所述第四晶体管(Q4)和所述第五晶体管(Q5)的栅极连接，用于通过电机闭环控制算法和矢量调制控制方法控制所述第一晶体管(Q1)、所述第二晶体管(Q2)、所述第三晶体管(Q3)、所述第四晶体管(Q4)和所述第五晶体管(Q5)，实现驱动所述电机(M)。

4.如权利要求3所述的驱动三相交流电机的三相逆变电路，其特征在于，所述电机的驱动闭环控制器(60)进一步包括：

一反馈信号采样器(61)，用于检测所述电机(M)的实时位置、转速信息和三相电流；

一电机闭环控制器单元(62)，与所述反馈信号采样器(61)连接，用于实现三相电机的转速与转矩闭环控制；以及

一复合空间矢量调制单元(63)，与所述电机闭环控制器单元(62)连接，用于根据矢量调制控制方法，调节第一晶体管(Q1)、所述第二晶体管(Q2)、所述第三晶体管(Q3)、所述第四晶体管(Q4)和所述第五晶体管(Q5)的驱动信号，从而驱动所述电机(M)正常运行。

5.如权利要求1所述的驱动三相交流电机的三相逆变电路，其特征在于，所述直流电源(10)进一步包括：

一交流电源(11)，用作驱动所述电机(M)的供电电源；

一滤波器(12)，与所述交流电源(11)连接，用于滤除变换器产生的各次谐波信号；以及

一整流变换器(13)，与所述滤波器(12)连接，用于实现将所述交流电源信号转换成直流电源信号。

6.如权利要求5所述的驱动三相交流电机的三相逆变电路，其特征在于，所述整流变换器(13)为源整流变换器，所述驱动三相交流电机的三相逆变电路还包括：

一整流器闭环控制器(70)，与所述整流变换器(13)连接，用于根据所述交流电源信号和所述直流电源信号向所述整流变换器(13)发送驱动信号，实现交流电能变换成直流电能，同时保证交流输入端的电能质量。

7.如权利要求1所述的驱动三相交流电机的三相逆变电路，其特征在于，所述第一晶体管(Q1)、所述第二晶体管(Q2)、所述第三晶体管(Q3)、所述第四晶体管(Q4)、所述第五晶体管(Q5)为开关型器件。

8.如权利要求1所述的驱动三相交流电机的三相逆变电路，其特征在于，所述电机(M)为永磁同步电机。

9.一种三相逆变电路的矢量调制控制方法，其特征在于，所述三相逆变电路的矢量调制控制方法包括：

预先设置一第一转速阈值和一第二转速阈值；

采样电机的实时转速；

比较所述实时转速与所述第一转速阈值的大小；

所述实时转速小于所述第一转速阈值时，电机(M)运行在低速区，采用传统六开关两电平空间矢量脉宽调制SVPWM；

所述实时转速大于等于所述第一转速阈值且小于所述第二转速阈值时，所述电机(M)运行在中速区，采用复合SVPWM模式1；以及

所述实时转速大于等于所述第二转速阈值时，所述电机(M)运行在高速区，采用复合SVPWM模式2。

10.如权利要求9所述的三相逆变电路的矢量调制控制方法，其特征在于，所述矢量调制是复合电压空间矢量调制，穿过电压空间矢量图中点的分割直线将所述电压空间矢量图左、右两大部分，分别是扇区一部和扇区二部，

所述实时转速小于所述第一转速阈值时，所述电机(M)运行在低速区，在所述扇区一部和所述扇区二部采用传统六开关两电平SVPWM的矢量调制方式；

所述实时转速大于等于所述第一转速阈值且小于所述第二转速阈值时，所述电机(M)运行在中速区，所述复合SVPWM模式1包括传统六开关两电平SVPWM的矢量调制方式和类似无刷直流电机调制方式，在所述扇区一部采用传统六开关两电平SVPWM的矢量调制方式，在所述扇区二部采用类似无刷直流电机调制方式；以及

所述实时转速大于等于所述第二转速阈值时，所述电机(M)运行在高速区，所述复合SVPWM模式2包括方波运行的矢量调制方式和类似无刷直流电机调制方式，在所述扇区一部采用方波运行的矢量调制方式，在所述扇区二部采用类似无刷直流电机调制方式。

11.如权利要求10所述的三相逆变电路的矢量调制控制方法，其特征在于，当所述第三开关管桥臂(40)的中点连接第一相(U)时，所述第一开关管桥臂(20)的中点连接第二相(V)、所述第二开关管桥臂(30)的中点连接第三相(W)，或者，所述第一开关管桥臂(20)的中点连接第三相(W)、所述第二开关管桥臂(30)的中点连接第二相(V)，所述分割直线穿过第二扇区和第五扇区，所述分割直线的左边为所述扇区一部，所述分割直线的右边为所述扇区二部；

当所述第三开关管桥臂(40)的中点连接第二相(V)时，所述第一开关管桥臂(20)的中点连接第一相(U)，所述第二开关管桥臂(30)的中点连接第三相(W)，或者，所述第一开关管桥臂(20)的中点连接第三相(W)，所述第二开关管桥臂(30)的中点连接第一相(U)，所述分割直线穿过第一扇区和第四扇区，所述分割直线的下方为所述扇区一部，所述分割直线的上方为所述扇区二部；以及

当所述第三开关管桥臂(40)的中点连接第三相(W)时，所述第一开关管桥臂(20)的中点连接第一相(U)，所述第二开关管桥臂(30)的中点连接第二相(V)，或者，所述第一开关管桥臂(20)的中点连接第二相(V)，所述第二开关管桥臂(30)的中点连接第一相(U)，所述分割直线将穿过第三扇区和第六扇区，所述分割直线的上方为所述扇区一部，所述分割直线的下方为所述扇区二部。