CN106655648A - 一种模块化电机系统及其驱动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化电机系统及其驱动控制方法，包括模块化电机本体，和用于驱动这种电机并实现零共模电压输出的脉宽调制技术。所发明的模块化电机本体中，嵌放于定子槽中的线圈按空间位置构成两套三相对称绕组，两套绕组对应相之间具有相同的反电动势，每套三相绕组模块连接独立的三相逆变器。在驱动模块化电机本体时，在传统三相逆变器空间电压矢量调制的基础上，应用并联电压矢量合成参考电压，并将并联参考电压在一个开关周期内均分给两套逆变器。通过这种特殊的调制方法，可实现并联逆变器的零共模电压输出，并利用电机的绕组电感抑制两个逆变器之间的环流。

Description

一种模块化电机系统及其驱动控制方法
技术领域
本发明属于交流电机与驱动控制领域，更具体地，涉及一种模块化电机系统及其驱动控制方法。
背景技术
随着现代电机与电力电子控制技术的发展，基于电力电子逆变器驱动的交流电机变频调速系统，已广泛应用于伺服和交通牵引领域。由于该系统的调速变频功能由脉宽调制技术结合逆变器的高速开关特性实现，电机的绕组端存在以高频脉冲序列为特征的共模电压。共模电压产生的共模电流沿电机绕组传导，通过电机绕组与机壳或者轴承之间的杂散电容传导到接地端，不但增加了系统的电磁干扰噪声，而且会对电机绝缘和轴承等部件形成持续的损害，是电机驱动中的主要问题之一。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种模块化电机系统及其驱动控制方法，旨在解决现有技术通过电机绕组与机壳或者轴承之间的杂散电容传导到接地端，导致增加了系统的电磁干扰噪声且会对电机绝缘和轴承等部件形成持续的损害的问题。
本发明提供了一种模块化电机系统，包括：电机本体和用于驱动电机的脉宽调制电路；所述电机本体包括：电机定子和转子，所述转子嵌套于所述定子内且与其同轴放置，所述定子中的绕组用于接入外部交流电源使其在电机内部产生合成的旋转磁场，转子表贴的磁钢用于与定子产生的旋转磁场作用形成转矩从而驱动转子旋转；所述脉宽调制电路包括：连接于同一个直流母线电源的两套三相逆变器，用于控制两套三相逆变器的控制电路和采样反馈电路；两套三相逆变器用于产生交流电压输入至电机定子绕组中；所述控制电路用于产生逆变器的脉宽调制驱动信号和反馈信号；所述采样反馈电路用于采集电机定子绕组电流和转子位置信息并送入至所述控制电路中。
更进一步地，电机中两套三相绕组的对应相之间具有相同的反电动势，且两套绕组对应相之间无耦合，两套绕组产生的转矩叠加在转子上。
更进一步地，在电机的绕组中，一台电机所包含的单元电机的个数为定子槽数和极数的最大公约数。
更进一步地，所有单元电机数为偶数的槽极配合。
更进一步地，所述电机本体为三相同步电机或三相异步电机。
更进一步地，所述电机转子为绕线式或永磁式；所述定子绕组为分数槽集中绕组或整数槽分布绕组。
本发明还提供了一种基于上述的模块化电机系统的驱动控制方法，包括下述步骤：
通过参考电压指令Vd，Vq计算参考合成电压矢量V*的幅值和相角；
通过参考合成电压相角θ确定所述参考合成电压矢量V*所在的扇区；并根据V*的幅值和矢量分解原理计算出两个并联电压矢量所需作用的时间t1、t2；
根据两个并联电压矢量所需作用的时间获得一个周期内的并联电压零矢量作用时间t0＝Ts-t1-t2；
根据所述作用时间将对应的并联电压矢量的作用均匀分配给两个并联的逆变器以保证对应相在一个开关周期输出的占空比相同；并将一个开关周期分为7段，其时间排序为(t0/4，t1/2，t2/2，t0/2，t1/2，t2/2，t0/4)，将后半周期的t1/2和t2/2两个时间分段的顺序互换，保证一个开关周期内每相开关状态只变换两次，减小开关次数；
根据每相的开关状态和时间生成并联逆变器所需的驱动信号进而实现所需的参考电压输出。
更进一步地，确定V*所在的扇区具体为：当空间向量图中合成向量角度-30°≤θ≤30°时，参考合成电压矢量V*落在扇区1的区间内，选择扇区1对应的相邻的两个并联电压矢量(210)和(201)作为合成V*的基本矢量。
更进一步地，所述参考合成电压矢量V*的幅值所述相角
更进一步地，两个并联电压矢量所需作用的时间t1、t2通过如下公式计算；其中θ为参考电压矢量与扇区开始的并联电压矢量的夹角，Vc为并联电压矢量的幅值，t1、t2为扇区的两个并联电压矢量的作用时间，Ts为开关周期。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于消除了逆变器输出到负载的共模电压，同时省去了应用于并联逆变器的耦合电感部件，能够取得保护电机绝缘和轴承，简化逆变器系统的结构，提高系统的可靠性有益效果。
附图说明
图1是按照本发明实现的模块化电机的结构；
图2是按照本发明实现的模块化电机的典型设计结果；
图3是按照本发明实现的模块化电机的驱动电路；
图4是按照本发明实现的模块化电机控制框图；
图5是按照本发明实现的逆变器零共模空间矢量PWM的并联电压矢量图；
图6是按照本发明实现的模块化电机及其驱动器考虑了反电动势相等效果后的等效电路图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为定子模块；2为永磁转子。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的模块化电机系统包括：模块化电机本体及用于驱动电机的脉宽调制电路；其中模块化电机本体包括电机定子及转子，转子嵌套于定子内与其同轴放置，定子中的绕组用于接入外部交流电源使其在电机内部产生合成的旋转磁场，转子表贴的磁钢用于与定子产生的旋转磁场作用形成转矩从而驱动转子旋转；脉宽调制电路包括连接于同一个直流母线电源的两套三相逆变器，控制两套三相逆变器的控制电路及采样反馈电路，其中两套三相逆变器用于产生交流电压输入到电机定子绕组中，控制电路用于产生逆变器的脉宽调制驱动信号和反馈信号的处理，采样反馈电路用于采集电机定子绕组电流和转子位置等信息送入到控制电路中。
本发明通过将电机设计为模块化并联结构；其中电机两套三相绕组的对应相之间具有相同的反电动势，且两套绕组对应相之间的耦合可忽略不计，两套绕组产生的转矩叠加在转子上。本发明的另一主要内容，是在调制方法方面，即在传统三相逆变器电压空间矢量调制的基础上，应用并联电压矢量来合成参考电压，并将并联参考电压在一个开关周期内均分给两个逆变器。通过这种特殊的调制方法，可以保证逆变器输出的共模电压保持为零，并利用电机的绕组电感抑制两个逆变器对应相之间的环流。
本发明提出了一种模块化电机的结构；电机按照模块化设计成两个三相结构，分别由两个并联的逆变器驱动，可将定子视作由两模块构成，通过特定的槽极配合设计，保证两定子模块对应相的反电动势一致。在电机的绕组中，一台电机所包含的单元电机的个数，定义为定子槽数和极数的最大公约数。所有单元电机数为偶数的槽极配合，均为满足本发明的电机定子槽极配合。电机转子设计为两对极的表贴式永磁结构。每个模块产生的电磁转矩作用在转子上后，通过叠加产生总电磁转矩。在控制方面，两套逆变器采用统一的控制器，通过矢量控制的方法产生d-q坐标下的旋转参考电压矢量。在每个逆变器基本电压矢量(100，110，010，011，001，101)的基础上，将相邻两个电压矢量合成为并联电压矢量(210，120，021，012，102，201)，采用并联电压矢量合成参考电压矢量，并按照合成结果在一个开关周期之内均分给两个逆变器，保证了任何时刻两个逆变器总有三个桥臂接入正母线，另外三个桥臂接入负母线，使得共模电压保持为零。同时，两套绕组的电感可以用于抑制逆变器对应相瞬时电压不同带来的环流。
本发明提供一种模块化电机的设计方法，使电机由两个三相模块组合而成。电机各模块之间耦合小，并且各三相模块由独立的逆变器驱动控制。在两个三相逆变器模块的统一控制下，通过并联电压矢量合成的方法实现逆变器零共模电压输出，同时完成电机矢量控制的功能。利用电机绕组自身电感抑制环流，省去额外的耦合电感。
为了更进一步的说明本发明提供的模块化电机系统及其驱动控制方法，现结合附图及具体实例详述如下：
如图1所示，模块化电机包括定子和转子两部分。定子在圆周上均分为两部分，每部分包括三相模块化定子铁心及其绕组，即分为了A1-B1-C1和A2-B2-C2模块。转子结构包括了多对极的永磁转子，通过特定的槽极配合设计，其设计方法为一台电机所包含的单元电机的个数，定义为定子槽数和极数的最大公约数，例如此电机结构中槽数为12，极数为8，则单元电机个数为4,其他满足偶数个单元电机槽极配合的电机设计方案均适用于此模块化电机设计的要求。同时由于空间布局上的隔离，两套绕组之间的互感耦合非常小，可以视为独立。使电机的单元电机数目为偶数，在A1-B1-C1和A2-B2-C2绕组中有相同的反电动势。
如图2所示，设计了一套模块化电机拓扑的具体实施例。该实施例由具有12槽的定子1和具有4对极永磁体的转子2构成。围绕定子1的12个齿，嵌放有12个彼此独立的非重叠线圈。这些独立线圈按图所示连接成两套三相对称绕组，每套绕组的对应相之间无电磁耦合，因而可将定子1视作两个独立的模块化定子。该电机拓扑的两套三相绕组分别由两套三相逆变器并联驱动。
如图3所示，模块化电机由两套并联于同一直流电源的电压型逆变器驱动。每套三相逆变器包括三个桥臂，由上下两个开关管串联组成，桥臂中点与模块化电机对应相连接。模块化电机六相绕组一侧连接六个桥臂输出中点，通过电机的六相绕组电感和另一侧的交流侧中点O2连接，其中对应相的绕组电感生成相同的反电动势可以合并为一个反电动势，最后六相绕组生成的反电势化简为三相等效反电动势(EA，EB，EC)。在这种绕组连接下，逆变器通过开关模式向模块化电机每相绕组注入控制电流。六个桥臂输出开关电压的平均值即为共模电压。如果共模电压不为零，其产生的共模电流通过交流侧中点O2对地的杂散电容传导入地。
如图4所示，模块化电机采用传统的矢量控制方法。控制系统由内环(电流环)与外环(速度环)组成。速度环通过速度控制器调节参考速度与反馈速度之差得到转矩电流分量的指令值iqref。参考电流在d-q坐标下与反馈电流比较，由电流控制器进行调节，产生参考电压Vd，Vq，再代入零共模空间矢量PWM模块，产生两个逆变器各六组PWM信号(PWM1，PWM2)来驱动两个逆变器，实现对电机两套三相绕组的电流和速度的控制。电机的转子位置用于坐标变换，将六组电流由三相静止坐标系转换到d-q坐标系，电机的转速用于速度环反馈。转子位置和转速可以由位置传感器得到，也可以由位置观测器通过电压电流得到。
如图5所示，模块化电机的零共模空间矢量PWM调制方法是基于并联电压矢量。并联电压矢量是由两个相邻的普通三相电压型逆变器电压空间矢量(100，110，010，011，001，101)合成得到(210，120，021，012，102，201)。对于所发明的模块化电机零共模空间矢量PWM调制方法，任意一组并联电压矢量都满足三个桥臂接正母线，三个桥臂接负母线的情况。另外还有两组并联电压零矢量(111+000，000+111)用于填补开关周期内除去并联电压矢量作用时间剩下的时间。由这六个并联电压矢量以及并联电压零矢量对参考电压合成，就能保证得到的输出电压中的共模电压分量为零。根据合成得到的各个并联电压矢量作用时间，将电压矢量分配给两个逆变器，就能实现有效的零共模空间矢量PWM占空比控制。
调制控制方法流程如下：首先通过参考电压指令Vd，Vq计算出参考合成电压矢量V*的幅值和相角通过参考合成电压相角θ确定V*所在的扇区，如图5所示空间向量图中合成向量角度-30°≤θ≤30°，则参考合成电压矢量V*落在扇区1的区间内，可以选择扇区1对应的相邻的2个并联电压矢量(210)和(201)作为合成V*的基本矢量，其他扇区都是60°的区间划分，扇区判断方法相同。同时根据V*的幅值和矢量分解原理计算出2个并联电压矢量所需作用的时间，其公式为其中θ为参考电压矢量与扇区开始的并联电压矢量的夹角，Vc为并联电压矢量的幅值，t1、t2为扇区的2个并联电压矢量的作用时间，Ts为开关周期。除去并联电压矢量作用的时间，一个周期内的并联电压零矢量作用时间为t0＝Ts-t1-t2。根据计算出来的作用时间将对应的并联电压矢量的作用均匀分配给两个并联的逆变器以保证对应相在一个开关周期输出的占空比相同，同时类似于传统的SVPWM(空间电压矢量PWM)时间分段方法，将一个开关周期分为7段，其时间排序为(t0/4，t1/2，t2/2，t0/2，t1/2，t2/2，t0/4)，其区别于SVPWM方法的地方在于将后半周期的t1/2和t2/2两个时间分段的顺序互换，保证一个开关周期内每相开关状态只变换两次，减小开关次数。最后根据每相的开关状态和时间生成并联逆变器所需的驱动信号进而实现所需的参考电压输出。
如图6所示的是改进的模块化电机与并联逆变器简化的等效电路。以直流母线中点O1为参考，并联逆变器的六个桥臂输出电压相对O1都是切换在正负直流母线电压之间的脉冲电压序列(VA1，VB1，VC1，VA2，VB2，VC2)，通过六相绕组以及六组反电动势接入电机中点O2。如果O1和O2之间存在外部接地回路，共模电流就可以传导。只有在六组开关电压之和保持为零的情况下，才能没有共模电流的问题。考虑到两个三相绕组对应的反电动势的一致，可以将对应相的两个反电动势合并为一个反电动势，得到图6所示电路。此时，两个并联逆变器对应相的电压之差(VA1-VA2，VB1-VB2，VC1-VC2)产生的环流由电机绕组电感抑制，即并联逆变器六相输出端在接入模块化电机后，不需要再设置额外的耦合电感来并联逆变器，而是采用电机本身实现并联，省去了耦合电感部件。
本发明中的电机驱动拓扑结构是已经在电动汽车中得到了应用的结构。本发明是在其基础上提出的优化和保护系统的控制方法，属于调制方法上的创新。本发明能够直接应用于主流的电动汽车电机驱动系统中，应用简单实用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化电机系统，其特征在于，包括：电机本体和用于驱动电机的脉宽调制电路；所述电机本体包括：电机定子和转子，所述转子嵌套于所述定子内且与其同轴放置，所述定子中的绕组用于接入外部交流电源使其在电机内部产生合成的旋转磁场，转子表贴的磁钢用于与定子产生的旋转磁场作用形成转矩从而驱动转子旋转；
所述脉宽调制电路包括：连接于同一个直流母线电源的两套三相逆变器，用于控制两套三相逆变器的控制电路和采样反馈电路；两套三相逆变器用于产生交流电压输入至电机定子绕组中；所述控制电路用于产生逆变器的脉宽调制驱动信号和处理采样反馈信号；所述采样反馈电路用于采集电机定子绕组电流和转子位置信息并送入至所述控制电路中。
2.如权利要求1所述的模块化电机系统，其特征在于，电机中两套三相绕组的对应相之间具有相同的反电动势，且两套绕组对应相之间无耦合，两套绕组产生的转矩叠加在转子上。
3.如权利要求1或2所述的模块化电机系统，其特征在于，在电机的绕组中，一台电机所包含的单元电机的个数为定子槽数和极数的最大公约数。
4.如权利要求3所述的模块化电机系统，其特征在于，所有单元电机数为偶数的槽极配合。
5.如权利要求1-4任一项所述的模块化电机系统，其特征在于，所述电机本体为三相同步电机或三相异步电机。
6.如权利要求1-4任一项所述的模块化电机系统，其特征在于，所述电机转子为绕线式或永磁式；所述定子绕组为分数槽集中绕组或整数槽分布绕组。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的模块化电机系统的驱动控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
通过参考电压指令Vd，Vq计算参考合成电压矢量V*的幅值和相角；
通过参考合成电压相角θ确定所述参考合成电压矢量V*所在的扇区；并根据V*的幅值和矢量分解原理计算出两个并联电压矢量所需作用的时间t1、t2；
根据两个并联电压矢量所需作用的时间获得一个周期内的并联电压零矢量作用时间t0＝Ts-t1-t2；
根据所述作用时间将对应的并联电压矢量的作用均匀分配给两个并联的逆变器以保证对应相在一个开关周期输出的占空比相同；并将一个开关周期分为7段，其时间排序为(t0/4，t1/2，t2/2，t0/2，t1/2，t2/2，t0/4)，将后半周期的t1/2和t2/2两个时间分段的顺序互换，保证一个开关周期内每相开关状态只变换两次，减小开关次数；
根据每相的开关状态和时间生成并联逆变器所需的驱动信号进而实现所需的参考电压输出。
8.如权利要求7所述的驱动控制方法，其特征在于，确定V*所在的扇区具体为：当空间向量图中合成向量角度-30°≤θ≤30°时，参考合成电压矢量V*落在扇区1的区间内，选择扇区1对应的相邻的两个并联电压矢量(210)和(201)作为合成V*的基本矢量。
9.如权利要求7所述的驱动控制方法，其特征在于，所述参考合成电压矢量V*的幅值所述相角
10.如权利要求7所述的驱动控制方法，其特征在于，两个并联电压矢量所需作用的时间t1、t2通过如下公式计算；
其中θ为参考电压矢量与扇区开始的并联电压矢量的夹角，Vc为并联电压矢量的幅值，t1、t2为扇区的两个并联电压矢量的作用时间，Ts为开关周期。
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