CN107659229B - 一种基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统 - Google Patents

一种基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统；在传统不对称半桥变换器的基础上，对上、下母线均进行分裂连接，采用两个电流传感器，分别检测上、下母线电流信息。其中一个母线电流包含了两相电流信息，另一个母线电流包含了另外两相电流信息。通过结合各相绕组的开通区间信息，可以有效地获得各相导通区间内的励磁电流，从而进行电流控制。本发明只需要两个电流传感器就可以检测出各相绕组在开通区间内的励磁电流，减少了传统电流传感器使用数量的一半。本方案不需要对各相进行脉冲注入，也不需要借助额外硬件设备，直接根据双母线采样电流和各相开通信息即可获得各相励磁电流，方法简单可靠，易于实施。

Description

一种基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统。
背景技术
开关磁阻电机是一种新型电机，与传统交流电机相比，具有结构简单坚固、启动转矩大、调速范围宽、效率高、高速性能好等一系列优点。电机转子上没用绕组，定子上有集中绕组，定、转子全部采用硅钢片制成。和传统永磁电机相比，开关磁阻电机可以在很高的转速下保持高性能运行。因此，开关磁阻电机是一种极具竞争力的电机，可以广泛地应用于工业中。如图1所示，开关磁阻电机系统由开关磁阻电机、功率变换器、位置传感器、电流传感器和控制器组成，是机电一体化的调速装置。
开关磁阻电机是该系统中实现机电能量装换的部件，为负载提供输出转矩。功率变换器是电机系统的核心，为电机系统提供能量转换，电源可采用蓄电池或者交流电整流后得到的直流电供电。图2所示为开关磁阻电机最常用的不对称半桥功率变换器，每一相由两个开关管和两个续流二极管组成，由于其各相绕组之间相互独立、容错性能好、稳定性强而得到广泛应用。转子位置检测模块用来检测电机的转子位置，为电机各相绕组的开通和关断提供信息；电流检测模块用于检测电机绕组中的各相电流，一般每相绕组各用一个电流传感器检测相电流信息用于电机控制；控制器模块综合处理速度指令、速度反馈信号、转子位置信息和相电流信息，控制功率变换器中主开关器件的开通与关断，实现对电机运行状态的控制。
图3为开关磁阻电机功率变换器一相运行时三个阶段的原理示意图，包括励磁模式、零电压续流模式和退磁模式。考虑到减小转矩脉动，降低开关损耗，提高系统效率，实际应用中常采用单管斩波的方式。例如，A相导通阶段，上开关管S1实行斩波控制，下开关管S2保持开通，电源向绕组供电，当上管开通时，绕组两端承受正母线电压，如图3(a)，当上管关断时，绕组两端电压为零，如图3(b)；退磁阶段，上、下开关管S1和S2均关断，电流通过续流二极管D1和D2进行续流，绕组两端承受负母线电压，如图3(c)。
图4为各相绕组电流与各相开关管驱动信号之间的关系示意图。其中S1和 S2是A相上管和下管的驱动信号，S3和S4是B相上管和下管的驱动信号，S5和S6是C相上管和下管的驱动信号，S7和S8是D相上管和下管的驱动信号，ia， ib和id分别为A相、B相、C相和D相绕组的电流。开关磁阻电机系统的电流控制是针对各相绕组开通区间内的电流进行斩波控制，因此只需要获得绕组开通区间内(即图3(a)-(b)阶段)的电流信息即可。
为了实现电机系统的电流控制，必须要获得各相绕组的电流信息，一般的方法是在每相绕组上分别放置一个电流传感器来进行电流采样，以获得准确的采样电流，如图5所示。而对于多相开关磁阻电机，必然引起电流传感器数量、系统体积以及系统成本的增加。同时，若只采用一个母线电流传感器就行相电流重构，必须使用高频脉冲注入的方法，必然会导致电压损失、电流畸变、效率降低等一系列负面影响。因此，本发明对上、下母线进行分裂，采用两个电流传感器，既将电流传感器的使用数量减少了一半，又不需要使用复杂的脉冲注入方法，提高了采样的准确性和可靠性。
发明内容
本发明提出了一种基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统，无需额外硬件电路，也无需额外的高脉冲注入和复杂的控制方法，只需将上、下母线同时进行分裂，利用两个电流传感器对分裂的双母线电流进行采样，结合各相导通区间信息，即可获得各相励磁电流信息用于电机控制，方法简单、可靠、易于实施。
基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、具有分裂双母线的功率变换器、电流传感器、转子位置检测装置以及控制器；其特征在于：所述的开关磁阻电机具有四相定子绕组La、Lb、Lc、Ld；所述的功率变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；所述的功率变换器上母线分裂成两部分，下母线分裂成两部分；所述的转子位置检测装置用于检测开关磁阻电机的转子位置角进而计算出开关磁阻电机的转速；所述的电流传感器个数为两个，分别用于检测功率变换器的母线分裂后的上、下母线电流；所述的控制器根据双母线电流确定开关磁阻电机各相定子绕组的励磁电流，进而基于绕组励磁电流、转子位置角和转速，通过相应控制算法为功率变换器中的功率开关器件提供驱动信号。
所述的功率变换器包括八个开关管S1～S8、八个续流二极管D1～D8、一个母线电容C、一个上母线电流传感器和一个下母线电流传感器；变换器的上母线分裂为两个部分，其中一部分由开关管S3和S7的一端单独连接并经过上母线电流传感器连接至电源的正极；变换器的下母线同样分裂为两个部分，其中一部分由开关管S2和S6的一端单独连接并经过下母线电流传感器连接至电源的负极；开关管S1的一端、开关管S5的一端、二极管D1的阴极、二极管D3的阴极、二极管D5的阴极和二极管D7的阴极相连并连接母线电容的一端以及外部直流电源的正极，开关管S3的一端和开关管S7的一端连接上母线电流传感器的一端，上母线电流传感器的另一端与母线电容的一端以及外部直流电源的正极相连；开关管S1的另一端与定子绕组La的一端和二极管D2的阴极相连，开关管S3的另一端与定子绕组Lb的一端和二极管D4的阴极相连，开关管S5的另一端与定子绕组Lc的一端和二极管D6的阴极相连，开关管S7的另一端与定子绕组Ld的一端和二极管D8的阴极相连；定子绕组La的另一端与二极管D1的阳极和开关管S2的一端相连，定子绕组Lb的另一端与二极管D3的阳极和开关管S4的一端相连，定子绕组Lc的另一端与二极管D5的阳极和开关管S6的一端相连，定子绕组Ld的另一端与二极管D7的阳极和开关管S8的一端相连；二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、二极管D6的阳极、二极管D8的阳极、开关管S4的另一端和开关管S8的另一端相连，并连接母线电容的另一端以及外部直流电源的负极，开关管S2的另一端和开关管S6的另一端连接下母线电流传感器的一端，下母线电流传感器的另一端与母线电容的另一端以及外部直流电源的负极相连；上、下两个母线电流传感器用于检测分裂母线的电流，并获得开通区间内相励磁电流的信息用于电机系统的电流控制；八个开关管S1～S8的门极接收控制器提供的驱动信号。
所述的八个开关管S1～S8均采用CoolMOS管或者IGBT。
所述的八个续流二极管D1～D8均采用快恢复二极管。
上述开关磁阻电机系统的绕组励磁电流的获取方法如下：
上母线电流传感器用于检测B相和D相绕组的电流。由于B相和D相绕组的励磁电流不重叠，不会同时流过上母线电流传感器，因此，根据B相和D相的开通区间信息以及上母线电流采样可以直接得到B相和D相绕组在开通区间内的励磁电流。相似地，下母线电流传感器用于检测A相和C相绕组的电流。由于A相和C相绕组的励磁电流不重叠，不会同时流过下母线电流传感器，因此，根据A相和C相的开通区间信息以及下母线电流采样可以直接得到A相和 C相绕组在开通区间内的励磁电流。所得到的各相励磁电流可以直接用来进行各相的电流控制。
本发明通过对开关磁阻电机系统的绕组电流以及驱动信号进行分析，提出一种新型的简单可靠的双母线电流采样方式。在传统不对称半桥变换器的基础上，对上、下母线均进行分裂，采用两个电流传感器，分别检测上、下母线电流信息。其中一个母线电流包含了其中两相电流信息，另一个母线电流包含了另外两相电流信息。通过结合各相绕组的开通区间信息，可以有效地获得各相导通区间内的励磁电流。本发明只需要两个电流传感器就可以检测出各相绕组在开通区间内的励磁电流，用于电机控制，减少了传统电流传感器使用数量的一半。本方案不需要对各相进行脉冲注入，直接根据双母线采样电流和各相开通信息即可获得各相励磁电流，方法简单可靠，易于实施。
附图说明
图1为四相8/6极开关磁阻电机驱动系统结构示意图。
图2为四相开关磁阻电机不对称半桥变换器结构示意图。
图3(a)为变换器某一相导通时的励磁电流方向。
图3(b)为变换器某一相零电压续流时的励磁电流方向。
图3(c)为变换器某一相退磁时的退磁电流方向。
图4为开关磁阻电机四相电流与驱动信号之间的关系。
图5为传统相电流采样的电流传感器放置位置。
图6为本发明双母线分裂电流采样的变换器结构及电流传感器放置。
图7(a)为新系统中A相和B相同时导通时的电流方向。
图7(b)为新系统中A相零电压续流和B相导通时的电流方向。
图7(c)为新系统中A相导通和B相零电压续流时的电流方向。
图7(d)为新系统中A相和B相同时零电压续流时的电流方向。
图7(e)为新系统中B相和C相同时导通时的电流方向。
图7(f)为新系统中B相零电压续流和C相导通时的电流方向。
图7(g)为新系统中B相导通和C相零电压续流时的电流方向。
图7(h)为新系统中B相和C相同时零电压续流时的电流方向。
图8为本发明四相8/6极开关磁阻电机系统的结构示意图。
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对本发明的技术方案及相关工作原理进行详细说明。
如图8所示，本发明是一种基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统，包括四相8/6极开关磁阻电机、双母线分裂功率变换器、编码器、电流传感器以及电流和转速控制器；
如图6所示，本实施方式所用的变换器包括八个开关管S1～S8、八个续流二极管D1～D8、一个母线电容C、一个上母线电流传感器和一个下母线电流传感器；变换器的上母线分裂为两个部分，其中一部分由开关管S3和S7的一端单独连接并经过上母线电流传感器连接至电源的正极；变换器的下母线同样分裂为两个部分，其中一部分由开关管S2和S6的一端单独连接并经过下母线电流传感器连接至电源的负极；开关管S1的一端、开关管S5的一端、二极管D1的阴极、二极管D3的阴极、二极管D5的阴极和二极管D7的阴极相连并连接母线电容的一端以及外部直流电源的正极，开关管S3的一端和开关管S7的一端连接上母线电流传感器的一端，上母线电流传感器的另一端与母线电容的一端以及外部直流电源的正极相连；开关管S1的另一端与定子绕组La的一端和二极管D2的阴极相连，开关管S3的另一端与定子绕组Lb的一端和二极管D4的阴极相连，开关管S5的另一端与定子绕组Lc的一端和二极管D6的阴极相连，开关管S7的另一端与定子绕组Ld的一端和二极管D8的阴极相连；定子绕组La的另一端与二极管D1的阳极和开关管S2的一端相连，定子绕组Lb的另一端与二极管D3的阳极和开关管S4的一端相连，定子绕组Lc的另一端与二极管D5的阳极和开关管S6的一端相连，定子绕组Ld的另一端与二极管D7的阳极和开关管S8的一端相连；二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、二极管D6的阳极、二极管D8的阳极、开关管S4的另一端和开关管S8的另一端相连，并连接母线电容的另一端以及外部直流电源的负极，开关管S2的另一端和开关管S6的另一端连接下母线电流传感器的一端，下母线电流传感器的另一端与母线电容的另一端以及外部直流电源的负极相连；上、下两个母线电流传感器用于检测分裂母线的电流，并获得开通区间内相励磁电流的信息用于电机系统的电流控制；八个开关管S1～S8的门极接收控制器提供的驱动信号。
为了保证两个母线电流传感器可以检测到各相开通区间内的完整的励磁电流，在A相和C相各自开通区间内，A相和C相的上管S1和S5作为斩波管，A 相和C相的下管S2和S6保持开通；在B相和D相各自开通区间内，B相和D 相的下管S4和S8作为斩波管，B相和D相的上管S3和S7保持开通；通过这种控制方式，下母线电流传感器可以检测完整的A相和C相励磁电流，上母线电流传感器可以检测完整的B相和D相励磁电流。
图7展示了A、B、C相开通区间内的工作状态和励磁电流方向。图7(a)为新系统中A相和B相同时导通时的电流方向。图7(b)为新系统中A相零电压续流和B相导通时的电流方向。图7(c)为新系统中A相导通和B相零电压续流时的电流方向。图7(d)为新系统中A相和B相同时零电压续流时的电流方向。图 7(e)为新系统中B相和C相同时导通时的电流方向。图7(f)为新系统中B相零电压续流和C相导通时的电流方向。图7(g)为新系统中B相导通和C相零电压续流时的电流方向。图7(h)为新系统中B相和C相同时零电压续流时的电流方向。在A相和B相开通区间内，不论A相和B相是在零电压续流还是导通状态下， A相励磁电流始终流过下母线电流传感器，B相励磁电流始终流过上母线电流传感器，如图7(a)～(d)所示。相似地，在B相和C相开通区间内，不论B相和C 相是在零电压续流还是导通状态下，B相励磁电流始终流过上母线电流传感器， C相励磁电流始终流过下母线电流传感器，如图7(e)～(h)所示。根据开关磁阻电机运行原理，由于A相和C相不会同时导通，下母线电流传感器检测到的A相和C相励磁电流是自然分开的，因此，可以直接根据A相和C相的开通区间获得各自的励磁电流。同样，B相和D相不会同时导通，上母线电流传感器检测到的B相和D相励磁电流也是自然分开的，因此，可以直接根据B相和D相的开通区间获得各自的励磁电流。
结合图4进行进一步说明。在区间I内，A相和B相都处于开通区间内。根据以上分析，B相电流ib流过上母线电流传感器，A相电流ia流过下母线电流传感器，如图7(a)～(d)。因此，在区间I内的双母线电流可以表示为：
其中，ibus1和ibus2分别为上母线电流和下母线电流。
在区间II内，B相电流仍然流过上母线电流传感器，A相关断。此时A相处于退磁阶段，A相退磁电流通过续流二极管D1和D2返回直流母线，不会经过任何一个母线电流传感器。因此，在区间II内的双母线电流可以表示为：
相似地，在区间III内，B相和C相都处于开通区间内。，B相电流ib流过上母线电流传感器，C相电流ic流过下母线电流传感器，如图7(e)～(h)。因此，在区间III内的双母线电流可以表示为：
在区间IV内，B相关断，C相仍然处于开通区间。此时B相处于退磁阶段， B相退磁电流通过续流二极管D3和D4返回直流母线，不会经过任何一个母线电流传感器。因此，在区间IV内的双母线电流可以表示为：
从以上分析可以很清楚地看到，两个母线电流传感器可以直接检测出各相绕组在开通区间内的励磁电流，而不需要额外的控制和硬件投入。
变换器中各开关管的开关函数定义为：
其中，S2、S3、S6、S7为非斩波管的驱动信号。
因此，双母线电流可以用相电流与驱动信号来表示，即：
双母线电流与各相开关状态在四相轮流导通周期内的关系如表1所示。从表中可以很清楚看到，上母线电流ibus1可以检测B相和D相的励磁电流，下母线电流ibus2可以检测A相和C相的励磁电流。在每个开关状态下，两个母线电流最多都只包含一相励磁电流信息。
表1
因此，根据双母线电流以及各相开关状态，可以得到A、B、C、D相在开通区间内的励磁电流，用于电机控制。各相励磁电流表示为：
。

Claims (4)

1.一种基于双母线分裂电流采样的开关磁阻电机系统，包括开关磁阻电机、具有分裂双母线的功率变换器、电流传感器、转子位置检测装置以及控制器；其特征在于：所述的开关磁阻电机具有四相定子绕组La、Lb、Lc、Ld；所述的功率变换器用于为开关磁阻电机的各相定子绕组提供励磁；所述的功率变换器上母线分裂成两部分，下母线分裂成两部分；所述的转子位置检测装置用于检测开关磁阻电机的转子位置角进而计算出开关磁阻电机的转速；所述的电流传感器个数为两个，分别用于检测功率变换器的分裂母线的上、下母线电流；所述的控制器根据双母线电流确定开关磁阻电机各相定子绕组的励磁电流，进而基于绕组励磁电流、转子位置角和转速，为功率变换器中的功率开关器件提供驱动信号；
所述的功率变换器包括八个开关管S1~S8、八个续流二极管D1~D8、一个母线电容C、一个上母线电流传感器和一个下母线电流传感器；功率变换器的上母线分裂为两个部分，下母线同样分裂为两个部分；开关管S1的一端、开关管S5的一端、二极管D1的阴极、二极管D3的阴极、二极管D5的阴极和二极管D7的阴极相连并连接母线电容的一端以及外部直流电压源的正极，开关管S3的一端和开关管S7的一端连接上母线电流传感器的一端，上母线电流传感器的另一端与母线电容的一端以及外部直流电源的正极相连；开关管S1的另一端与定子绕组La的一端和二极管D2的阴极相连，开关管S3的另一端与定子绕组Lb的一端和二极管D4的阴极相连，开关管S5的另一端与定子绕组Lc的一端和二极管D6的阴极相连，开关管S7的另一端与定子绕组Ld的一端和二极管D8的阴极相连；定子绕组La的另一端与二极管D1的阳极和开关管S2的一端相连，定子绕组Lb的另一端与二极管D3的阳极和开关管S4的一端相连，定子绕组Lc的另一端与二极管D5的阳极和开关管S6的一端相连，定子绕组Ld的另一端与二极管D7的阳极和开关管S8的一端相连；二极管D2的阳极、二极管D4的阳极、二极管D6的阳极、二极管D8的阳极、开关管S4的另一端和开关管S8的另一端相连，并连接母线电容的另一端以及外部直流电压源的负极，开关管S2的另一端和开关管S6的另一端连接下母线电流传感器的一端，下母线电流传感器的另一端与母线电容的另一端以及外部直流电源的负极相连；上、下两个母线电流传感器用于检测分裂母线的电流，并获得开通区间内相励磁电流的信息用于电机系统的电流控制；八个开关管S1~S8的门极接收控制器提供的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的八个开关管S1~S8均采用CoolMOS管或者IGBT。
3.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统，其特征在于：所述的八个二极管D1~D8均采用快恢复二极管。
4.根据权利要求1所述的开关磁阻电机系统，双母线电流检测以及各相励磁电流的获取方法如下：
上母线电流传感器用于检测B相和D相绕组的电流；由于B相和D相绕组的励磁电流不重叠，不会同时流过上母线电流传感器，因此，根据B相和D相的开通区间信息以及上母线电流采样可以直接得到B相和D相绕组在开通区间内的励磁电流；相似地，下母线电流传感器用于检测A相和C相绕组的电流；由于A相和C相绕组的励磁电流不重叠，不会同时流过下母线电流传感器，因此，根据A相和C相的开通区间信息以及下母线电流采样可以直接得到A相和C相绕组在开通区间内的励磁电流；所得到的各相励磁电流可以直接用来进行各相的电流控制。
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