CN109120201B - 一种开关磁阻电机相电流重构方法 - Google Patents

一种开关磁阻电机相电流重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种开关磁阻电机相电流重构方法，在不改变不对称半桥型功率变换器拓扑的条件下，采用两个电流传感器实现相电流重构。首先将两个电流传感器分别安装在功率变换器的上母线中点和下母线中点位置，其次将开关磁阻电机的一个转子周期分为8个区间，然后在每个区间通过改变相电流的路径来使两相的相电流分别通过上母线电流传感器和下母线电流传感器，从而实现开关磁阻电机各相电流重构。本发明所述的相电流重构方法降低了开关磁阻电机系统的成本，提高了系统的可靠性，具有良好的工程应用价值。

Description

一种开关磁阻电机相电流重构方法
技术领域
本发明涉及一种开关磁阻电机相电流重构方法，尤其适用于任意相数的开关磁阻电机相电流重构。
背景技术
开关磁阻电机由于其结构简单，容错性能好等优点而被广泛地运用于家用电器，电动汽车以及航空工业中。传统的开关磁阻电机相电流获取方法主要是通过在开关磁阻电机各相都安装一个电流传感器，对于四相开关磁阻电机系统，则需要四个电流传感器，而传感器越多不仅会增加了系统的成本，同时也降低了系统的可靠性，在电机的运行过程中，最多只存在两个电流传感器同时工作，故提出一种相电流重构方法，采用两个电流传感器进行相电流重构，既降低了系统的成本，也提高了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的是针对开关磁阻电机系统存在的问题，提出一种相电流重构方法。
本发明提出的相电流重构方法：
针对四相开关磁阻电机，在不改变不对称半桥型功率变换器拓扑的基础上，对四相绕组的节点位置进行适当的修改，分别在功率变换器的上母线中点和下母线中点位置上各安装一个电流传感器来检测开关磁阻电机A、B、C、D四相的电流，达到相电流重构的目的；
开关磁阻电机采用软斩波控制策略时，功率变换器会有四种工作状态：励磁状态、下零电压续流状态、上零电压续流状态、负电压续流状态；
首先将开关磁阻电机的一个转子周期分为8个区间：A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2；在A1区间有5种工作情况，当A相处于下零电压续流状态，B相处于关断状态时，ia＝il；当A相处于励磁状态，B相处于励磁状态时，ia＝il，ib＝iu；当A相处于励磁状态，B相处于下零电压续流状态时，ia-ib＝il；当A相处于下零电压续流状态，B相处于励磁状态时，ia＝il，ib＝iu；当A相处于下零电压续流状态，B相处于下零电压续流状态时，ia-ib＝il；由于当B相处于下零电压续流状态，且A相分别处于励磁状态或者下零电压续流状态时，A相电流和B相电流同时通过了电流传感器CSl，因此解耦合方法为：开通开关管S5，关闭开关管S2，使B相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过电流传感器CSu，ib＝iu，A相电流通过电流传感器CSl，ia＝il；
在A2区间有两种工作情况，当A相处于负电压续流状态，B相处于励磁状态时，ib-ia＝iu；当A相处于负电压续流状态，B相处于下零电压续流状态时，ia＝-iu，ib＝-il；由于第一种工作情况下，A相电流和B相电流同时通过了电流传感器CSu，因此解耦合的方法为：开通开关管S6，使A相由负电压续流状态转换为下零电压续流状态，此时A相电流通过电流传感器CSl，ia＝il，B相电流通过电流传感器CSu，ib＝iu；
在B1区间有5种工作情况，当B相处于下零电压续流状态，C相处于关断状态时，ib＝-il；当B相处于励磁状态，C相处于励磁状态时，ib＝iu，ic＝il；当B相处于励磁状态，C相处于下零电压续流状态时，ib＝iu，ic＝il；当B相处于下零电压续流状态，C相处于励磁状态时，ic-ib＝il；当B相处于下零电压续流状态，C相处于下零电压续流状态时，ic-ib＝il；由于当B相处于下零电压续流状态，且C相分别处于励磁状态或者下零电压续流状态时，B相电流和C相电流同时通过了电流传感器CSl，因此解耦合的方法为：开通开关管S5，关闭开关管S2，使B相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过电流传感器CSu，ib＝iu，C相电流通过电流传感器CSl，ic＝il；
在B2区间有两种工作情况，当B相处于负电压续流状态，C相处于励磁状态时，ic-ib＝il；当B相处于负电压续流状态，C相处于下零电压续流状态时，ic-ib＝il；由于第一种工作情况下，B相电流和C相电流同时通过了电流传感器CSl，因此解耦合的方法为：开通开关管S5，使B相由负电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过电流传感器CSu，ib＝iu，C相电流通过电流传感器CSl，ic＝il；由于第二种工作情况下，B相电流和C相电流也同时通过了电流传感器CSl，因此解耦合的方法为：开通开关管S3，关断开关管S8，使C相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时C相电流通过电流传感器CSu，ic＝iu，B相电流通过电流传感器CSl，ib＝il；
在C1区间的情况与A1区间的情况相同，当D相处于下零电压续流状态，C相分别处于励磁状态和下零电压续流状态时，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S7，关闭开关管S4，使D相由下零电压续流状态转换到上零电压续流状态；
在C2区间的情况与A2区间的情况相同，当C相处于负电压续流状态，D相处于励磁状态时，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S8，使C相由负电压续流状态转换到下零电压续流状态；
在D1区间的情况与B1区间的情况相同，当D相处于下零电压续流状态，A相分别处于励磁状态和下零电压续流状态时，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S7，关闭开关管S4，使D相由下零电压续流状态转换到上零电压续流状态；
在D2区间的情况与B2区间的情况相同，当D相处于负电压续流状态，A相处于励磁状态，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S7，使D相由负电压续流状态转换为上零电压续流状态；当D相处于负电压续流状态，A相处于下零电压续流状态，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S1，关闭开关管S6，使A相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态；
因此，本发明提出的开关磁阻电机相电流重构方法在整个转子周期内可实现A、B、C、D四相电流重构。
增益效果：本发明提出的相电流重构方法在不改变功率变换器拓扑的情况下实现了开关磁阻电机四相电流重构，减少了电流传感器的使用数量，降低了开关磁阻电机系统的成本，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1是本发明的四相开关磁阻电机拓扑图。
图2是开关磁阻电机A相工作状态图。
图3是开关磁阻电机一个转子周期的区间划分图。
图4是A1区间A、B两相电流耦合路径图。
图5是A1区间A、B两相电流解耦路径图。
图6是A2区间A、B两相电流耦合路径图。
图7是A2区间A、B两相电流解耦路径图。
图8是B1区间B、C两相电流解耦路径图。
图9是B2区间B、C两相电流解耦路径图。
具体实施方式
针对本发明的一个实施例结合附图作进一步描述：
针对四相开关磁阻电机，在不改变不对称半桥型功率变换器拓扑的基础上，对四相绕组的节点位置进行适当的修改，如图1所示，在功率变换器的上母线中点和下母线中点位置上分别安装一个电流传感器CSu和CSl来检测开关磁阻电机A、B、C、D四相的电流；图中Us为直流电源，C为电容，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8为功率开关管，D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8为二级管，LA、LB、LC、LD分别为开关磁阻电机A、B、C、D四相的绕组，ia、ib、ic、id分别为A、B、C、D四相的相电流，iu为通过电流传感器CSu的电流，il为通过电流传感器CSl的电流。
开关磁阻电机采用软斩波控制策略时，功率变换器会有四种工作状态以A相为例如图2所示：励磁状态、下零电压续流状态、上零电压续流状态、负电压续流状态；当上开关管为斩波管，下开关管为位置管时，功率变换器会工作在励磁状态、下零电压续流状态、负电压续流状态之间，当上开关管为位置管，下开关管为斩波管时，功率变换器会工作在励磁状态、上零电压续流状态、负电压续流状态之间；本实施例采用上开关管为斩波管，下开关管为位置管的软斩波策略。
首先将开关磁阻电机的一个转子周期分为8个区间：A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2，如图3所示。图中DS1为A相的斩波信号，DS6为A相的位置信号，DS5为B相的斩波信号，DS2为B相的位置信号，DS3为C相的斩波信号，DS8为C相的位置信号，DS7为D相的斩波信号，DS4为D相的位置信号，iph为A、B、C、D四相的电流，time为时间轴。
在A1区间有5种工作情况，第一种工作情况为A相处于下零电压续流状态，B相处于关断状态，此时ia＝il；第二种工作情况为A相处于励磁状态，B相处于励磁状态，此时ia＝il，ib＝iu；第三种工作情况为A相处于励磁状态，B相处于下零电压续流状态，此时ia-ib＝il；第四种工作情况为A相处于下零电压续流状态，B相处于励磁状态，此时ia＝il，ib＝iu；第五种工作情况为A相处于下零电压续流状态，B相处于下零电压续流状态，此时ia-ib＝il；针对第三种和第五种工作情况，如图4所示，B相都处于下零电压续流状态，A相分别处于励磁状态和下零电压续流状态，A相电流和B相电流同时通过了电流传感器CSl，因此解耦合方法为：开通开关管S5，关闭开关管S2，使B相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过电流传感器CSu，ib＝iu，A相电流通过电流传感器CSl，ia＝il；A、B两相电流解耦路径如图5所示。
在A2区间有两种工作情况，第一种工作情况为A相处于负电压续流状态，B相处于励磁状态，此时ib-ia＝iu；第二种工作情况为A相处于负电压续流状态，B相处于下零电压续流状态，此时ia＝-iu，ib＝-il；针对第一种工作情况，如图6所示，A相电流和B相电流同时通过了电流传感器CSu，因此解耦合的方法为：开通开关管S6，使A相由负电压续流状态转换为下零电压续流状态，此时A相电流通过电流传感器CSl，ia＝il，B相电流通过电流传感器CSu，ib＝iu；A、B两相电流解耦路径如图7所示。
在B1区间有5种工作情况，第一种工作情况为B相处于下零电压续流状态，C相处于关断状态，此时ib＝-il；第二种工作情况为B相处于励磁状态，C相处于励磁状态，此时ib＝iu，ic＝il；第三种工作情况为B相处于励磁状态，C相处于下零电压续流状态，此时ib＝iu，ic＝il；第四种工作情况为B相处于下零电压续流状态，C相处于励磁状态，此时ic-ib＝il；第五种工作情况为B相处于下零电压续流状态，C相处于下零电压续流状态，此时ic-ib＝il；针对第四种和第五种工作情况，B相都处于下零电压续流状态，C相分别处于励磁状态和下零电压续流状态，此时B相电流和C相电流同时通过了电流传感器CSl，因此解耦合的方法为：开通开关管S5，关闭开关管S2，使B相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过电流传感器CSu，ib＝iu，C相电流通过电流传感器CSl，ic＝il；B、C两相电流解耦路径如图8所示。
在B2区间有两种工作情况，第一种工作情况为B相处于负电压续流状态，C相处于励磁状态，此时ic-ib＝il；第二种工作情况为B相处于负电压续流状态，C相处于下零电压续流状态，此时ic-ib＝il；针对第一种工作情况，B相电流和C相电流同时通过了电流传感器CSl，因此解耦合的方法为：开通开关管S5，使B相由负电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过电流传感器CSu，ib＝iu，C相电流通过电流传感器CSl，ic＝il；针对第二种工作情况，B相电流和C相电流也同时通过了电流传感器CSl，因此解耦合的方法为：开通开关管S3，关断开关管S8，使C相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时C相电流通过电流传感器CSu，ic＝iu，B相电流通过电流传感器CSl，ib＝il；两种工作情况下B、C两相电流解耦路径如图9所示。
在C1区间的情况与A1区间的情况相同，当D相处于下零电压续流状态，C相分别处于励磁状态和下零电压续流状态时，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S7，关闭开关管S4，使D相由下零电压续流状态转换到上零电压续流状态。
在C2区间的情况与A2区间的情况相同，当C相处于负电压续流状态，D相处于励磁状态时，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S8，使C相由负电压续流状态转换到下零电压续流状态。
在D1区间的情况与B1区间的情况相同，当D相处于下零电压续流状态，A相分别处于励磁状态和下零电压续流状态时，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S7，关闭开关管S4，使D相由下零电压续流状态转换到上零电压续流状态。
在D2区间的情况与B2区间的情况相同，当D相处于负电压续流状态，A相处于励磁状态，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S7，使D相由负电压续流状态转换为上零电压续流状态；当D相处于负电压续流状态，A相处于下零电压续流状态，出现相电流耦合，解耦合的方法为：开通开关管S1，关闭开关管S6，使A相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态。
因此，本发明提出的开关磁阻电机相电流重构方法在整个转子周期内可实现A、B、C、D四相电流重构。

Claims (1)

1.一种开关磁阻电机相电流重构方法，其特征在于：
针对四相开关磁阻电机，需要四相不对称半桥功率变换器进行驱动，其四相不对称半桥功率变换器的连接关系如下：第一桥臂由三极管S1和二极管D1组成，其中三极管S1的发射极和二极管D1的阴极相连构成第一桥臂中间结点；第二桥臂由三极管S2和二极管D2组成，其中三极管S2的集电极和二极管D2的阳极相连构成第二桥臂中间结点；
第三桥臂由三极管S3和二极管D3组成，其中三极管S3的发射极和二极管D3的阴极相连构成第三桥臂中间结点；第四桥臂由三极管S4和二极管D4组成，其中三极管S4的集电极和二极管D4的阳极相连构成第四桥臂中间结点；第五桥臂由三极管S5和二极管D5组成，其中三极管S5的发射极和二极管D5的阴极相连构成第五桥臂中间结点；第六桥臂由三极管S6和二极管D6组成，其中三极管S6的集电极和二极管D6的阳极相连构成第六桥臂中间结点；第七桥臂由三极管S7和二极管D7组成，其中三极管S7的发射极和二极管D7的阴极相连构成第七桥臂中间结点；第八桥臂由三极管S8和二极管D8组成，其中三极管S8的集电极和二极管D8的阳极相连构成第八桥臂中间结点；在不改变不对称半桥功率变换器拓扑的基础上，对四相绕组的节点位置进行修改，具体为：A相绕组连接第一桥臂中间结点和第六桥臂中间结点；B相绕组连接在第二桥臂中间结点和第五桥臂中间结点；C相绕组连接在第三桥臂中间结点和第八桥臂中间结点；D相绕组连接在第四桥臂中间结点和第七桥臂中间结点；同时，在四相不对称半桥功率变换器的第四桥臂二极管D4的阳极和第五桥臂三极管S5的集电极连线上安装一个电流传感器，在第四桥臂三极管S4的发射极和第五桥臂D5的阳极连线上安装另外一个电流传感器；通过上述两个传感器来检测开关磁阻电机A、B、C、D四相的电流；
首先将开关磁阻电机的一个转子周期分为8个区间：A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、D2；A1区间是指D相负电压续流结束的时刻到A相开始进入负电压续流的时刻；A2区间是指A相开始进入负电压续流时刻到A相负电压续流结束的时刻；B1区间是指A相负电压续流结束的时刻到B相开始进入负电压续流的时刻；B2区间是指B相开始进入负电压续流的时刻到B相负电压续流结束的时刻；C1区间是指B相负电压续流结束的时刻到C相开始进入负电压续流的时刻；C2区间是C相开始进入负电压续流的时刻到C相负电压续流结束的时刻；D1区间是指C相负电压续流结束的时刻到D相开始进入负电压续流的时刻；D2区间是指D相开始进入负电压续流的时刻到D相负电压续流结束的时刻；其中A相负电压续流是二极管D1和D6导通，A相绕组两端电压为负的母线电压Us；B相负电压续流是二极管D2和D7导通，B相绕组两端电压为负的母线电压Us；C相负电压续流是二极管D3和D8导通，C相绕组两端电压为负的母线电压Us；D相负电压续流是二极管D4和D7导通，D相绕组两端电压为负的母线电压Us；A相励磁是三极管S1和S6导通，A相绕组两端电压为母线电压Us；B相励磁是三极管S2和S5导通，B相绕组两端电压为母线电压Us；C相励磁是三极管S3和S8导通，C相绕组两端电压为母线电压Us；D相励磁是三极管S4和S7导通，D相绕组两端电压为母线电压Us；A相下零电压续流是二极管D1和三极管S6导通，A相绕组两端电压为0电压；B相下零电压续流是二极管D5和三极管S2导通，B相绕组两端电压为0电压；C相下零电压续流是二极管D3和三极管S8导通，C相绕组两端电压为0电压；D相下零电压续流是二极管D7和三极管S4导通，D相绕组两端电压为0电压；A相上零电压续流是二极管D6和三极管S1导通，A相绕组两端电压为0电压；B相上零电压续流是二极管D2和三极管S5导通，B相绕组两端电压为0电压；C相上零电压续流是二极管D8和三极管S3导通，A相绕组两端电压为0电压；D相上零电压续流是二极管D4和三极管S7导通，D相绕组两端电压为0电压；
在A1区间，当A相处于下零电压续流状态，且B相处于关断状态或者励磁状态时，以及当A相和B相同时处于励磁状态时，A、B两相的电流会分别通过上母线电流传感器和下母线电流传感器；当A相处于励磁状态或者下零电压续流状态，且B相处于下零电压续流状态时，A、B两相电流则会同时通过下母线电流传感器，此时解耦合方法为：开通开关管S5，关闭开关管S2，使B相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过上母线电流传感器，A相电流通过下母线电流传感器；
在A2区间，当A相处于负电压续流状态，且B相处于下零电压续流状态时，A、B两相的电流分别通过上母线电流传感器和下母线电流传感器；当A相处于负电压续流状态，且B相处于励磁状态时，A、B两相电流则会同时通过上母线电流传感器，此时解耦合的方法为：开通开关管S6，使A相由负电压续流状态转换为下零电压续流状态，此时A相电流通过下母线电流传感器，B相电流通过上母线电流传感器；
在B1区间，当B相处于下零电压续流状态，且C相处于关断状态时，以及当B相处于励磁状态，且C相处于励磁状态或者下零电压续流状态时，B、C两相电流分别通过上母线电流传感器和下母线电流传感器；当B相处于下零电压续流状态，且C相处于励磁状态或者下零电压续流状态时，B、C两相电流则会同时通过下母线电流传感器，此时解耦合的方法为：开通开关管S5，关闭开关管S2，使B相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过上母线电流传感器，C相电流通过下母线电流传感器；
在B2区间，当B相处于负电压续流状态，且C相处于励磁状态时，B、C两相电流则会同时通过下母线电流传感器，此时解耦合的方法为：开通开关管S5，使B相由负电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时B相电流通过上母线电流传感器，C相电流通过下母线电流传感器；当B相处于负电压续流状态，且C相处于下零电压续流状态时，B、C两相电流也会同时通过下母线电流传感器，此时解耦合的方法为：开通开关管S3，关断开关管S8，使C相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态，此时C相电流通过上母线电流传感器，B相电流通过下母线电流传感器；
在C1区间的情况与A1区间的情况相同，当D相处于下零电压续流状态，且C相处于励磁状态或者下零电压续流状态时，C、D两相电流耦合，此时解耦合的方法为：开通开关管S7，关闭开关管S4，使D相由下零电压续流状态转换到上零电压续流状态；
在C2区间的情况与A2区间的情况相同，当C相处于负电压续流状态，且D相处于励磁状态时，C、D两相电流耦合，此时解耦合的方法为：开通开关管S8，使C相由负电压续流状态转换到下零电压续流状态；
在D1区间的情况与B1区间的情况相同，当D相处于下零电压续流状态，且A相处于励磁状态或者下零电压续流状态时，A、D两相电流耦合，此时解耦合的方法为：开通开关管S7，关闭开关管S4，使D相由下零电压续流状态转换到上零电压续流状态；
在D2区间的情况与B2区间的情况相同，当D相处于负电压续流状态，且A相处于励磁状态时，以及当D相处于负电压续流状态，且A相处于下零电压续流状态时，A、D两相电流耦合，前者解耦合的方法为：开通开关管S7，使D相由负电压续流状态转换为上零电压续流状态；后者解耦合的方法为：开通开关管S1，关闭开关管S6，使A相由下零电压续流状态转换为上零电压续流状态；
因此，该开关磁阻电机相电流重构方法在整个转子周期内可实现A、B、C和D四相电流重构。
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